DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.10.044

岩石机掘面多径向旋流风控除尘方法的研究与应用

聂文^{1, 2}，魏文乐^{1, 2}，刘阳昊^{1, 2}，陈连军^{1, 2}，程卫民^{1, 2}，马骁^{1, 2}

(1. 山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛，266590；

2. 山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛，266590)

摘要：为了有效降低岩石机掘面粉尘质量浓度，利用数值模拟、现场实测等方法，研究应用一种多径向旋流风控除尘方法。基于多径向旋流风控除尘方法研制控除尘系统，并在东区皮带巷岩石机掘面进行现场应用，实测多径向旋流风发生装置开启前后各测点粉尘质量浓度。研究结果表明：多径向旋流风发生装置开启后，可形成覆盖巷道全断面的多径向旋流风，并在掘进机司机至掘进头间形成风流方向均轴向指向掘进头的控尘风幕，压抽比越小，控尘风幕的风速波动系数、质量浓度为50 mg/m³以上的粉尘运移距离、司机处粉尘质量浓度均越小，压抽比为0.75时控除尘效果较优。开启后，压抽比越小，控除尘效果越优，压抽比为0.75时，相对开启前，有人作业区域各测点的实测降尘率平均值为81.72%，控除尘效果明显。

关键词：岩石机掘面; 多径向旋流风; 压抽比; 风幕; 控除尘

中图分类号：TD 714             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)10-3612-08

Research on dust control and removal method of multi-direction rotational air curtain at rock mechanized excavation face and its application

NIE Wen^{1, 2}, WEI Wenle^{1, 2}, LIU Yanghao^{1, 2}, CHEN Lianjun^{1, 2}, CHENG Weimin^{1, 2}, MA Xiao^{1, 2}

(1. State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and

the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China;

2. College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

Abstract: In order to effectively reduce the dust mass concentration at the rock mechanized excavation face, numerical simulation and field measurement methods were used for the research and application of dust control and removal method of multi-direction rotational air curtain. Based on dust control and removal method of multi-direction rotational air curtain, the air curtain dust control and removal system was designed, and a field application was conducted at rock mechanized excavation face of eastern pulley roadway, the dust concentrations of measuring points were tested before and after the multi-direction rotational air curtain production device opening. The results show that when the multi-direction rotational air curtain production device is turned on, the multi-direction rotational wind which can cover the whole cross-section of roadway is produced, and the dust control air curtain pointing to the heading face is formed in the space between the drivers position in heading machine and the heading face. The less press extraction ratio is, the shorter wind speed fluctuation coefficient of the dust control air curtain will be, the shorter diffusion distance of high concentration dust above 50 mg/m³ is, and the shorter the dust concentration at driver position is as well. A better dust control removal effect is determined when the press extraction ratio is 0.75. When the system is opened, the less press extraction ratio, the better dust control and removal effect. The average removal rate of dust at measuring points of some operational areas reaches 81.72%. The effect of the multi-direction rotational air curtain is obvious.

Key words: rock mechanized excavation face; multi-direction rotational air flow; press extraction ratio; air curtain; dust control and removal

长期以来，由于岩石硬度系数大，难以机械破碎，致使我国矿井的岩石巷道掘进方式主要为炮掘，但该方式进尺慢、效率低，已远不能满足我国矿井高效生产、开拓的需求。近年来，随着岩石掘进机的发展，我国部分现代化矿井已开始应用岩石机掘技术，以提高岩石巷道的掘进速度，但现场的产尘量也随之急剧增加，部分地点的粉尘质量浓度可超过3 g/m³，尤其岩尘的SiO₂质量浓度较高，致使矿工患尘肺的概率大大增加^[1-3]。目前，世界各主要采矿国家防治岩石机掘面粉尘的方法主要为喷雾降尘、泡沫除尘、通风除尘等，以上方法中，通风除尘由于具有消耗水量小、运行成本低且不阻挡工人作业视线等优点，已在现场逐渐得到了普及^{[2, 4-8]}。在我国应用较广泛的通风除尘方法主要是抽风机为除尘风机的长压短抽式通风，但是，传统的单一长压短抽通风除尘方法仍难以有效控除岩石机掘面粉尘，主要原因是未能在掘进机司机至掘进头间形成控尘风幕，致使掘进头处的产尘在压风风流的载动下向有人作业区域大量扩散，未被有效抽入除尘风机^{[3, 9-10]}。为此，本文作者研究一种岩石机掘面多径向旋流风控除尘方法，研制控除尘系统，以形成控尘风幕提高除尘风机的抽尘净化清除效果，并在回坡底矿东区皮带巷岩石机掘面进行应用。

