掘进工作面长压短抽通风出风口风流调控参数研究

龚晓燕， 彭高高， 宋涛， 冯雄， 陈菲， 刘辉， 谢沛， 薛河

(1.西安科技大学 机械工程学院， 陕西 西安 710054；2.陕西陕北矿业有限责任公司， 陕西 榆林 719000)

0 引言

目前掘进工作面长距离及快速掘进下产尘量增大[1]，传统的长压短抽通风方式采用粗放式通风总量控制，风筒出风口风流不能动态变化，导致巷道风流分布不合理，粉尘聚集严重。因此，需要对现有的长压短抽通风控制方式进行改造，通过改变风筒出风口参数，以调控风流状态，进而优化风流分布，提高降尘效果。众多专家学者通过数值模拟、实验测试等方法对掘进工作面长压短抽通风出风口风流分布及降尘效果的影响因素进行了大量研究。陈芳等[2]通过模拟分析及现场应用研究了长压短抽通风分流控尘及抽风筒除尘之间关联的最佳匹配参数，得出1∶3的轴径向出风比降尘效果最佳。周全超等[3]研究了风筒出风口距掘进端面最佳的通风降尘距离，得出出风口距掘进端面5 m时的降尘效果最好。王文才等[4]模拟分析了长压短抽通风压抽风筒距掘进端面的距离对粉尘运移分布的影响，得出当压抽比一定时，压抽风筒的最佳距离分别为22.5 m和4 m。张义坤等[5]在现有长压短抽通风方式的基础上，通过增加附壁风筒进行旋流分风，降低了掘进端面风速，优化了掘进巷道风流及粉尘浓度的分布。蒋仲安等[6]研究了不同风筒高度对降尘效率的影响，得出了风筒高度为2 m时降尘效果最好。龚晓燕等[7-9]通过大量数值模拟和井下实测研究发现，通过改变风筒出风口口径、方向偏转角度和出风口距掘进端面距离等参数来调控风流状态，可以优化掘进工作面风流分布，且降尘效果更好。上述研究都只是单一地分析了风筒出风口参数变化对掘进工作面风流分布及降尘效果的影响，未考虑各参数之间对粉尘场运移分布的交互影响，且对在不同掘进阶段，出风口参数如何综合变化才能达到最佳通风降尘效果的研究不深入。

针对上述问题，本文以陕西榆林神木柠条塔矿S1204掘进工作面为研究对象，建立了出风口参数可以变化的风流调控有限元模型，并对风流及粉尘场进行了模拟分析，提取了司机位置处和回风侧行人位置处的风速及粉尘浓度数据。通过小生境遗传算法，以司机位置处及回风侧行人位置处的粉尘浓度同时最低为优化目标获取了出风口距掘进端面最近距离5 m和最远距离10 m的最佳风流调控参数。设计搭建了柠条塔矿S1204掘进工作面风流智能调控实验测试平台，进行最佳风流调控参数的试验测试分析。结果表明，调控后，司机位置处及回风侧行人位置处的粉尘浓度明显降低，验证了最佳风流调控参数的准确性。

1 粉尘场模拟

1.1 粉尘扩散理论

掘进工作面粉尘颗粒随风流运动，风流属于连续相，粉尘属于离散相。通常采用 Euler-Lagrange方法[10]对风流和粉尘场运移分布进行求解计算，粉尘运动求解方程为

(1)

式中：m为粉尘颗粒质量，kg；t为粉尘在风流中的运动时间，s;v为粉尘运动速度，m/s；F为外力，N；μ为空气动力黏度系数，Pa·s;dp为粉尘直径，m;u为风流速度，m/s。

F=Fd+Fg+Ff+Fx

(2)

式中：Fd为拖曳阻力，N；Fg为重力，N；Ff为浮力，N；Fx为所受的Saffman力、Basset力等[11]，N。

1.2 风流调控有限元模型建立

1.2.1 风流智能调控装置布局

本文以柠条塔矿S1204掘进工作面为研究对象，对传统的长压短抽通风控制方式进行改造，在压风筒出风口安装风流智能调控装置(图1)，通过该装置可以改变风筒出风口参数，调控风流状态，优化粉尘场。

