抽出式通风掘进工作面巷道风速分布实验研究

黄立宁

(中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400037)

掘进工作面作为煤矿井下粉尘的主要来源之一，随着开采工艺和掘进技术的不断提高，粉尘浓度呈上升趋势，危害性日趋严重，无论是总粉尘浓度还是呼吸性粉尘浓度在不采取任何防治措施的情况下都严重超过《煤矿安全规程规定》的标准[1-6]。工人长期暴露在粉尘严重超标的作业环境，增加了尘肺病的患病率，统计表明，我国煤矿尘肺病患者85%以上来源于掘进工作面，而且呈逐年递增的态势[7]。粉尘还能引发煤尘爆炸，降低煤矿设备的使用寿命，影响作业人员的视线等[8]。抽出式通风作为掘进工作面的通风方式之一，能使杂乱无章的粉尘运动变的相对定向有序，研究抽出式通风巷道的流场，如风速分布，有助于控制粉尘扩散和进行粉尘治理，从而降低粉尘浓度[9-10]，对降低尘肺病的发生率和粉尘爆炸率有着重要的意义。本文通过实验室试验对抽出式通风巷道的风速分布进行研究，找出其分布规律，为矿井掘进工作面粉尘治理提供理论指导。

1 试验系统的构建

模拟试验巷道断面为矩形，净宽3.6m，净高3.4m，巷道净断面积为12.24m2。采用KCS-250型变频除尘器作为实验系统的局部通风机，额定风量为250m3/min，风量可调。抽出式风筒直径为600mm，风筒中心到巷道右侧距离为1.25m，距离底板高度为1m，风筒入风口到工作面的距离为3m。试验系统如图1所示：用X表示巷道宽度方向值，巷道正中位置为X=0，X取值范围为-1.8～1.8m；用Y表示巷道轴向方向上的值(即巷道内任意点距工作面的垂直距离)，工作面为Y=0处，Y的取值范围为Y≥0m；用Z表示巷道高度方向上的值，巷道底板为Z=0处，Z的取值范围为0～3.4m。

图1 抽出式通风掘进工作面试验系统示意图

2 测点布置和风速的测定

2.1 测点布置

为了保证试验的准确性，风速测量时需对巷道断面进行网格划分，划分的单元格数量和巷道对应的面积应满足表1的要求。模拟试验巷道断面面积为12.24m2，按表1要求应将断面划分为至少16个单元格，结合巷道断面形状，按图2所示将巷道断面平均划分为24个单元格，每个网格的边长为0.85m×0.6m，满足表1的要求。每个单元格的中心为一个测点，测定每一个单元格中心的风速代表该单元格区域的风速，通过计算求出巷道断面的平均风速和风速分布均匀系数等[11]。

表1 巷道断面测点数对照表

图2 巷道断面风速测点布置图

2.2 风速的测量与计算

采用超声波风速风向传感器和数据记录仪FC-2测量并记录风速信息，每个测点的测量时间不低于5分钟，每间隔10s记录一次数据，依次测量Y值分别为1m、2m、3m、4m、5m、7m巷道断面(即距工作面为1m、2m、3m、4m、5m、7m的巷道断面)各个测点的风速，记录数据并进行计算分析，计算得出各巷道断面平均风速、风速分布均匀系数[12]。

巷道断面平均风速的计算公式为

(1)

式中：vi为巷道断面各测点测得的风速值，m/s；n为巷道断面上的测点数量，取24。

巷道断面风速平均偏差绝对值的计算公式为

(2)

巷道断面上的平均风速与风速平均偏差绝对值跟平均风速之和的比值为风速分布均匀系数K0。

(3)

风速分布均匀系数表示巷道断面上各个区域风速分布的均匀性，其中在0～1之间。均匀系数越接近于0，表示巷道断面上不同区域的风速差值越大，风速分布越不均匀；均匀系数越接近于1，表示巷道断面上不同区域的风速差值越小，巷道断面上风速分布越均匀。

3 试验结果分析

为了避免电压波动、通风系统阻力等因素对除尘器风量的影响，确保试验过程中风量、风速保持恒定。试验时以风量150m3/min为基础，对巷道断面水平方向上的风速分布规律、轴向方向上的风速分布规律进行分析研究。并将风量依次调整到120m3/min、130m3/min、140m3/min和160m3/min，分析风量变化对风速分布以及风速分布均匀系数的变化趋势的影响。

3.1 沿巷道断面水平方向上的风速分布规律

3.1.1 距工作面3m和5m巷道断面在不同高度水平上的风速分布

工作面风量为150m3/min，在距工作面3m和5m的断面上(即Y为3m和5m的断面上)，在距离底板高度分别为0.7m、1.5m、2.3m、2.9m高度的水平上依次测量各点的风速，分别计算并分析得出如图3和图4所示的风速变化曲线。