1  多径向旋流风控除尘机制分析

在矿井掘进面长压短抽通风除尘方法中，通过多径向旋流风发生装置将压入式风筒直接压向掘进头的轴向风流部分或全部转变为压向巷道周壁的多径向风流，受附壁效应等作用，在巷道空间内可形成多径向旋流风，相对传统附壁风筒或康达风筒形成的单径向旋流风，可更好地径向覆盖巷道全断面。受距掘进头较近的抽出式风筒抽风影响，多径向旋流风不断向掘进头轴向运移，由于多径向旋流风内部风流的互相影响，其向掘进头的轴向运移能力将明显弱于传统的螺旋线状单径向旋流风，能在更小的距离内将径向风流转变为控尘效果更优的风流方向指向掘进头的控尘风幕，以控制掘进头粉尘污染向有人作业区域运移，并通过抽出式风筒抽入除尘风机净化清除，提高除尘效率^[10-14]。图1所示为径向旋流风控除尘机制示意图。

2  多径向旋流风形成及控除尘数值模拟

以较典型的回坡底矿东区皮带巷岩石机掘面为研究对象，基于风流与粉尘气-固两相流场流动数学模型和同位网格的Simple算法，利用软件Fluent数值模拟多径向旋流风形成及控除尘状况，以分析多径向旋流风控除尘方法的效果。

2.1  数学模型

气相采用Euler坐标系下的可较好描述旋流风运移状况的Realizable κ-ε模型，由于岩石机掘面空间内是稀疏相，粉尘颗粒相采用Lagrange坐标系下的随机轨道模型，并考虑气固两相间的耦合作用^[15-17]。

图1  多径向旋流风控除尘机制示意图

Fig. 1  Diagram of mechanism of multi-direction rotational dust control and removal air curtain

2.1.1  气相方程

连续方程：

           (1)

动量方程：

     (2)

紊流动能方程：

 (3)

紊流耗散率方程：

            (4)

式中：τ为时间，s；ω为流体自旋速率，r/s；g为重力加速度，m/s²；ρ为密度，kg/m³； r为径向位置；v为速度，m/s；S为位移源项；F为外力；t为切向；G_K为平均运动速度梯度引起紊流动能生成项； C₁=[0.43，]，η=EK/ε；C₂为常数；；σ_k和σ_e分别为紊流动能方程和紊流耗散率方程的紊流普朗持数；i和j为张量坐标。

             (5)

为与平均应变化率和紊流流场(κ和ε)等有关的函数，，其中，；，；；；；；；是从角速度为的参考系中得到的时均转动率张量，该项引入了旋流的影响^[18-20]。

2.1.2  固相粉尘运动方程

考虑作用在固相粉尘颗粒上的重力和气动阻力，基于牛顿第二定律，可得到在Lagrange坐标下的固相粉尘颗粒运动方程：

           (6)

根据速度定义，可以得到固相粉尘颗粒的运动轨迹方程：

                 (7)

