黎 志

(中煤科工集團 重慶研究院有限公司， 重慶 400037)

0 引 言

長壓短抽通風除塵系統(tǒng)[1-3]作為獨頭巷道綜掘工作面有效粉塵防治方法已被廣泛應用。實踐證明，控塵風筒是長壓短抽通風除塵系統(tǒng)控制獨頭巷道掘進工作面生產性粉塵的關鍵，其正確使用可以有效提高長壓短抽通風除塵系統(tǒng)的收塵率[4]。針對控塵風筒的研究形成了渦流控塵裝置[5]、空氣幕[6]、條縫式控塵風筒、康達效應風筒[7]、硬質或柔性附壁風筒[8-9]等多種形式，但對其作用機理研究較少，以致于工程實踐中巷道形狀及其他條件的變化引起長壓短抽通風除塵系統(tǒng)收塵效率降低，僅能依靠工程經驗去解決，缺乏理論指導。針對控塵風筒作用機理的研究認為是控塵風筒射出的螺旋風流的作用[10]或者是形成了控塵面[11]，說法不一，但仍存在控塵風筒作用機理不清、結構特征不明的情況。綜合研究表明：實現獨頭巷道掘進工作面有效控塵的方式有半圓拱形巷道下以電機為動力的渦流控塵裝置、低矮矩形巷道下以徑向出風為主的柔性附壁風筒、掘進機機載除塵器配合供風分流等。筆者在黃陵礦業(yè)公司低矮矩形巷道中柔性附壁風筒的現場實踐的基礎上，結合理論分析與數值模擬，提出了長壓短抽通風除塵系統(tǒng)中有效控塵風流的作用機理——以渦量結構為特征，并作了進一步分析，以期對其特征進行參數化，便于理論研究且指導現場實踐。

1 現場應用概況

黃陵礦業(yè)公司低矮矩形巷道掘進寬度5.0 m，高度2.8 m，供風量7.5 m3/s，供風風筒直徑0.8 m，采用EBZ160型掘進機掘進，掘進過程中距工作面30 m范圍內實測瞬時平均總粉塵質量濃度最大值為1 257.5 mg/m3，粉塵污染嚴重。采用如圖1所示的長壓短抽通風除塵系統(tǒng)進行粉塵治理。利用CCZ20呼吸性粉塵采樣器測試司機位置與掘進機機尾5 m位置的總粉塵質量濃度，測試結果見表1，其中原始粉塵質量濃度ρ指的是掘進機掘進過程中無任何防塵措施的情況；使用通風除塵系統(tǒng)后的粉塵質量濃度ρt指的是僅開啟除塵器，不使用附壁風筒的情況；使用附壁風筒后的粉塵質量濃度ρf指的是開啟除塵器且使用附壁風筒的情況。

圖1 黃陵礦業(yè)公司低矮掘進工作面長壓短抽通風除塵系統(tǒng)Fig. 1 Layout of long-pressure short-extraction ventilation and dust removal system for low heading face of Huangling mining company

表1 粉塵濃度測試結果

由表1可知，長壓短抽通風除塵系統(tǒng)的作用使得綜掘工作面司機位置和掘進機尾5 m位置的降塵效率分別為61%和66%。使用附壁風筒后，實測的降塵效率與之相比提高了60%左右，能夠明顯改善獨頭掘進工作面的作業(yè)環(huán)境，附壁風筒的使用明顯提高了長壓短抽通風除塵系統(tǒng)的收塵效果，使用附壁風筒后更多的粉塵通過吸塵罩進入抽塵風筒被除塵器處理(圖1)，大幅提升了獨頭巷道掘進工作面粉塵治理效果。在測試過程中發(fā)現，掘進機機身布置吸塵罩位置與巷道幫壁間觀測到由機尾向工作面運移的風流如圖2所示，因風速太小，無法實測。

