蔣仲安 王露露 張中意

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

掘進(jìn)巷道中長(zhǎng)壓短抽條件下附壁風(fēng)筒的實(shí)驗(yàn)研究*

蔣仲安 王露露 張中意

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

為了解決掘進(jìn)巷道中粉塵濃度的污染問(wèn)題，采用了附壁風(fēng)筒配合長(zhǎng)壓短抽的通風(fēng)方式，利用相似實(shí)驗(yàn)方法構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)掘進(jìn)工作面的流場(chǎng)和粉塵場(chǎng)的空間分布規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：附壁風(fēng)筒配合長(zhǎng)壓短抽的通風(fēng)方式，能夠在巷道端頭形成一種有效防治粉塵擴(kuò)散、旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的屏蔽流場(chǎng)，而壓抽比與抽風(fēng)風(fēng)筒位置則是影響附壁風(fēng)筒流場(chǎng)屏蔽效果的關(guān)鍵。在相似實(shí)驗(yàn)條件下，確定了在壓抽比1.2，抽風(fēng)風(fēng)筒位置距掘進(jìn)面1.3 m、高度1.2 m、巷道中心位置時(shí)，能夠?qū)⒎蹓m有效控制在距掘進(jìn)端頭2 m的范圍內(nèi)。

掘進(jìn)工作面 附壁風(fēng)筒 流場(chǎng) 粉塵濃度 壓抽比

掘進(jìn)巷道機(jī)械化程度較高，產(chǎn)生的粉塵污染嚴(yán)重，直接危害工人的身心健康及安全。目前混合式通風(fēng)方式被廣泛應(yīng)用，其中最常見(jiàn)的為長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)[1]。國(guó)內(nèi)礦井巷道一般配備的風(fēng)筒直徑最大為1 m，掘進(jìn)工作面供風(fēng)量也偏大，使得風(fēng)筒末端出口風(fēng)速較大，生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的粉塵運(yùn)動(dòng)速度高，在空氣中分散度較大，不利于降塵工作的進(jìn)行[2]，不能從根本上控制和防止粉塵的擴(kuò)散。本文通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)，利用附壁風(fēng)筒配合長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)，可有效控制粉塵的漂移和擴(kuò)散[3-4]。采用相似實(shí)驗(yàn)的方法，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以得到掘進(jìn)巷道的合理壓抽比以及較優(yōu)的抽風(fēng)風(fēng)筒位置[5-7]。

1 相似準(zhǔn)則數(shù)的導(dǎo)出及簡(jiǎn)化

1.1 氣固兩相流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程

掘進(jìn)工作面產(chǎn)生的粉塵顆粒隨氣流的運(yùn)動(dòng)、擴(kuò)散以及沉降等，屬于氣固兩相流研究的范疇。

1.1.1 氣體運(yùn)動(dòng)方程

對(duì)于三維不可壓縮、黏性氣體的運(yùn)動(dòng)方程為：

(1)

1.1.2 粉塵在氣體中的運(yùn)動(dòng)方程

假定含塵氣流的運(yùn)動(dòng)只考慮氣固兩相相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的作用力，忽略其他作用力的影響，固體球形顆粒的運(yùn)動(dòng)方程為

(2)

1.2 相似準(zhǔn)則數(shù)的導(dǎo)出

1.3 相似準(zhǔn)則數(shù)的簡(jiǎn)化

由于原型與相似模型的流場(chǎng)均穩(wěn)定，可不考慮H0；相似模型所使用的粉塵與實(shí)際情況亦相同，ρp/ρg可忽略；原型與相似模型中的粉塵粒徑都很小，可忽略Fr；粉塵顆粒在很短的時(shí)間內(nèi)能充分加速到氣流速度的99%，ρp/ρg可近似等于1；根據(jù)雷諾數(shù)無(wú)關(guān)性理論：若流體流動(dòng)過(guò)程的雷諾數(shù)達(dá)到某一臨界值時(shí)，即湍流進(jìn)入成熟階段(阻力平方區(qū))，相似實(shí)驗(yàn)將不再受到模型率的影響，所以只要保證所做實(shí)驗(yàn)具有很大的雷諾數(shù)(Rec=5×104)，則可忽略雷諾準(zhǔn)則的影響[11-13]。根據(jù)掘進(jìn)巷道的實(shí)際情況簡(jiǎn)化后，獨(dú)立相似準(zhǔn)則數(shù)有：Stk、Rep、Δ/D和δl。

