控尘风筒出风口形式变化对掘进工作面粉尘运移的影响研究.pdf

45tunneling working faceJ.Safety in Coal Mines,2023,54(8):45-51.移动扫码阅读SUN Liansheng.Study on the influence of air outlet form change of dust control air duct on dust transport in(8):45-51.孙连胜.控尘风筒出风形式变化对掘进面粉移的全,2 0 2 3,54SafetyinCoalMinesAug.20232023年8 月煤砺发全Vol.54No.8第8 期第54卷D0I:10.13347/ki.mkag.2023.08.009控尘风筒出风口形式变化对掘进工作面粉尘运移的影响研究孙连胜（国能神东煤炭集团有限责任公司，陕西榆林7 1 930 0）摘要：为研究控尘风筒出风口形状及数量变化对掘进巷道主要区域风速变化和粉尘运移的影响，通过FLUNET软件，对不同控风口形状、不同控风口间距分别进行模拟计算，得到对应条件下巷道内1.5m高度断面、距迎头不同距离断面的风速及粉尘浓度变化云图，以及人行侧采样点位置的风速及粉尘浓度变化曲线图，结合寸草塔煤矿并下掘进巷道进行验证。研究结果表明：在压抽比1.2、轴径向出风比1:3条件下，圆柱形控风口控尘效果优于矩形控风口和单个矩形控风口；控风口间距为7 50 mm控尘风筒主要位置的粉尘浓度小于间距为50 0 mm对应位置的粉尘浓度；现场验证过程中，不同控风口条件下，司机最大降尘效率为92.54%，粉尘浓度为41.3mg/m，一运与二运转载点后方5m位置最大降尘效率为91.56%，粉尘浓度为31.7 mg/m，控风口间距为7 50 mm的控尘效果优于间距为50 0 mm的控尘效果，这与数值模拟结果一致。关键词：控风口形状；控风口间距；控尘效果；粉尘浓度；粉尘运移中图分类号：TD714文献标志码：A文章编号：1 0 0 3-496 X(2023)08-0045-07Study on the influence of air outlet form change of dust control air duct on dust transportin tunneling working faceSUN Liansheng(China Shenhua Shendong Coal Group Co.,Ltd.,Ordos 719300,China)Abstract:To study the impact of changes in the shape and quantity of dust control air duct vents on wind speed changes anddust transport in the main areas of the excavation tunnel,simulation calculations were conducted using FLUNET software fordifferent shapes and spacing of control air vents,and corresponding cloud diagrams of wind speed and dust concentration changeswere obtained for the 1.5 m high section in the tunnel and the section at different distances from the front end undercorresponding conditions,as well as the wind speed and dust concentration change curves at the sampling points on the pedestrianside,verification was conducted in conjunction with the underground excavation roadway of Cuncaota Coal Mine.The researchresults show that under the conditions of a pressure extraction ratio of 1.2 and an axial and radial air outlet ratio of 1:3,the dustcontrol effect of the cylindrical control air