龔曉燕 李相斌 陳 龍 裴曉澤 付浩然 王天舒 張紅兵 薛 河

(西安科技大學機械工程學院,陜西 西安 710054)

近年來,隨著礦山掘進設備的機械化與智能化的迅速發(fā)展[1-2],快速掘進技術越來越廣泛應用于掘進工作面(以下簡稱“快掘面”),在極大提高生產強度與作業(yè)效率的同時造成了更加嚴重的粉塵污染問題[3-5]。 快掘面設備布置繁多且設備的空間占有率高達80%,遠高于普通掘進工作面的設備空間占有率,易造成粉塵聚集。 高濃度粉塵危害著井下作業(yè)人員的安全健康,同時粉塵的擴散將惡化作業(yè)環(huán)境、影響礦山安全生產[6-7]。 局部通風仍是快掘面的主要控塵方式,然而傳統(tǒng)通風方式難以滿足快掘面的生產需求,風流狀態(tài)不可改變與風流分布不合理導致巷道粉塵區(qū)域性聚集及擴散污染,極易造成安全隱患[8]。相關學者研究表明,通過調整射出風流狀態(tài)及風量壓抽比可改變巷道風流分布及粉塵運移,有效降低粉塵濃度。 王凱[9]基于氣固兩相流理論研究了不同風筒直徑下的巷道內粉塵運移規(guī)律,并對掘進面風筒直徑進行了優(yōu)化。 楊征等[10]提出了快掘面前壓后抽的除塵方法,營造了一種供風量小于吸風量的局部負壓通風環(huán)境,將粉塵控制在擴散邊界以內。 胡方坤[11]通過數(shù)值模擬研究了壓抽比小于1 與壓抽比大于1 條件下巷道內的風場分布與粉塵運移規(guī)律。 胡勝勇等[12]采用CFD-DPM 方法模擬得出司機處于掘進機左側、右前側和后部的渦流內,且司機后方的粉塵污染較嚴重。 聶文等[13]通過設計正交試驗分析得出掘進面混合式通風下壓風筒位置、抽風筒位置、壓風量及抽風量對高濃度粉塵擴散距離的影響程度,并確定了最佳通風參數(shù)。 本研究團隊前期[14]通過分析掘進面風流調控對人員活動處粉塵濃度變化的影響,確定了掘進面風流調控參數(shù)的合理取值范圍,但是隨著快掘成套設備逐漸引入,調控參數(shù)與壓抽比變化對快掘面粉塵運移帶來的影響亟待深入研究。

目前國內外眾多學者對掘進面的粉塵污染問題進行了深入分析,而對快掘面風流及粉塵運移分布規(guī)律的研究處于探索階段。 針對目前快掘面粉塵嚴重污染的問題,結合課題組研制的出風口風流動態(tài)調控裝置[15-16],通過數(shù)值模擬與物理試驗對快掘面風筒出風口偏角、出風口縮放口徑、出風口距端頭距離及風量壓抽比變化下的粉塵運移分布進行研究,以司機處粉塵濃度與粉塵擴散距離為研究對象,確定最佳風流動態(tài)調控參數(shù)組合,為快掘面粉塵污染防治提供有效方法。

1 風流與粉塵耦合有限元模型構建

1.1 風流動態(tài)調控降塵凈化系統(tǒng)布局與工作原理

快掘面中布置有掘錨機、運錨機、帶式輸送機、除塵風機、風筒及風流動態(tài)調控裝置等裝備,如圖1 所示。 壓風筒吊掛于巷道側壁頂板處,末端出風口處安裝風流動態(tài)調控裝置。 抽風筒采用硬質伸縮風筒與固定風道連接而成,吸風口居中布置于掘錨機上方,除塵風機架設于帶式輸送機上方[17]。

在生產過程中,混合式通風利用局部通風機將新鮮風流經壓風筒輸送至快掘面,風流到達壓風筒末端出風口處,在風流動態(tài)調控裝置的調節(jié)作用下,使更多含塵風流經抽風筒進入除塵風機進行處理,減少司機處粉塵聚集與粉塵沿程擴散造成的污染,達到凈化快掘面作業(yè)環(huán)境的目的。

1.2 模型構建與參數(shù)設定

以陜西某礦快掘面為研究對象,根據(jù)實際工況進行適當簡化,建立的等比例巷道模型如圖2 所示,巷道尺寸:長80 m、寬5.2 m、高3.2 m。 出風口位于壓風筒末端,壓風筒直徑為1 m;掘錨機尺寸:長12. 1 m、寬4.8 m、高2.4 m,運錨機尺寸:長11 m、寬3.3 m、高2.3 m。 掘錨機司機位于X=1.5 m、Y=1.5 m、Z=10 m 處。

