附壁风筒出风口参数对掘进工作面控尘效果的影响

王建国 ，李尧尧

（西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054）

综掘工作面是煤矿井下主要的产尘地点之一，大量粉尘积聚在此处，不仅污染综掘工作面环境，而且在一定条件下会发生爆炸，从而严重威胁到矿井的安全生产和矿工的生命安全[1-2]。目前，井下掘进工作面的通风方式大部分为压入式通风，其特点为出口风向单一、掘进工作面断面速度分布不均匀，这就增大了粉尘防治的难度，尤其是对粒径小于5 μm 的呼吸性粉尘，防治效果更差[3]。附壁风筒可以在掘进机司机工作区域的前方形成隔断空气幕，将掘进过程产生的高浓度粉尘有效控制在前端，减少粉尘大面积扩散。而在压风筒模型的基础上进行附壁风筒设计之后，得到的径向出风式附壁风筒不仅可以将粉尘控制在掘锚机之前的负压抽吸区，阻止截割作业所产生的高浓度粉尘向巷道的扩散，而且可以保证掘锚机司机的作业空间不受粉尘侵扰。目前对附壁风筒的研究工作主要集中在：附壁风筒对控尘效果的影响[4-7]；附壁风筒不同参数对控尘效果的影响[8-10]；加入附壁风筒后除尘效果对比[11-13]。

综合现有文献资料发现，目前鲜有对径向出风式附壁风筒出风口宽度以及径轴向出风比的研究。鉴于此，以冯家塔煤矿某综掘工作面为原型，建立综掘工作面模型，在长压短抽式通风条件下，通过分析巷道内以及司机位置处的粉尘浓度变化，研究径向出风式附壁风筒出风口宽度以及径轴向出风比对综掘工作面控尘效果的影响，以期为综掘工作面防尘提供参考。

1 模型建立

1.1 几何模型

依据冯家塔煤矿综掘面工作现场，选取模拟巷道，将巷道简化为长为80 m，巷道横截面为宽5.45 m，高3.9 m 的矩形。综掘工作面布置长压短抽式通风，将压风筒简化为直径为1 m 的圆柱体，压风量为570 m3/min，位置装设于巷道进风侧，压风筒出风口距掘进工作面15 m，中心轴距顶板及煤壁均为0.7 m；抽风筒架固定架设于掘锚机正上方，保持抽风筒直径为0.8 m，吸风口与掘进工作面之间的距离为3 m。在压风筒的结构上对径向出风式附壁风筒进行优化设计，在压风筒末端5 m位置处布置附壁风筒。径向出风式附壁风筒设置有3 个0.8 m×0.05 m 的条缝出风口，每个出风口之间的间距均为0.2 m，出风口风流径向吹至回风侧壁面，径向出风式附壁风筒如图1。

图1 径向出风式附壁风筒Fig.1 Radial outlet wall attached air duct

1.2 边界条件及求解设置

建立几何模型后，结合风流场的数学模型及数值模拟特点，需将模型适当简化以方便计算，故将巷道内空气设为不可压缩流体且密度恒定，边界条件参数设置见表1。

表1 边界条件参数设置Table 1 Boundary condition parameters setting

2 附壁风筒参数对控尘效果的影响

2.1 出风口宽度对控尘效果的影响

固定压抽风量比为1.3，保持径向出风式出风口的长度为0.8 m，通过模拟附壁风筒控尘及除尘风机除尘效果，分析工作区粉尘浓度分布情况，以此确定径向出风式附壁风筒的最佳出风口宽度。

通过将径向出风式出风口宽度改变为0.01、0.03、0.05、0.07、0.09 m，模拟得出的径向出风口不同宽度时呼吸带粉尘浓度如图2，径向出风口不同宽度时巷道两侧呼吸带粉尘浓度如图3。

图2 径向出风口不同宽度时呼吸带粉尘浓度Fig.2 Dust concentration in respiratory zone at different widths of radial air outlet

图3 径向出风口不同宽度时巷道两侧呼吸带粉尘浓度Fig.3 Dust concentration in respiratory zone on both sides of roadway at different widths of radial air outlet