图3 距工作面3m(即Y=3m)巷道断面不同高度水平上的风速分布

图4 距工作面5m(即Y=5m)巷道断面不同高度水平上的风速分布

从图3中可以看出：在距工作面3m的巷道断面(即风筒入风口所在位置的巷道断面)上，距底板高度为0.7m和1.5m两个水平上的风速变化较大，在风筒入风口附近(即4、5、10、11号单元格附近)风速最大，在距底板2.3m和2.9米两个水平上的风速较小且变化不大。

从图4中可以看出：在距工作面5m的巷道断面上，各个高度水平上的风速分布比较均匀，风速变化不大。

3.1.2 不同巷道断面同一高度水平上的风速分布

工作面风量为150m3/min，在距工作面分别为1m、2m、3m、4m、5m、7m的巷道断面上，距底板为1.5m高度(即呼吸带高度)的水平上，依次测量各点的风速值，计算并分析得出如图5所示的风速变化曲线。

从图5可以看出：在距工作面3m的巷道断面(即风筒入风口所在的巷道断面)风速变化最大，在风筒入风口附近(即10、11号单元格附近)风速最大且变化剧烈，在距巷道2m的巷道断面在风筒入风口附近风速出现小幅增加，且变化不明显，其余巷道断面风速分布比较均匀。

图5 不同巷道断面同一高度水平上的风速分布

3.2 巷道轴向方向上风速分布规律

3.2.1 呼吸带高度沿巷道轴向方向上的风速分布规律

工作面风量为150m3/min，在呼吸带高度(即距底板1.5m高度)，在距巷道中心线左右两侧0.3m、0.9m、1.5m(即X=±0.3m、±0.9m、±1.5m)的轴线上，在距工作面分别为1m、2m、3m、4m、5m、7m的位置依次测量各点的风速，计算并分析得出如图6所示的风速变化曲线图。

图6 呼吸带高度沿巷道轴向方向上风速分布

从图6可以看出：在沿巷道轴向方向，各轴线在距工作面3m位置(即风筒入风口位置)处风速波动较大，距离风筒较近的两条轴线(即X=0.3m、0.9m)上风速波动最大；在风筒入风口前后1m范围以外，各轴线上风速波动较小。

3.2.2 沿巷道轴向方向巷道各断面平均风速、均匀系数分析

在风量分别为120m3/min、130m3/min、140m3/min、150m3/min、160m3/min时，分别测量并计算距工作面1m、2m、3m、4m、5m、7m巷道断面的平均风速和风速分布均匀系数，得出图7所示的风速变化曲线图和图8所示的风速分布均匀系数变化曲线图。

从图7和图8分析得出：在不同风量条件下，在距工作面3m处(及风筒入风口)所在巷道断面的平均风速最大；在距工作面3m处巷道断面的风速分布均匀系数最小，风速变化最大，风速最不均匀；风筒入风口前后1m以外风速分布比较均匀，风筒入风口后方1m以外(即距工作面大于4m的区域)风速均匀系数大于风筒入风口前1m以外(即距工作面2m以内区域)的风速均匀系数，风筒入风口后方风速分布比风筒入风口前方更均匀；不同风量对风速分布以及风速分布均匀系数的变化趋势影响不大。

图7 不同风量条件下沿巷道轴向各断面平均风速分布曲线图

图8 不同风量条件下沿巷道轴向各断面风速分布均匀系数曲线图

3.3 呼吸带高度巷道轴向粉尘浓度变化规律

风筒入风口距工作面3m，风量150m3/min，通过模拟掘进机掘进过程中产尘，在距底板高度1.5m的位置(测点位置如图9)分别测试距工作面2m 、3m 、4m、5m、7m、9m、12m、15m的粉尘浓度，测得的粉尘浓度分别为118.1mg/m3、38.5mg/m3、10.8mg/m3、3.6mg/m3、2.7mg/m3、2.3mg/m3、2.6mg/m3、2.5mg/m3，粉尘变化规律如图10所示。

由图10可以看出，在距工作面4m范围以内时粉尘浓度随到工作面距离的增大而快速下降，其中风筒前端区域(即距工作面3m范围内)下降最快，距工作面距离为5～15m巷道断面，粉尘浓度趋于稳定，接近于环境背景值。

图9 测点位置图

图10 粉尘浓度变化规律趋势图

4 结论

(1)相同风量条件下：沿巷道断面水平方向，风筒入风口所在位置的巷道断面风速变化最大，离风筒入风口越近风速越大；沿巷道轴向方向，在呼吸带高度靠近风筒的轴线上风速变化最大，在风筒入风口处风速最大。

(2)不同风量条件下：巷道各断面平均风速和风速分布均匀系数的变化趋势趋于一致，风筒入风口所在的巷道断面平均风速最大，风速均匀系数最小，风速分布最不均匀；风筒入风口前后1m以外风速分布比较均匀，且风筒入风口后方风速分布比风筒入风口前方更均匀。

(3)抽出式通风巷道掘进工作面的粉尘主要集中在风筒入风口附近及以内区域，距风筒入风口1m以外的巷道空间均处于新鲜风流中。