圖2 幾何模型簡化Fig.2 Simplification of geometric model

掘錨機在截割作業(yè)時,粉塵顆粒彌散在連續(xù)的風流中,粉塵體積小于10%～12%為離散相并在Lagrange 坐標系下求解,連續(xù)相風流在Euler 坐標系下求解,風流運載粉塵運動,屬于稀相氣固兩相流,采用Euler-Lagrange 方法計算求解[18]。 巷道風流流動視為不可壓縮的低速流動,故選擇壓力求解器;壓入的風流屬于受限射流且風流曲率變化較大,選用Realizablek-ε湍流模型計算連續(xù)相風流;通過湍流強度公式(式(1))與水力直徑計算公式(式(2))對邊界條件中的湍流進行設定。 采用DPM 模型計算離散相粉塵顆粒,粉塵粒徑大小符合Rosin-Rammler 分布規(guī)律,通過式(3)確定粉塵的質量流率[19]。 計算模型具體參數(shù)設定見表1。

表1 模型參數(shù)設定Table 1 Setting of model parameters

式中,I為湍流強度,%;Re為雷諾數(shù)。

式中,dH為水力直徑,m;A為過流斷面面積,m2;x為濕周,m。

式中,M為質量流率,kg/s;c為塵源位置處的粉塵濃度,kg/m3;ν為巷道平均風速,m/s;S為巷道斷面面積,m2。

1.3 網(wǎng)格無關性檢驗與模型實測驗證

以快掘面行人沿程呼吸高度的全塵濃度作為網(wǎng)格無關性檢驗的參考依據(jù),對模型分別劃分194 萬、228 萬與261 萬3 種網(wǎng)格方案,3 種網(wǎng)格數(shù)量下參考位置的模擬結果如圖3(a)所示。 由圖3(a)可知:3種網(wǎng)格數(shù)量下的分布曲線幾乎重合,本研究在保證網(wǎng)格質量的前提下同時兼顧計算成本,選擇194 萬網(wǎng)格方案進行后續(xù)數(shù)值計算,該網(wǎng)格方案下網(wǎng)格單元平均質量為0.84。 為保證所建有限元模型的準確性,采用CCZ-1000 型測塵儀對該快掘面行人沿程呼吸高度各測點的全塵濃度進行測量,記錄實測結果并提取模型計算結果進行對比,結果如圖3(b)所示。 分析可知:模擬值與實測值變化特征基本一致,且模型誤差較小,驗證了有限元模型的準確性。

圖3 網(wǎng)格無關性檢驗與模型實測驗證Fig.3 Results of grid independence test and model measurement verification

2 各參數(shù)對風流與粉塵分布影響的模擬分析

2.1 不同出風口偏角模擬分析

在其他風流動態(tài)調控參數(shù)不變的情況下,分別對出風口偏轉角度0°、10°及20°進行模擬,所得風流與粉塵運移分布情況如圖4 所示。

圖4 出風口偏角對風流與粉塵分布的影響Fig.4 Influence of outlet deflection angle on air flow and dust distribution

由圖4 可知:① 隨著出風口偏角增大,迎頭處水平渦流區(qū)Ⅰ分解為多個小渦流,渦流區(qū)Ⅰ范圍逐漸縮小,渦流中心逐漸向掘進端頭偏移;由于抽風筒布置于巷道中間,在負壓作用下,偏轉角度增大使得部分風流直接進入抽風筒,巷道整體風速降低。 ② 隨著出風口偏角增大,迎頭處產生的粉塵整體向進風側運移,司機附近粉塵濃度先升高后降低,粉塵的擴散范圍先增大后減小。

2.2 不同出風口縮放口徑模擬分析

在其他風流動態(tài)調控參數(shù)不變的情況下,分別對出風口縮放口徑為0.8、1.0、1.2 m 進行模擬,得到風流與粉塵運移分布情況如圖5 所示。

圖5 出風口口徑對風流與粉塵分布的影響Fig.5 Influence of outlet diameter on air flow and dust distribution

由圖5 可知:① 隨著出風口口徑增大,出風筒射流中心速度明顯降低,在0.8 m 口徑下,迎頭處風速較大,渦流區(qū)Ⅰ存在多個小渦流;當口徑增大到1.0 m 時,迎頭處風速降低,小渦流逐漸合并,且渦流中心處于吸風口上方;當口徑增大到1.2 m 時,迎頭處風速進一步降低;在吸風口負壓的作用下,原有的渦流被打亂,部分風流被吸風口抽入風筒。 ② 隨著出風口口徑的增大,迎頭附近粉塵向進風側運移,司機附近粉塵濃度先降低后升高,粉塵的擴散范圍先減小后增大。

