0916 收稿日期:20200916
修回日期:20201122
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LIU Ronghua, ZHU Biyong, WANG Pengfei,et al. Dust control mechanism of double radial swirl shielding ventilation in fully mechanized heading face[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(12):3902-3911.
煤炭是我国的主体能源，约占一次能源消费总量的60%[1]。目前，地下开采仍是煤炭开采的主要方法，随着煤矿开采深度的加大和机械化程度的提高，作业区域粉尘灾害愈发突出，严重威胁着煤矿的安全生产和工人的身体健康[2-5]。综掘工作面是煤矿井下主要作业场所之一。据现场实测，在未采取防尘措施时，综掘工作面粉尘质量浓度可达1 200～1 500 mg/m3。即使采取了措施，多数综掘工作面的作业环境依旧不容乐观，掘进机司机工作地点粉尘质量浓度最大可达900 mg/m3。依据国家卫健委发布的全国职业病统计报告，2019年共报告职业病19 428例，其中，职业性尘肺病15 947例。从行业分布来看，报告职业病病例主要分布在煤炭开采和有色金属矿采选业，约占职业病报告总数的50%。
为解决综掘工作面的粉尘污染问题，国内外研究学者开展了大量的理论研究与实践工作。目前，长压短抽混合式通风是综掘工作面最常用的一种通风控尘方式，但该种通风方式下，掘进端头处粉尘会在送风流的带动下向作业区域大范围扩散，造成司机处粉尘严重超标[6-10]。附壁旋流通风是基于传统长压短抽式通风上的一种改进的通风方式。德国科学家最先开发了该项技术，即在压入式风筒的末端安装附壁风筒使压入风流变为轴向前进的旋转风流，在巷道断面形成一道旋转风幕，封堵工作面粉尘，初步解决了掘进端头处粉尘在送风流的带动下向作业区域大范围扩散的缺陷[11-15]。实践表明，附壁旋流通风是一种能够阻隔掘进端头粉尘扩散的有效方法，但该通风方式仍存在以下2个方面缺陷：① 附壁风筒形成的风幕强度不够理想，难以完整封堵巷道断面，粉尘容易从风幕中心区域穿过，仍然会导致掘进机司机处粉尘质量浓度超标；② 位于掘进机司机处后方的转载点处扬尘在吹吸风流作用下向掘进机司机处扩散，严重污染掘进机司机工作环境[16-18]。
针对附壁旋流通风存在上述不足，笔者提出一种综掘工作面双径向旋流屏蔽通风系统。该系统在掘进机司机前后各设置一道屏蔽风幕，并通过设置合理的吹吸流量比，将掘进产尘、掘进机转载点扬尘分别与掘进机司机区域隔离，为掘进机司机提供一个良好的作业环境。同时，该系统所形成的径向旋流风幕是通过在出风口设置弧形导风板产生的，相较于依靠巷道的贴附作用所产生的旋转风流流场，径向旋流屏蔽风幕径向风速更大且分布均匀，具有更理想的风流速度场，屏蔽效果更好。综掘工作面双径向旋流屏蔽通风是一种新型通风方式，其控尘机理尚不明确。笔者借助计算流体力学软件Fluent，研究该新型通风方式的风流流场结构和粉尘分布规律，从而揭示其控尘机理，以期为该种通风控尘系统的现场工程应用提供理论指导。
图1为综掘工作面双径向旋流屏蔽通风系统结构。综掘工作面双径向旋流屏蔽通风系统包括除尘风机、送风机、送风筒Ⅰ、送风筒Ⅱ、吸风筒、风阀及风幕发生装置等。送风机的出风口通过柔性风管Ⅱ与送风筒Ⅰ的进口连接，送风筒Ⅰ的出口处设有风阀；除尘风机通过柔性风管Ⅲ与吸风筒连接；吸风筒的进口端设有吸尘罩。送风筒Ⅱ套在吸风筒外侧，送风筒Ⅱ与送风筒Ⅰ间通过柔性风管Ⅰ连接。送风筒Ⅱ与吸风筒之间设有2个风阀，2风阀分别位于送风筒Ⅱ上的柔性风管Ⅰ管口的两侧。送风筒Ⅱ的两端各设有1个风幕发生装置。
1—除尘风机；2—送风机；3—柔性风管Ⅱ；4—送风筒Ⅰ；5—吸风筒；6—风幕发生装置；7—吸尘罩；8—风阀Ⅰ；9—掘进机；10—掘进机第1输送机；11—带式输送机；12—掘进机司机室；13—送风筒Ⅱ；14—柔性风管Ⅰ；15—风阀Ⅱ；16—风阀Ⅲ；17—柔性风管Ⅲ
