综掘面双风幕通风系统控尘除尘性能研究_徐文君.pdf

：收稿日期：基金项目：河北省自然科学基金资助项目（）；山西省潞安集团项目（）作者简介：徐文君（），男，安徽安庆人，硕士研究生，现在主要从事通风除尘方面的研究，：。通讯作者：任晓芬（），女，河北石家庄人，博士，副教授，主要从事工业建筑环境污染物高效控制方面的研究，：。引用格式：徐文君，任晓芬，崔宝库，等 综掘面双风幕通风系统控尘除尘性能研究 煤炭工程，（）：综掘面双风幕通风系统控尘除尘性能研究徐文君，任晓芬，崔宝库，雒晨辉，冯丽伟（河北工程大学 能源与环境工程学院，河北 邯郸；石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄；山西潞安集团郭庄煤业有限公司，山西 长治；山西潞安集团司马煤业有限公司，山西 长治）摘 要：针对综掘面粉尘浓度超标的问题，以山西长治潞安司马矿综掘工作面作为研究对象，建立了平行出风口形成的双风幕通风系统仿真模型，空气相利用标准 湍流模型，颗粒相利用 模型，对综掘面附近的风流场和粉尘场进行了模拟研究。研究表明：双风幕通风系统在出风口导流板的康达效应下，在司机前方产生两道独立的风幕，靠近产尘点的第一道风幕将作业过程产生的大多数粉尘阻隔在主控尘区内；第二道风幕位于第一道风幕和司机之间形成辅控尘区，进一步拦截粉尘；当上下导流板角度 取，风口高度 均取 ，抽风口离综掘面距离 为 时，呼吸带粉尘浓度最小。将双风幕通风系统与传统长压短抽通风系统控尘除尘性能进行比较可知，前者作用时呼吸带粉尘浓度远低于后者作用时，除尘率提高了。关键词：掘进工作面；双风幕；除尘率；数值模拟 中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，；，）：，；，：；第卷第期 煤 炭 工 程 ，综掘工作面粉尘污染是我国煤矿生产过程中所面临的主要问题之一。随着井下机械化作业程度越来越高，粉尘污染问题较之前更加突出，综掘工作面粉尘浓度高仍然是制约着煤炭安全高效开采的难题，。据有关资料显示，在不采用除尘设备时，工作面粉尘浓度可高达 ；当采用常规除尘设备时，粉尘浓度仍可高达 ，远高于井下施工的安全浓度 。高浓度的粉尘会诱发井下工人罹患尘肺病，在一定程度甚至还可能发生爆炸，从而危及工人的生命安全。目前，长压短抽式通风系统在综掘面应用最普遍。然而，该通风方式经常将掘进过程产生的粉尘扩散到整个工作巷道，甚至影响到回风巷，。为了防止粉尘扩散，风幕技术逐渐被利用在综掘面且受到诸多研究者的关注。但是，现有的风幕技术仍存在以下问题：风幕强度达不到预期要求，粉尘在压风筒吹出的高速风流裹挟之下，容易穿过风幕，造成整个综掘巷道的大范围污染，；风幕技术仅为辅助隔尘的手段，尚无完善的风幕控尘除尘系统。针对井下风幕技术存在的不足，本文提出一种综掘面双风幕通风系统。借助模拟仿真软件 对该通风方式下的风流场与粉尘场进行模拟研究，并与传统通风方式进行对比，从而获得其控尘后含尘气流的流动轨迹及其结合抽风筒作用的除尘效率，以期为综掘面的粉尘防治提供新的思路。双风幕除尘系统双风幕除尘系统由两个部分构成，分为压入端和抽出端，如图（）所示。压入端主要包括送风机、压入式风筒、风箱、平行的上下两个出风口及其导流板，风箱和导流板安装于送风管末端，风箱固定于综掘机上，随其一起移动，上下导流板末端切线与送风管平面夹角均为；抽出端主要包含抽风机、抽出式风筒。抽出式风筒的径向位置不变。上出风口在上导流板的康达效应作用下，在靠近掘进面的位置形成扇形的第一道风幕，与巷道壁面形成主控尘区，如图（）所示。下出风口在下导流板的作用下，在第一道风幕和司机之间形成第二道风幕，形成辅控尘区，进一步阻隔穿透第一道风幕的少量粉尘向巷道后侧扩散。