聶文，劉陽昊，程衛(wèi)民，周剛，薛嬌，馬驍(山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島，266590)

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多向渦流風(fēng)幕阻隔粉塵彌散的模擬實(shí)驗(yàn)

聶文，劉陽昊，程衛(wèi)民，周剛，薛嬌，馬驍
(山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島，266590)

摘要：針對(duì)掘進(jìn)面迎頭粉塵彌散難以控制的難題，設(shè)計(jì)新型多向渦流風(fēng)幕發(fā)生裝置，并基于自行設(shè)計(jì)的模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)得出多向渦流風(fēng)幕風(fēng)流運(yùn)移及阻隔粉塵彌散規(guī)律。研究結(jié)果表明：風(fēng)流運(yùn)移規(guī)律為多向渦流風(fēng)幕與迎頭距離Lc越大，壓抽比Y、壓風(fēng)量Qf及軸徑比Z越小，越利于形成風(fēng)流均指向迎頭運(yùn)移的阻塵風(fēng)流場(chǎng)。阻隔粉塵彌散規(guī)律為粉塵質(zhì)量濃度基本隨巷道斷面與迎頭距離的增大而減小或波動(dòng)減小；隨著Lc的增大，阻隔粉塵彌散能力先減小后增大；Y、Z 越小，Qf越大，越利于阻隔粉塵彌散。通風(fēng)參數(shù)變至一定值后，形成阻塵風(fēng)流場(chǎng)的均勻程度及阻隔粉塵彌散能力基本穩(wěn)定，并確定了實(shí)驗(yàn)掘進(jìn)面較優(yōu)通風(fēng)參數(shù)為：Lc=20 m，Y=5:4，Qf=300 m3/min，Z=1:9；該參數(shù)時(shí)全塵、呼吸性粉塵的降塵率平均值分別為95.85%和94.32%。

關(guān)鍵詞：掘進(jìn)面? 多向渦流風(fēng)幕? 阻塵風(fēng)流場(chǎng)? 粉塵彌散? 模擬實(shí)驗(yàn)

據(jù)國(guó)家衛(wèi)生計(jì)生委通報(bào)，2013年全國(guó)共報(bào)告職業(yè)病26 393例，其中，塵肺病23152例，占87.7%，煤工塵肺病22 050例，占?jí)m肺病總例數(shù)的95.2%，而掘進(jìn)面煤工塵肺病例數(shù)約占煤工塵肺病總例數(shù)的50%以上，由此可見，預(yù)防我國(guó)煤工尤其掘進(jìn)面煤工塵肺病在預(yù)防我國(guó)職業(yè)病的工作中占有重要地位。據(jù)實(shí)測(cè)，掘進(jìn)面尤其綜掘面不采用防塵措施時(shí)，迎頭粉塵質(zhì)量濃度可高達(dá)3 g/m3，嚴(yán)重威脅了煤工的身體健康[1?2]。目前，國(guó)內(nèi)外主要產(chǎn)煤國(guó)掘進(jìn)面防塵技術(shù)主要有噴霧降塵、化學(xué)抑塵及通風(fēng)除塵等，其中，抽風(fēng)機(jī)為除塵風(fēng)機(jī)的長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)除塵技術(shù)由于具有耗水量小、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成為我國(guó)掘進(jìn)面應(yīng)用較廣泛的防塵技術(shù)[3?5]。但傳統(tǒng)的單一長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)除塵技術(shù)仍不能有效控制掘進(jìn)面迎頭的高濃度粉塵大量彌散至有人作業(yè)區(qū)域，主要原因是難以在有人作業(yè)處至迎頭間形成風(fēng)流均指向迎頭運(yùn)移的阻塵風(fēng)流場(chǎng)[6?8]。實(shí)踐證明，渦流風(fēng)幕尤其多向渦流風(fēng)幕配合抽塵凈化技術(shù)形成的抽吸氣流阻隔捕吸粉塵，是一種可以阻隔粉塵彌散的有效方法[9?11]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究掘進(jìn)面風(fēng)流運(yùn)移及粉塵彌散方面主要有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)測(cè)定3種方式，其中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)易受生產(chǎn)條件限制，測(cè)定時(shí)間及通風(fēng)參數(shù)設(shè)置較難得到充分保證；數(shù)值模擬在數(shù)學(xué)模型及邊界條件參數(shù)設(shè)置方面難免會(huì)有一定誤差，致使數(shù)值模擬結(jié)果很難完全符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況；實(shí)驗(yàn)測(cè)定方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多是通過相似實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，通風(fēng)參數(shù)設(shè)置也較簡(jiǎn)單，因此，現(xiàn)有研究成果難以系統(tǒng)、 準(zhǔn)確地得出渦流風(fēng)幕阻隔掘進(jìn)面粉塵彌散的規(guī)律，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后也一直未達(dá)到理想的除塵效果[12?17]。為此，本文作者設(shè)計(jì)進(jìn)行與掘進(jìn)面現(xiàn)場(chǎng)較為一致的多向渦流風(fēng)幕阻隔粉塵彌散模擬實(shí)驗(yàn)，以期為指導(dǎo)掘進(jìn)面粉塵防治提供參考。

