聂文,刘阳昊,程卫民,周刚,薛娇,马骁(山东科技大学 矿业与安全工程学院,矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地,山东 青岛,266590)
多向涡流风幕阻隔粉尘弥散的模拟实验
聂文,刘阳昊,程卫民,周刚,薛娇,马骁
(山东科技大学 矿业与安全工程学院,矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地,山东 青岛,266590)
摘要:针对掘进面迎头粉尘弥散难以控制的难题,设计新型多向涡流风幕发生装置,并基于自行设计的模拟实验平台得出多向涡流风幕风流运移及阻隔粉尘弥散规律。研究结果表明:风流运移规律为多向涡流风幕与迎头距离Lc越大,压抽比Y、压风量Qf及轴径比Z越小,越利于形成风流均指向迎头运移的阻尘风流场。阻隔粉尘弥散规律为粉尘质量浓度基本随巷道断面与迎头距离的增大而减小或波动减小;随着Lc的增大,阻隔粉尘弥散能力先减小后增大;Y、Z 越小,Qf越大,越利于阻隔粉尘弥散。通风参数变至一定值后,形成阻尘风流场的均匀程度及阻隔粉尘弥散能力基本稳定,并确定了实验掘进面较优通风参数为:Lc=20 m,Y=5:4,Qf=300 m3/min,Z=1:9;该参数时全尘、呼吸性粉尘的降尘率平均值分别为95.85%和94.32%。
关键词:掘进面; 多向涡流风幕; 阻尘风流场; 粉尘弥散; 模拟实验
据国家卫生计生委通报,2013年全国共报告职业病26 393例,其中,尘肺病23152例,占87.7%,煤工尘肺病22 050例,占尘肺病总例数的95.2%,而掘进面煤工尘肺病例数约占煤工尘肺病总例数的50%以上,由此可见,预防我国煤工尤其掘进面煤工尘肺病在预防我国职业病的工作中占有重要地位。据实测,掘进面尤其综掘面不采用防尘措施时,迎头粉尘质量浓度可高达3 g/m3,严重威胁了煤工的身体健康[1−2]。目前,国内外主要产煤国掘进面防尘技术主要有喷雾降尘、化学抑尘及通风除尘等,其中,抽风机为除尘风机的长压短抽式通风除尘技术由于具有耗水量小、运行成本低等优点,已成为我国掘进面应用较广泛的防尘技术[3−5]。但传统的单一长压短抽式通风除尘技术仍不能有效控制掘进面迎头的高浓度粉尘大量弥散至有人作业区域,主要原因是难以在有人作业处至迎头间形成风流均指向迎头运移的阻尘风流场[6−8]。实践证明,涡流风幕尤其多向涡流风幕配合抽尘净化技术形成的抽吸气流阻隔捕吸粉尘,是一种可以阻隔粉尘弥散的有效方法[9−11]。国内外学者在研究掘进面风流运移及粉尘弥散方面主要有现场实测、数值模拟及实验测定3种方式,其中,现场实测易受生产条件限制,测定时间及通风参数设置较难得到充分保证;数值模拟在数学模型及边界条件参数设置方面难免会有一定误差,致使数值模拟结果很难完全符合现场实际情况;实验测定方面,国内外学者多是通过相似实验进行,通风参数设置也较简单,因此,现有研究成果难以系统、 准确地得出涡流风幕阻隔掘进面粉尘弥散的规律,现场应用后也一直未达到理想的除尘效果[12−17]。为此,本文作者设计进行与掘进面现场较为一致的多向涡流风幕阻隔粉尘弥散模拟实验,以期为指导掘进面粉尘防治提供参考。
粉尘沿掘进面巷道的弥散,可简化为等强度源一维纵向弥散,从初始时刻t=0 s开始,在某处连续加入粉尘弥散质,弥散方程如下[18−20]:
式中:c为平均粉尘质量浓度,mg/m3;v为平均流速,m/s;t为弥散时间,s;K为综合弥散系数,Dt为径向质量浓度引起径向分子弥散系数,D1为纵向流速分布不均引起的纵向弥散系数,D1≥Dt。
不可压缩黏性气体运动方程[7,18]为
式中:Ug为气体的运动速度矢量,m/s;F 为单位体积上气体质量力矢量,N/m3;p 为气体的压力矢量,Pa;∇ p 为压力梯度;μg为气体黏度,Pa∙s。
球形尘粒忽略外力作用时的运动方程[7,19]为