outlet is better than that of the rectangular control air outlet and a single rectangularcontrol air outlet.The dust concentration at the main position of the control air duct with the spacing of 750 mm is less than thatat the corresponding position with the spacing of 500 mm;during the on-site verification process,under different air inletconditions,the maximum dust reduction efficiency of the driver was 92.54%,with the dust concentration of 41.3 mg/m.Themaximum dust reduction efficiency at a distance of 5 m behind the first and second transfer points was 91.56%,with the dustconcentration of 31.7 mg/m3.The dust control effect of 750 mm between the spacing of control air vents is better than that of 500收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 4责任编辑：兰莹作者简介：孙连胜（1 97 3一），男，内蒙古包头人，高级工程师，硕士，主要从事矿井管理和生产研究工作。E-mail:46Safety inCoal MinesAug.20232023年8 月No.8煤防发全Vol.54第54卷第8 期mm between the spacing of control air vents,which is consistent with the numerical simulation results.Key words:shape of air control opening;spacing between control air vents;dust control effect;dust concentration;dust transport随着国家对职业卫生的重视程度不断加强，各煤矿对井下粉尘治理和改善员工作业环境制定相应措施，国家投人大量经费开展井下粉尘治理工艺及装备研究，并应用于采煤面、掘进面现场实践，对井下作业环境改善有一定的效果。综掘工作面作为井下主要尘源场所之一，随着机械化掘进速度的提升，加上掘进巷道供风的特点，大量粉尘弥漫整个巷道，其中岩巷掘进过程中产生有大量矽尘，对工人身体健康损害尤为严重。对此，各煤矿在综掘面采取长压短抽通风控除尘、高压外喷雾、添加湿润剂、泡沫除尘、分段注水等降除尘措施，达到降低作业面粉尘浓度的目的1-2 。其中长压短抽通风控除尘工艺应用较多,除尘器的除尘效率在97%以上3,如何提高控尘效果，让粉尘最终进入除尘器净化处理后，新鲜风流排人巷道，是现场防尘所面临的难题。目前，研究主要集中于长压短抽压抽比、轴径向出风比、供风距离等影响因素，忽略了径向控尘出风口形状、出风口间距对掘进巷道主要区域风速、粉尘浓度的影响。研究成果表明，长压短抽压抽比在0.91.2之间，当压抽比为1.2、轴径向出风比为1:3时,控尘效果较好4-6 。基于此,结合寸草塔煤矿掘进巷道的特点，针对控尘风筒出风口形状及数量变化，对结果进行优化，提高现场控尘效果进行数值模拟研究，并进行现场验证，为后续掘进巷道粉尘治理设备优化提供借鉴1工作面概况以寸草塔煤矿31 煤回风联络巷为研究对象，巷道全长1 6 8 m，巷道断面近似矩形，利用综掘机、锚杆机配合成巷。采用EBZ-200型综掘机掘进，巷道净宽5.6 m，净高3.3m，顶板采用锚杆+钢筋网片+锚索联合支护。供风风筒吊挂于巷道左侧，风筒直径8 0 0 mm，风筒出口距离迎头距离在8 1 5m范围变化，出风口风量为40 0 m/min。掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为0.2 4m/min，属于低瓦斯矿井。