1　多向渦流風(fēng)幕阻隔粉塵彌散原理

粉塵沿掘進(jìn)面巷道的彌散，可簡(jiǎn)化為等強(qiáng)度源一維縱向彌散，從初始時(shí)刻t=0 s開始，在某處連續(xù)加入粉塵彌散質(zhì)，彌散方程如下[18?20]：

式中：c為平均粉塵質(zhì)量濃度，mg/m3；v為平均流速，m/s；t為彌散時(shí)間，s；K為綜合彌散系數(shù)，Dt為徑向質(zhì)量濃度引起徑向分子彌散系數(shù)，D1為縱向流速分布不均引起的縱向彌散系數(shù)，D1≥Dt。

不可壓縮黏性氣體運(yùn)動(dòng)方程[7,18]為

式中：Ug為氣體的運(yùn)動(dòng)速度矢量，m/s；F 為單位體積上氣體質(zhì)量力矢量，N/m3；p 為氣體的壓力矢量，Pa；? p 為壓力梯度；μg為氣體黏度，Pa?s。

球形塵粒忽略外力作用時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程[7,19]為

式中：cp為阻力系數(shù)；Up為塵粒運(yùn)動(dòng)速度矢量，m/s；Ur為氣體與塵粒間相對(duì)速度，m/s，即 ：Ur=Ug? Up。

由式(1)～(4)可知：粉塵在掘進(jìn)面中彌散的基本動(dòng)力源于運(yùn)移的風(fēng)流，為氣固兩相流運(yùn)動(dòng)，通過轉(zhuǎn)變風(fēng)流運(yùn)移方式可阻隔粉塵彌散。

在掘進(jìn)面長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)除塵方式中，若將壓風(fēng)筒直吹迎頭的軸向風(fēng)流部分或全部轉(zhuǎn)為吹向巷道周壁的徑向多方向出風(fēng)，受附壁效應(yīng)等影響，在巷道內(nèi)可形成多個(gè)徑向渦流風(fēng)幕風(fēng)流場(chǎng)，相對(duì)傳統(tǒng)康達(dá)風(fēng)筒形成的單向渦流風(fēng)幕，可更好地徑向覆蓋巷道全斷面，避免風(fēng)幕死角的出現(xiàn)；受距迎頭較近的抽風(fēng)筒抽風(fēng)負(fù)壓作用，多向渦流風(fēng)幕風(fēng)流場(chǎng)不斷向迎頭軸向運(yùn)移，由于內(nèi)部渦流風(fēng)流場(chǎng)互相影響，其向迎頭的軸向運(yùn)移能力將明顯弱于傳統(tǒng)的螺旋線狀單向渦流風(fēng)幕風(fēng)流場(chǎng)，可在更小的距離內(nèi)將徑向風(fēng)流轉(zhuǎn)為阻隔粉塵效果更好的風(fēng)流方向均軸向指向迎頭的阻塵風(fēng)流場(chǎng)，以阻隔迎頭粉塵向有人作業(yè)區(qū)域彌散，并通過抽風(fēng)筒吸入除塵風(fēng)機(jī)凈化，以有效提高抽塵凈化效率，降低掘進(jìn)面粉塵質(zhì)量濃度。若徑向出風(fēng)口與軸向出風(fēng)口的出風(fēng)速度明顯大于周圍風(fēng)流速度，則可將出風(fēng)口周圍空氣卷吸入出風(fēng)射流場(chǎng)，形成軸向渦流風(fēng)流場(chǎng)，從而阻礙阻塵風(fēng)流場(chǎng)的形成[10]。圖1所示為多向渦流風(fēng)幕應(yīng)用后掘進(jìn)面風(fēng)流場(chǎng)運(yùn)移示意圖。