式中:cp为阻力系数;Up为尘粒运动速度矢量,m/s;Ur为气体与尘粒间相对速度,m/s,即 :Ur=Ug− Up。
由式(1)~(4)可知:粉尘在掘进面中弥散的基本动力源于运移的风流,为气固两相流运动,通过转变风流运移方式可阻隔粉尘弥散。
在掘进面长压短抽通风除尘方式中,若将压风筒直吹迎头的轴向风流部分或全部转为吹向巷道周壁的径向多方向出风,受附壁效应等影响,在巷道内可形成多个径向涡流风幕风流场,相对传统康达风筒形成的单向涡流风幕,可更好地径向覆盖巷道全断面,避免风幕死角的出现;受距迎头较近的抽风筒抽风负压作用,多向涡流风幕风流场不断向迎头轴向运移,由于内部涡流风流场互相影响,其向迎头的轴向运移能力将明显弱于传统的螺旋线状单向涡流风幕风流场,可在更小的距离内将径向风流转为阻隔粉尘效果更好的风流方向均轴向指向迎头的阻尘风流场,以阻隔迎头粉尘向有人作业区域弥散,并通过抽风筒吸入除尘风机净化,以有效提高抽尘净化效率,降低掘进面粉尘质量浓度。若径向出风口与轴向出风口的出风速度明显大于周围风流速度,则可将出风口周围空气卷吸入出风射流场,形成轴向涡流风流场,从而阻碍阻尘风流场的形成[10]。图1所示为多向涡流风幕应用后掘进面风流场运移示意图。
图1 风幕应用后风流场运移示意图Fig.1 Schematic diagram of wind flow field migration after the use of airCurtain
2.1模拟实验平台设计
本文自行设计长压短抽通风除尘式掘进面气载粉尘弥散模拟实验平台(如图2所示),以测定多向涡流风幕风流场运移及阻隔粉尘弥散的规律。模拟实验平台基于山东科技大学模拟实验矿井的掘进面构建,主要由掘进巷道、压入式风机、除尘风机及高压泵等构成。半圆拱形掘进巷道的长、 宽、 高分别为41.00,3.45 和3.25 m,断面积为9.93 m2;最大出风量为547 m3/min的压入式风机安设在距迎头60 m的井底车场大巷处,最大吸风量为422 m3/min 的除尘风机距迎头34 m,两风机均分别由装有 ATV61HD37N4Z 型无级变频器的变频调速控制开关控制;位于井下南北大巷的3D2−S135/28 型高压泵将储水筒中的水增压至2MPa后输至除尘风机。分别与压入式风机、除尘风机相连且沿巷道两壁安设的压、抽风筒直径均为0.8 m,其中轴线均距底板为2m;在迎头处安设吹风量为64 m3/min的扬尘风扇作为产尘源。
图2 模拟实验平台Fig.2Analogous experimental platform
2.2多向涡流风幕发生装置设计
本文设计的新型多向涡流风幕发生装置由圆筒、三向及两向径向出风口、 挡板等构成。该装置长1.7 m,直径为0.57~0.97 m,沿圆筒筒体的180°角半圆弧处共设置10组宽0.05 m的径向出风口及导流网,其中,三向及两向径向出风口各5组,交替布置,之间间隔宽为0.05 m的圆筒实体,径向出风口段共0.95 m。每组三向及两向径向出风口组分别有 36°角圆弧形出风口3条及 60°角圆弧形出风口2条。该装置的材质为一种新型高分子轻质材料,阻燃、抗静电,抗压强度高,总质量小于30 kg。多向涡流风幕发生装置与压风筒相连,通过挡板开关调节内置挡板,可将压风筒直吹迎头的轴向风流通过导流网与径向出风口,部分或全部转为吹向巷道周壁的径向多方向出风。图3所示为风幕发生装置结构示意图。
图3 风幕发生装置结构示意图Fig.3 Diagrammatic sketch of generator structure of airCurtain
3.1实验方案设计
设计了多向涡流风幕与迎头距离Lc、压抽比Y(压风量与抽风量比值)、压风量 Qf、轴径比 Z(压风筒中轴向出风量与径向出风量比值)影响多向涡流风幕阻隔掘进面粉尘弥散的模拟实验方案,并对通风参数及测风点、测尘点进行设置。
