综掘工作面门型风幕控尘除尘系统粉尘防治研究

马胜利，张 强，龚晓燕

(西安科技大学 机械工程学院，陕西 西安710054)

粉尘危害一直是煤矿安全生产中的重大危害之一[1]。综掘工作面是井下主要的产尘源之一，在未采取任何防尘措施的情况下，综掘工作面粉尘质量浓度高达3 000～5 000 mg/m3，高浓度粉尘不仅威胁煤矿的安全生产，而且对工人的身心健康有极大危害[2-3]。目前，综掘工作面粉尘治理方法主要有煤层注水降尘[4]、掘进机内外喷雾降尘[5]、通风除尘[6]、泡沫降尘[7]和个人防护装置防尘[8]等。虽然这些防尘措施起到了一定作用，但由于各种条件限制，在实际生产中综掘巷道粉尘浓度仍然居高不下[9]。而利用风幕控尘技术，配合抽尘净化措施是目前阻止粉尘扩散的较为有效的方法[10]。

以玉华煤矿2410综掘工作面为工程背景，在其原有的压抽混合式通风除尘的基础上，提出一种新的“门型”风幕控尘除尘系统，采用理论分析、数值模拟和现场实测的方法，仿真分析巷道中的风流场和粉尘场，拟为风幕控尘除尘系统在综掘工作面的应用提供理论指导，为粉尘防治提供新方法。

1 门型风幕控尘除尘系统

综掘工作面风幕控尘除尘系统主要由压风筒、风幕装置、除尘风筒组成。为了不影响掘进机司机的视线，将风幕装置安装在掘进机机体的上方和左右，随掘进机一起移动。门型风幕控尘原理见图1。

图1 门型风幕控尘原理图

风幕控尘除尘系统工作原理：在原有的压抽混合式通风方式下，从风幕装置喷射出的风流，形成一道透明风墙，将工作面产生的高浓度粉尘裹挟控制在掘进机司机前方的粉尘控制区内，粉尘受到风墙阻隔随气幕向上转折[11]，被阻止直接向巷道后方扩散；粉尘沿着风幕流线运移，在抽风筒负压的作用下，含尘风流经抽风筒末端的除尘风机抽排过滤，从而达到净化粉尘的目的。

2 风幕参数计算

为保证风幕的控尘效果，需要足够的风幕射流强度，防止含尘风流冲破风幕，向掘进机司机方向扩散。因此，需通过理论计算来确定风幕装置的风量、射流出口宽度等相关参数的函数关系。风幕卷吸风量Q与其他参数的关系如下[12]：

单位长度风幕装置射流出口出风量Q0为：

Q0=2b0v0

(1)

单位长度风幕射流与射流卷吸风量Qm为[13]：

(2)

单位长度风幕射流卷吸风量Q′为：

(3)

风幕初始射流速度v0与风幕射流出口卷吸风量的关系如下：

(4)

将式(3)代入式(2)即可导出卷吸风量与初始射流速度、出口宽度之间的函数关系式：

(5)

式中:a为紊流系数，取a=0.115；b为自由射流区边界层的厚度，m；s为自由射流区长度，约为0.7H，在2410综掘工作面中风幕射流出口与煤壁的距离H为 0.9 m；b0为风幕射流出口宽度，m。

射流出口宽度、单位长度射流出口卷吸风量与初始射流速度之间的函数关系如图2所示。

图2 单位长度风幕卷吸风量与射流出口宽度关系曲线

由图2可知，当风幕射流出口宽度固定时，增大风幕射流速度会增加风幕卷吸风量；当风幕射流速度固定时，风幕卷吸风量随出口宽度增大而减小。风幕的卷吸风量会影响风幕的控尘效果，卷吸风量相对较大时，风幕卷吸周围空气的能力越强，风幕的隔尘效果就越好[14]。如果风幕卷吸风量过大，则会导致冲击射流区压强升高，风幕两侧会产生大量紊流，由于柯恩达效应，含尘风流会随附壁射流扩散，使得风幕达不到更好的控尘效果[15]。因此应根据实际情况，选择合适的射流出口宽度和射流速度。因为工作面风幕射流出口距煤壁较近，所以选择较大的风幕射流出口宽度和相对较低的初始射流速度以达到风幕控尘所需的卷吸风量。

查阅资料可知，巷道中风速和温度之间有一定的关系，该综掘工作面温度为15～20 ℃，巷道适宜风速为0.5～1.0 m/s，经计算巷道的供风量应为 357～714 m3/min。根据工作面作业人数、瓦斯涌出量及煤矿安全规程要求的最低风速测算出巷道供风量为450 m3/min。由于风幕控尘需要将压风流阻隔在风幕后方，为保证工作面有足够的供风量(平均风速不低于0.25 m/s)，计算得出风幕向工作面的供风量不小于168 m3/min。风幕总长1.35 m，射流出口宽度150 mm，设置风幕出口射流速度为4 m/s，经计算风幕实际总供风量为290 m3/min。FBD型局部通风机供风量为460～740 m3/min，可以满足巷道和风幕的用风需求。

3 几何模型的建立及参数设定

3.1 综掘工作面几何模型

研究对象工作面长度2 000 m，里外段相对高度差为227.05 m。巷道为三心拱形断面，净高3.6 m，巷道截面积S掘=11.9 m2，净断面积S净=11.2 m2。利用Solidworks软件建立巷道几何模型，如图3所示，其长50 m、宽4.4 m、高3.6 m。