式中：V为气体速度矢量，m/s；V_P为粉尘颗粒速度矢量，m/s；F_D(V-V_P)为粉尘颗粒的单位质量拖曳阻力，N^{[15, 18-19, 21]}。

2.2  物理模型

根据东区皮带巷岩石机掘面现场的设备布置情况，利用软件Gambit建立了由巷道、掘进机、压入式风筒、多径向旋流风发生装置等构成的物理模型，并划分了网格。巷道长×宽×高为40.00 m×5.10 m×4.15 m、断面积为18.37 m²的半圆拱区域；掘进机的长×宽×高为10.0 m×2.8 m×2.1 m，掘进机截割头紧贴巷道掘进头壁面，并位于巷道宽度方向的中部位置，掘进机司机呼吸位置距掘进头约5.5 m；掘进机依次与转载机、有轨胶带输送机相接；直径均为0.8 m的压入式风筒与抽出式风筒分别位于巷道两侧，压入式风筒靠近掘进机司机一侧巷道壁面，抽出式风筒紧贴另一侧的掘进机内边缘，两风筒的中轴线均距底板2.5 m，轴向压风口、抽风口与掘进头距离分别为现场常用的10 m和3 m；直径0.8 m的多径向旋流风发生装置安装于压入式风筒中部，距掘进头20 m的径向出风段长0.95 m，有2种方向的径向出风口组，均沿180°半圆弧分布，一种所在半圆弧按36°平均分成5等份，有出风口3条，另一种按60°平均分成3等份，有出风口2条，径向出风口与掘进头的最小距离为20 m；每种出风口组各2组，其中，宽0.10 m和0.15 m的出风口各1组，2种出风口组交替布置，之间间隔宽0.15 m的风筒实体，以形成覆盖巷道全断面的多径向旋流风；多径向旋流风发生装置开启前，全部压风量由轴向压风口吹出，开启后，仅有10%的压风量由轴向压风口吹出，剩余90%由径向出风口吹出。图2所示为网格划分前后物理模型。图中，x正方向表示由掘进头指向巷道末端，y正方向表示由压入式风筒指向抽出式风筒，z正方向表示由巷道底板指向巷道顶板。

图2  网格划分前后物理模型

Fig. 2  Physical models before and after meshing

2.3  风流运移模拟结果分析

将所建的东区皮带巷岩石机掘面物理模型导入软件Fluent中，并设置基本边界条件如下，入口边界类型为Velocity_inlet，湍流动力能量为0.8 m²/s²，湍流扩散比率为0.8 m²/s³，出口边界类型为Outflow，压风量、压抽比(压风量与抽风量的比值)分别为该断面类型岩石机掘面常用的320 m³/min和1.25，即抽风量为256 m³/min。在影响岩石机掘面长压短抽式通风除尘方法除尘效果的因素中，压风量、抽风量及压抽比的影响较大，但是在现场尤其压入式风筒较长的长距离通风方法中，受通风阻力影响，增大压风量难度要远大于增大抽风量，并且改变压风量也可能会对整个矿井的通风系统产生负面影响，因此，基于以上考虑，数值模拟了不同压抽比时多径向旋流风的形成及运移状况，以确定较优的通风参数，设置压抽比分别为1.50，1.25，0.75和0.50。图3所示为多径向旋流风发生装置开启前后不同通风参数时风流运移数值模拟图。

图3  不同通风参数时风流运移数值模拟图

Fig. 3  Numerical simulation diagrams of wind flow field migration of different ventilation parameters

由图3可知：

1) 多径向旋流风发生装置开启前，100%的压风由轴向压风口吹出冲击掘进头壁面后，在掘进头壁面至轴向压风口后部约3.8 m范围内形成了较紊乱的轴向旋流风流场，在该区域包括x=5.5 m的任一断面处都未形成风流方向均轴向指向掘进头的控尘风幕。

2) 多径向旋流风发生装置开启后，90%的压风由径向出风口吹出，在x=20.00~20.95 m的径向出风段形成了可径向覆盖巷道全断面的多径向旋流风，图3(p)所示为x=20.50 m断面多径向旋流风运移数值模拟图。受抽风负压影响，压抽比为0.5~1.5时均在x=5.5 m断面形成了控尘风幕；x=5.5 m断面处的风速波动范围先由压抽比为1.5时的0.11~1.25 m/s变至压轴比1.25时的0.15~1.28 m/s，再变至压轴比0.75时的0.34~1.31 m/s，后变至压轴比0.5时的0.42~1.36 m/s，波动系数也先由压抽比为1.5时的10.36减至压轴比1.25时的7.53，再急剧减至压轴比0.75时的2.85，后缓慢减至压轴比0.50时的2.24，说明压抽比越小，x=5.5 m断面处的风速波动越小，越易于形成风速均匀的控尘风幕。

2.4  粉尘运移模拟结果分析

基于东区皮带巷岩石机掘面产尘状况，在2.3节设置的边界条件基础上增加了粉尘源参数，粉尘为岩尘，散发速度为35 g/s，粒径呈Rosin-Rammler分布，粒径范围为0.55~21.50 μm，中位径为4.35 μm，分布指数为1.73，体积分数为4.75%，颗粒轨道跟踪次数为3 200。数值模拟了多径向旋流风发生装置开启前后不同通风参数时粉尘运移状况，如图4所示。图5所示为不同压抽比时质量浓度50 mg/m³以上粉尘运移距离拟合曲线。其中，L为运移距离。