3.1.1通风参数设置
设定压、抽风口距迎头分别为掘进面常用的10 m 和3 m,并根据以下参数依次进行模拟实验:1)Qf为断面积约10 m2、掘进面较常用时的 200 m3/min,Y=5:4,Z=1:9,Lc分别为10(压风口与迎头距离略小于10 m),15,20和25 m,以确定距迎头5 m(煤工与迎头最近距离)断面处可形成较均匀阻尘风流场的多向涡流风幕与迎头较优距离Le;2)Qf=200 m3/min,Lc=Le,Z=1:9,Y分别为3:2,5:4,3:4和1:2,以确定较优的压抽比Ye;(3)Lc=Le,Y=Ye,Z=1:9,Qf分别为150,200,300,400 和 500 m3/min,以确定较优的压风量Qe;4)Qf=Qe,Lc=Le,Y=Ye,Z分别为1:9,3:7,5:5,7:3和9:1,以确定较优的轴径比Ze。
3.1.2测点设置
1)测风点。为了确定整体风流运移规律,设置多个测风断面,断面与迎头距离Ld分别为0.5,5 和10 m,L3(距迎头最近的径向三向出风口所在断面与迎头距离)及 L2(距迎头最远的径向两向出风口所在断面与迎头距离);每个断面上均设置7个测风点,径向出风口所在断面测点位置分别为(0.500,1.000),(1.725,1.000),(2.950,1.000),(1.725,2.000),(0.500,2.600),(1.725,2.600)和(2.950,2.600),其余断面测点位置分别为(0.500,0.500),(1.725,0.500),(2.950,0.500),(0.500,1.550),(1.725,1.550),(2.950,1.550)和(1.725,2.60),数值单位为“m”,2组测点均依次分别用罗马数字Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ及Ⅶ表示。图4所示为测风点位置示意图。风速大小与方向分别由TSI 8347-Velocicalc风速表与红条带测定。
2)测尘点。在有人作业区域分别距迎头5,10,15,20,25,30和40 m断面的距底板1.55 m工人呼吸高度处各设置1个测尘点,测点位置坐标为(1.725,1.550);扬尘量为 300 g/min,由CCHZ−1000 型粉尘测定仪测定粉尘质量浓度。
3.2实验结果分析
根据实验方案依次进行风流运移及粉尘弥散的模拟实验。
3.2.1风流运移模拟实验结果分析
以设置的通风参数依次进行实验,实验结果如表1~4 所示。表1~4 中,风速方向采用以下图标表示:“⊕”表示指向迎头,“⊙”表示逆向迎头,“→”表示由压风筒指向抽风筒,“←”表示由抽风筒指向压风筒,“↑”表示由底板指向顶板,“↓”表示由顶板指向底板。
图4测风点位置示意图Fig.4Schematic diagram of setting wind location
1)多向涡流风幕与迎头距离。不同 Lc时各测点风速如表1所示。由表1可知:
① Lc由10 m增至25 m中,在L3和L2断面处均形成了径向多向涡流风幕风流场,致使风流方向发生变化,如测点(2.950,1.000)处的风流均为由抽风筒指向压风筒;三向与两向涡流风幕风流场交替布置,也保证了对整个巷道断面的径向无缝隙覆盖。
② 随着Lc的增大,Ld=5 m断面的风流场方向逐渐由紊乱转为指向迎头运移,说明由出风口高速风流导致的轴向涡流风流场对阻尘风流场形成的阻碍逐渐减弱,并在Lc=20 m时形成了较均匀的阻尘风流场,7个测点的风速大小区间为0.24~0.33 m/s;Lc=25 m时,风速大小区间为0.24~0.32 m/s,与Lc=20 m时基本一致。增大 Lc会带来管理上的诸多不便,因此,确定Le=20 m。