圖1　風(fēng)幕應(yīng)用后風(fēng)流場(chǎng)運(yùn)移示意圖Fig.1　Schematic diagram of wind flow field migration after the use of airCurtain

2　模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及風(fēng)幕發(fā)生裝置設(shè)計(jì)

2.1模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文自行設(shè)計(jì)長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)除塵式掘進(jìn)面氣載粉塵彌散模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(如圖2所示)，以測(cè)定多向渦流風(fēng)幕風(fēng)流場(chǎng)運(yùn)移及阻隔粉塵彌散的規(guī)律。模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于山東科技大學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)礦井的掘進(jìn)面構(gòu)建，主要由掘進(jìn)巷道、壓入式風(fēng)機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)及高壓泵等構(gòu)成。半圓拱形掘進(jìn)巷道的長(zhǎng)、 寬、 高分別為41.00，3.45 和3.25 m，斷面積為9.93 m2；最大出風(fēng)量為547 m3/min的壓入式風(fēng)機(jī)安設(shè)在距迎頭60 m的井底車場(chǎng)大巷處，最大吸風(fēng)量為422 m3/min 的除塵風(fēng)機(jī)距迎頭34 m，兩風(fēng)機(jī)均分別由裝有 ATV61HD37N4Z 型無級(jí)變頻器的變頻調(diào)速控制開關(guān)控制；位于井下南北大巷的3D2?S135/28 型高壓泵將儲(chǔ)水筒中的水增壓至2MPa后輸至除塵風(fēng)機(jī)。分別與壓入式風(fēng)機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)相連且沿巷道兩壁安設(shè)的壓、抽風(fēng)筒直徑均為0.8 m，其中軸線均距底板為2m；在迎頭處安設(shè)吹風(fēng)量為64 m3/min的揚(yáng)塵風(fēng)扇作為產(chǎn)塵源。

圖2　模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2Analogous experimental platform

2.2多向渦流風(fēng)幕發(fā)生裝置設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的新型多向渦流風(fēng)幕發(fā)生裝置由圓筒、三向及兩向徑向出風(fēng)口、 擋板等構(gòu)成。該裝置長(zhǎng)1.7 m，直徑為0.57～0.97 m，沿圓筒筒體的180°角半圓弧處共設(shè)置10組寬0.05 m的徑向出風(fēng)口及導(dǎo)流網(wǎng)，其中，三向及兩向徑向出風(fēng)口各5組，交替布置，之間間隔寬為0.05 m的圓筒實(shí)體，徑向出風(fēng)口段共0.95 m。每組三向及兩向徑向出風(fēng)口組分別有 36°角圓弧形出風(fēng)口3條及 60°角圓弧形出風(fēng)口2條。該裝置的材質(zhì)為一種新型高分子輕質(zhì)材料，阻燃、抗靜電，抗壓強(qiáng)度高，總質(zhì)量小于30 kg。多向渦流風(fēng)幕發(fā)生裝置與壓風(fēng)筒相連，通過擋板開關(guān)調(diào)節(jié)內(nèi)置擋板，可將壓風(fēng)筒直吹迎頭的軸向風(fēng)流通過導(dǎo)流網(wǎng)與徑向出風(fēng)口，部分或全部轉(zhuǎn)為吹向巷道周壁的徑向多方向出風(fēng)。圖3所示為風(fēng)幕發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3　風(fēng)幕發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　Diagrammatic sketch of generator structure of airCurtain

3　實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

3.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了多向渦流風(fēng)幕與迎頭距離Lc、壓抽比Y(壓風(fēng)量與抽風(fēng)量比值)、壓風(fēng)量 Qf、軸徑比 Z(壓風(fēng)筒中軸向出風(fēng)量與徑向出風(fēng)量比值)影響多向渦流風(fēng)幕阻隔掘進(jìn)面粉塵彌散的模擬實(shí)驗(yàn)方案，并對(duì)通風(fēng)參數(shù)及測(cè)風(fēng)點(diǎn)、測(cè)塵點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。