圖2 現場觀測Fig. 2 Field observation

綜上可知，附壁風筒作用不僅能夠提高長壓通風除塵系統(tǒng)的粉塵治理效果，而且能誘導產生機尾向工作面運移的新鮮風流。這股新鮮風流是在附壁風筒作用下形成的除塵器與吸塵罩口之間向吸塵罩口方向運動的風流，在除塵器單獨使用的情況下未見，分析認為這部分風流對控塵具有重要作用，即向工作面前進的新鮮風流，暫稱之為有效控塵風流。

2 有效控塵風流的作用

將附壁風筒作用下形成的有效控塵風流視作控制體，其模型如圖3所示。圖中Ⅰ面靠近附壁風筒側，Ⅱ面靠近吸塵罩口(工作面?zhèn)?，因附壁風筒與軸向供風連通，故此區(qū)域內風壓視作均勻分布，無壓差，且Ⅰ面與Ⅱ面高度相同。

圖3 控制體模型Fig. 3 Control body model

根據伯努利方程式，Ⅰ面與Ⅱ面上的外力做功，動能與勢能可表示為

(1)

因Ⅰ面和Ⅱ面高度相同，式(1)可簡化為

(2)

式中：p1、p2——Ⅰ面與Ⅱ面所受外力；

v1、v2——Ⅰ面與Ⅱ面的速度；

ρ1、ρ2——Ⅰ面與Ⅱ面斷面內的風流密度。

當風流是從Ⅰ面流向Ⅱ面，沿程無其他外力作用時，v1>v2，則p2-p1>0，p2的拉力為正，假設Ⅱ面無限接近于吸塵罩口平面，要使p2恒為正，則需要吸塵罩口(除塵器)提供的總能量大于抽吸吸塵罩口平面至掘進工作面段風流(不考慮粉塵質量濃度引起的密度與體積的變化)所需的總能量。

做功分析模型如圖4所示。取吸塵罩口平面至工作面的體積微元δV，則抽吸此微元需做功為

(3)

吸塵罩將此區(qū)域的風流全部吸入，則需做功為：

(4)

式中：V——吸塵罩口平面至工作面的總體積，取V=5.0 m×2.8 m×5.0 m=70.0 m3；

v——吸塵罩口的吸塵風速，v=12.0 m/s；

v0——根據供風量與供風風筒直徑計算得出，v0=14.9 m/s；

δm——微單元質量，kg。

因為供風出風方向與吸塵罩抽吸方向相反，需克服其做功；另假設吸塵罩口平面至工作面風流為靜止風流，v0=0 m/s。由此計算得出吸塵罩口處需滿足做功6 250～15 884 J，換算為單位時間內功率是6.250～15.884 kW。

若不存在有效控塵風流，假設除塵器出風能夠完全控制風流的向外擴散，則按圖1所示布置的長壓短抽通風除塵系統(tǒng)(除塵器出風口距工作面30 m)，吸塵罩口處達到同種效果需要的功率將是現在的6倍，吸塵罩口處所需功率為15～95 kW。而實際上圖1中除塵器配套的風機功率為2×22 kW，除了需提供吸塵罩口的功率外，還需克服功率轉化的損失、除塵器本身的阻力及抽塵系統(tǒng)的阻力，經測試，除塵器處理風量為420 m3/min時，吸塵罩口處可用作對外作功的功率為9.5 kW。

圖4 做功分析模型Fig. 4 Work analysis model

上述分析表明，在做功的觀點下，有效控塵風流的作用將有效降低長壓短抽通風除塵系統(tǒng)配備的除塵風機功率，同時大幅提升長壓短抽通風除塵系統(tǒng)的降塵效率。有效控塵風流來源于附壁風筒的作用，附壁風筒的結構如圖5所示。附壁風筒采用柔性材質設計，長度為5 m，沿其軸向均勻布置6個徑向出風口，單個徑向出風口直徑為200 mm，全部使用時軸向與徑向出風面積比為1∶1.18。