③ 在Ld=0.5 m断面,Lc由10 m增至15 m中,风速逐渐减小,由 Lc=10 m 时的 0.11~0.51m/s 减至15 m时的0.04~0.31m/s,随着Lc继续增大,风流速度大小、方向已基本无变化。
表1 不同Lc时各测点风速Table1 Wind velocity of measure point of different distances between multi-direction whirling airCurtain and tunneling place
表2不同Y时各测点风速Table1 Wind velocity of measure point of different press extraction ratios
2)压抽比。不同 Y 时各测点风速如表2 所示。由表2可知:
① Qf=200 m3/min,Y由3:2减至1:2时,抽风量不断增大并逐渐超过Qf,巷道末端与涡流风幕发生装置区域的风流方向逐渐由逆向迎头转为指向迎头,致使L3断面7个测点的风速均呈增大趋势,并在风速最小的测点(2.950,1.000)处,风流方向逐渐由抽风筒指向压风筒转为指向迎头。
② 在Ld=5 m断面,Y由3:2减至1:2时,均形成了阻尘风流场,但风速波动幅度随Y的减小而减小;Y=3:2时,风速大小区间为0.18~0.32 m/s,Y为3:4和1:2时分别为0.46~0.49 m/s和0.69~0.71m/s,说明Y的减小利于形成均匀的阻尘风流场。掘进面长压短抽通风除尘方式中,Y 一般大于1,以防止循环风的出现,因此,确定Ye=5:4。
3)压风量。不同 Qf时各测点风速如表3所示。由表3可知:
① 随着 Qf的增大,多向涡流风幕发生装置的径向出风量不断增大,L3断面的风流速度不断增大,但各测点的径向风流方向一致。
② 在 Ld=5 m 断面,Qf由150 m3/min 增至 500 m3/min中,均形成了阻尘风流场,各测点风速均不断增大,但风速的波动幅度随压风量的增大而增大,风速大小区间由Qf=150 m3/min 时的0.20~0.23 m/s增至500 m3/min时的0.38~1.16 m/s,说明Qf的增大不利于形成均匀指向迎头的阻尘风流场;当Qf>300 m3/min时,Ld=5 m断面各测点的最大风速为最小风速的2倍以上,阻尘风流场的风速大小波动较大,因此,确定Qe=300 m3/min。
表3 不同Qf时各测点风速Table1 Wind velocity of measure point of different pressed air volumes
表4不同Z时各测点风速Table1 Wind velocity of measure point of different axial pressure ratios
表5 初始粉尘质量浓度Table1 Original dust massConcentration mg∙m−3
4)轴径比。不同Z时各测点风速如表4所示。由表4可知:
① Z 由1:9 增至 9:1中,多向涡流风幕发生装置的径向出风量不断减小,L3断面7个测点的风速也随之减小,但各测点的径向风流方向一致。
② 随着Z的增大,Ld=5 m断面的阻尘风流场逐渐趋向紊乱,Z为1:9~5:5时均可形成阻尘风流场,但风速大小区间已由 Z=1:9 时的 0.30~0.58 m/s 变为 5:5时的0.09~3.57 m/s,Z增至7:3后,测点(2.950,0.500)和(2.950,1.550)处的风速方向已转为逆向迎头,阻尘风流场消失;因此,确定Ze=1:9。
3.2.2粉尘弥散模拟实验结果分析
以未开启除尘风机且Qf=200 m/m3,Lf=10 m时实验掘进面各测点的粉尘质量浓度为初始粉尘质量浓度,实验粉尘为 0.045 mm 筛子筛选后的煤尘,依次测定了不同 Lc,Y,Qf和 Z 时各测点粉尘质量浓度。表5所示为初始粉尘质量浓度,图5所示为不同通风参数时各测点粉尘质量浓度曲面图。表 5与图5 中,T 为全尘,R 为呼吸性粉尘,ρ 为粉尘质量浓度。