3.1.1通風(fēng)參數(shù)設(shè)置

設(shè)定壓、抽風(fēng)口距迎頭分別為掘進(jìn)面常用的10 m 和3 m，并根據(jù)以下參數(shù)依次進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)：1)Qf為斷面積約10 m2、掘進(jìn)面較常用時(shí)的 200 m3/min，Y=5:4，Z=1:9，Lc分別為10(壓風(fēng)口與迎頭距離略小于10 m)，15，20和25 m，以確定距迎頭5 m(煤工與迎頭最近距離)斷面處可形成較均勻阻塵風(fēng)流場(chǎng)的多向渦流風(fēng)幕與迎頭較優(yōu)距離Le；2)Qf=200 m3/min，Lc=Le，Z=1:9，Y分別為3:2，5:4，3:4和1:2，以確定較優(yōu)的壓抽比Ye；(3)Lc=Le，Y=Ye，Z=1:9，Qf分別為150，200，300，400 和 500 m3/min，以確定較優(yōu)的壓風(fēng)量Qe；4)Qf=Qe，Lc=Le，Y=Ye，Z分別為1:9，3:7，5:5，7:3和9:1，以確定較優(yōu)的軸徑比Ze。

3.1.2測(cè)點(diǎn)設(shè)置

1)測(cè)風(fēng)點(diǎn)。為了確定整體風(fēng)流運(yùn)移規(guī)律，設(shè)置多個(gè)測(cè)風(fēng)斷面，斷面與迎頭距離Ld分別為0.5，5 和10 m，L3(距迎頭最近的徑向三向出風(fēng)口所在斷面與迎頭距離)及 L2(距迎頭最遠(yuǎn)的徑向兩向出風(fēng)口所在斷面與迎頭距離)；每個(gè)斷面上均設(shè)置7個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)，徑向出風(fēng)口所在斷面測(cè)點(diǎn)位置分別為(0.500,1.000)，(1.725,1.000)，(2.950,1.000)，(1.725,2.000)，(0.500,2.600)，(1.725,2.600)和(2.950,2.600)，其余斷面測(cè)點(diǎn)位置分別為(0.500,0.500)，(1.725,0.500)，(2.950,0.500)，(0.500,1.550)，(1.725,1.550)，(2.950,1.550)和(1.725,2.60)，數(shù)值單位為“m”，2組測(cè)點(diǎn)均依次分別用羅馬數(shù)字Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ及Ⅶ表示。圖4所示為測(cè)風(fēng)點(diǎn)位置示意圖。風(fēng)速大小與方向分別由TSI 8347-Velocicalc風(fēng)速表與紅條帶測(cè)定。

2)測(cè)塵點(diǎn)。在有人作業(yè)區(qū)域分別距迎頭5，10，15，20，25，30和40 m斷面的距底板1.55 m工人呼吸高度處各設(shè)置1個(gè)測(cè)塵點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)為(1.725,1.550)；揚(yáng)塵量為 300 g/min，由CCHZ?1000 型粉塵測(cè)定儀測(cè)定粉塵質(zhì)量濃度。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案依次進(jìn)行風(fēng)流運(yùn)移及粉塵彌散的模擬實(shí)驗(yàn)。

3.2.1風(fēng)流運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以設(shè)置的通風(fēng)參數(shù)依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1～4 所示。表1～4 中，風(fēng)速方向采用以下圖標(biāo)表示：“⊕”表示指向迎頭，“⊙”表示逆向迎頭，“→”表示由壓風(fēng)筒指向抽風(fēng)筒，“←”表示由抽風(fēng)筒指向壓風(fēng)筒，“↑”表示由底板指向頂板，“↓”表示由頂板指向底板。

圖4測(cè)風(fēng)點(diǎn)位置示意圖Fig.4Schematic diagram of setting wind location

1)多向渦流風(fēng)幕與迎頭距離。不同 Lc時(shí)各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速如表1所示。由表1可知：