图1 综掘工作面双径向旋流屏蔽通风系统结构
Fig.1 Structure of double radial swirl shielding ventilation system in fully mechanized excavation face
综掘工作面双径向旋流屏蔽通风系统有2种工作状态。当掘进机停止作业时，此时巷道内粉尘质量浓度较低，仅开启送风机，调节风阀使风流均从巷道一侧的送风筒前端送出，在巷道内形成普通压入式通风。当掘进机开机工作时，巷道内粉尘污染严重。此时，启动除尘风机与送风机，调节风阀将风流全部输送至压套筒，并从套筒两端的风幕发生装置径向出风。在风幕发生装置的作用下，工作面形成2道旋转的径向实心风幕。靠近掘进端头的1号风幕将掘进产尘控制在掘进端头的有限区域内，并在吸风筒作用下将粉尘排出，有效地阻止了掘进产尘向司机区域扩散。位于转载点前方的2号风幕将转载点扬尘与司机区域隔离，防止转载点扬尘进入司机区域。1号风幕和2号风幕的协同作用，有效地将综掘工作面的两大主要尘源与掘进机司机区域隔离，为掘进司机提供一个良好的作业环境。图2为掘进机正常工作时，综掘工作面双径向旋流屏蔽通风示意。
图2 综掘工作面双径向旋流屏蔽通风示意
Fig.2 Diagram of double radial swirl shielding ventilation in fully mechanized excavation face
以广西百色百矿集团某煤矿综掘工作面为原型，选择掘进工作面前端30 m巷道进行研究，采用Solidworks软件按照1∶1比例建立数值仿真几何模型。综掘工作面断面形状为半圆拱，宽为4.6 m，高为4.5 m，使用EBZ160掘进机进行掘进。图3为巷道模型，其中，送风筒Ⅰ的直径为0.8 m，筒长25 m，贴附在巷道一侧壁面，其中轴线距巷道的地面2.7 m，其末端出风口距离掘进端面5 m。送风筒Ⅱ与吸风筒组成的套筒，送风筒Ⅱ在外吸风筒在内，套筒中轴线距巷道的地面2.7 m。送风筒Ⅱ两端设有宽度为0.09 m环形条缝，环形条缝外侧布置有风幕发生装置。吸风筒的直径为0.6 m，其末端吸风口距掘进端面2.3 m。在套筒的下方设有1.8 m高的掘进机、第1输送机以及第2输送机。掘进机司机位于距离掘进端面5 m的位置。
图3 数值计算物理模型
Fig.3 Physical model of numerical calculation
采用欧拉-拉格朗日相结合的方法描述流场与粉尘运动。其中，气流被视为连续相，利用欧拉坐标系下的k-ε模型进行描述；粉尘颗粒被视为离散相，由拉格朗日坐标系中的离散相模型(DPM)进行描述[19-21]。另外，在计算过程中考虑了气固两相流耦合作用。
2.2.1 湍流方程
湍流出现在速度发生变化的地方。湍流模型中可实现 k-ε 模型比标准 k-ε 模型在漩涡、强流线弯曲和旋转等方面具有更高的仿真程度，且可实现k-ε模型在众 k-ε 模型中，在复杂二次流与流动分离等方面具有很好的效果。因此，本项研究中选择Realizable k-ε模型实现风流运动的描述[22-23]。Realizable k-ε模型的传输方程由k方程和ε方程组成。
k方程：
(1)
ε方程：
(2)
式中，ρ为密度；t为时间；k和ε分别为湍动能和湍流耗散率；xi，xj和uj为张量坐标；u为X方向上的速度；v为Y方向上的速度；η=Sk/ε，S为用户自定义系数；μ为流体黏度；μt为黏性系数；Gk为由平均速度梯度引起的湍流动能；Gb为由浮力产生的湍流动能；C1，C2，σk和σε为默认常数(C1=1.44，C2=1.9，σk=1.0，σε=1.2)。
2.2.2 离散相方程
Fluent在拉格朗日参考系下，通过对离散颗粒的力平衡进行积分来预测颗粒运动轨迹，这种力平衡可描述为
(3)
式中，mp为颗粒质量； u为流体相的速度； up为颗粒运动速度；ρp为颗粒密度；g为重力加速度；F为额外的力；
为阻力；τr为颗粒的松弛时间。
