DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.09.026

通风条件影响长压短抽掘进面粉尘扩散的仿真实验

聂文，马骁，程卫民，周刚，刘阳昊

(山东科技大学 矿业与安全工程学院，矿山灾害预防控制国家重点实验室，山东 青岛，266590)

摘要：为了提高长压短抽掘进面通风除尘效果，通过仿真实验确定通风条件影响风流场运移及粉尘扩散的规律。研究结果表明：风流场运移规律为压风口与迎头距离、压抽比越大，抽风口与迎头距离、压风量越小，越利于形成风速方向均指向掘进面迎头的控尘风流场，形成控尘风流场的压风口与迎头最小距离为25 m。粉尘扩散规律为随着测点与迎头距离的增大，粉尘质量浓度整体呈现减小或波动性减小趋势；抽风口与迎头距离越小，迎头粉尘扩散能力越小；随着压风口与迎头距离增大、压抽比减小，迎头粉尘扩散能力逐渐减小并趋于稳定，压抽比为0.75时距迎头5~39 m的有人作业区域全尘、呼尘平均降尘率已增至95.56%和94.31%；随着压风量增大，迎头粉尘扩散能力先减小后增大，其中压风量为250 m³/min时扩散能力最小。

关键词：通风条件；长压短抽；掘进面；风流场运移；粉尘扩散；仿真实验

中图分类号：TD714.41             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)09-3346-08

Simulation experiment on effects of ventilation conditions on dust diffusion of the forced with long duct fan accompanied with short duct exhaustor in heading face

NIE Wen, MA Xiao, CHENG Weimin, ZHOU Gang, LIU Yanghao

(Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control, College of Mining and Safety Engineering,

Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

Abstract: In order to improve the dust removal effect of the forced with long duct fan accompanied with short duct exhaustor in heading face, the effect of ventilation conditions on wind field migration and dust dispersion was determined by the simulation experiment. The results show that the more distance between pressure tuyere and tunnelling place and press extraction ratio, the less distance between exhaust port and tunnelling place and press wind volume. It is beneficial to the formation of the dust control wind flow field to point to the tunnelling place; the minimum distance between pressure tuyere and tunnelling place of the dust control wind flow field formation is 25 m. Dust diffusion law is that with the increase of the distance between measuring point and tunnelling place, dust mass concentration shows a trend of decrease or volatility reduces as a whole; the less distance between exhaust port and tunnelling place, the less ability of dust diffusion of tunneling place; with the increase of the distance between pressure tuyere and tunnelling place and the decrease of press extraction ratio, the ability of dust diffusion of tunneling place gradually decreases and reaches some constants; when press extraction ratio is 0.75 and the distance between 5-39 m, the average dust rate of the total coal dust worker operation area and respirable dust is 95.56% and 94.31%, respectively; with the increase of press wind volume, the ability of dust diffusion of tunneling place decreases and then increases, and when the press wind volume is 250 m³/min, the ability of dust diffusion is the least.

Key words: ventilation conditions; forced with long duct fan accompanied with short duct exhaustor; heading face; wind field migration; dust diffusion; simulation experiment

掘进面产生的高质量浓度粉尘一直是困扰我国煤矿安全高效开采的难题，据实测，掘进面尤其综掘面不采用防尘措施时，迎头粉尘质量浓度可高达3 g/m³以上，严重威胁了煤矿的安全高效开采及矿工的身体健康^[1-2]。掘进面的防尘方式主要有喷雾降尘、泡沫降尘及通风除尘等，其中，长压短抽是非煤与瓦斯突出矿井掘进面较常用的通风除尘方式，抽风机为除尘风机，该方式中，影响除尘效果的重要因素是通风条件，若压风量、压抽比(压风量与抽风量的比)等通风条件设置不合理，未能在迎头附近形成控尘风流场，除尘风机将无法有效吸入迎头粉尘净化，致使粉尘大量向外扩散^[3-7]。国内外学者在研究通风条件影响长压短抽掘进面粉尘扩散方面主要有现场实测、数值模拟及实验测定3种方式，其中，现场实测易受现场生产限制，测定时间及通风条件设置较难得到充分保证；数值模拟在数学模型及边界条件参数设置方面难免会有一定误差，致使数值模拟结果很难完全符合现场实际情况；实验测定方面，国内外学者多是通过相似实验进行，实验通风条件参数设置也较为简单，因此，现有研究成果较难系统、准确地得出通风条件影响长压短抽掘进面粉尘扩散的规律，现场也一直未达到理想的通风除尘效果^[8-14]。为此，本文作者进行通风条件影响长压短抽掘进面粉尘扩散的仿真实验，以期为掘进面的粉尘有效防治提供理论指导。

1  粉尘在掘进面中的扩散理论分析

在掘进面中，推动粉尘运动的基本动力是气流运动，描述气固两相流体的全部物理现象应是气体及粉尘运动方程，粉尘沿巷道的扩散可简化为等强度源一维纵向扩散，从t=0 s开始，在某处连续加入粉尘扩散质，扩散方程如下^[15-17]：