① Lc由10 m增至25 m中，在L3和L2斷面處均形成了徑向多向渦流風(fēng)幕風(fēng)流場(chǎng)，致使風(fēng)流方向發(fā)生變化，如測(cè)點(diǎn)(2.950,1.000)處的風(fēng)流均為由抽風(fēng)筒指向壓風(fēng)筒；三向與兩向渦流風(fēng)幕風(fēng)流場(chǎng)交替布置，也保證了對(duì)整個(gè)巷道斷面的徑向無縫隙覆蓋。

② 隨著Lc的增大，Ld=5 m斷面的風(fēng)流場(chǎng)方向逐漸由紊亂轉(zhuǎn)為指向迎頭運(yùn)移，說明由出風(fēng)口高速風(fēng)流導(dǎo)致的軸向渦流風(fēng)流場(chǎng)對(duì)阻塵風(fēng)流場(chǎng)形成的阻礙逐漸減弱，并在Lc=20 m時(shí)形成了較均勻的阻塵風(fēng)流場(chǎng)，7個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速大小區(qū)間為0.24～0.33 m/s；Lc=25 m時(shí)，風(fēng)速大小區(qū)間為0.24～0.32 m/s，與Lc=20 m時(shí)基本一致。增大 Lc會(huì)帶來管理上的諸多不便，因此，確定Le=20 m。

③ 在Ld=0.5 m斷面，Lc由10 m增至15 m中，風(fēng)速逐漸減小，由 Lc=10 m 時(shí)的 0.11～0.51m/s 減至15 m時(shí)的0.04～0.31m/s，隨著Lc繼續(xù)增大，風(fēng)流速度大小、方向已基本無變化。

表1　不同Lc時(shí)各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速Table1　Wind velocity of measure point of different distances between multi-direction whirling airCurtain and tunneling place

表2不同Y時(shí)各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速Table1　Wind velocity of measure point of different press extraction ratios

2)壓抽比。不同 Y 時(shí)各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速如表2 所示。由表2可知：

① Qf=200 m3/min，Y由3:2減至1:2時(shí)，抽風(fēng)量不斷增大并逐漸超過Qf，巷道末端與渦流風(fēng)幕發(fā)生裝置區(qū)域的風(fēng)流方向逐漸由逆向迎頭轉(zhuǎn)為指向迎頭，致使L3斷面7個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速均呈增大趨勢(shì)，并在風(fēng)速最小的測(cè)點(diǎn)(2.950,1.000)處，風(fēng)流方向逐漸由抽風(fēng)筒指向壓風(fēng)筒轉(zhuǎn)為指向迎頭。

② 在Ld=5 m斷面，Y由3:2減至1:2時(shí)，均形成了阻塵風(fēng)流場(chǎng)，但風(fēng)速波動(dòng)幅度隨Y的減小而減小；Y=3:2時(shí)，風(fēng)速大小區(qū)間為0.18～0.32 m/s，Y為3:4和1:2時(shí)分別為0.46～0.49 m/s和0.69～0.71m/s，說明Y的減小利于形成均勻的阻塵風(fēng)流場(chǎng)。掘進(jìn)面長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)除塵方式中，Y 一般大于1，以防止循環(huán)風(fēng)的出現(xiàn)，因此，確定Ye=5:4。

3)壓風(fēng)量。不同 Qf時(shí)各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速如表3所示。由表3可知：

① 隨著 Qf的增大，多向渦流風(fēng)幕發(fā)生裝置的徑向出風(fēng)量不斷增大，L3斷面的風(fēng)流速度不斷增大，但各測(cè)點(diǎn)的徑向風(fēng)流方向一致。

② 在 Ld=5 m 斷面，Qf由150 m3/min 增至 500 m3/min中，均形成了阻塵風(fēng)流場(chǎng)，各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速均不斷增大，但風(fēng)速的波動(dòng)幅度隨壓風(fēng)量的增大而增大，風(fēng)速大小區(qū)間由Qf=150 m3/min 時(shí)的0.20～0.23 m/s增至500 m3/min時(shí)的0.38～1.16 m/s，說明Qf的增大不利于形成均勻指向迎頭的阻塵風(fēng)流場(chǎng)；當(dāng)Qf＞300 m3/min時(shí)，Ld=5 m斷面各測(cè)點(diǎn)的最大風(fēng)速為最小風(fēng)速的2倍以上，阻塵風(fēng)流場(chǎng)的風(fēng)速大小波動(dòng)較大，因此，確定Qe=300 m3/min。