在Mesh中采用非结构化网格对所建立的计算模型进行网格划分，全局网格尺寸设置为0.4 m。同时，对于弧形导流板以及环形条缝使用0.01 m尺寸网格进行局部加密，对其他较为复杂结构处使用0.05 m网格进行局部加密，共生成了932 351个网格。根据矿井巷道风量的相关规定，将送风量设置为300 m3/min。在Fluent软件中将吸风口、2条环形条缝均设置为速度入口边界条件，将掘进机表面、巷道壁面以及第1输送机、第2输送机等外表面等均定义为wall。为了便于表达，用γ表示风筒的吹吸流量比，用β表示1号条缝和2号条缝出风量比。计算模型风量、风速参数设定见表1。
表1 计算模型风量和风速设置
Table 1 Setting of air volume and wind speed of numerical calculation
γβ环形条缝出口风速/(m·s-1)1号2号吸风口速度/(m·s-1)1.51.412.909.2211.80
根据综掘工作面粉尘质量浓度现场实测和试验室分析结果，设置计算模型粉尘相关参数。使用CCF-7000直读式粉尘质量浓度测量仪对掘进端头和转载点区域粉尘进行采样和浓度测量。将CCF-7000直读式粉尘质量浓度测量仪所收集的粉尘带回试验室，通过激光粒度分析仪进行粒度分析试验，获取巷道内粉尘粒度分布。根据试验结果设置数值模拟中粉尘源的产尘量和粉尘粒径分布参数。将掘进端面设置为第1发尘面。将第1输送机的上表面设为第2发尘面，发尘量为第1发尘面的20%。表2为第1发尘面主要参数设置。
表2 离散型模型设置
Table 2 Setting of DPM
项目设置参数注射类型面粒子类型煤粒径分布泊松分布最小粒径/m4×10-7平均粒径/m6.5×10-6最大粒径/m5.8×10-5分散系数1.63质量流量/(kg·s-1)0.010
为了使数值仿真得到正确的结论，在进行计算和分析时，必须保证模型能够准确反映实际。因此，必须对模型的有效性进行评估。本次模型有效性验证包括流场和粉尘质量浓度分布2部分，通过对比数值模拟和模型试验结果，验证模型有效性。
3.1.1 试验系统
根据实际巷道，采用几何相似比1∶10搭建试验模型，模型全长为3 000 mm，宽为460 mm，高为450 mm。巷道端面与一侧壁面开有直径为100 mm的圆孔，可与粉尘发生器连接模拟掘进产尘以及转载点扬尘。巷道内部设有送风筒、吸风筒、风幕发生装置、送风机、除尘风机、模拟掘进机、模拟输送机等。送风筒和吸风筒的直径分别为80 mm和60 mm，其中轴线距底部270 mm。套筒(由送风筒和吸风筒套装而成)两端设有2条宽度为9 mm的环形条缝，条缝外侧设有风幕发生装置。套筒的下方设置高为180 mm的模拟掘进机与模拟输送机。吸风筒末端吸风口距掘进端面230 mm，司机位于距离掘进端面500 mm的位置。选用德国生产的PIV(Particle Image Velocimetry)粒子图像测试系统对不同截面进行流场记录，得出流场空间结构与流动特性，并与数值模拟结果进行对比。开展粉尘相似验证试验时，采用德国AG420气溶胶发生器发尘，从掘进端头及巷道一侧壁面上的圆孔处将粉尘输送至巷道模型中，模拟掘进产尘以及转载点扬尘。使用FCC—25型防爆粉尘采样器进行粉尘采样，测量测点位置的粉尘质量浓度。
3.1.2 试验方案
选取3个具有代表性的流场测试面，利用PIV系统进行流场记录，测试面布置如图4(a)所示。在模型巷道中沿巷道长度方向(X轴)在掘进端头处(X=5 cm)、掘进机司机室处(X=50 cm)和转载点后(X=100 cm)分别布置粉尘采样点，测尘点布置如图4(b)所示。
图4 有效性验证试验测点布置
Fig.4 Layout of measuring points in validation experiment
流场分析试验中，将吹吸流量比固定为1.5，即将送风机和吸风机的风量分别设置为300 m3/min和200 m3/min。使用特效烟雾机向模型巷道中散播特效烟雾作为示踪粒子，待系统运行30 s至流场稳定后，利用PIV系统拍摄记录研究测试面流场。控尘效果试验中，保持送风机风量不变，通过改变吸风机风量，共测定6个不同吹吸流量比下的粉尘质量浓度分布情况。采用AG420气溶胶发生器发尘，并控制掘进端头和转载点发尘速率分别为6 g/min和1.2 g/min。使用粉尘采样器对6个工况下的3个测点位置的粉尘进行采样，设置采样时间为2 min，采样流量为15 L/min。