2数值模型及边界条件设置2.1计算模型与物理模型目前，有山东科技大学程卫民团队、北京科技大学蒋仲安团队、中国矿业大学以及重庆煤科院等众多单位的科研究人员，通过数值模拟研究了采掘面粉尘随风流的运移规律7-1 4,并将模拟结果与现场实测数据进行对比综合分析，研究结果为井下重点区域采取防除尘措施提供了依据，并取得了一定的应用效果，证实了数值模拟结果对现场控除尘装备的设计、安装、布置等有较大的帮助，缩短了科研项目的前期开发工作，为后续现场匹配试验提供较大帮助1 5-1 8 。目前，数值模拟风流场多采用湍流计算模型，粉尘运移则采用离散相模型计算，模拟研究采用标准k-e模型（双方程模型）、离散相模型（DPM模型)对掘进巷道内的风流场和粉尘运移进行模拟。为研究长压短抽掘进面除尘器前方区域粉尘运移规律，将巷道简化为长40 m、宽5.6 m、高3.3m的长方体，供风风筒简化为直径8 0 0 mm的圆柱体，距迎头1 2.5m，置于巷道左侧上方位置，除尘系统简化为直径8 0 0 mm的圆柱体，吸尘口距迎头4.5m，在巷道中部、掘进机正上方放置。掘进机机身简化为长方体，摇臂及截割头简化为圆柱体。主要研究除尘器前部的风流及粉尘运移，桥转运输等进行忽略。模拟计算简化巷道模型示例图如图1,其中：y方向为巷道长度方向（与风筒轴线方向平行，y=0m平面为掘进面迎头）；巷道底板垂直向上为z轴方向（z=0 m 平面为巷道底板）；宽度方向为x方向。除尘器吸风出口位置供风入口吸风控尘部分巷道出口入口供风出口单个控风口控风口圆柱形矩形间距间距迎头控风口控风口500 mm750 mm发尘面矩形控风口掘机图1 模拟计算简化巷道模型示例图Fig.1Example of simplified tunnel model forsimulation calculation为研究出风口形状及数量变化对粉尘运移的影响，对应不同的控风风筒分别建立整体模型，圆柱形出风口300mm，矩形出风口2 6 6 mmx266mm，单个矩形出风口30 40 mmx350mm，出风口总面积相等，轴向出风口400mm。并对其进行网格划分，采用六面体划分网格，局部区域进行网格加密，网格质47Safety inCoal Mines2023年8 月Aug.2023煤砺发全Vol.54No.8第8 期第54卷量满足计算要求。2.2边界条件及参数设置由于现场除尘器为KCS-550D，风筒长35m左右，有风量损失，吸尘口测试风量为340 m/min左右。因此,数值模拟时压风风量为40 0 m/min，风筒直径为8 0 0 mm，风筒出口平均风速接近1 3.2 6 m/s。吸尘风筒直径为8 0 0 mm,风筒平均风速分别根据压抽比1.2 进行换算。环形发尘面大环直径为1.2 m，小环直径为0.6 m，与掘进头圆心一致，中心距地面高1 m，在y=0m平面上（图1)。模拟计算前,完成参数设置，先采用稳态k-e模型计算巷道内的风流流场，再添加离散相模型计算粉尘在巷道内的运移情况。k-e模型边界条件参数见表1,离散相模型边界条件参数见表2,模拟发尘质量浓度为1 50 0 mg/m。表1 k-e模型边界条件参数Table 1Boundary condition parameters of k-e model边界条件名称边界条件说明参数类型设置数值供风人口速度/（ms-）Velocity-inlet13.26Inlet-gf流强度/%Turbulent Intensity2.97吸风出口速度/(ms-)Velocity-inlet-10.61Outlet-xf流强度/%Turbulent Intensity3.06Outlet-hd巷道出口outflow注：供风风筒、抽尘风筒水力直径均为0.8 m。表2离散相模型边界条件参数Table 2Boundary condition parameters ofdiscrete phase model模块名称名称参数设置Injection TypeSurfaceParticle TypeSurfaceDPMMaterialSurface计算模型y方向速度/(ms)0.5参数设置总流量/(kgs)3.3310-4最大直径1 0 0 m;最小直径Rosin-rammler4.5m;平均直径2 5m巷道出口逃逸巷道壁面、风筒壁面、壁面设置默认反弹掘机壁面巷道底板、吸风筒出口捕获3模拟结果3.1控风口形状对控风区域风速及粉尘运移影响3.1.1控风口形状对控风区域风速变化的影响根据研究需要，分别建立3种控尘风筒模型，即控风口形状分别为圆柱形、矩形和单个矩形。按照表1 数据输人边界条件数据，采用压抽比为1.2 进行模拟运算。选取巷道1.5m高度断面，不同控风口形式风速变化图如图2。