表3　不同Qf時(shí)各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速Table1　Wind velocity of measure point of different pressed air volumes

表4不同Z時(shí)各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速Table1　Wind velocity of measure point of different axial pressure ratios

表5　初始粉塵質(zhì)量濃度Table1　Original dust massConcentration　mg?m?3

4)軸徑比。不同Z時(shí)各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速如表4所示。由表4可知：

① Z 由1:9 增至 9:1中，多向渦流風(fēng)幕發(fā)生裝置的徑向出風(fēng)量不斷減小，L3斷面7個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速也隨之減小，但各測(cè)點(diǎn)的徑向風(fēng)流方向一致。

② 隨著Z的增大，Ld=5 m斷面的阻塵風(fēng)流場(chǎng)逐漸趨向紊亂，Z為1:9～5:5時(shí)均可形成阻塵風(fēng)流場(chǎng)，但風(fēng)速大小區(qū)間已由 Z=1:9 時(shí)的 0.30～0.58 m/s 變?yōu)?5:5時(shí)的0.09～3.57 m/s，Z增至7:3后，測(cè)點(diǎn)(2.950,0.500)和(2.950,1.550)處的風(fēng)速方向已轉(zhuǎn)為逆向迎頭，阻塵風(fēng)流場(chǎng)消失；因此，確定Ze=1:9。

3.2.2粉塵彌散模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以未開啟除塵風(fēng)機(jī)且Qf=200 m/m3，Lf=10 m時(shí)實(shí)驗(yàn)掘進(jìn)面各測(cè)點(diǎn)的粉塵質(zhì)量濃度為初始粉塵質(zhì)量濃度，實(shí)驗(yàn)粉塵為 0.045 mm 篩子篩選后的煤塵，依次測(cè)定了不同 Lc，Y，Qf和 Z 時(shí)各測(cè)點(diǎn)粉塵質(zhì)量濃度。表5所示為初始粉塵質(zhì)量濃度，圖5所示為不同通風(fēng)參數(shù)時(shí)各測(cè)點(diǎn)粉塵質(zhì)量濃度曲面圖。表 5與圖5 中，T 為全塵，R 為呼吸性粉塵，ρ 為粉塵質(zhì)量濃度。

1)在Ld為5～40 m區(qū)域，全塵與呼吸性粉塵隨通風(fēng)參數(shù)的變化趨勢(shì)一致，基本呈現(xiàn)出粉塵質(zhì)量濃度隨著 Ld增大而減小或波動(dòng)減小，說明隨著 Ld增大，粉塵尤其顆粒較大的非呼吸性粉塵逐漸沉降，致使粉塵質(zhì)量濃度降低，但在Ld由30 m增至40 m中，部分通風(fēng)參數(shù)時(shí)Ld=40 m處的粉塵質(zhì)量濃度略大于30 m，這主要是由于除塵風(fēng)機(jī)并未將粉塵100%凈化，致使除塵風(fēng)機(jī)后部粉塵質(zhì)量濃度略大于前部。

圖5　不同通風(fēng)參數(shù)時(shí)各測(cè)點(diǎn)粉塵質(zhì)量濃度曲面圖Fig.5　Curved surface of dust massConcentration of measure point under different ventilation parameters

2)Lc由10 m增至25 m時(shí)，7個(gè)測(cè)點(diǎn)全塵、呼吸性粉塵的降塵率平均值分別先由Lc=10 m時(shí)的69.77% 和68.58%減至15 m時(shí)的66.70%和65.65%，然后又分別急劇增至20 m時(shí)的86.39%和85.87%，最后分別緩慢增至25 m時(shí)的86.75%和86.16%；在Ld=5 m處，全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別由 Lc=10 m 時(shí)的128.4 mg/m3和50.6 mg/m3減至25 m時(shí)的106.3 mg/m 3和41.4 mg/m3，說明Lc≥20 m時(shí)，雖然在Ld=5 m處形成了較均勻的阻塵風(fēng)流場(chǎng)，但是由于風(fēng)速較小，難以將粉塵有效控制在Ld＜5 m區(qū)域內(nèi)；Lc=10 m時(shí)，全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度先分別由 Ld=10 m 時(shí)的139.6 mg/m3和57.2 mg/m3減至15 m時(shí)的43.6 mg/m3和16.5 mg/m3，Lc=15 m時(shí)，全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別由Ld=15 m時(shí)的122.6 mg/m3和49.8 mg/m3減至20 m時(shí)的38.3 mg/m3和14.0 mg/m3，這表明，徑向方向的多向渦流風(fēng)幕直接阻擋了粉塵向外彌散。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明：在有人作業(yè)區(qū)域形成較均勻阻塵風(fēng)流場(chǎng)后，繼續(xù)增大Lc對(duì)阻隔粉塵彌散已基本無影響，但在未形成阻塵風(fēng)流場(chǎng)前，Lc越小，越利于多向渦流風(fēng)幕直接阻隔粉塵彌散，但各測(cè)點(diǎn)粉塵質(zhì)量濃度明顯比形成阻塵風(fēng)流場(chǎng)后的高。