当径向出风口宽度极小，仅为0.01 m 时，径向出风口风速过大，巷道空间基本被粉尘侵占，平均浓度高达200 mg/m3；但当径向出风口宽度变大后，附壁风筒控尘作用起效，巷道内粉尘浓度急速下降，直至径向出风口宽度增大到0.09 m 时，附壁风筒的控尘效果才有所减弱，但巷道内的绝大多数粉尘依旧被有效控制；在径向出风口宽度在0.03～0.07 m 之间时，附壁风筒径向出风所形成的控尘风幕可以保持完整，控尘效果均可达较理想状态。据云图显示，在径向出风口宽度在0.05 m 时，径向出风式附壁风筒的控尘效果最佳，粉尘的积聚及逸散情况得到有效改善，掘锚机前粉尘浓度达到650 mg/m3，粉尘基本在掘进工作面10 m 处得到有效控制，距掘进工作面15 m 时粉尘浓度已降至40 mg/m3左右。因此在快速掘进工作面长压短抽式通风加装径向出风式附壁风筒对工作面的控尘除尘效果非常明显。

径向出风口不同宽度时司机处粉尘浓度如图4，径向出风口不同宽度时巷道粉尘浓度如图5。

图4 径向出风口不同宽度时司机处粉尘浓度Fig.4 Dust concentration at the driver at different widths of radial air outlet

图5 径向出风口不同宽度时巷道粉尘浓度Fig.5 Roadway dust concentration at different width of radial air outlet

由图4、图5 可知：径向出风式附壁风筒可以较好地将粉尘集中阻隔在巷道前7 m 范围内，司机所受影响较小；当径向出风口宽度为0.01 m 时，高速径向风速到达煤壁时产生的附壁作用会受到破坏，不能阻断粉尘的运移，作业空间末端粉尘浓度高达90 mg/m3；径向出风口宽度增大后，附壁风筒控尘除尘效果得到加强，当径向出风口宽度增大到0.05 m 时，司机处粉尘浓度降至100 mg/m3，距掘进工作面20 m 巷道内基本无粉尘；继续增大径向出风口，所表现出的控尘除尘效果有所下降，当径向出风口达到0.09 m 时，仍可以将大部分粉尘隔离在压风筒口前方，除尘效果相比宽度为0.05 m 的径向出风口时下降约20%。

2.2 径轴向出风比对控尘效果的影响

在确定径向出风式附壁风筒的最佳出风口宽度后，设置附壁风筒出风量为569.9、284.5、189.6 m3/min，分析附壁风筒不同径轴向出风比下的风幕控尘效果，得出最佳径轴向出风比。

固定径向出风口宽为0.05 m，改变径轴向出风比为1∶1、1∶2、1∶3，径向出风口不同径轴向出风比时呼吸带粉尘浓度如图6，径向出风口不同径轴向出风比时巷道两侧呼吸带粉尘浓度图7。

图6 径向出风口不同径轴向出风比时呼吸带粉尘浓度Fig.6 Dust concentration in respiratory zone at different radial and axial air outlet ratios

图7 径向出风口不同径轴向出风比时巷道两侧呼吸带粉尘浓度Fig.7 Dust concentration in respiratory zone on both sides of the roadway at different radial and axial air outlet ratios

当径向出风式附壁风筒径轴向出风比为1∶1 时，风幕基本形成，径向风流对巷道内原平衡风流有一定的干扰，风幕控尘效果一般，掘进工作面粉尘有一定向巷道扩散的趋势存在，但逃逸负压抽吸区的粉尘又可被风幕阻隔在巷道前端15 m 左右，阻止了粉尘对巷道的进一步侵蚀；当径轴向出风比变为1∶2 时，风幕形成最为完整有效，可以将掘锚机之前的粉尘基本完全控制在负压抽吸区，粉尘从掘锚机四周逸散现象消失，此时附壁风筒的控尘作用体现最佳，巷道呼吸带无粉尘，掘锚机司机作业条件较好，不仅粉尘被隔离在截割滚筒作业范围，而且有压风筒新鲜风流吹席；当径轴向出风比变为1∶3 时，径向出风同上述同样条件下螺旋风幕一般，不能形成完整风幕的同时还会扰乱巷道的风流轨迹，造成粉尘的大范围扩散，且扩散严重程度超过螺旋出风式，附壁风筒控尘系统失效，干扰除尘系统。