由图4和图5可知：

1) 多径向旋流风发生装置开启前，50 mg/m³以上高质量浓度粉尘的运移距离为18.9 m，开启后，运移距离仅为6.2 m，这说明多径向旋流风控尘效果明显，并有效提高了抽出式风筒的抽尘量；开启前，掘进机司机处的粉尘质量浓度为245.9 mg/m³，开启后降为193.6 mg/m³，降尘率仅为21.27%，说明虽然在x=5.5 m断面形成了控尘风幕，但由于风速较小，仍不能将粉尘有效控制在掘进机司机至掘进头间空间区域。

2)多径向旋流风发生装置开启后，随着压抽比减小，质量浓度为50 mg/m³以上的粉尘运移距离不断减小，先由压抽比为1.50时的6.50 m急剧减至压轴比0.75时的3.40 m，最后缓慢减至压轴比0.50时的3.3 m，并趋于稳定，高质量浓度粉尘运移距离随压抽比变化的数学式为：；掘进机司机处的粉尘质量浓度也随压抽比的减小而减小，先由压抽比为1.50时的316.7 mg/m³急剧减至压轴比0.75时的19.4 mg/m³，后缓慢减至压轴比0.50时的18.5 mg/m³。这说明压抽比为0.75时，高浓度粉尘运移距离及掘进机司机处的粉尘浓度已基本趋于稳定，再继续减小压抽比，控除尘效果提高已不明显，且若将压抽比减为0.50，即抽风量为640 m³/min，除尘风机也较难选型，因此，确定多径向旋流风控除尘方法效果较优的压抽比为0.75。

图4  不同通风参数时粉尘运移数值模拟图

Fig. 4  Numerical simulation diagrams of dust flow field migration of different ventilation parameters

图5  不同压抽比时高质量浓度粉尘运移距离拟合曲线

Fig. 5  Fitting curve of migration distance of high mass concentration dust under different press extraction ratios

3  控除尘系统的研制与应用

3.1  控除尘系统的研制

东区皮带巷岩石机掘面为低CH₄、低CO₂工作面，掘进时工作面CH₄相对涌出量为0.27 m³/t，绝对涌出量为0.022 m³/min，现场测定CO₂浓度几乎为0 mol/L，有毒有害气体产生量极低。根据东区皮带巷岩石机掘面现场情况及数值模拟结果，研制基于多径向旋流风控除尘方法且由控尘装置及除尘装置构成的多径向旋流风控除尘系统，如图6所示。控尘装置为自主研制的新型多径向旋流风发生装置，发生装置总长1.7 m，可接直径0.8 m的压入式风筒，径向出风口段共0.95 m，沿径向出风段筒体的180°半圆弧处共设置10组宽0.05 m的径向出风口。其中，三向及两向径向出风口各5组，交替布置，间隔宽0.05 m的圆筒实体，每组三向及两向径向出风口组分别有3条36°圆弧形出风口及2条60°圆弧形出风口，径向出风口总面积与数值模拟用多径向旋流风发生装置相同。该装置的材质为自主研制的新型高分子轻质材料，抗压强度高，阻燃、抗静电，总质量小于30 kg，调节分风挡板可使压入式风筒直吹掘进头的轴向风流通过内设导流装置的径向出风口，部分或全部转为吹向巷道周壁的多径向出风，以形成多径向旋流风。除尘装置为由除尘风机与抽出式风筒等构成的抽尘净化装置，抽出式风筒依靠转载机顶部的悬挂装置，紧贴掘进机司机相对一侧的机体内边缘，布置在距掘进头3 m处，与抽出式风筒相接的除尘风机安设在有轨胶带输送机处，依靠与转载机相连的轨道小车实现随掘进机移动，有效降低工人劳动强度。

岩石机掘面多径向旋流风控除尘系统的工作原理如下：掘进机截割岩体产生粉尘时，开启多径向旋流风发生装置，形成覆盖巷道全断面的多径向旋流风，并在抽风的作用下向掘进头轴向运移，并在掘进机司机至掘进头间形成风流方向均轴向指向掘进头的控尘风幕，将粉尘控制在司机至掘进头间的空间区域，并通过该区域内的抽出式风筒将含尘风流抽入除尘风机净化清除。