圖5 附壁風筒結構Fig. 5 Structure of attached wall air duct

有學者提出附壁風筒使用后形成了控塵面，控塵面能夠阻擋工作面粉塵的擴散，但對控塵面特征未見深入研究，且有效控塵風流的作用未被闡明過。同時因為重合段風速較低，現場測試困難，為此采用數值計算作進一步分析。

3 數值模擬結果與分析

根據黃陵一礦綜掘工作面的實際條件，建立數值模擬模型如圖6所示。模型尺寸為50.0 m×5.0 m×2.8 m。結合已有研究[12]：附壁風筒徑向出風夾角影響綜掘工作面長壓短抽通風除塵系數效果，選取附壁風筒徑向出風夾角為30°。模型中x方向表示巷道軸向方向，以指向巷道出口方向為負向，即工作面位置為x=50 m，巷道出口為x=0 m；y方向表示巷道寬度方向；z方向表示巷道高度方向。為清晰地對比流場變化，著重分析非供風風筒側y=1 m位置的流線變化。

圖6 數值模擬模型Fig. 6 Numberical simulation model

3.1 粉塵分布與流場內風速分析

模擬了工作面正常割煤無降塵措施(工作面產塵，質量流率0.03 kg/s)與使用長壓短抽通風除塵系統(tǒng)(除塵器處理風量5 m3/s)后的粉塵質量濃度分布情況，取行人呼吸帶高度z=1.5 m的粉塵質量濃度分布如圖7所示。在工作面正常割煤時，粉塵擴散至整個巷道區(qū)域，如圖7工況1所示。使用長壓短抽通風除塵系統(tǒng)后，除塵器下風側出現大面積無粉塵或少粉塵區(qū)域，局部(除塵器至掘進工作面)區(qū)域粉塵反而出現增高的現象，如圖7工況2所示。說明長壓短抽通風除塵系統(tǒng)能夠處理一部分粉塵，但對粉塵擴散有一定的阻擋作用。

圖7 原始流場與應用除塵系統(tǒng)后的粉塵質量濃度分布Fig. 7 Original flow field and distribution of dust concentration after applying dust removal system

考慮粉塵擴散是以風流流動為主，故選取模型中一段(x在25.0～50.0 m之間，y=1.0 m，z=1.5 m)監(jiān)測x方向的速度，得到如圖8所示的曲線。

圖8 x方向速度曲線Fig. 8 Speed curve in x direction

由圖8可知，在工作面25.0 m范圍內，巷道回風流區(qū)域(y=1.0 m)，原始流場中風速均向巷道出口方向流動(vx<0)，且風速先增大(x=46.9 m時，風速最大值vx=-3.1 m/s)后減小(x=25.0 m時，vx=-0.88 m/s)，這主要是受掘進機機身的影響，巷道斷面減小，風速逐漸增大。但在掘進機后方巷道斷面逐漸增大，風速逐漸減小。應用長壓短抽通風除塵系統(tǒng)后，在靠近工作面區(qū)域(x=49.4 m)出現了向工作面運動的風流(vx>0)，但在掘進機機身周圍風流向巷道口運動的趨勢不減，風速明顯變小，且出現了小于0.5 m/s的弱風區(qū)域。對比可知：不會出現圖2所觀察到的風流在掘進機靠近煤壁區(qū)域向工作面運動的風流。

進一步模擬了使用附壁風筒時行人呼吸帶高度z=1.5 m的粉塵質量濃度分布如圖9所示。與圖7相比，呼吸帶高度的粉塵擴散范圍明顯減小(圖中藍色區(qū)域增多，粉塵區(qū)域減小，圍繞掘進機模型以高濃度粉塵為主)；在軸徑向出風比為1∶2的情況下，粉塵雖能被控制在掘進機前后一定范圍內，但粉塵聚集區(qū)域較大，綜掘機司機完全被高濃度粉塵包圍。分析原因是軸向出風量相對較高，導致工作面粉塵被迅速吹到綜掘機尾部，徑向出風無法將軸向出風運移攜帶的粉塵壓回至吸塵罩口前方，說明此參數不是最佳參數；在軸徑向出風比為1∶3時，粉塵即被控制在工作面4 m范圍內，工作面粉塵分布較均勻，司機位置處于控塵風流的新鮮風流中，控塵效果明顯；而在軸徑向出風比為1∶4時，控塵范圍與軸徑向出風比為1∶3相比稍有減小趨勢，但由于徑向出風量的增大，軸向出風量的減小，導致掘進機左側的粉塵進一步積聚，由于吸塵罩口在掘進機上偏右的位置，對巷道左側的抽吸能力有限，可能加劇局部的粉塵堆積，影響司機視線。