图1 风流智能调控装置布局Fig.1 Air flow intelligent control device layout

1.2.2 有限元模型建立

柠条塔矿S1204掘进巷道长为40 m，宽为6.0 m，高为3.75 m，采用传统的长压短抽通风，压抽风筒分别安装在煤壁面左右两侧，风筒中心距侧壁0.75 m、距底板3.05 m，直径均为1.0 m。本文根据该巷道实际参数，利用FLUENT软件建立了出风口参数可以变化的风流调控有限元模型，如图2所示。掘进端面左下底角为坐标原点，掘进巷道宽为X，高为Y，长为Z，回风侧行人位置沿程为X=5 m，Y=1.5 m，Z=0～40 m，司机位置沿程为X=3 m，Y=2 m，Z=7.5 m，模拟参数设定见表1、表2。通过建立的风流调控有限元模型可以对不同出风口参数变化下的粉尘场运移分布进行模拟分析，研究不同掘进阶段长压短抽通风降尘的最佳风流调控参数。

(a) 几何模型

(b) 网格划分图2 风流调控有限元模拟模型Fig.2 Air flow control finite element simulation model

表1 边界条件设定Table 1 Boundary condition setting

表2 离散相参数设定Table 2 Discrete phase parameter setting

1.3 风流调控参数变化对粉尘场运移分布影响分析

根据煤矿井下掘进通风的实际情况，风筒出风口距掘进端面最近距离为5 m，最远距离为10 m，且在这2个极限位置易发生粉尘聚集。因此，利用建立的风流调控有限元模拟模型，以出风口距掘进端面最近距离5 m为例，对不同出风口口径、水平右偏角度和垂直上偏角度参数变化下的粉尘浓度运移分布规律进行模拟分析，如图3所示。

(a) 不同出风口口径对粉尘分布的影响

(b) 不同水平右偏角度对粉尘分布的影响

(c) 不同垂直上偏角度对粉尘分布的影响图3 不同出风口参数对粉尘浓度分布的影响Fig.3 Effect of different air outlet parameters on the distribution of dust concentration

由图3(a)可知，随着出风口口径的增大，出风口风速变小，掘进端面产生的粉尘向回风侧位置运移，有利于抽风筒抽出粉尘。由图3(b)可知，随着水平右偏角度的增大，聚集在掘进机前端的粉尘被风流稀释，掘进端面粉尘浓度明显降低。由图3(c)可知，随着垂直上偏角度的增大，风流扩散范围增大，掘进机周围区域粉尘浓度明显降低。

综上分析可知，长压短抽通风风筒出风口口径、水平右偏角度和垂直上偏角度各参数变化对掘进端面和回风侧位置粉尘浓度分布有显著影响，且各参数之间对于粉尘浓度分布往往存在交互影响，因此，要实现在不同掘进阶段达到最佳的风流调控与降尘效果，需获取出风口口径、水平右偏角度和垂直上偏角度综合变化下的最佳风流调控参数。

2 通风降尘的最佳风流调控参数获取

2.1 风流调控样本数据提取

通过上一节对不同出风口风流调控参数变化下的粉尘场模拟分析可知，要实现在不同掘进阶段最佳的通风降尘风流调控效果，需获取出风口口径、水平右偏角度和垂直上偏角度综合变化下的最佳风流调控参数。目前，煤矿掘进工作面人员活动区域主要是掘进机司机位置和回风侧行人位置，该区域的粉尘浓度对井下工作人员有很大危害。因此，本文将调控后司机位置处和回风侧行人位置处的粉尘浓度大小作为不同掘进阶段最佳风流调控参数的判断依据，将出风口风流调控参数作为条件属性，司机位置处及回风侧行人位置处的风速及粉尘浓度作为决策属性[12-13]，见表3。