1)在Ld为5~40 m区域,全尘与呼吸性粉尘随通风参数的变化趋势一致,基本呈现出粉尘质量浓度随着 Ld增大而减小或波动减小,说明随着 Ld增大,粉尘尤其颗粒较大的非呼吸性粉尘逐渐沉降,致使粉尘质量浓度降低,但在Ld由30 m增至40 m中,部分通风参数时Ld=40 m处的粉尘质量浓度略大于30 m,这主要是由于除尘风机并未将粉尘100%净化,致使除尘风机后部粉尘质量浓度略大于前部。
图5 不同通风参数时各测点粉尘质量浓度曲面图Fig.5 Curved surface of dust massConcentration of measure point under different ventilation parameters
2)Lc由10 m增至25 m时,7个测点全尘、呼吸性粉尘的降尘率平均值分别先由Lc=10 m时的69.77% 和68.58%减至15 m时的66.70%和65.65%,然后又分别急剧增至20 m时的86.39%和85.87%,最后分别缓慢增至25 m时的86.75%和86.16%;在Ld=5 m处,全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别由 Lc=10 m 时的128.4 mg/m3和50.6 mg/m3减至25 m时的106.3 mg/m 3和41.4 mg/m3,说明Lc≥20 m时,虽然在Ld=5 m处形成了较均匀的阻尘风流场,但是由于风速较小,难以将粉尘有效控制在Ld<5 m区域内;Lc=10 m时,全尘、呼吸性粉尘质量浓度先分别由 Ld=10 m 时的139.6 mg/m3和57.2 mg/m3减至15 m时的43.6 mg/m3和16.5 mg/m3,Lc=15 m时,全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别由Ld=15 m时的122.6 mg/m3和49.8 mg/m3减至20 m时的38.3 mg/m3和14.0 mg/m3,这表明,径向方向的多向涡流风幕直接阻挡了粉尘向外弥散。以上实验结果说明:在有人作业区域形成较均匀阻尘风流场后,继续增大Lc对阻隔粉尘弥散已基本无影响,但在未形成阻尘风流场前,Lc越小,越利于多向涡流风幕直接阻隔粉尘弥散,但各测点粉尘质量浓度明显比形成阻尘风流场后的高。
3)在Qf=200 m3/min,Y由3:2减至1:2时,粉尘逆向迎头的弥散能力逐渐减弱,7 个测点的全尘、呼吸性粉尘降尘率平均值分别先由Y=3:2时的84.18%和83.22%减至 3:4 时的 96.94%和 95.77%,后缓慢减至1:2时的97.14%和96.83%;Ld=5 m处的全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别先由 Y=3:2 时的 99.8 mg/m3和38.8 mg/m3波动减至3:4时的8.1mg/m3和3.0 mg/m3,后减至1:2时的7.2 mg/m3和2.5 mg/m3;在除尘风机后部的Ld=40 m处,Y为3:4和1:2时,全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别均在0.6 mg/m3和0.4 mg/m3以内,明显分别小于 3:2 和 5:4 时的大于 9.9 mg/m3和4.1mg/m3,说明减小Y以增大阻尘风流场的风速,可有效阻隔粉尘弥散,但在 Y 减至 3:4 后,粉尘逆向迎头弥散能力已基本稳定。