圖9 不同軸徑向出風比時粉塵質量濃度分布Fig. 9 Dust concentration distribution with different axial and radial air outlet ratios

不同軸徑向出風比時x方向速度曲線如圖10所示。由圖10可知：軸徑出風比為1∶2～1∶4時，在供風回風流區(qū)域x方向41～47 m區(qū)間出現明顯的向工作面運動的風流(圖中虛線框所示)，與原始流場中x方向風流速度曲線圖對比，風流沿巷道運動的最大速度由3.1 m/s降低至0.4 m/s；風流向工作面運動的速度最大可達0.7 m/s。由此可見，軸徑向出風比越小，風流向工作面運動的風速越大。

圖10 不同軸徑向出風比時x方向速度曲線Fig. 10 Speed curve in x direction with different axial and radial air outlet ratios

綜上可知，原始流場與單獨應用除塵系統(tǒng)的情況是僅有軸向出風，無徑向出風的情況，可視作軸徑向出風比為無窮大時的情況。結合軸徑向出風比為1∶2～1∶4的模擬結果分析可得，在軸徑向出風比減少的過程中，在掘進機機身附近一個截面內一條線上出現了斷面范圍內向工作面運動的風流，不能完全說明圖2的現象，為此繼續(xù)分析斷面內流線。

3.2 斷面流線分析

3.2.1 原始風流場

原始風流場斷面內風流流線見圖11。原始風流場沿巷道出口方向運動，受局部影響出現渦流，按貼附射流流場[10]可分為射流區(qū)、回流區(qū)與渦流區(qū)，此區(qū)域分布在掘進機工作面范圍內，在掘進機之后均可視為回流區(qū)(不考慮局部渦流)。風流作為粉塵運移的主要動力，若工作面范圍內有粉塵，粉塵在風流作用下將向巷道出口方向快速擴散。

圖11 原始風流場斷面內風流流線 Fig. 11 Sectional internal air flow in primitive romantic field

3.2.2 通風除塵系統(tǒng)(無附壁風筒)的影響

使用通風除塵系統(tǒng)后斷面內風流流線如圖12所示。長壓短抽通風除塵系統(tǒng)使用后無附壁風筒作用時，在除塵器周圍5～10 m范圍內出現了渦流，但渦流前后風流均是向巷道口運移，無法控制粉塵擴散。x=36 m斷面內的風流在巷道左上角出現紙繞流，其余空間內的風流呈現風流從頂板向底板運移的趨勢；x=25 m斷面內的風流流線出現一渦流，考慮不是物體阻擋引起的渦流，分析應該是除塵器出風引起的，這表明風流在巷道軸線方向上的一個流向。

3.2.3 附壁風筒的作用

應用附壁風筒后斷面內風流流線分布如圖13所示。

圖12 使用通風除塵系統(tǒng)后斷面內風流流線Fig. 12 Sectional internal air flow after using ventilation and dust removal system

圖13 應用附壁風筒后斷面內風流流線分布 Fig. 13 Sectional internal air flow after applying attached wall air duct

在使用附壁風筒后，y=1 m截面內風流流線發(fā)生了明顯改變，在距工作面5 m范圍內的風流是向巷道口運動的，而距工作面5～30 m均為向工作面運動，出現了控制粉塵擴散的風流屏障。選取x=36 m、x=25 m兩個截面內的風流流線分布發(fā)現：斷面某個位置均存在渦流，故認為斷面內渦流的存在是粉塵能夠被控制的關鍵。