3)在Qf=200 m3/min，Y由3:2減至1:2時(shí)，粉塵逆向迎頭的彌散能力逐漸減弱，7 個(gè)測(cè)點(diǎn)的全塵、呼吸性粉塵降塵率平均值分別先由Y=3:2時(shí)的84.18%和83.22%減至 3:4 時(shí)的 96.94%和 95.77%，后緩慢減至1:2時(shí)的97.14%和96.83%；Ld=5 m處的全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別先由 Y=3:2 時(shí)的 99.8 mg/m3和38.8 mg/m3波動(dòng)減至3:4時(shí)的8.1mg/m3和3.0 mg/m3，后減至1:2時(shí)的7.2 mg/m3和2.5 mg/m3；在除塵風(fēng)機(jī)后部的Ld=40 m處，Y為3:4和1:2時(shí)，全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別均在0.6 mg/m3和0.4 mg/m3以內(nèi)，明顯分別小于 3:2 和 5:4 時(shí)的大于 9.9 mg/m3和4.1mg/m3，說明減小Y以增大阻塵風(fēng)流場(chǎng)的風(fēng)速，可有效阻隔粉塵彌散，但在 Y 減至 3:4 后，粉塵逆向迎頭彌散能力已基本穩(wěn)定。

4)Qf由150 m3/min增至500m3/min中，7個(gè)測(cè)點(diǎn)的全塵、呼吸性粉塵降塵率平均值分別先由 Qf=150 m3/min 時(shí)的 83.65%和 82.57%急劇減至 300 m3/min時(shí)的95.85%和94.32%，后緩慢減至500 m3/min時(shí)的96.59%和95.47%；Ld=5 m處的全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別先由Qf=150 m3/min 時(shí)的115.2 mg/m3和44.9 mg/m3急劇減至300 m3/min 時(shí)的8.6 mg/m3和3.3 mg/m3，后緩慢減至500 m3/min時(shí)的7.5 mg/m3和2.9 mg/m3；說明Qf增至300 m3/min 后，阻塵風(fēng)流場(chǎng)可將粉塵有效阻隔在Ld＜5 m區(qū)域內(nèi)。

5)Qf=30.0 m3/min、Z由1: 9增至9:1時(shí)，全塵、呼吸性粉塵降塵率平均值分別由Z=1:9時(shí)的95.85%和94.32%減至 9:1時(shí)的 56.88%和 55.52%；Ld=5 m 處的全塵、呼吸性粉塵質(zhì)量濃度分別先由 Z=1:9 時(shí)的8.6 mg/m3和3.3 mg/m3急劇增至3:7時(shí)的83.7 mg/m3和 33.5 mg/m3，后增至 9:1時(shí)的123.6 mg/m3和49.2 mg/m3，在徑向多向渦流風(fēng)幕后的Ld=25 m處粉塵質(zhì)量濃度明顯小于風(fēng)幕前的 Ld=20m 處，且風(fēng)幕后降塵率隨 Z 的減小而減小，如全塵降塵率由 Z=5:5 時(shí)的57.46%減至9:1時(shí)的21.93%。