数学模型假设综掘面中气体的流动是不可压缩的绝热流图 双风幕通风系统动，且风流场及粉尘颗粒流场在综掘工作面的运移均为湍流流动，控制方程是连续性方程和动量方程。基于气粒两相流理论以及流动特性，本文采用标准双方程模型。其通用形式为：（）（）（）（）式中，为因变量；为速度矢量；为扩散系数；为源项。当变量中的 分别为，时，各控制方程表达如下：连续性方程：，（）动量方程：（）（）（）（）式中，为雷诺应力项；为离散颗粒相对流体的作用力，；为单位面积上的分布函数；为重力加速度，通常取 。湍流动能输运方程：（）标准湍流模型中 湍流动能耗散率输运方程：研究探讨 煤 炭 工 程 年第 期 （）离散相方程中通过对离散颗粒的力平衡来模拟粒子运动轨迹，其方程为：（）（）式中，为颗粒质量；为流体相速度；为额外的力；为阻力；为颗粒松弛时间。物理模型及边界条件图 双风幕通风系统断面尺寸（）物理模型以山西长治潞安司马矿综掘工作面为研究对象，使用 软件建立几何模型，双风幕通风系统断面尺寸如图 所示。综掘面长宽高为 ，综掘机长 宽 高为 ，压入式风筒长度为，直径为 ，布置于巷道正中央，轴心距巷道内壁为 ，距巷道地面为 ，风筒末端与矩形风箱连接，矩形风箱长宽高为 ，风箱内设有五面体将送风分成两股气流从上下两个条缝出口流出形成风幕，条缝宽高均为 。抽出式风筒长度为 ，直径为 ，布置于巷道正中央，其轴线距巷道地面为 。边界条件的设置数值计算的 模拟设置选用了压力基求解器，时间类型为稳态，采用标准 模型作为湍流模型。抽出式风筒的进口和综掘面巷道的出口设定为，综掘面底部设定为，其余表面均设定为。压入式风筒压风量为 ，抽出式风筒抽风量为 。压入式风筒与抽出式 风 筒 水 力 直 径 均 为 ，湍 流 强 度 均 为。模型边界条件参数设定见表。表 模型边界条件参数设定粉尘源参数参数设置最大步数指定长度尺度 喷射源类型面喷射材料直径分布总流速（）最小直径 最大直径 综掘面粉尘 数值模拟及分析为了探求导流板角度、上下送风口高度 及抽风口距综掘面距离 对综掘面巷道内风流流场和粉尘运移规律的影响。导流板角度 取、和，送风口高度 取、和，抽风口距综掘面距离 分别取、和 时，对巷道内粉尘运移情况进行模拟，得出粉尘运移规律和最优化参数。其中，为巷道坐标轴，如图 所示，为巷道水平方向距离，为巷道底部到巷道顶部的距离，为距掘进面的距离。导流板角度对粉尘运移的影响同时改变上下导流板角度，分析其对呼吸带粉尘浓度的影响，导流板角度 分别取、和，呼吸带粉尘浓度随 的变化规律如图 所示。由图 可知，当 ，粉尘浓度随 值增大波动剧烈，在 时呈现最大峰值，粉尘控制效果较差；当，在 时粉尘浓度波动范围低于其他工况下波动范围，在 时粉尘控制良好；当，在 粉尘控制较好，但当 时，粉尘浓度波动范围较大，未得到有效控制。呼吸带截面（）粉尘分布如图 所示。从图中可以看出，当 取 与 时，整个巷道粉尘控制效果较差，时巷道内出现较明显的粉尘分布情况。而当 取 时，粉尘主要分布在 年第 期 煤 炭 工 程 研究探讨 图 呼吸带粉尘浓度随 的变化规律 内，其他区域未发生明显的粉尘扩散。由此可得出，当 时，粉尘控制效果最佳。图 呼吸带截面（）粉尘分布 上下送风口高度对粉尘运移的影响导流板角度 取，当上下送风口高度 分别取、和 时，呼吸带粉尘浓度在不同 时的分布规律如图 所示。由图 可知，当 时，在 时粉尘控制效果较好，但其他区域粉尘浓度局部波动激烈；而 和 时，整个呼吸带处粉尘波动较剧烈，巷道整体控尘效果较差；当 时，随 增加，呼吸带粉尘浓度先急剧减少，在 之间粉尘浓度在 上下波动，在 时，粉尘浓度在零轴附近略有波动，趋于稳定。图 呼吸带粉尘浓度在不同送风口高度 时的分布规律送风口高度不同时 截面粉尘分布如图 所示。从图中可知，双风幕通风系统对粉尘的隔离效果优越，大部分粉尘被隔离在主辅两个控尘区内。当 时，粉尘隔离效果最佳，巷道后侧未见较高浓度的粉尘分布。