2 掘進(jìn)巷道相似模型的建立

圖1 掘進(jìn)工作面模型(單位：m)

3 相似實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的測(cè)定方法及測(cè)點(diǎn)布置

3.1.1 測(cè)定方法

巷道端頭中心處設(shè)置塵源，實(shí)驗(yàn)用粉塵來(lái)自掘進(jìn)工作面現(xiàn)場(chǎng)，發(fā)塵強(qiáng)度在實(shí)驗(yàn)中保持穩(wěn)定。壓入式和抽出式風(fēng)機(jī)均采用SWF混流式管道風(fēng)機(jī)(可調(diào)風(fēng)速)。風(fēng)速測(cè)量選用testo425型風(fēng)速儀(設(shè)定時(shí)間參數(shù)為20 s)，測(cè)出的風(fēng)速為20 s的平均值。粉塵濃度測(cè)量采用濾膜質(zhì)量濃度法，使用FC-4型粉塵采樣儀進(jìn)行采樣(采樣流量為0.02 m3/min、時(shí)間為2 min)，最后由濾膜的質(zhì)量增量和采氣量計(jì)算出空氣中總的粉塵濃度。

3.1.2 測(cè)點(diǎn)布置

3.1.2.1 風(fēng)速測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)巷道模型長(zhǎng)度，結(jié)合附壁風(fēng)筒流場(chǎng)的理論，分縱向和橫向兩部分進(jìn)行流場(chǎng)風(fēng)速測(cè)定。測(cè)量沿巷道方向的風(fēng)速時(shí)，在巷道模型內(nèi)部選取17個(gè)待測(cè)面(所取待測(cè)面同下文粉塵待測(cè)面)，待測(cè)面離巷道端頭越近布置的越密集，每個(gè)斷面布置6×4個(gè)風(fēng)速測(cè)點(diǎn)，如圖2(a)所示；測(cè)量斷面的橫向風(fēng)速時(shí)，在附壁風(fēng)筒側(cè)向風(fēng)口處(L=1.9～3.1 m)選取了5個(gè)待測(cè)面，測(cè)點(diǎn)布置如圖2(b)所示。

3.1.2.2 粉塵濃度測(cè)點(diǎn)布置

在巷道模型內(nèi)部選取17個(gè)待測(cè)面，待測(cè)面離巷道端頭越近布置的越密集，每個(gè)斷面布置3×4個(gè)風(fēng)速測(cè)點(diǎn)(高度方向與縱向流場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置相同)，測(cè)量不同高度、不同斷面以及不同壓抽比條件下的粉塵濃度分布。對(duì)不同抽風(fēng)風(fēng)筒位置進(jìn)行粉塵濃度測(cè)量時(shí)，只選取呼吸帶左側(cè)人行道中心線處(H=0.8 m，W=155 cm)進(jìn)行測(cè)量，如圖3所示。

圖2 風(fēng)速測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)

圖3 粉塵濃度測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)

3.2 風(fēng)流流場(chǎng)分布

3.2.1 沿巷道方向的流場(chǎng)分布

實(shí)驗(yàn)在壓風(fēng)風(fēng)筒風(fēng)量為1.63 m3/s、壓抽比為1.2的條件下，研究巷道模型內(nèi)縱向風(fēng)流流場(chǎng)的分布。由于篇幅有限,此處只選取H=1.2 m及H=1.6 m 的平面進(jìn)行風(fēng)流流場(chǎng)分析。見(jiàn)圖4。

圖4 沿巷道方向風(fēng)速變化

由圖4可以看出：

(1)H=1.2 m時(shí)，W=55 cm和155 cm位置由于在壓抽風(fēng)筒的邊緣附近，在巷道端頭到風(fēng)筒口的范圍內(nèi)風(fēng)速變化十分劇烈。軸向進(jìn)風(fēng)風(fēng)流自壓入式風(fēng)筒口射出后向回風(fēng)側(cè)斜向運(yùn)動(dòng)，且對(duì)周圍氣流有卷吸作用，使得其余位置的風(fēng)速在距工作面1.5 m以內(nèi)也出現(xiàn)了峰值。