2.3 不同出風口距端頭距離模擬分析

在其他風流動態(tài)調控參數(shù)不變的情況下,分別對出風口距端頭距離為5、10、15 m 進行模擬,所得風流與粉塵運移分布情況如圖6 所示。

圖6 出風口距端頭距離對風流與粉塵分布的影響Fig.6 Influence of distance from outlet to end on air flow and dust distribution

由圖6 可知:① 隨著出風口距端頭距離增大,到達迎頭附近的風流速度降低,且渦流區(qū)Ⅰ的中心向掘進端頭移動;受抽風負壓作用影響,出風口距端頭距離由5 m 增加到15 m 的過程中,壓入的風流更容易進入抽風筒,同時巷道后方風流也更快達到相對穩(wěn)定的流動狀態(tài);② 隨著出風口距端頭距離增大,迎頭附近的粉塵整體向進風側運移,司機附近粉塵濃度持續(xù)降低,粉塵的擴散范圍先減小后增大。

2.4 不同風量壓抽比模擬分析

在其他風流動態(tài)調控參數(shù)不變的情況下,分別對風量壓抽比為0.8、1.0 及1.2 進行模擬,得到風流與粉塵運移分布情況如圖7 所示。

圖7 風量壓抽比對風流與粉塵分布的影響Fig.7 Influence of air volume pressure pumping ratio on air flow and dust distribution

由圖7 可知:① 隨著風量壓抽比增大,到達巷道整體風速明顯升高,且渦流區(qū)Ⅰ的范圍在吸風口上方逐漸縮小,壓入的風流更容易脫離抽風筒負壓作用的影響;當壓抽比為0.8 時,壓入的風流經掘進端頭全部進入抽風筒;當壓抽比為1.0 時,壓入的風流基本全部進入抽風筒;當壓抽比為1.2 時,壓入的風流大部分進入抽風筒,少部分流向巷道后方。 ② 隨著風量壓抽比增大,迎頭附近的粉塵整體向進風側運移,司機附近粉塵濃度降低,粉塵的擴散范圍逐漸增大。

3 試驗設計與分析

3.1 正交試驗方案設計

為分析風筒出風口偏角X1、出風口縮放口徑X2、出風口距端頭距離X3及風量壓抽比X4對巷道粉塵分布的影響,以司機處粉塵濃度Y1與高濃度(300 mg/m3)粉塵擴散距離Y2為評價指標[20],設計正交模擬試驗方案,具體試驗設計因素與水平如表2 所示,表2 中通過設置空白列獲得隨機誤差以進行方差分析。

表2 正交試驗因素水平Table 2 Orthogonal test factor levels

3.2 試驗結果分析

將試驗各因素的不同參數(shù)組合代入有限元模型進行求解,得到試驗結果見表3。 為考察4 個調控變量對司機處粉塵濃度和高濃度粉塵擴散距離的影響,采用SPSS 對試驗數(shù)據(jù)進行分析,極差與方差分析結果分別見表4 與表5。

表3 正交試驗方案處理Table 3 Orthogonal test protocol treatment

表4 極差分析結果Table 4 Range analysis results

表5 方差分析結果Table 5 Results of variance analysis

由表4 可知:① 對于司機處粉塵濃度的影響程度由大到小依次為風量壓抽比、出風口偏角、出風口距端頭距離、出風口縮放口徑,對應極差分別為95.67、89.83、70.89、51.27;② 對于粉塵擴散距離的影響程度由大到小依次為風量壓抽比、出風口偏角、出風口距端頭距離、出風口縮放口徑,對應極差分別為15.18、12.4、10.11、2.66。

由表5 可知:① 對于司機處粉塵濃度,出風口偏角、出風口縮放口徑、出風口距端頭距離及風量壓抽比的顯著性水平P值分別為0.023、0.183、0.043、0.008,其中出風口偏角、出風口距端頭距離及風量壓抽比的顯著性水平小于0.05,表明三者為司機處粉塵濃度的顯著性影響因素;此外,風量壓抽比的顯著性水平P值低于0.01,反映出該因素為極顯著性影響因素。 ② 對于粉塵擴散距離,出風口偏角、出風口縮放口徑、出風口距端頭距離及風量壓抽比的顯著性水平P值分別為0.037、0.766、0.058、0.014,其中出風口偏角與風量壓抽比的顯著性水平小于0.05,表明兩者為司機處粉塵濃度的顯著性影響因素。

