垂帘安装位置对综采工作面旋转风幕控尘效果的影响

文┃莫世途，王鹏飞，蒋海波

①②湖南科技大学资源环境与安全工程学院 411201 湖南湘潭；③湖南安全技术职业学院（长沙煤矿安全技术培训中心）

关键字：综采工作面；旋转风幕；垂帘位置；数值模拟；实验研究

综采工作面是煤矿井下产尘量最大、粉尘浓度最高的作业场所，其产生的粉尘量约占煤矿井下全部产尘量的60-80%以上[1]。尽管采用了煤层注水、喷雾降尘、湿式作业等多种防尘技术措施，但是综采工作面的工作条件仍然相当恶劣，尤其是采煤机司机工作区，粉尘浓度远远高于我国规定的煤矿环境行业标准，浓度如此高的煤尘会严重威胁采煤机司机的身体健康，给煤矿生产也造成了不利影响[2-4]。因此，在原有技术上提高控尘效果，既是井下作业的客观要求，也是煤矿发展的必然趋势。

为了降低采煤机司机工作区的粉尘浓度，改善采煤机司机的作业环境，国内的专家学者开展了运用空气幕阻断原理来隔断粉尘的研究，并取得了初步的成果。湖南科技大学王海桥、刘荣华等人将空气幕技术应用于综采工作面，取得了很好的隔尘效果[5]。王鹏飞等人通过理论和实验研究提出了一种新型风幕，即旋风风幕，来防止空气幕将卷吸进来的粉尘带进采煤机司机的工作区，以增强对粉尘扩散的控制，进一步改善采煤机司机工作区的作业环境[6]。为了进一步改善综采工作面旋转风幕控尘效果，作者对垂帘的安装位置进行了数值模拟和实验研究，来确定垂帘的最佳安装位置，进一步改善采煤机司机工作区的作业环境。

1 旋转风幕隔尘原理及工作参数

1.1 旋转风幕隔尘原理

空气幕隔尘，就是在采煤机司机和煤壁之间形成一道“无形的透明屏障”[5]，其阻隔作用并不是像实体的平壁一样阻挡尘粒的穿透，而是通过气流的不断卷吸作用防止粉尘向采煤机司机区扩散，达到隔尘的目的。

综采工作面旋转风幕隔尘，是在原有的空气幕隔尘的基础上，在空气幕上方靠近顶板处设置一条与空气幕平行且等长的隔尘垂帘，如图1所示。气流以一定速度从采煤机上的狭缝射出后形成一条风幕，风幕在到达综采工作面顶板前，由于空间的限制会形成两股气流携带着粉尘向风幕两侧扩散，由于隔尘垂帘的限制作用，向采煤机司机一侧扩散的气流只能沿着顶板返回煤壁一侧，从而避免了含尘气流进入司机工作区[5-8]。同时从采煤机狭缝射出的气流在空气幕、顶板、底板、煤壁以及采煤机机身这些壁面的限制作用下，形成一个旋转风幕。由于旋转风幕的具有卷吸效应，使空气幕隔尘能力得到了增强，绝大所数粉尘被控制在煤壁侧，并被工作面风流带走，从而使空气幕的隔尘效率得到进一步提高。

图1 综采工作面旋转风幕隔尘示意图

1.2 旋转风幕工作参数

国内学者刘荣华、施式亮、王海桥、刘荣华等就如何确定最佳的空气幕参数问题进行了数值模拟和实验研究[9]。综采工作面旋转风幕幕隔尘机理是由于风幕不断将两侧空气卷吸进来混合后冲向顶板，冲击顶板后气流向两侧分流；在采煤机司机侧，由于垂帘的再次阻隔作用，使得含尘气流在煤壁侧不断做旋转运动，从而阻止煤壁侧粉尘进入采煤机司机工作区。该新型风幕较之原有隔尘空气幕进一步提高了隔尘效率，但旋转风幕的工作参数的设定对隔尘效果有很大影响，一般情况下，旋转风幕要设定的参数有空气幕出口风速、粉尘粒径及垂帘的高度和安装位置因素等。本研究着重讨论垂帘安装位置对综采工作面旋转风幕控尘效果的影响。