4)Qf由150 m3/min增至500m3/min中,7个测点的全尘、呼吸性粉尘降尘率平均值分别先由 Qf=150 m3/min 时的 83.65%和 82.57%急剧减至 300 m3/min时的95.85%和94.32%,后缓慢减至500 m3/min时的96.59%和95.47%;Ld=5 m处的全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别先由Qf=150 m3/min 时的115.2 mg/m3和44.9 mg/m3急剧减至300 m3/min 时的8.6 mg/m3和3.3 mg/m3,后缓慢减至500 m3/min时的7.5 mg/m3和2.9 mg/m3;说明Qf增至300 m3/min 后,阻尘风流场可将粉尘有效阻隔在Ld<5 m区域内。
5)Qf=30.0 m3/min、Z由1: 9增至9:1时,全尘、呼吸性粉尘降尘率平均值分别由Z=1:9时的95.85%和94.32%减至 9:1时的 56.88%和 55.52%;Ld=5 m 处的全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别先由 Z=1:9 时的8.6 mg/m3和3.3 mg/m3急剧增至3:7时的83.7 mg/m3和 33.5 mg/m3,后增至 9:1时的123.6 mg/m3和49.2 mg/m3,在径向多向涡流风幕后的Ld=25 m处粉尘质量浓度明显小于风幕前的 Ld=20m 处,且风幕后降尘率随 Z 的减小而减小,如全尘降尘率由 Z=5:5 时的57.46%减至9:1时的21.93%。
1)多向涡流风幕发生装置的径向出风,受附壁效应等影响,在巷道内可形成多个径向涡流风幕风流场,在抽风负压作用下逐渐向迎头运移,若通风参数合适,可形成风流均指向迎头运移的阻尘风流场;Lc越大,Y,Qf及Z越小,越利于形成阻尘风流场。
2)在Ld为5~40 m区域,粉尘质量浓度基本随Ld的增大而减小或波动减小;未形成阻尘风流场前,Lc越小,越利于多向涡流风幕直接阻隔粉尘弥散,但在有人作业区域形成较均匀阻尘风流场后,继续增大Lc对阻隔粉尘弥散已基本无影响;Y和Z越小,Qf越大,越利于阻隔粉尘逆向迎头弥散。
3)通风参数变至一定值后,形成阻尘风流场的均匀程度及阻隔粉尘弥散能力基本稳定;综合考虑多向涡流风幕阻隔粉尘弥散效果、阻尘风流场形成及防止循环风的出现,确定了实验掘进面的较优通风参数为:Lc=20 m,Y=5:4,Qf=300m3/min,Z=1:9;该参数时全尘、呼吸性粉尘的降尘率平均值分别为 95.85%和94.32%。
参考文献:
[1]人民网.2013 年全国报告职业病 2.6 万例 尘肺病占八成[EB/OL].[2014−06−30].http://health.people.com.cn/n/2014/0630/c14739-25219843.html.People’s daily online,26000Cases of occupational diseases were reported in 2013.Pneumoconiosis accounting for 80%[EB/OL].[2014−06−30].http://health.people.com.cn/n/2014/0630/c14739-25219843.html.
[2]聂文,程卫民,周刚,等.掘进机外喷雾负压二次降尘装置的研制与应用[J].煤炭学报,2014,39(12): 2446−2452.NIE Wen,CHENG Weimin,ZHOU Gang,et al.Research and application on external spray secondary dust falling device with negative pressure of roadheader[J].Journal ofChinaCoal Society,2014,39(12): 2446−2452.