由数值模拟和PIV试验分别可得流场测试面的速度矢量图，如图5所示。通过对比图5中的速度矢量图发现，对于所选取的测试面，数值计算所获得的流场与PIV实测流场的结构和速度基本吻合。在测试面上选择部分测点进行速度大小分析，并与数值模拟同比例位置测点进行比较，平均误差均小于10%。
图5 试验与数值模拟流场对比
Fig.5 Flow field comparison of experiment and numerical simulation
图6(a)为吹吸流量比1.5时，数值模拟和模型试验2种情况下的3个测点的粉尘质量浓度。由图中试验数据可知，3个测点中，A测点即掘进端头区域粉尘质量浓度最高，B测点即掘进机司机室处粉尘质量浓度最低。在综掘工作面径向旋流屏蔽通风控尘系统作用下，掘进产尘被聚集在掘进端头区域，转载点处粉尘也被屏蔽在司机室处以外区域，双径向旋流风幕能有效的防止各尘源的粉尘扩散。图6(b)模型试验与数值模拟得出的B测点在不同吹吸流量比下粉尘质量浓度变化曲线。数值模拟和模型试验结果均显示，司机处粉尘质量浓度随着吹吸流量比的增大呈现先降低后增大的变化趋势，并在吹吸流量比为1.5时达到最低值，粉尘控制效果最理想。综合对比相似试验与数值模拟的结果，可知相似试验和数值模拟所得出的粉尘质量浓度在数值上虽有差异，但在不同工况下的变化趋势以及在同一工况下的粉尘质量浓度分布规律基本一致。
图6 数值计算与相似试验粉尘质量浓度变化
Fig.6 Dust concentration change of experiment and numerical simulation
通过上述对比分析发现，数值模拟与相似试验得出近似的结果以及基本一致的变化趋势，因此本次研究所建立的计算模型可以满足综掘工作面风流流场及粉尘质量浓度分布的数值计算研究。
图7，8分别为巷道三维流线图和巷道中心纵切面流场矢量图。从图7，8可以看出，在风幕发生装置的作用下，工作面形成2道旋转风幕，将掘进巷道分隔成3个区域，即掘进端头区域、司机区域及转载点后方区域。1号风幕从环形送风口射出后，在吸风筒的抽吸作用下流线向内收缩，使得旋转风幕具有伞状特征。同时，由于除尘风机的吸风量大于1号风幕的出风量，旋转射流从送风口射出与巷道壁面冲击后，射流的整体运动方向朝向掘进端头。由此可见，双径向旋流屏蔽通风的1号风幕可以在工作面前方形成一个完整的具有一定抗干扰能力的伞形风幕，将掘进产尘屏蔽在掘进端头有限区域。而且，通过控制合理的吹吸流量比，使得1号风幕送气流整体朝掘进端头运动，进一步阻止粉尘往外扩散[24-25]。
图7 巷道三维流线
Fig.7 Three dimensional streamline of roadway
2号风幕设置在转载点前方，其作用是阻止转载点扬尘进入司机区域。从图9风幕处巷道断面速度矢量图可以看出, 环形旋转射流在巷道横断面上形成稳定旋风，而且整个断面速度分布较均匀，具有较强的粉尘阻隔效果。
图9 径向风幕处断面速度示意
Fig.9 Vector diagram of cross section at radial wind curtain
从图8还能发现，由于除尘风机吸风量小于1号风幕和2号风幕出风量的总和(送风机的总送风量)，故在掘进机司机室与转载点之间的2号风幕在吹吸风流作用下分成2个部分，一部分风流向掘进端头方向移动，一部分风流向输送机方向移动。其中，向掘进端头区域流动的一股风流可以为司机区域提供新鲜风流，使司机处于新鲜风流区域，满足作业人员卫生健康的需求。从图8，9还能发现，由于掘进机的外部形状，导致1号风幕靠近地面区域的风幕受到较大的干扰，形成的伞形风幕在近地区域的包裹效果较弱。同时，由于巷道一侧壁面上送风筒I的存在，导致2号风幕部分风流经过送风筒I壁面阻挡后形成的风流具有较大的沿X方向的速度分量，对风幕形成产生一定干扰。