               (1)

式中：K为综合扩散系数；为平均粉尘质量浓度，mg/m³；V为平均流速，m/s；t为扩散时间，s。

                 (2)

式中：D₁为纵向流速分布不均引起的纵向扩散系数；D_t为径向质量浓度引起径向分子扩散系数(D₁≥D_t)。

不可压缩黏性气体运动方程^{[5, 17]}：

         (3)

式中：U_g为气体的运动速度矢量，m/s；F为单位体积上气体的质量力矢量，N/m³；P为气体的压力矢量，Pa；为压力梯度；μ_g为气体黏度，Pa·s。

球形尘粒在忽略外力作用下的运动方程^{[5, 16]}为

       (4)

式中：d_p为尘粒直径，m；C_p为阻力系数；U_p为尘粒运动速度矢量，m/s；U_r为气体与尘粒间相对速度，m/s，即：。

2  仿真实验系统与方案设计

2.1  仿真实验系统设计

为了确定通风条件影响长压短抽掘进面粉尘扩散规律，以山东科技大学模拟实验矿井掘进面为基础，设计长压短抽掘进面气载粉尘扩散仿真实验系统如图1所示。仿真实验系统巷道是长×宽×高为41 m× 3.45 m×3.25 m的半圆拱区域，断面积为9.93 m²，底板铺设宽0.6 m的铁轨，在距实验掘进面迎头60 m的井底车场大巷处布置1台功率30 kW、最大出风量 547 m³/min的压入式风机，在距迎头34 m的铁轨处布置1台功率37 kW、最大吸风量为422 m³/min的除尘风机，2风机由装有ATV61HD37N4Z型无级变频器的变频调速控制开关分别控制，实现驱动、无级调速，并均连接直径0.8 m的矿用负压风筒，压风筒和抽风筒分别沿巷道两壁布置，压风口、抽风口底端均距底板1.6 m，与迎头距离可调，实验时，布置在井下南北大巷处的3D2-S135/28型三柱塞高压泵将储水筒中的水增压至2 MPa后送至除尘风机。在迎头处设置出风量64 m³/min的扬尘风扇，起尘源作用。

图1  仿真实验系统

Fig. 1  Simulation experiment system

2.2  实验方案设计

设计测定压风量、压抽比及压、抽风口与迎头距离等通风条件影响长压短抽掘进面风流场运移及粉尘扩散的仿真实验方案。

2.2.1  通风条件设置

首先设定实验基础通风条件：压风量Q_F为断面积约10 m²掘进面常用的200 m³/min、压抽比Y为1.25、抽风口与迎头距离L_E为3 m，并根据如下条件依次进行实验：步骤1) 设定Q_F为200 m³/min，Y为1.25，L_E为3 m，压风口与迎头距离L_F分别为10，15，20，25和30 m，以确定在距迎头5.0 m(工人约与迎头的最小距离)断面处可形成风流方向均指向迎头控尘风流场的压风口与迎头最小距离L_min。步骤2) 设定Q_F为200 m³/min，Y为1.25，L_F为L_min，L_E分别为1，2，3，4和5 m。步骤3) 设定Y为1.25，L_F为L_min，L_E为3 m，由于实验掘进面断面积S为9.93 m²，根据国家相关规定，煤巷掘进面应符合15S＜Q_F＜240S，即Q_F范围为148.95~2 383.2 m³/min，因此，设定Q_F分别为150，200，250，300，350，400，450和500 m³/min。步骤4) 设定Q_F为200 m³/min，L_F为L_min，L_E为3 m，Y分别为1.50，1.25，0.75和0.50。

2.2.2  测风点设置

为了掌握实验掘进面整体的风流场运移状况，设置了4个测风断面，分别距迎头0.5，5.0，20.0和32.0 m；并设置了x-y坐标轴，其中，压风筒指向抽风筒、底板指向顶板分别为x、y轴正方向，每个断面上设置7个测风点A~G，分别用坐标表示为(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(1.725，2.500)，单位为m。采用TSI 8347-VELOCICALC风速流量表测定不同测点的风速大小，并利用红彩带测定风速方向。断面测风点设置如图2所示。

图2  断面测风点设置示意图

Fig. 2  Schematic diagram of the setting wind velocity of measure point of each section

2.2.3  测尘点设置

设置了8个测尘断面，分别距迎头2.5，3.5，5.0，10.0，15.0，20.0，30.0和39.0 m，在每个断面距巷道底板1.55 m(工人呼吸高度)处的中间位置设置1测尘点，采用CCHZ-1000全自动粉尘测定仪测定粉尘质量浓度，扬尘量约为5 g/s。