2 旋转风幕隔尘数值模拟

2.1 物理模型

图2 综采工作面旋转风幕平面图

表1 边界条件划分

为便于对旋转风幕进行模拟，建立一个逆风割煤的综采工作面简化模型，具体参数为：工作面尺寸20m（长）×3m（宽）×3m（高）；采煤机尺寸7m（长）×0.6m（宽）×1.3m（高），采煤机距离工作面进风口5m，距离煤壁0.6m，距离出风口10m；空气幕安装在采煤机靠司机工作区边缘且不超出采煤机，空气幕尺寸0.2m（高）×0.02m（宽）×4m（长）；垂帘安装在工作面采煤机司机工作区的顶板上，距离顶板高0.5m，垂帘位置距离空气幕喷口中心到顶板的延长线0.3m，综采工作面旋转风幕平面图如图2所示。

2.2 边界条件与网格划分

若要对模型进行数值模拟，必须要定义边界条件。结合上述假设条件和FLUENT软件的求解方法，确定数值模拟的边界条件及粉尘主要参数，如表1所示。

为了满足计算要求，本研究采用一种离散方法，对空气幕出口赋予一定的网格函数，使其满足在面积很小的区域有足够的网格数目，并且网格大小实现逐渐过渡，不会使网格数目多，而其它面使用GAMBIT默认的网格函数。划分网格时，网格密度设为0.1，所有的空间采用Grid法生成四面体非结构化网格，最后在计算域内得到光滑性和分辨率相对评价较高的网格，网格划分如图3所示。

2.3 数值模拟及结果分析

采用FLUENT计算流体力学软件，对3个不同的垂帘安装位置下采煤机附近风流流场以及风流中粉尘浓度分布进行了数值模拟。模拟结果如图4、图5所示。

图4为三种不同的垂帘位置下，采煤机司机处的巷道断面风流流场的矢量图。从图4（a）可以看出，当垂帘的安装位置0.2m时，空气幕射流到达工作面顶板产生冲击射流并分成两股气流，其中一股气流被分流到煤壁侧，并在工作面顶板、底板、煤壁以及采煤机机身的贴附作用下形成旋转风流，最终被工作面风流带走，而另一侧风流在垂帘的阻隔作用下也向煤壁侧流动，并汇入旋转风流中。但是我们观察到，由于0.2m的偏移位置过近，导致部分风流不受垂帘阻隔，而流入采煤机司机工作区。从图4（c）可以看出，当垂帘的安装位置0.4m时，从空气幕射出的风流也是有一部分未受垂帘阻隔而流入司机工作区，说明0.4m的安装位置过远。而从图4（b）可以看出，当垂帘安装位置0.3m时，从空气幕射出的风流大部分被垂帘阻隔在煤壁侧，并在壁面的贴附作用下形成旋转风幕。

图5为三种垂帘位置下，采煤机司机处的巷道断面粉尘浓度分布数值模拟结果，从图5（a）中可以看出，当垂帘安装位置0.2m时，空气幕射出的气流到达顶板形成冲击射流后，由于气流的卷吸效应，采煤机割煤产生的粉尘会随着空气幕向两侧扩散，但由于垂帘的阻隔作用，大部分的粉尘都被阻挡在煤壁侧，从图中可以看出，煤壁侧的粉尘浓度明显比采煤机司机侧高很多，说明采用旋转风幕能够将大部分采煤机割煤过程中产生的粉尘都控制在煤壁侧，取得很好的控尘效果。但是垂帘采用0.2m的安装位置时，垂帘安装位置未达到自由射流区的临界点，所以仍有一部分粉尘随着空气幕风流流向采煤机司机侧并造成污染，垂帘的安装位置过近。从图5（b）中可以看出，当垂帘的安装位置为0.3m时，可以观察到与图5（a）和图5（c）相比，图5（b）中煤壁侧的粉尘浓度最小，而且采煤机司机处粉尘浓度相对较低，受到的污染最小。从图5（c）中可以看出，当垂帘的安装位置为0.4m时，无论是煤壁侧还是采煤机司机侧，粉尘浓度均较高。