风速/(ms-l)风速/(m s-l)14.014.05m圆柱矩形11.211.210m形控控风8.4风口口单个矩形8.415m单个控风口矩形20m矩形控风口5.65.6圆柱形25m控风控风口2.82.830m口00（a）z=1.5m 高度巷道断面风速云图（b）距迎头不同距离断面风速云图4采样点5m圆柱形控风口10m3矩形控风口量一单个矩形控风口15m2供风风筒抽尘风筒20m25m一1m30m051015202530距迎头距离/m（c）巷道人行侧风速点位置示意图（d）巷道人行侧风速变化曲线图图2不同控风口形式风速变化图Fig.2Wind speed variation diagrams of different types of control air vents48SafetyinCoal MinesAug.20232023年8 月No.8煤砺发全Vol.54第54卷第8 期由图2(a)可以看出：掘机靠近供风一侧风速较大，回风一侧风速较小，掘机摇臂、炮头区域已经掘机机尾后方巷道区域的风速变化大致相同。结合距迎头不同距离断面风速云图和人行侧风速变化趋势可以看出：控风口区域（即距迎头2 5m以内区域）风速变化有一定差异，回风区域（距迎头大于2 5m的区域）风速基本一致。3.1.2控风口形状对控风区域粉尘运移的影响根据以上模型，在完成风速稳态模拟后，添加粉尘进行离散相数值模拟。其中，发尘面为图1 的环形发尘面，计算参数按照表2 进行设置。不同控风口形式粉尘浓度变化如图3。粉尘浓度/(mg?m-)50080圆柱形控风口400圆柱形60矩形控风口控风口矩形单个矩形控风口/控风中一单个矩形控风口30040200201000510152025300距迎头距离/m（a）z-1.5m 高度巷道断面粉尘浓度云图（b）巷道人行侧粉尘浓度变化图3不同控风口形式粉尘浓度变化Fig.3Variation of dust concentration in different control air outlet forms由图3(a)可知：高浓度粉尘集中于掘机摇臂至迎头区域，其中供风风筒轴向出风口直吹一侧粉尘浓度低于回风一侧，这与生产现场情况基本一致。结合巷道人行侧（即供风风筒下方区域）1.5m高度距迎头不同距离粉尘浓度变化趋势曲线可以看出：粉尘浓度降低趋势基本一致，距迎头2 0 m之后区域粉尘浓度基本一样,2 0 m之前圆柱形控风口对应位置的粉尘浓度略低于其它控风口3.2控风口数量和间距对控风区域风速及粉尘影响3.2.1控风口数量和间距对控风区域风速影响建立数值模拟计算模型，控风口数量为1 0 个，控风口间距分别为50 0、7 50 mm（图1），模拟计算参数和步骤与3.1 节中一致，不同控风口距离风速变化图如图4。/(m s-l)风速/(ms-)!14.014.05m410m11.211.2控风口控风口间距50 0 mm15m间距3控风口间距7 50 mm8.4控风口控风口8.420m750 mm控风口间距间距2间距25m5.6500mm750mm5.6500mm30m一2.82.835m0100510152025距迎头距离/m（a）z=1.5m 高度巷道断面风速云图（b）距迎头不同距离断面风速云图（c）巷道人行侧风速变化曲线图图4不同控风口距离风速变化图Fig.4Wind speed variation diagrams of different control air outlet distances由图4可知：供风一侧出风口至迎头区域风速变化较大，风速较大区域已经风速稳定区域基本相同。结合人行侧距迎头不同距离1.5m高度位置风速变化曲线可以看出：控风口为7 50 mm时，人行区域风速变化曲线更平缓，风速变化有一定差异，总体趋势基本一致。为考察不同控风口间距的差异，对不同控风口的出风风量进行统计，控风口风量变化情况如图5。49Safety in Coal Mines2023年8 月Aug.2023煤砺发全Vol.54No.8第8 期第54卷104098307控风部分65204控风口间距50 0 mm310控风口间距7 50 mm21012345678910控尘风筒出风口编号（a）控风口编号（b）控风口风量曲线图5控风口风量变化Fig.5Change of air volume in control air outlet由图5可知：控风口出风风量变化趋势基本一致，随着离轴向出风口距离增大，单个控风口轴向出风风量逐渐减小，控风口间距7 50 mm出风量变化相对更平缓，有一定的变化梯度。3.2.2控风口数量和间距对控风区粉尘运移影响不同控风口距离粉尘浓度变化如图6。