[3]陈贵,王德明,王和堂,等.大断面全岩巷综掘工作面泡沫降尘技术[J].煤炭学报,2012,37(11):1859−1864.CHEN Gui,WANG Deming,WANG Hetang,et al.The technology ofControlling dust with foam for fully mechanized excavation face of largeCross-section rock tunnel[J].Journal ofChinaCoal Society,2012,37(11):1859−1864.
[4]秦跃平,张苗苗,崔丽洁,等.综掘面粉尘运移的数值模拟及压风分流降尘方式研究[J].北京科技大学学报,2011,33(7): 790−794.QIN Yueping,ZHANG Miaomiao,CUI Lijie,et al.Removal modes with the forced ventilation shunt in a fully mechanized workface[J].Journal of University of Science and Technology Beijing,2011,33(7): 790−794.
[5]李小川,胡亚非,张巍,等.湿式除尘器综合运行参数的影响[J].中南大学学报(自然科学版),2013,44(2): 862−866.LI Xiaochuan,HU Yafei,ZHANG Wei,et al.Study of dust suppression by atomized water from high-pressure sprays in mines[J].Journal ofCentral South University(Science and Technology),2013,44(2): 862−866.
[6]聂文,程卫民,于岩斌,等.全岩机掘面压风空气幕封闭除尘系统的研究与应用[J].煤炭学报,2012,37(7):1165−1170.NIE Wen,CHENG Weimin,YU Yanbin,et al.The research and application on whole-rock mechanized excavation face of pressure ventilation airCurtainClosed dust removal system[J].Journal ofChinaCoal Society,2012,37(7):1165−1170.
[7]李雨成.基于风幕技术的综掘面粉尘防治研究[D].阜新: 辽宁工程技术大学安全科学与工程学院,2010: 27−36.LI Yucheng.Study onControl of dust at driving fully mechanized face based on airCurtain technology[D].Fuxin: Liaoning Technical University.College of Safety Technology and Engineering,2010:27−36.
[8]CHENG Weimin,NIE Wen,QI Yudong,et al.Research on diffusion rule of dust pollution inCoal mine whole-rock fully mechanized workface[J].Journal ofConvergence Information Technology,2012,7(22): 728−736.
[9]程卫民,聂文,姚玉静,等.综掘面旋流气幕抽吸控尘流场的数值模拟[J].煤炭学报,2011,36(8):1342−1348.CHENG Weimin,NIE Wen,YAO Yujing,et al.Numerical simulation on the flow of swirling flow airCurtain aspirationControl dust in fully mechanized workface[J].Journal ofChinaCoal Society,2011,36(8):1342−1348.
[10]CHENG Weimin,NIE Wen,ZHOU Gang,et al.Research on eddy air-curtain dustControlled flow field in hard rock mechanized driving face[J].Journal of Networks,2013,8(2): 453−460.
[11]BHASKAR R.Experimental studies of dust dispersion in mine airways[J].Mining Engineering,1988,40(3):191−195.
[12]KLEMENS R,KOSINSKI P,WOLANSKI P,et al.Numerical study of dust lifting in aChannel with vertical obstacles[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2001,14(6): 469−473.
[13]NAZIF H R,BASIRAT T.Development of boundary transfer method in simulation of gas-solid turbulent flow of a riser[J].Applied Mathematical Modelling,2013,37(4): 2445−2459.
[14]KONOREV M M,NESTERENKO G F.Present-day and promising ventilation and dust-and-gas suppression systems at open pit mines[J].Journal of Mining Science,2012,48(2): 322−328.
[15]TORAÑO J,TORNO S,MENÉNDEZ M,et al.Auxiliary ventilation in mining roadways driven with roadheaders: validatedCFD modelling of dust behaviour[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2011,26(1): 201−210.
[16]徐景德,周心权.有源巷道中粉尘运移与浓度分布规律的实验研究[J].湘潭矿业学院学报,1999,14(2):1−6.XU Jingde,ZHOU Xinquan.The experimental study on dust transport andConcentration distribution in airways with dust source[J].Journal of Xiangtan Mining Institute,1999,14(2):1−6.