不同径轴向出风比时司机处粉尘浓度如图8，不同径轴向出风比时巷道中粉尘浓度如图9。

图8 不同径轴向出风比时司机处粉尘浓度Fig.8 Dust concentration at the driver under different radial and axial air outlet ratios

图9 不同径轴向出风比时巷道中粉尘浓度Fig.9 Dust concentration in roadway under different radial and axial air outlet ratios

由图8、图9 可以看出：当径向分风量为轴向风量一半时，径向出风式附壁风筒控尘除尘作用达到最佳状态，粉尘被集中控制在负压抽吸区，风幕的完整性得到维持的同时其控尘作用得到了较好的体现，在掘锚机司机位置粉尘浓度降至1.2 mg/m3，距掘进工作面5 m 之后浓度降至规定标准之下；当径轴向出风比为1∶1 时，司机所在空间粉尘浓度为50 mg/m3左右，作业环境得到改善，尘源处粉尘会随着高速风流扩散至距掘进工作面15 m，巷道后段粉尘扩散得到有效的抑制；当径轴向出风比为1∶3 时，径向风速相对较小，会导致风幕的形成受阻，控尘作用得不到有效的发挥，负压抽吸区虽然能将大部分粉尘抽离，但截割作用所产生的粉尘仍会在巷道内急剧扩散，巷道中粉尘平均浓度高达40 mg/m3左右，不同水平高度下粉尘浓度分布较均匀。

2.3 模拟结果的现场验证

在井下快速掘进作业区现场进行径向出风式附壁风筒应用，按上述条件进安装调试，附壁风筒径轴向出风比调整为1∶2，在现场测点进行粉尘浓度实测。巷道呼吸带粉尘浓度沿程图如图10。

图10 巷道呼吸带粉尘浓度沿程图Fig.10 Dust concentration along the roadway breathing zone

根据实测值和模拟值进行对比可得出：掘锚机司机位置模拟值为1.2 mg/m3，实测值为0.7 mg/m3，实测值及模拟值均降至2.5 mg/m3以下，达到了井下规定的允许浓度；在巷道回风侧测点所采集到的粉尘浓度与模拟值有一定的差距，其原因可能为粉尘浓度将至较低水平，在进行采样过程中，人为动作对局部风流影响较大，从而导致采样粉尘浓度与模拟值出现一定偏差；但在距掘进工作面10、15、20 m 上，测定得到的粉尘浓度分别为3.1、0.7、0.4 mg/m3，模拟值分别为3.6、1.2、0.6 mg/m3，基本符合实际情况，一方面验证了所建立的径向出风式附壁风筒控尘除尘系统几何模型和物理模型的合理性，同时证明了该附壁风筒控尘系统在实际应用中的可行性。

径向出风式附壁风筒的应用对快速掘进工作面粉尘防治有极大的帮助，不仅可以将粉尘控制在掘锚机之前的负压抽吸区，阻止截割作业所产生的高浓度粉尘向巷道的扩散，而且可以保证掘锚机司机的作业空间不受粉尘侵扰，保证各工种有序作业的同时，为巷道提供了充足的新风并改善作业环境。加装径向出风式附壁风筒控尘除尘系统相比原始的通风除尘，除尘控尘效率得到大幅提升，较为理想地解决了快速掘进工作面的粉尘扩散问题，为指导不同类型快速掘进工作面粉尘防治提供了理论及技术依据。

3 结 语

1）当出风口宽0.05 m 时，径向出风口风速最佳，巷道两侧呼吸带粉尘浓度及司机处粉尘浓度大幅下降，控尘效果最佳，且出风口宽度的增大或减小均会对附壁风筒的控尘除尘效果造成影响。

2）确定出风口的宽度为0.05 m。当径轴向出风比为1∶2 时，风幕形成最为完整有效，此时附壁风筒的控尘作用体现最佳，巷道呼吸带无粉尘，掘锚机司机作业条件较好。

3）当径向出风式附壁风筒出风口参数为0.8 m×0.05 m，同时保证径轴向出风比为1∶2 时，对现场测点进行实测，得到掘锚机司机位置粉尘浓度以及距迎头10、15、20 m 时的粉尘浓度，与模拟值相差不大，基本符合实际情况。