多方向旋转风幕对综采工作面抑尘效果的研究

谢鑫龙

（山西省煤炭建设监理有限公司，山西 太原 030012）

尘肺病是我国最常见的职业病。根据国家卫生健康委员会发布的官方报告，煤矿工人尘肺病确诊病例为23 152 例，占尘肺病病例总数的95.2%[1,2]。为降低煤矿工人发生尘肺的概率，国内外的专家学者研制出了化学除尘、通风防尘等技术。通风防尘技术具有不干扰驾驶员视线、用水量少、操作成本低的优点，也是我国综采工作面应用较为广泛的除尘技术[3-5]。而通过对通风的几个主要参数进行研究后发现，压力通风出口到掘进面的距离Lp与道路截面面积Sr的关系是。但是，如果气流全部指向工作区域的掘进面，掘进面则难以有效地形成气流场，高精矿粉尘仍大量从综采工作面扩散[6]。为此，本文对综采工作面多向旋风幕的除尘效果进行了研究。

1 仿真模拟

本文对位于中国江庄煤矿的3-600 号的综采工作面进行研究。并建立了气相气流和固相粉尘双流体场的流体模型。基于组合网格的模型，对多向旋转风幕的形成和防尘效果进行了仿真模拟。

1.1 物理模型

本文建立了3-600 号综采工作面如图1 所示的等比例物理模型，还生成了该模型的网格。物理模型包括巷道、掘进机、强制风管、排气风管、多向旋转风幕发生器等。巷道形状为长方体，尺寸长40 m、宽4 m、高3.1 m。隧道掘进机的总长度为8.8 m；掘进机的机身为长方体，长6 m、宽2.4 m、高1.7 m。掘进机的背面连接着转运机和环形带式输送机。强制风管和排气风管均为圆柱体，直径均为0.6 m，从轴线到底板边缘的距离是2.1 m。排气风管贴紧在掘进机边缘，排气通风出口与引面的距离为3 m。将压力通风出口到掘进面的距离Lp设置为20 m，该距离大于5Sr（17.61 m）和10 m。这些都是我国综采工作面上广泛应用的数值。此外，多方向旋转风幕的发生器被安装在直径为0.6 m 的强制风管道上，有0.95 m 长，有两种方向的径向出风口组，均沿半圆分布。一种径向出风口组分布的半圆，按36°均分为5 个等份，其中出风口有3条；而另一种半圆按60°平均分为3 个等份，出风口有2 条。从径向空气出口到掘进面的最小距离为20 m。各类出风口组有两组：一组宽度为0.1 m，另一组宽度为0.15 m。

图1 网格生成前后的物理模型

1.2 气流场数值模拟结果与讨论

该综采工作面物理模型的主要边界条件如下：湍流能量耗散率为0.8 m2/s3，湍流动能为0.8 m2/s2，巷道断面面积为12.4 m2，强迫风量和排气风量分别为250 m3/min 和200 m3/min。下页图2 为多向旋转风幕应用前后气流场模拟分图，下页图3 为多向旋转风幕应用前后气流场模拟结果单剖面模拟结果。图中x为旋转风幕气流场x 轴方向映射，z 为旋转风幕气流场z 轴方向的映射，xyz 就是旋转风幕气流场三维仿真图像的坐标系。

图2 多向旋转风幕应用前后气流场模拟分图

图3 多向旋转风幕应用前后气流场模拟结果单剖面图

如图2 和3，在应用多向旋转风幕前，压缩空气全部从轴向压力风口吹出，在扩大射流流段的过程中，仿真显示了从指向流头到逆向流头的变化。一部分指向正方向的高速射流撞击迎面壁，然后转为逆向气流。部分逆向气流在风速较大的压力风口周围被卷入射流场。由于动量的水平传递，周围气流被湍流的漩涡带进射流场。同时，随着湍流地漩涡移动、变换和分裂，发生了湍流脉动。湍流的漩涡将其影响范围由内而外扩展，然后可以形成气流场。另一部分未被带入掘进射流场的空气继续向掘进面的反向流动。虽然Lp增加到20 m，大于（17.61 m），但是在巷道的每个横截面上，都没有形成抑尘气流场。

启动多向旋转风幕发动机后，90%的压缩空气从两相出口和三相出口交替布置的径向出口吹出，然后吹向巷道长壁、顶板和底板的另一侧，形成无空隙冲击长壁的射流，故此形成了多向旋转风幕。由于多向旋转风幕发动机径向出口喷出的高速气流的夹带作用，周围气流场形成了轴向回旋气流场。多向旋转风幕的气流场从径向气流流向掘进面，然后从截面到掘进面约12.8 m 处形成粉尘抑制气流场。此外，压缩空气不断向掘进面流动，不断扩散到巷道的另一边，从而增加了粉尘抑制气流场的气流速度。

1.3 沙尘流场数值模拟的结果与探讨

根据3-600 号综采工作面产生粉尘条件，添加粉尘参数：粉尘为煤粉，扩散速度为2×10-2kg/s，粒径范围为8.5×10-7～2.69×10-5m，中径为4.86×10-6m，分布指数为1.81，体积分数为4.75，粒子轨迹跟踪数为3 200。图4 为模拟了多向旋转风幕应用前后的粉尘流量的模拟结果。从图4 可以看出，在应用多向旋转风幕前，当Lp为10 m 时，50 mg/m3以上的高质量浓度粉尘的扩散距离为16.1 m；当Lp为20 m 时，它下降到13.2 m。但在应用多向旋转风幕后，扩散距离仅为5.8 m。这说明Lp越大，对控制掘进面的粉尘扩散越有利，但在的范围内，高浓度的粉尘仍会扩散到更长的距离。但采用多向旋转风幕后，抑尘效果明显，排气风管的吸尘量明显增加。

图4 多方向旋转风幕应用前后粉尘流量的模拟结果

3 结论

在应用多向旋转风幕前，当Lp为10m 时，50 mg/m3以上的高质量浓度粉尘的扩散距离为16.1 m；当Lp为20 m 时，它下降到13.2 m，在应用多向旋转风幕后，扩散距离仅为5.8 m，多向旋转风幕对粉尘控制效果是很明显的。研究结果表明，应用多向旋转风幕后，抑尘效果明显。