4 渦旋及其部分特征

附壁風筒徑向出風沿巷道幫壁運動，由此在斷面范圍內形成一個渦。因徑向出風斷面具有一定長度，多個渦實現了疊加，在除塵器的抽吸作用(吸風量、負壓等)下，渦量場形成渦旋，以渦旋運動路徑為渦管。渦流的存在被認為是擾亂風流的主要因素，因為其周圍存在速度差，為此假設附壁作用下長壓短抽通風除塵系統(tǒng)能夠形成控塵流場的關鍵是在每個斷面內均自然形成一個渦流，由此形成渦管，風流的體流線呈現螺旋形狀，在圖14中可得到證實。

圖14 附壁風筒作用下徑向出風體流線Fig. 14 Radial flow of vlume line under action of duct

初步認為附壁風筒供風出現向工作面運動的風流是長壓短抽通風除塵系統(tǒng)中吸塵罩抽吸作用的影響，為此，建立了數值模擬模型，加大了吸風量，粉塵能夠得到部分控制，但易形成循環(huán)風，不利于安全生產。繼而，模擬了不同軸徑向分風比的粉塵控制效果，通過對比發(fā)現有較好控塵效果，不同斷面內均出現了漩渦，據此提出了有效控塵風流的渦旋作用機理，其模型如圖15所示。

依據流體力學[11]分析，要形成渦管，徑向出風必須達到一定出風夾角及速度；附壁風筒應有一定的出風范圍；另外為了保證渦管中風流始終向工作面運動，除塵器吸塵口位置應有足夠的負壓。有效控塵風流形成必然滿足其渦旋的行程達到吸塵罩控制范圍，其特征長度為其行程。

圖15 渦旋模型Fig. 15 Model of vortex

假設其行程為L。根據量綱分析，該物理問題可以描述為

L=f(v,A,α,ρ,μ,v′,A′,P,B)，

(5)

式中：L——有效控塵風流特征長度；

v——徑向出風風速；

A——徑向出風斷面面積；

α——徑向出風夾角；

ρ——供風風流的密度；

μ——供風風流的動力黏度；

v′——吸塵罩的吸風速度；

A′——吸塵罩斷面面積；

P——徑向出風口位置與吸塵罩間的壓差；

B——巷道寬度。

采用線性代數[13]的初等變換與量綱分析的π定理[14]得到

(6)

式(6)給出了有效控塵風流特征長度，即渦旋的行程表達式。式中k值需要進行大量的實驗數據測得。除塵器吸風量為Q′=v′A′，徑向出風風量Q=vA，取比值η=Q′/Q。雷諾數Re=ρvdH/μ，水力直徑dH=4A/S，S為空氣過流斷面與供風風筒固體表面接觸的濕周周長，即徑向出風口斷面周長。式(6)可簡化為

(7)

由式(7)可知，L與P、B、α、η成正比，與ρ、S、Re成反比。P、η均與除塵器抽吸作用有關，抽吸作用越強烈，其值越大，渦旋運動距離越遠。

5 結 論

(1)通過對長壓短抽通風除塵系統(tǒng)的現場應用效果的考察，分析認為，有效控塵風流有控制粉塵擴散的關鍵作用。通過能量觀點的分析發(fā)現，有效控塵風流不僅有效降低了長壓短抽通風除塵系統(tǒng)配備的除塵風機功率，同時極大地提升了長壓短抽通風除塵系統(tǒng)的降塵效率。

(2)通過數值模擬分析得到，隨著軸徑向出風比的減小，有效控塵風流更易形成。通過對斷面流線的分析發(fā)現，有效控塵風流的存在伴隨斷面內渦的存在，據此提出了有效控塵風流的渦旋作用機理。

(3)通過理論分析得到了渦旋的長度特征公式，進一步討論認為，有效控塵風流的渦旋長度特征與除塵器抽吸作用成正比，與密度、濕周周長及雷諾數成反比。