(2)H=1.2 m時(shí)，隨著與工作面距離的增加，受壓入式風(fēng)筒和抽出式風(fēng)筒共同作用的影響，各位置的風(fēng)速均呈現(xiàn)出先增大后減小(在附壁風(fēng)筒側(cè)向風(fēng)口位置風(fēng)速減到最小值)，而后又稍有提升的變化趨勢(shì)，最終風(fēng)速均穩(wěn)定在0.5 m/s左右，此即為掘進(jìn)巷道的排塵風(fēng)速。

(3)H=1.6 m時(shí)，側(cè)向風(fēng)口的作用成為影響流場(chǎng)分布的主要因素，在L=1.9～3.1 m的各位置均出現(xiàn)了速度峰值，并且呈現(xiàn)出離側(cè)向風(fēng)口越近峰值位置越靠后的變化趨勢(shì)，這是由于側(cè)向風(fēng)口產(chǎn)生的屏蔽流場(chǎng)受到抽風(fēng)風(fēng)筒抽吸作用的影響，形成了一種旋轉(zhuǎn)前進(jìn)屏蔽場(chǎng)的結(jié)果。在W=115～155 cm時(shí)，離側(cè)向出風(fēng)口距離較遠(yuǎn)，因此，風(fēng)速明顯下降，屏蔽成了主導(dǎo)作用，在附壁風(fēng)筒側(cè)向風(fēng)口位置風(fēng)速明顯減小。

3.2.2 側(cè)向風(fēng)口處橫向風(fēng)流的流場(chǎng)分布

側(cè)向流場(chǎng)的測(cè)量側(cè)重于不同斷面從左到右橫向的風(fēng)速分布，這里僅對(duì)壓抽比為1.2時(shí)，H=1.6 m不同截面及L=2.5 m 不同高度的流場(chǎng)進(jìn)行分析。見(jiàn)圖5。

圖5 巷道橫斷面風(fēng)速

由圖5可知：

(1)H=1.6 m時(shí)，風(fēng)速先增大后減小并逐漸趨于穩(wěn)定，風(fēng)速出現(xiàn)峰值,是由于這些測(cè)點(diǎn)處在附壁風(fēng)筒側(cè)向風(fēng)口處所致。最后在W=180～200 cm處風(fēng)速有小幅度的回升，是由于風(fēng)流的附壁效應(yīng)引起。

(2)H=1.6 m，在L=3.1 m處，風(fēng)速呈現(xiàn)與其他位置不同的變化規(guī)律，說(shuō)明在附壁風(fēng)筒的側(cè)向風(fēng)口處(L=2.3～3.3 m)風(fēng)速分布并不均勻，并且，在起始段(L=3～3.3 m)時(shí)未形成屏蔽流場(chǎng)，側(cè)向風(fēng)口的作用范圍為1.9～3 m，起始段過(guò)后，風(fēng)速逐漸增大并趨于穩(wěn)定，在側(cè)向風(fēng)口末端(L=2.5 m)風(fēng)速達(dá)到最大值。

(3)L=2.5 m時(shí)，不同高度的風(fēng)速大小順序?yàn)?.8 m>1.6 m>0.4 m>0.8 m，在各條曲線最后的位置風(fēng)速均有所增大，這是由于附壁風(fēng)筒后所形成的是外圍風(fēng)速大、中心風(fēng)速小的卷吸流場(chǎng)，而巷道下方點(diǎn)的峰值位置比較靠前，是屏蔽場(chǎng)范圍縮小的表現(xiàn)。H=1.6 m曲線在W=20 cm的峰值則是由于離側(cè)向風(fēng)口較近所致。

3.2.3 不同壓抽比條件下的流場(chǎng)分布

保持壓風(fēng)風(fēng)量不變，調(diào)節(jié)抽風(fēng)風(fēng)量，測(cè)量不同壓抽比條件下巷道內(nèi)的風(fēng)速，以研究壓抽比與流場(chǎng)分布的關(guān)系。由于巷道斷面的上半部分流場(chǎng)變化比較明顯，易于比較，因此，僅研究H=1.2 m，W為95，115 cm，壓抽比為1.4，1.2，1，0.8，0.7情況下的流場(chǎng)分布，如圖6所示。