結合極差分析結果,繪制了各因素對司機處粉塵濃度與高濃度粉塵擴散距離的影響曲線如圖8 所示。

圖8 各因素對粉塵濃度與粉塵擴散距離的影響Fig.8 Influence of various factors on dust concentration and dust diffusion distance

綜合考慮各因素對司機處粉塵聚集與粉塵擴散污染情況,確定的風流動態(tài)調控參數(shù)最佳組合為:出風口偏角20°、出風口縮放口徑1.0 m、出風口距端頭距離10 m 及風量壓抽比1。 最佳參數(shù)組合下的風流調控凈化效果如圖9 所示。

圖9 風流調控凈化效果對比Fig.9 Comparison of the purification effects before and after air flow regulation

4 試驗平臺搭建及測試驗證

4.1 平臺搭建及方案設計

為驗證風流動態(tài)調控參數(shù)變化對粉塵分布的影響規(guī)律,以及風流動態(tài)調控降塵系統(tǒng)的凈化效果,以相似?；碚摓榛A,結合快掘面現(xiàn)場環(huán)境,引入風流動態(tài)調控裝置,搭建的快掘面風流動態(tài)調控降塵凈化測試平臺如圖10 所示。

圖10 快掘面風流動態(tài)調控測試平臺Fig.10 Test platform for dynamic regulation of air flow on fast excavation surface

在搭建的試驗平臺布置的粉塵測點如圖11 所示,掘錨機司機處粉塵濃度數(shù)據(jù)取自固定測量點(1#點),高濃度粉塵擴散距離采取多斷面4 測點測量方式獲取,且斷面的選擇不斷向高濃度粉塵臨界值方向逼近。 為減小試驗誤差,將各組數(shù)據(jù)進行3 次測量并取平均值作為最終結果。

圖11 測點布置Fig.11 Layout of monitoring points

4.2 粉塵分布規(guī)律與調控效果驗證

通過上述試驗方案,提取各調控參數(shù)變化下的司機處粉塵濃度與粉塵擴散距離,將試驗測試值與模擬值進行對比,結果如圖12 所示。 在出風口偏角20°、出風口縮放口徑1.0 m、出風口距端頭距離10 m 及風量壓抽比1 的風流動態(tài)調控參數(shù)取值條件下,凈化前后司機處的粉塵濃度與粉塵擴散距離見表6。

表6 凈化前后測試結果對比Table 6 Comparison of test results before and after purification

圖12 各參數(shù)變化下粉塵分布實測值與模擬值對比Fig.12 Comparison of measured and simulated dust distribution under different paramete rs

由圖12 可知:各參數(shù)變化下粉塵分布規(guī)律模擬值與實測值基本一致,司機處粉塵濃度與粉塵擴散距離的平均誤差分別為8.91%與7.87%。 結合表6 可知:調控凈化后司機處粉塵濃度降低了52.18%,粉塵擴散距離降低了34.80%,驗證了本研究風流動態(tài)調控凈化平臺的有效性。

5 結 論

針對快掘面粉塵污染嚴重的問題,設計了風流動態(tài)調控降塵凈化系統(tǒng),研究了各參數(shù)變化對風流與粉塵場的影響規(guī)律,設計了不同工況下的風流調控凈化方案,搭建了試驗測試平臺,并進行了測試驗證。 所得結論如下:

(1)通過數(shù)值模擬研究了出風口偏角、出風口縮放口徑、出風口距端頭距離及風量壓抽比4 個參數(shù)變化下的風流與粉塵場的運移分布規(guī)律;設計了正交試驗,通過極差與方差分析確定了各參數(shù)對司機處粉塵濃度與粉塵擴散距離的影響程度,得到了最佳風流調控凈化方案;搭建了快掘面風流動態(tài)調控測試平臺進行了測試驗證。

(2)各參數(shù)對粉塵濃度與擴散距離的影響程度由大到小依次為風量壓抽比、出風口偏角、出風口距端頭距離、出風口縮放口徑;最佳風流調控方案凈化后巷道內的粉塵污染顯著減小,司機處粉塵濃度由327.22 mg/m3降至156.47 mg/m3,降低了52.18%,粉塵擴散距離由39.74 m 降至25.91 m,降低了34.80%。

(3)本研究風流動態(tài)調控降塵凈化系統(tǒng)為快掘面粉塵防治技術推廣與裝備應用提供了參考,但尚未針對呼吸性粉塵的運移分布進行探索,后續(xù)將結合快掘面具體產塵情況研究精細化調控作業(yè)方式,進一步凈化快掘面作業(yè)環(huán)境。