3.2  现场应用

将研制的多径向旋流风控除尘系统在东区皮带巷岩石机掘面进行了现场应用，并关闭了其他防尘设备，根据数值模拟结果及现场实际情况进行了以下通风参数设置：压入式风筒、抽出式风筒的直径均为0.8 m，压风口、抽风口分别距掘进头10 m和3 m，压风口出风量约为320 m³/min。由数值模拟结果可知：控除尘效果较优的压抽比为0.75，即抽风量约为426 m³/min，因此，选用电机功率为37 kW、抽风量为422 m³/min的KCS-400型湿式除尘风机，以使压抽比接近0.75，多径向旋流风发生装置的径向出风口距掘进头20 m。

图6  岩石机掘面多径向旋流风控除尘系统

Fig. 6  Multi-direction rotational air curtain dust control and removal system at rock mechanized excavation face

表1  不同控除尘条件时各测点粉尘质量浓度

Table 1  Dust mass concentration data of measure point under different dust control and removal conditions

现场实测了多径向旋流风发生装置开启前后机掘面的粉尘质量浓度，共设置9个测尘点，在距压入式风筒侧巷道壁面0.575 m的直线上设置4个测点，分别距掘进头2，10，20和30 m，依次编号为1号、2号、3号、4号；在距抽出式风筒侧巷道壁面0.575 m的直线上也设置4个测点，分别距掘进头2，10，20和30 m，依次编号为5号、6号、7号和8号；在距掘进头5.5 m的掘进机司机处设置了1个测点，编号为9号；1~8号测点均距巷道底板1.55 m，2~4号、6~9号测点为有人作业区域测点。根据多径向旋流风发生装置开启状况，按以下3种控除尘条件进行测尘：条件Ⅰ，开启前，压抽比为1.25；条件Ⅱ，开启后，压抽比为1.25；条件Ⅲ，开启后，压抽比为0.75。表1所示为不同控除尘条件时各测点粉尘质量浓度。

由表1可知：

1) 东区皮带巷岩石机掘面各测尘点粉尘质量浓度的数值模拟值与现场实测值相对误差绝对值为6.92%~12.93%，误差较小，说明数值模拟结果较可靠。

2) 多径向旋流风发生装置开启后，距掘进头2 m的1号和5号测点粉尘质量浓度相对开启前均有所增大，实测降尘率为负值，且压抽比越小，粉尘质量浓度的增大幅度越大；当开启后且压抽比分别为1.25和0.75时，相对开启前，2~4号及6~9号7个有人作业区域测点的实测降尘率平均值依次分别为62.05%和81.72%，说明多径向旋流风形成的控尘风幕可有效地将粉尘集中控制在掘进头附近区域，提高抽尘净化装置的抽尘量及除尘效果，且压抽比越小控除尘效果越优。

4  结论

1) 多径向旋流风发生装置开启后，在径向出风段形成了可覆盖巷道全断面的多径向旋流风，受抽风负压影响，可在掘进机司机至掘进头间形成风流方向均轴向指向掘进头的控尘风幕；压抽比越小，控尘风幕的风速波动系数、质量浓度为50 mg/m³以上的粉尘运移距离、司机处粉尘质量浓度均越小，且压抽比为0.75时，控除尘效果已基本稳定，因此，结合除尘风机的实际选型情况，确定控除尘效果较优的压抽比为0.75。

2) 基于多径向旋流风控除尘方法研制了控除尘系统，并在东区皮带巷岩石机掘面进行了现场应用，实测了多径向旋流风发生装置开启前压抽比为1.25及开启后压抽比分别为1.25和0.75时各测点粉尘质量浓度，现场实测值与数值模拟值基本一致，开启后，压抽比越小，控除尘效果越优，当压抽比为0.75时，相对开启前，有人作业区域各测点的实测降尘率平均值为81.72%，说明多径向旋流风控除尘效果明显。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2015-10-19；修回日期：2016-01-27

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(U1261205，51474139，51404147)；中国博士后科学基金资助项目(2015M570602) (Projects(U1261205, 51474139, 51404147) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2015M570602) supported by the National Science Foundation for Post-doctoral Sciences of China)

通信作者：陈连军，博士，副教授，硕士生导师，从事矿井通风与安全研究；E-mail：sdniewen@163.com