圖6 沿巷道方向風(fēng)速變化

由于附壁風(fēng)筒的加入，使得距掘進(jìn)端頭1.9～3 m 沿巷道方向的風(fēng)速有所下降?？刂茐撼楸鹊哪康臑樾纬捎衅帘涡Ч牧鲌?chǎng)，因此，要求在附壁風(fēng)筒側(cè)向風(fēng)口位置附近沿巷道方向的風(fēng)速應(yīng)盡可能的小，由圖6可看出,壓抽比在1～1.4時(shí)風(fēng)速下降較明顯。

由于壓抽比大小對(duì)橫向風(fēng)流流場(chǎng)的作用不是很明顯，不同壓抽比時(shí)橫向風(fēng)流流場(chǎng)變化規(guī)律大致相同，只在大小上有些許差異，在此便不再分析。

3.3 粉塵濃度分布

3.3.1 粉塵濃度空間分布

為了研究巷道模型內(nèi)粉塵濃度空間分布情況，在壓風(fēng)風(fēng)筒風(fēng)量為1.63 m3/s、壓抽比為1.2的條件下，對(duì)巷道模型空間粉塵濃度分布進(jìn)行詳細(xì)測(cè)定。圖7為H=0.8 m平面內(nèi)不同位置以及W=155 cm(左側(cè)人行道)時(shí)不同高度的粉塵濃度的沿程分布。從圖7中可以看出：

(1)H=0.8 m時(shí)，巷道中粉塵濃度大小順序?yàn)椋撼轱L(fēng)側(cè)>中部>壓風(fēng)側(cè)，說(shuō)明壓風(fēng)側(cè)的粉塵更易沉降。另外，粉塵濃度除在巷道端頭1.2 m的范圍內(nèi)比較紊亂外，之后均先增大后減小，最后穩(wěn)定在一個(gè)很小的值上，并且，這個(gè)值出現(xiàn)在附壁風(fēng)筒側(cè)向風(fēng)口的作用范圍內(nèi)。

(2)W=155 cm時(shí)，除H=0.4 m其余位置的粉塵濃度都控制在L=2.5 m的范圍內(nèi)，而H=0.4 m的粉塵濃度則呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。這是由于該位置處于屏蔽流場(chǎng)下端的效果減弱區(qū)，不僅流場(chǎng)對(duì)粉塵的控制效果逐漸變差，其余位置的粉塵也會(huì)順著風(fēng)流從下端溢出，但最終該位置的粉塵被控制在了距掘進(jìn)端頭3.5 m的范圍內(nèi)。

圖7 不同高度粉塵濃度

3.3.2 不同壓抽比條件下粉塵濃度分布

通過(guò)測(cè)量不同壓抽比條件下巷道內(nèi)的粉塵濃度，補(bǔ)充流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果及縮小最優(yōu)壓抽比的范圍，選H=0.8 m的平面作為研究對(duì)象，沿巷道方向粉塵分布規(guī)律如圖8所示。

圖8 沿巷道方向粉塵濃度變化

(1)壓抽比在1以上時(shí)，壓風(fēng)側(cè)及巷道中部的粉塵濃度先增大后迅速減小。當(dāng)壓抽比從1.4變到1的過(guò)程中，粉塵濃度先減小后增大，減小是由于抽風(fēng)風(fēng)速變大，巷道內(nèi)粉塵濃度降低；增大則是由于抽風(fēng)風(fēng)速過(guò)大，附壁風(fēng)筒產(chǎn)生的流場(chǎng)屏蔽效果變差所致。

(2)壓抽比小于1時(shí)，壓風(fēng)側(cè)(W=55 cm)及巷道中部(W=100 cm)粉塵濃度出現(xiàn)兩次明顯的峰值，第一次是在抽風(fēng)風(fēng)筒口附近，第二次是在附壁風(fēng)筒側(cè)向風(fēng)口處，這是由于隨著壓抽比不斷減小，抽風(fēng)風(fēng)速過(guò)大，破壞了附壁風(fēng)筒側(cè)向風(fēng)口附壁風(fēng)流屏蔽作用的結(jié)果。

(3)綜合上述對(duì)附壁風(fēng)筒流場(chǎng)與粉塵場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究，最終可以確定該通風(fēng)系統(tǒng)合理的壓抽比為1～1.2。