表3 风流调控的条件属性及决策属性Table 3 Condition and decision attributes of air flow control

根据文献[14]得出在出风口距掘进端面5～10 m范围内风流调控参数合理变化范围：出风口口径为0.8～1.2 m，水平右偏角度为0～25°，垂直上偏角度为0～6°，设计了出风口距掘进端面最近距离5 m时风流调控参数综合变化下的数值模拟实验方案，并通过建立的风流调控有限元模型对各参数综合变化下的风流及粉尘场进行模拟分析，提取调控后司机位置处和回风侧行人位置处的风速及粉尘浓度数据，模拟实验方案及风流调控数据见表4。

表4 模拟实验方案及风流调控数据Table 4 Simulation experiment schemes and air flow control data

2.2 司机位置及回风侧行人位置双目标优化的最佳风流调控参数

2.2.1 基于小生境遗传算法的双目标优化求解算法

以司机位置处的粉尘浓度d3和回风侧行人位置处的粉尘浓度d4同时最低为优化目标，初步建立了获取最佳风流调控参数的小生境遗传算法的适应度函数：

(3)

式中：d3 min为司机位置处最小粉尘浓度；d4 min为回风侧行人位置处最小粉尘浓度；a,b为评价偏重,a=b=0.5。

为了保证调控方案的多样性，利用类共享函数[15]对初步建立的适应度函数进行改进。

(4)

式中：M为调控方案的种群规模；Sc(xi,xj)为类共享函数；i,j为种群的不同个体。

小生境遗传算法流程如图4所示。图中T0为开始进化代数，为0;T为最大进化代数，为10。

图4 最佳风流调控参数获取的算法流程Fig.4 Algorithm flow for obtaining the optimal air flow control parameters

利用Matlab对最佳风流调控参数获取的小生境遗传算法进行编写，部分程序如下：

SD_P=DataPre(SD); {输入: SD风流调控数据，输出: SD_P预处理后的风流调控数据}

⋮

a=0.5;b=0.5; {评价偏重}

d3_min=min(DecodedPop(:,1)); {司机位置处最小粉尘浓度}

d4_min=min(DecodedPop(:,2)); {回风侧行人位置处最小粉尘浓度}

fori=1:size(DecodedPop,1)

f(i)=a*(d3_min/DecodedPop(i,1))+

b*(d4_min/DecodedPop(i,2));

{以司机位置处和回风侧行人位置处的粉尘浓度同时最低为优化目标}

end

2.2.2 最佳风流调控参数的获取

(1) 风流调控数据预处理。为了提高算法对风流调控参数获取的准确性，以《煤矿安全规程》中规定的风速范围0.25～4 m/s作为约束条件[16]，首先对表4中的风流调控数据进行预处理，剔除不符合要求的方案7、16、22、27、28、32。然后依据出风口各参数调控范围、最佳降尘的风速范围0.4～1.0 m/s[17]和表4中粉尘浓度数据的区间范围划分各调控属性的候选分割点集，见表5。

表5 调控参数候选分割点集Table 5 Control parameters candidate segmentation point set

根据表5中调控属性的候选分割点值，采用四段式二进制编码[18]对预处理后的风流调控数据进行转换，见表6。

(2) 最佳风流调控参数的获取。将表6中编码后的风流调控数据作为小生境遗传算法挖掘分析的初始种群，通过Matlab编写的算法程序确定初始种群进行遗传操作的参数，见表7。

表6 风流调控数据四段式二进制编码Table 6 Four-segment binary code of air flow control data

表7 遗传操作参数Table 7 Genetic operating parameters

通过算法遗传操作后，首先对每个调控方案个体适应度值大小进行调整排序，然后提取适应度值排序前三的风流调控方案作为较优结果集进行解码，见表8。以司机位置处和回风侧行人位置处的粉尘浓度同时最低为前提，选择适应度值最大的个体为最佳风流调控参数。由表8可看出，方案1为出风口距掘进端面最近距离5 m时的最佳风流调控参数。应用于风流智能调控装置时，出风口口径调节范围为1.1～1.2 m,水平右偏角度调节范围为10～15°,上偏角度调节范围为3～6°。