粉尘浓度/(mgm-)粉尘浓度/(mg?m-)5005005m60控风口间距7 50 mm10m400400控风口控风口间距50 0 mm15m控风口控风口间距30030020m750mm间距间距500m750m20025m20200控风口100间距30m100500mm035m0510152025300距迎头距离/m（a）z=1.5m 高度巷道断面粉尘浓度云图（b）距迎头不同距离断面粉尘浓度变化图（c）巷道人行侧粉尘浓度变化图图6不同控风口距离粉尘浓度变化Fig.6Variation of dust concentration at different control air outlet distances由图6 可以看出：各断面高浓度粉尘区域基本一致，粉尘浓度曲线变化趋势也基本相同；其中，控风口间距为7 50 mm条件下，人行侧对应位置粉尘浓度略低于控风口间距为50 0 mm的情况。4现场测试结果为验证数值模拟分析的结果，根据数值模拟的条件，通过改进控尘风筒，风筒长5m，控风口间距分别为50 0、7 50 mm，出风口上有绳卡，可以改变控风口大小，甚至关闭控风口，其中单个矩形控风口则直接利用原风筒，在风筒侧面开多个矩形出风口。在31 煤回风联络巷掘进过程中使用长压短抽控除尘系统，控尘风筒样式及现场图如图7。现场测试时，为验证数值模拟结果，连接2 节控尘风筒，闭合最后2 个控风口，留下1 0 个控风口，将出风口直径收缩至40 0 mm左右（跟数值模拟出风口一致），通过调节风量使压抽比为1.2，现场测得控尘风筒控风口控尘风筒设计图750现场拍照图7控尘风筒样式及现场图Fig.7Dust control duct style and on-site diagram掘进机司机位置、一运二运转载点后方5m位置1.5m高度的粉尘浓度，粉尘浓度测量结果见表3。通过现场观察可以看出，单个矩形控风口对应50Safetyin Coal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤矿发全第54卷第8 期表3粉尘浓度测量结果Table 3Dust concentration measurement results原始粉尘浓影响因素粉尘浓度/降尘效位置度/mgm-)条件(mgm)率/%控风口间距50 0 mm47.991.35司机位置553.7控风口间距7 50 mm41.392.54矩形控风口82.485.12控风口间距50 0 mm36.590.28一运二运转载点后375.7控风口间距7 50 mm31.791.67方5m矩形控风口67.182.14位置粉尘浓度偏高，控尘效果比其余2 种情况差。根据表3数据可以看出：在压抽比为1.2,轴径向出风比为1:3时，不同控风口条件下，司机最大降尘效率为92.54%，粉尘浓度为41.3mg/m，一运与二运转载点后方5m位置最大降尘效率为91.56%，粉尘浓度为31.7 mg/m，与数值模拟的人行侧距掘进不同距离呼吸带高度粉尘浓度为1 2.7 42.4mg/m这一范围接近；控风口间距为7 50 mm情况下，控尘效果略优于控风口间距为50 0 mm，同时，圆柱形控风口控尘效果优于矩形控风口，与数值模拟结果一致。5结语1)通过数值模拟压抽比1.2、轴径向出风比1:3条件下，不同形状的出风口对巷道内主要位置风速、粉尘运移的影响，得出控风口至迎头区域风速变化有一定差异，回风区域风速基本一致，高浓度粉尘主要集中在掘机摇臂及掘进头远离供风筒一侧，控风口风量随着离轴向出风口距离增大，单个控风口轴向出风风量逐渐减小。2)数值模拟结果显示：在控风口总面积一定时，圆柱形控风口控尘效果优于矩形控风口和单个矩形控风口；当控风口为圆柱形，间距不同时，控风口间距为7 50 mm控尘风筒对应位置的粉尘浓度小于间距为50 0 mm的情况。3)在31 煤回风联络巷掘进过程中，通过设计的控尘风筒、及对原风筒进行简单处理，还原数值模拟条件进行对比验证。得出不同控风口条件下，司机最大降尘效率为92.54%，粉尘浓度为41.3mg/m，一运与二运转载点后方5m位置最大降尘效率为91.56%，粉尘浓度为31.7 mg/m；粉尘浓度与数值模拟结果相近，同时控风口间距为7 50 mm控尘效果由于间距为50 0 mm，与数值模拟结果一致。说明通过数值模拟和现场试验研究成果有一定的可靠性，为其他煤矿相似条件的工作面防尘提供借鉴。参考文献(References):1李德文，隋金君，刘国庆，等.中国煤矿粉尘危害防治技术现状及发展方向J.矿业安全与环保，2 0 1 9,46(6):1-7.LI Dewen,SUI Jinjun,LIU Guoqing,et al.Technicalstatus and development direction of coal mine dust haz-ard 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