综上所述，当垂帘的安装位置为0.3m时，垂帘的控尘效果最好，绝大部分粉尘都被阻隔在煤壁侧。

3 旋转风幕隔尘模型实验

3.1 实验系统设计及制作

图4 三种垂帘位置下司机处巷道断面风流流场矢量图(m/s)

图5 三种垂帘位置下司机处巷道断面粉尘浓度分布图（mg/m3）

试验系统实物照片如图6所示。为便于实验观测，巷道模型采用透明有机玻璃制作，板厚为8 mm。巷道模型一端敞开，于另一端利用轴流风机对模型巷道进行通风，模拟工作面通风。在模型巷道一侧采用发尘器发尘来模拟采煤机滚筒产尘，并采用CCZ-1000型粉尘浓度测定仪测量采煤机两侧粉尘浓度。空气幕放置于采煤机模型上，其出风条缝长度为0.55m，出口宽度为0.55cm。垂帘吊于模型顶部，垂帘高度为15cm，长度为0.55m。

3.2 实验方法

试验开始时，先启动轴流风机，并将其风量调节为预定风量。然后，启动离心式风机，对空气幕进行送风，并通过流量控制阀调节空气幕出口风速。待风流稳定后，将粉碎烘干的后煤粉装入发尘器，启动发尘器，并开始计时。试验中将轴流风机风量调节为15m3/min，保证巷道模型内平均风速为0.40m/s。空气幕的平均出口风速调节为2.0m/s，发尘量为10g/min。在距发尘口0.40m处巷道断面司机侧和煤壁侧分别布置粉尘浓度测点，采用定时采样模式进行测量，采样时间为5min，采样流量为2L/min。改变垂帘的偏移位置，最后测量三种垂帘偏移位置下的全尘浓度和呼吸性粉尘浓度。

3.3 实验结果与分析

图6 试验系统实物照片

表2 不同垂帘安装位置下隔尘效果

在工作面风速、空气幕出口风速、发尘量相同的情况下，分别测量不同垂帘偏移位置下巷道中全尘浓度和呼吸性粉尘浓度，根据相似性原理确定垂帘安装位置分别为0.05m、0.075m和0.1m，分别对应数值模拟中0.2m、0.3m、0.4m三种位置下的全尘浓度和呼吸性粉尘浓度。以距发尘口0.40m处断面司机侧和煤壁侧全尘浓度和呼吸性粉尘浓度作为评价指标，考察三种垂帘安装位置下的隔尘效果，实验结果列于表2中。

从下表的实验结果可以看出，当垂帘安装位置0.075m时，采煤机司机侧无论是全尘浓度还是呼吸性粉尘浓度，都比另外两个安装位置低很多，说明旋转风幕的隔尘效果受垂帘的安装位置影响，垂帘安装位置过近或者过远，都会降低旋转风幕的隔尘效果，实验结果表明，当垂帘的安装位置为0.075m时，全尘隔尘效率高达78.79%，绝大部分粉尘都被阻隔在煤壁侧，旋转风幕的控尘效果最好。

4 结论

旋转风幕的隔尘效果受垂帘的安装位置影响，垂帘位置过近或者过远，都会降低旋转风幕的隔尘效果，模拟以及实验结果表明，当垂帘的安装位置为0.3m时，绝大部分粉尘都被阻隔在煤壁侧，旋转风幕的控尘效果最好。