4　結(jié)論

1)多向渦流風(fēng)幕發(fā)生裝置的徑向出風(fēng)，受附壁效應(yīng)等影響，在巷道內(nèi)可形成多個(gè)徑向渦流風(fēng)幕風(fēng)流場(chǎng)，在抽風(fēng)負(fù)壓作用下逐漸向迎頭運(yùn)移，若通風(fēng)參數(shù)合適，可形成風(fēng)流均指向迎頭運(yùn)移的阻塵風(fēng)流場(chǎng)；Lc越大，Y，Qf及Z越小，越利于形成阻塵風(fēng)流場(chǎng)。

2)在Ld為5～40 m區(qū)域，粉塵質(zhì)量濃度基本隨Ld的增大而減小或波動(dòng)減??；未形成阻塵風(fēng)流場(chǎng)前，Lc越小，越利于多向渦流風(fēng)幕直接阻隔粉塵彌散，但在有人作業(yè)區(qū)域形成較均勻阻塵風(fēng)流場(chǎng)后，繼續(xù)增大Lc對(duì)阻隔粉塵彌散已基本無影響；Y和Z越小，Qf越大，越利于阻隔粉塵逆向迎頭彌散。

3)通風(fēng)參數(shù)變至一定值后，形成阻塵風(fēng)流場(chǎng)的均勻程度及阻隔粉塵彌散能力基本穩(wěn)定；綜合考慮多向渦流風(fēng)幕阻隔粉塵彌散效果、阻塵風(fēng)流場(chǎng)形成及防止循環(huán)風(fēng)的出現(xiàn)，確定了實(shí)驗(yàn)掘進(jìn)面的較優(yōu)通風(fēng)參數(shù)為：Lc=20 m，Y=5:4，Qf=300m3/min，Z=1:9；該參數(shù)時(shí)全塵、呼吸性粉塵的降塵率平均值分別為 95.85%和94.32%。

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(編輯 羅金花)

Simulation experiment on multi-direction whirling airCurtain preventing dust diffusion

NIE Wen,LIU Yanghao,CHENG Weimin,ZHOU Gang,XUE Jiao,MA Xiao
(State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention andControlCo-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology,College of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China)

Abstract:Considering the problem that it is difficult toControl the dust diffusion in tunnelling headings,a new type of multi-direction whirling airCurtain generator was designed.Based on the self-designed analogous experimental platform,the law on wind migration of the multi-direction whirling airCurtain and the separation of dust diffusion was proved.The results show that the greater the distance Lcfrom multi-direction whirling airCurtain to heading face,the less the press extraction ratio Y,the less the press wind volume Qf,and the less the axial pressure ratio Z,which is beneficial to the formation of the dust prevention wind flow field that points to the heading face.The law on the separation of dust diffusion prevention is that the dust massConcentration decreases and the fluctuation of it decreases basically with the increase of Lc.When Lcincreases,the ability of dust diffusion prevention decreases first and then increases.The more Qfis,the less Y and Z are,which is beneficial to the separation of dust diffusion.After the ventilation parameters tend to aCertain value,the uniform degree of the dust separation wind flow field and the ability of separate dust diffusion reach basically stable.Some excellent ventilation parameters of experimental heading face are determined: Lc=20 m,Y=5:4,Qf=300 m3/min,and Z=1:9.With the above parameters,the average dust removal rate of the totalCoal dust and respirable dust are 95.85% and 94.32%,respectively.

Key words:heading face? multi-direction whirling airCurtain? dust separation wind flow field? dust diffusion? simulation experiment

中圖分類號(hào)：TD714.41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672?7207(2016)01?0350?09

DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.048

收稿日期：2015?02?03；修回日期：2015?04?03

基金項(xiàng)目(Foundation item)：國(guó)家自然科學(xué)基金煤炭聯(lián)合基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(U1261205)；國(guó)家青年基金資助項(xiàng)目(51404147)；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015M570601)；山東科技大學(xué)人才引進(jìn)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(2014RCJJ029)(Project(U1261205)supported by the Key Program of theCoal Joint Funds of the National Natural Science Foundation ofChina? Project(51404147)supported by the National Natural Science Foundation for Young Scientists ofChina? Project(2015M570601)supported by theChina Postdoctoral Science Foundation? Project(2014RCJJ029)supported by the Scientific Research Foundation of Shandong University of Science and Technology for Recruited Talents)

通信作者：周剛，博士，副教授，從事礦井通風(fēng)與防塵方向的研究；E-mail: ahsdzhougang@163.com