图 送风口高度不同时 截面粉尘分布 抽风口距综掘面距离对粉尘运移的影响导流板角度 取，送风口高度 取，研究抽风口距综掘面距离 变化对呼吸带粉尘浓度的影响，当 取、和 时呼吸带粉尘浓度变化规律如图 所示。由图 可以看出，当 时，呼吸带在 之间粉尘浓度达到峰值 ；当 时，粉尘浓度逐渐减小；当 时，出现两次波峰，在 处粉尘浓度最大为 ，粉尘扩散距离超过；当 时，粉尘浓度较其他工况低，波峰最大值为 ；当 时，粉尘浓度远高于其他工况下，时，粉尘浓度为 ，说明粉尘仍未得到有效控制。图 当抽风口离综掘面距离 不同时呼吸带粉尘浓度变化规律随 变化的粉尘运动轨迹如图 所示。当 时，粉尘轨迹主要分布在 范围内；当 和 时，整个巷道均出现粉尘运动轨迹，说明 此 时 双 风 幕 通 风 系 统 控 尘 效 果 较 差；当，粉尘主要分布在 范围内，其他位置未见粉尘运动轨迹，此工况粉尘控制效果最好。双风幕除尘与长压短抽除尘系统效果对比对山西长治潞安司马矿的综掘工作面长压短抽系统进行模拟，并与双风幕通风系统模拟结果进行研究探讨 煤 炭 工 程 年第 期图 随抽风口离综掘面距离 变化的粉尘运动轨迹对比分析，在不同 截面对比两种系统作用下粉尘浓度的分布情况。）传统长压短抽系统和双风幕除尘系统在不同 截面粉尘浓度对比如图 所示。从图（）可以看出，在长压短抽模式下，巷道中的粉尘浓度较大，在抽风筒一侧粉尘浓度较高，这是因风场未能隔离粉尘导致；由图（）可知，双风幕作用下，大部分粉尘都被双风幕阻挡在控尘区，易被抽风筒抽出，巷道粉尘浓度较传统长压短抽系统有较大的改善。图 两种系统在不同 截面处粉尘浓度对比）双风幕除尘系统和传统长压短抽系统在呼吸带的粉尘浓度变化如图 所示。从图中可知，双风幕系统作用下的粉尘浓度均低于长压短抽式通风系统下的粉尘浓度，浓度降低约。时，双风幕系统下的粉尘浓度较长压短抽系统均匀，表明双风幕系统对控制综掘面粉尘浓度起到了良好的作用。图 两种系统在 、处粉尘浓度沿程变化 模拟结果与实测数据对比依据山西长治潞安司马矿综掘工作面长压短抽通风系统的粉尘分布数据，对建立的长压短抽除尘系统模型进行验证，实测与模拟浓度对比如图 所示。从图中可以看出，模拟数据和实测数据波动规律一致，且误差小于，可以验证长压短抽模型模拟结果的准确性。图 实测与模拟浓度对比 结 论）本文提出一种新型的双风幕除尘系统，送风经导流板引导，在综掘机前形成两道风幕，对掘进过程产生的粉尘进行隔离，有利于被抽风筒排出，从而达到除尘的效果。）对呼吸带粉尘浓度场的研究结果表明，当导流板角度 取、送风口高度 取、抽风口离综掘面距离 为 时，粉尘浓度最小。）双风幕系统与长压短抽系统对比结果表明，呼吸带粉尘浓度得到了明显改善，除尘率提升了，初步验证了双风幕系统的科学性和可行性。参考文献：金龙哲，李晋平，孙玉福，等 矿井粉尘防治理论 北京：科学出版社，马胜利，张 强，张凯铭 综掘工作面风幕控尘除尘系统数值模拟研究 煤炭技术，（）：马胜利，张 强，龚晓燕 综掘工作面门型风幕控尘除尘系统粉尘防治研究 矿业安全与环保，（）：孟 晗，杨玉中，鲁忠良，等 基于风幕隔尘集尘的综掘面粉尘防治研究 安全与环境学报，（）：樊亦洋 综掘面风幕抽吸控尘系统参数优化的数值模拟研究 西安：西安科技大学，中华人民共和国应急管理部 煤矿安全规程 北京：应急管理出版社，汤春宜，邱新香，周宏珍，等 尘肺病患者生活质量及其影响因素研究 中国职业医学，（）：陈 泽，董旭东，卞 涛，等 采煤工作面职业病危害防治 年第 期 煤 炭 工 程 研究探讨 研究 煤炭工程，（）：王德明 矿尘学 北京：科学出版社，聂 文，魏文乐，刘阳昊，等 轴向压及径向旋流风幕的形成与隔尘仿真 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