表8 适应度值排序前三的风流调控方案Table 8 The top three air flow control schemes in the order of fitness value

同理可得出风口距掘进端面最远距离10 m时应用于风流智能调控装置的最佳风流调控参数：出风口口径调节范围为0.8～0.9 m,水平右偏角度调节范围为0～5°，垂直上偏角度调节范围为0～3°。

3 最佳风流调控参数测试分析

3.1 实验测试平台搭建

基于相似理论确定了简化后的原型和实验平台之间的相似准则数为斯托克斯准则数、颗粒雷诺数和几何相似准则数[19]。在此基础上，设计搭建了1∶5的S1204掘进工作面长压短抽通风风流智能调控的实验测试平台，各组成部分如图5所示。通过该平台进行最佳风流调控参数的测试及调控效果分析。

图5 S1204掘进工作面风流智能调控实验测试平台Fig.5 Air flow intelligent control experimental test platform of S1204 heading face

3.2 风速及粉尘浓度测点布置

在实验测试平台回风侧位置沿程(X=1 m，Y=0.3 m，Z=1～6 m)布置6个风速传感器和粉尘浓度传感器；在实验测试平台掘进机司机位置(X=0.6 m，Y=0.4 m，Z=1.5 m)布置1个风速传感器和1个粉尘浓度传感器，各测点位置如图6所示。

图6 风速及粉尘传感器测点位置Fig.6 Air speed and dust sensor measuring point position

3.3 最佳风流调控参数降尘调控效果分析

通过搭建的S1204掘进巷道长压短抽通风风流智能调控的实验测试平台对出风口距掘进端面最近距离5 m的最佳风流调控参数(出风口口径为1.1～1.2 m，水平右偏角度为10～15°，垂直上偏角度为3～6°)和出风口距掘进端面最远距离10 m的最佳风流调控参数(出风口口径为0.8～0.9 m，水平右偏角度为0～5°，垂直上偏角度为0～3°)进行了试验测试，提取各测点的粉尘浓度数据与调控前的数据进行对比，结果如图7所示。

(a) 出风口距掘进端面5 m

(b) 出风口距掘进端面10 m图7 调控前后的粉尘浓度对比Fig.7 Comparison of dust concentration before and after control

从图7可看出,出风口距掘进端面最近距离5 m时，调控前司机位置处的粉尘浓度为240.24 mg/m3，调控后为128.89 mg/m3，降低了 46.4%；调控前回风侧行人位置处的平均粉尘浓度为382.91 mg/m3，调控后为170.64 mg/m3，降低了55.4%。出风口距掘进端面最远距离10 m时，调控前司机位置处的粉尘浓度为231.23 mg/m3，调控后为110.28 mg/m3，降低了52.3%；调控前回风侧行人位置处的平均粉尘浓度为402.49 mg/m3，调控后为158.70 mg/m3，降低了60.6%，验证了获取的最佳风流调控参数的准确性。

4 结论

(1) 通过数值分析选取了风筒出风口口径、水平右偏角度和垂直上偏角度作为不同掘进阶段长压短抽通风降尘的出风口风流动态调控参数。

(2) 基于小生境遗传算法建立了以司机位置处和回风侧行人位置处的粉尘浓度同时最低为优化目标的最佳风流调控参数获取的求解算法。

(3) 获取了S1204掘进工作面出风口距掘进端面最近距离5 m和最远距离10 m时的最佳风流调控参数：在5 m处，出风口口径为1.1～1.2 m,水平右偏角度为10～15°,垂直上偏角度为3～6°；在10 m处，出风口口径为0.8～0.9 m,水平右偏角度为0～5°,垂直上偏角度为0～3°。

(4) 搭建了1∶5相似模拟的S1204掘进工作面的风流智能调控实验测试平台，对最佳风流调控参数进行了测试分析，结果表明：司机位置处的粉尘浓度最高降低了52.3%，回风侧行人位置处的粉尘浓度最高降低了60.6%，验证了最佳风流调控参数的准确性。