图3 综掘工作面几何模型图

压风筒直径1 m，悬挂于巷道左侧，风筒轴线距巷道底板2.5 m，压风口与工作断面的距离随掘进过程而变化；抽风筒直径0.8 m，安装在掘进机悬臂末端与机身的交界处，风筒轴线距巷道底板2.05 m。风幕总长1.35 m，风幕射流出口宽度150 mm，由压入式风筒供风，一方面减少综掘工作面动力装置，另一方面起压风分流的作用。

3.2 边界条件设置

假设产尘过程为匀速喷射，空气不可压缩，选择压力基求解器，时间类型为稳态，选用标准k-ε湍流模型[16]，气体—粉尘为气固两相流运动，选择欧拉—拉格朗日多相流模型[17]。压风口及风幕射流出口类型[18]为Velocity-inlet，抽风口出口类型为Outflow；压风口风速9.6 m/s，水力直径1 m，湍流强度3.18%；抽风口风速-7.5 m/s，水力直径0.8 m，湍流强度2.99%；风幕出口射流速度4 m/s，水力直径0.37 m，湍流强度3.79%。求解算法选用SIMPLEC算法，壁面的边界条件为stationary wall，离散格式为二阶迎风[16]，离散相参数设置如表1 所示。

表1 离散相参数设置

4 数值模拟结果分析

4.1 门型风幕控尘除尘系统风流场

门型风幕控尘除尘系统风流场如图4所示。分别取工作面距底板高度0.5、1.6 m(呼吸带高度)和2.5 m的断面，其风速分布云图如图5所示。

图4 综掘工作面风流场的速度矢量图

图5 距底板不同高度断面风速分布云图

1)由图4可知，射向工作面的压风流受到风幕射流的阻挡，在距工作面6 m处发生偏转，流向回风侧，在巷道做沿程运动，从而阻隔了工作面的含尘风流与压入式风流的物质交换，阻止粉尘向巷道后方扩散。

2)由图5可以看出，风幕射流卷吸工作面附近风流在截割头两侧形成流向抽风口的绕流[9]，在负压作用下进入除尘风机。

3)压风流风速较高，且综掘机较为明显地影响了巷道内流场分布，大部分风流沿巷道壁、顶部做回流运动，小部分风流在综掘机附近与周围流场卷吸形成涡流区。

4.2 门型风幕控尘除尘系统粉尘场

门型风幕控尘除尘系统粉尘场如图6所示，不同断面的粉尘质量浓度ρd分布云图如图7所示。

图6 综掘工作面粉尘质量浓度分布云图

图7 距底板不同高度断面粉尘质量浓度分布云图

1)由图6可知，截割时产生的高浓度粉尘被风幕有效地控制在工作面前方，大部分含尘风流在抽风筒负压作用下被吸入除尘风机净化过滤，只有少部分粉尘穿过风幕，在回风流作用下在巷道内扩散，风幕后方工作区粉尘质量浓度明显降低。由此可见，风幕可以明显降低工作面粉尘浓度。

2)由图7可以看出，粒径较大的粉尘在巷道底板快速沉降，粒径较小的粉尘在巷道顶部漂浮。

3)在同一断面下，回风侧的粉尘质量浓度要高于风筒侧的粉尘质量浓度，高浓度粉尘主要分布于综掘工作面5 m范围内及回风侧附近。

4.3 综掘工作面现场粉尘质量浓度实测对比

在实验室原有的试验平台加装风幕，该平台由粉尘发生器、风幕、压抽风筒组成，试验平台如图8所示。

图8 试验平台

在井下布置测尘点，以距工作面5 m处为起点，在巷道距底板高度1.6 m、距巷道壁0.5 m的行人呼吸带位置每隔5 m布置测点，测尘仪器采用IFC-2防爆型粉尘采样仪，每个位置的粉尘质量浓度测量 3次，然后取平均值。关闭风幕测得压抽混合式的粉尘质量浓度值，然后将实测数据与数值模拟结果进行对比，如图9所示。

图9 呼吸带粉尘质量浓度对比

由图9可知，模拟结果与实测数据基本一致，误差控制在5%以内，验证了模型的准确性。压抽混合式通风除尘时距工作面5 m处粉尘质量浓度高于150 mg/m3，部分粉尘随回风流往巷道后方运移，在距工作面15 m附近，存在涡流区造成粉尘质量浓度高达303.61 mg/m3，之后随着与工作面距离的增大粉尘质量浓度逐渐降低，但巷道呼吸带平均粉尘质量浓度仍达234.76 mg/m3，远超相关标准。采用门型风幕控尘除尘系统后，风幕能有效降低巷道粉尘质量浓度，呼吸带平均粉尘质量浓度为32.67 mg/m3，与未开启风幕(压抽混合式)相比降低了86%，巷道粉尘质量浓度明显降低，工作面环境得到有效改善。

5 结论

1)风幕卷吸风量随射流出口宽度的增大而减小，随射流速度的增大而增大。卷吸风量较大时，有助于提高风幕强度，提高风幕控尘效果，但卷吸风量太大则会产生大量紊流进而影响控尘效果。

2)在原有的压抽混合式通风基础上采用门型风幕控尘除尘系统，门型风幕能有效地将粉尘控制在5 m范围内，配合除尘风机将含尘风流抽排过滤，风幕后方粉尘质量浓度明显降低。

3)通过现场实测，模拟结果与实测数据误差在合理范围内，与压抽混合式通风除尘相比，门型风幕控尘除尘系统粉尘质量浓度降低了86%，显著提高了除尘效果，工作人员作业环境改善明显。