[17]王辉,蒋仲安,杜翠凤,等.综掘巷道粉尘体积分数分布的现场实测与数值模拟[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2011,30(3): 345−348.WANG Hui,JIANG Zhongan,DUCuifeng,et al.Field study and numerical research on dustConcentration distribution in the excavation tunnel[J].Journal of Liaoning Technical University(Science and Technology),2011,30(3): 345−348.
[18]SILVESTER S A,LOWNDES I S,HARGREAVES D M.AComputational study of particulate emissions from an open pit quarry under neutral atmosphericConditions[J].Atmospheric Environment,2009,43(40): 6415−6424.
[19]SERAFIN J,BEBCAK A,BERNATIK A,et al.The influence of air flow on maximum explosionCharacteristics of dust-air mixtures[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2013,26(1): 209−214.
[20]杨春朝,章易程,欧阳智江,等.基于流场模拟的真空清扫车吸尘口的参数设计[J].中南大学学报(自然科学版),2012,43(9): 3704−3709.YANGChunzhao,ZHANG Yicheng,OUYANG Zhijiang,et al.Numerical modeling on fluid-solidCoupling for the waterproofCoal pillar design[J].Journal ofCentral South University(Science and Technology),2012,43(9): 3704−3709.
(编辑 罗金花)
Simulation experiment on multi-direction whirling airCurtain preventing dust diffusion
NIE Wen,LIU Yanghao,CHENG Weimin,ZHOU Gang,XUE Jiao,MA Xiao
(State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention andControlCo-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology,College of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China)
Abstract:Considering the problem that it is difficult toControl the dust diffusion in tunnelling headings,a new type of multi-direction whirling airCurtain generator was designed.Based on the self-designed analogous experimental platform,the law on wind migration of the multi-direction whirling airCurtain and the separation of dust diffusion was proved.The results show that the greater the distance Lcfrom multi-direction whirling airCurtain to heading face,the less the press extraction ratio Y,the less the press wind volume Qf,and the less the axial pressure ratio Z,which is beneficial to the formation of the dust prevention wind flow field that points to the heading face.The law on the separation of dust diffusion prevention is that the dust massConcentration decreases and the fluctuation of it decreases basically with the increase of Lc.When Lcincreases,the ability of dust diffusion prevention decreases first and then increases.The more Qfis,the less Y and Z are,which is beneficial to the separation of dust diffusion.After the ventilation parameters tend to aCertain value,the uniform degree of the dust separation wind flow field and the ability of separate dust diffusion reach basically stable.Some excellent ventilation parameters of experimental heading face are determined: Lc=20 m,Y=5:4,Qf=300 m3/min,and Z=1:9.With the above parameters,the average dust removal rate of the totalCoal dust and respirable dust are 95.85% and 94.32%,respectively.
Key words:heading face; multi-direction whirling airCurtain; dust separation wind flow field; dust diffusion; simulation experiment
中图分类号:TD714.41
文献标志码:A
文章编号:1672−7207(2016)01−0350−09
DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.048
收稿日期:2015−02−03;修回日期:2015−04−03
基金项目(Foundation item):国家自然科学基金煤炭联合基金重点资助项目(U1261205);国家青年基金资助项目(51404147);中国博士后科学基金资助项目(2015M570601);山东科技大学人才引进科研启动基金项目(2014RCJJ029)(Project(U1261205)supported by the Key Program of theCoal Joint Funds of the National Natural Science Foundation ofChina; Project(51404147)supported by the National Natural Science Foundation for Young Scientists ofChina; Project(2015M570601)supported by theChina Postdoctoral Science Foundation; Project(2014RCJJ029)supported by the Scientific Research Foundation of Shandong University of Science and Technology for Recruited Talents)
通信作者:周刚,博士,副教授,从事矿井通风与防尘方向的研究;E-mail: ahsdzhougang@163.com