图8 巷道纵断面速度示意
Fig.8 Velocity vector diagram of roadway profile
综掘工作面粉尘质量浓度分布模拟结果如图10所示。图10中曲线为风流迹线，粉尘质量浓度分布在Fluent后处理中由体渲染呈现。从图10可以发现，位于1号风幕和2号风幕之间的司机区域粉尘质量浓度明显低于其他区域。从图11中司机呼吸带高度粉尘质量浓度沿程分布曲线也能看出该现象。这主要是由于风幕发生装置的作用下，形成的1号和2号风幕分别将掘进产尘与转载点扬尘有效地屏蔽在掘进机司机工作区域以外。从图中还能发现，1号风幕形成的伞形空气幕将掘进产尘包裹在掘进端头的一小块区域。
图10 巷道粉尘质量浓度三维分布
Fig.10 Three dimensional distribution of dust concentration in roadway
图11 粉尘质量浓度沿程分布
Fig.11 Dust concentration distribution along the roadway
1号风幕产生的旋转射流在掘进端头区域纵切面上形成稳定旋风, 使得工作面的粉尘被卷吸到巷道的中心, 并在巷道中心横向风的作用下被带到吸风口附近，提高了吸风筒对粉尘的收集能力，有利于降低掘进端头区域粉尘质量浓度，防止掘进端头的粉尘向司机室处扩散。1号风幕形成的旋转射流能够很好地控制综掘工作面掘进端头粉尘扩散, 大幅提高了工作面的粉尘捕集效率。由于掘进机的外部形状，导致1号风幕靠近地面区域的风幕受到较大的干扰，形成的伞形风幕在近地区域的包裹效果较弱，导致掘进端头区域的部分粉尘在近地面的区域聚集，甚至有沿着巷道底部突破1号风幕封堵向掘进机司机室处扩散的趋势。
从图10中还能发现，2号风幕将转载点处扬尘与掘进机司机区域分隔，保证司机区域不被转载点粉尘污染。由于除尘风机吸风量小于2条缝出风量的总和，故在掘进机司机室与转载点之间的2号风幕在吹吸风流作用下分成2个部分，一部分风流向掘进端头方向移动，一部分风流向远离掘进端头方向移动。向掘进端头运动的气流由于卷吸效应，将转载点的少量粉尘卷入司机区域，造成司机区域风管附近聚集部分粉尘。同时，由于巷道一侧壁面上送风筒Ⅰ的存在，对2号风幕产生干扰，导致巷道内布置有送风筒Ⅰ的一侧区域粉尘质量浓度偏高，如图12所示。
图12 司机处巷道断面粉尘质量浓度径向分布
Fig.12 Radial distribution of dust concentration of the section at driver’s position
双径向旋流屏蔽通风作为综掘工作面的一种新的通风方法，其工作原理与附壁旋流通风有一定的相似，也是在巷道断面形成径向的风幕对风尘扩散进行封堵。双径向旋流屏蔽通风在综掘工作面形成的旋转风幕通过弧形导风板产生，对比附壁旋流通风依靠巷道的贴附作用所产生的旋转风幕，该种屏蔽风幕的径向风速更大，分布均匀且具有一定厚度，故双径向旋流屏蔽通风在防止粉尘扩散方面具有更好的效果。同时，双风幕的设计可有效地将综掘工作面的两大主要尘源(掘进机产尘和转载点扬尘)与掘进机司机区域隔离，为掘进司机提供一个良好的作业环境。
(1)综掘工作面双径向旋流屏蔽通风控尘时，在工作面形成2道径向旋转风幕，将掘进巷道分隔成3个区域，即掘进端头区域、司机区域及转载点后方区域。
(2)双径向旋流屏蔽通风可在工作面前方形成一个完整的具有一定抗干扰能力的伞形空气幕(1号风幕)，将掘进产尘屏蔽在掘进端头有限区域。同时，2号风幕可将转载点处扬尘与掘进机司机区域分隔，保证司机区域不被转载点粉尘污染。
(3)综掘工作面双径向旋流屏蔽通风所产生的环形径向旋转射流在巷道横断面上形成稳定旋风，而且整个断面速度分布较均匀，相较于附壁旋流通风形成的径向风幕具有更高的强度，具有较高的粉尘阻隔效率。
(4)司机处粉尘质量浓度随着吹吸流量比的增大呈现先降低后增大的变化趋势，并在吹吸流量比为1.5时达到最低值，粉尘控制效果最理想。
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