3.3.3 不同抽風(fēng)風(fēng)筒位置下粉塵濃度分布

在壓抽比為1.2時(shí)，對(duì)抽風(fēng)風(fēng)筒的位置進(jìn)行了一系列的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，對(duì)H=0.8 m、W=155 cm(人行道呼吸帶)位置沿程的粉塵濃度進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如圖9所示。

圖9 W=155 cm時(shí)不同抽風(fēng)風(fēng)筒位置粉塵濃度

由圖9可知，在L=1.1～1.5 m，粉塵濃度隨著抽風(fēng)風(fēng)筒到掘進(jìn)端頭距離的增加而增大，但控制效果先增強(qiáng)后減弱。在1.3 m處控制效果最好，在H=1～1.4 m，粉塵控制效果很好，但隨著風(fēng)筒的上移，粉塵濃度稍有增大，控制效果變差。將抽風(fēng)風(fēng)筒移至W=1.0 m處(巷道中間)，可以看出此時(shí)掘進(jìn)端頭的粉塵濃度雖然稍有增加，但控塵效果有大幅提升。因此，抽風(fēng)風(fēng)筒的最佳位置為L(zhǎng)=1.3 m，H=1～1.2 m，W=1.0 m。而實(shí)驗(yàn)將風(fēng)筒安在靠近巷道兩側(cè)是為了測(cè)得較完整的流場(chǎng)與粉塵場(chǎng)數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

(1)長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)方式中，在壓入式風(fēng)筒末端加入附壁風(fēng)筒，不僅保證了工作面正常的通風(fēng)需求，還避免了工作面供風(fēng)量過(guò)大，且在合理的參數(shù)范圍內(nèi)，附壁風(fēng)筒能夠形成穩(wěn)定的沿巷道方向前進(jìn)的卷吸屏蔽流場(chǎng)，將粉塵控制在掘進(jìn)端頭到附壁風(fēng)筒側(cè)向風(fēng)口的范圍內(nèi)。

(2)壓抽比的變化會(huì)引起縱向風(fēng)流流場(chǎng)分布的變化，但對(duì)橫向風(fēng)流流場(chǎng)的影響不是很大，證明了壓抽比改變時(shí)附壁風(fēng)筒側(cè)向風(fēng)口處均能形成外圍風(fēng)速大中心風(fēng)速小屏蔽流場(chǎng)，只是壓抽比不同，系統(tǒng)屏蔽流場(chǎng)的屏蔽能力不同。

(3)壓抽比過(guò)小或過(guò)大都不利于粉塵的控制。過(guò)大時(shí)形成的屏蔽流場(chǎng)不足以控制大量向外擴(kuò)散的粉塵；過(guò)小時(shí)會(huì)破壞屏蔽流場(chǎng)的穩(wěn)定性，使得屏蔽效果變差。壓抽比為1～1.2時(shí)，形成的流場(chǎng)能很好地減弱粉塵的擴(kuò)散和沉降，并將粉塵有效控制在抽吸作用范圍內(nèi)，最大程度地被吸風(fēng)風(fēng)流帶走。

(4)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，粉塵的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)隨著流場(chǎng)的變化而變化，因此，優(yōu)化風(fēng)筒位置對(duì)控制粉塵有重要的作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在L=1.3 m，H=1～1.2 m，W=1.0 m條件時(shí)控塵效果最佳。

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Experimental Research on Wall Attaching Chimney Under the Long Press Short Extraction in Excavation Roadways

Jiang Zhong'an Wang Lulu Zhong Zhongyi

(School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing)

In order to deal with the pouution problem of excavation roadway dust concentration, the method of wall attaching chimney with mixed ventilation pattern is used and the similar experimental approach is used to build an experimental model system,so as to analyze the spatial distribution law of the flow field and tunneling working face dust field. The research results show that, the wall attaching chimney with mixed ventilation pattern can from a rotating forward shielding flow field which can effective prevention and control of dust diffusion in the end of tunnel. Pressure extraction ratio and convulsions ram position are the key parameters that influening coanda duct flow field shielding effects. Under the similar conditon, the dust can be effectively controlled from the driving end within 2 m by indentifying the pressure extraction ratio is 1.2, convulsions ram position away from the surface of 1.3 m, the height of 1.2 m.

Excavation face, Wall attaching chimney, Flow field, Dust concentration， Pressure extraction ratio

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：51274024)。

2014-09-25)

蔣仲安(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號(hào)。