3  风流场运移仿真实验结果分析

掘进面风流是粉尘运动的载体，风流场运移对粉尘扩散起着重要作用，因此，首先进行风流场运移的仿真实验。以设置的通风条件依次进行实验，首先测定步骤1)不同Q_F时各测点风速，如表1所示。从表1可见：风速方向采用以下图标表示：“⊕”为指向迎头方向，“⊙”为逆向迎头方向，“→”为由压风筒一侧指向抽风筒一侧，“←”为由抽风筒一侧指向压风筒一侧，“↑”为由巷道底板指向顶板，“↓”为由巷道顶板指向底板。

由表1可知：L_F由10 m增大至30 m时，在距迎头0.5 m断面处，风速逐渐减小，由L_F为10 m时的0.91~2.25 m/s减小至25 m时的0.03~0.28 m/s；在距迎头5.0 m断面处，风流方向由紊乱逐渐趋向稳定，并在L_F为25 m时形成了均指向迎头方向流动且较为稳定的控尘风流场，L_F为30 m时7个测点A~G的风速与L_F为25 m时基本一致，这说明L_F的增大使压风在巷道内的扩散更为充分均匀，L_min为25 m；当L_F为10~15 m时，由于Y为1.25，Q_F大于抽风量Q_E，20%的压风由压风口吹出，在距迎头20.0 m断面处，形成了均逆向迎头方向流动且较为稳定的风流场；在距迎头32.0 m的断面处，受除尘风机出风口高速压风流的影响，风流场较为紊乱。

测定实验步骤2)~4)中不同L_E，Q_F和Y时各测点风速，分别如表2~4所示，从表2~4可见：距迎头5.0 m断面测点风速以分析控尘风流场的形成状况。从表2还可见：距迎头0.5 m断面测点风速以分析抽风口影响范围。

由表2~4可知：

1) L_E为1~5 m时，随着L_E增大，在距迎头0.5 m断面处，与抽风口相近的(2.950，1.550)测点，风速急剧减小，由L_E为1 m时的1.14 m/s急剧减小至5 m时的0.07 m/s，说明抽风口风流场的影响范围较小；在距迎头5.0 m断面处，L_E的增大逐渐扰动了控尘风流场，L_E为1~4 m时，风流方向均指向迎头，L_E为     1~3 m时，风速在0.27~0.29 m/s区间内，L_E为4 m时，该区间增大至0.25~0.30 m/s，说明L_E的增大不利于形成控尘风流场。

2) Q_F为150~250 m³/min时，在距迎头5.0 m断面处，均可形成控尘风流场，但风速波动区间随着Q_F的增大而增大；Q_F增大至300 m³/min后，该断面处的风速方向已发生紊乱，说明Q_F的增大不利于形成控尘风流场。

3) Y为0.5~1.5时，在距迎头5.0 m断面处均形成了控尘风流场，但风速的波动区间由Y为1.5和Q_E为133 m³/min时的0.22~0.24 m/s逐渐增大至Y为0.5和Q_E为400 m³/min时的0.59~1.13 m/s，说明Y的减小不利于形成控尘风流场。

表1  不同L_F时各测点风速

Table 1  Wind velocity of measure point in different distances of pressure tuyere and tunnelling place     m/s

表2  不同L_E时各测点风速

Table 2  Wind velocity of measure point in different distances of exhaust port and tunnelling place        m/s

表3  断面距迎头5.0 m处不同Q_F时各测点风速

Table 3  Wind velocity of measure point in different pressed air volume in the distance of 5.0 m of heading face                                        m/s

表4  断面距迎头5.0 m处不同Y时各测点风速

Table 4  Wind velocity of measure point in different press extraction ratio in the distance of 5.0 m of heading face                                          m/s

4  粉尘扩散仿真实验结果分析

实验用粉尘为0.045 mm筛子筛选后的煤尘，首先测定与实验系统相同断面积掘进面常用的Q_F为200 m³/min和L_F为10 m及未开启除尘风机时实验掘进面各测点的原始粉尘质量浓度，然后，以此为基础，测定实验掘进面在不同L_F，L_E，Q_F和Y通风条件下各测点的粉尘质量浓度。表5所示为各测点原始粉尘质量浓度，图3所示为不同通风条件下各测点粉尘质量浓度曲面。

表5  各测点原始粉尘质量浓度

Table 5  Original dust mass concentration of measure points      mg/m³

由表5与图3可知：

1) 不同L_F，L_E，Q_F和Y通风条件下，在距迎头2.5~39.0 m的实验掘进面范围内，随着测点与迎头距离的增大，粉尘质量浓度整体呈现减小或波动性减小趋势。

2) 当L_F为5~30 m时，在距迎头5.0~39.0 m的有人作业区域6个测点，全尘、呼尘的平均降尘率先由L_F为5 m时的63.82%和62.74%分别增大至25 m时的84.77%和83.50%，后又缓慢增大至30 m时的86.82%和85.36%；L_F由5 m增大至20 m中，在距迎头10.0 m测点处，全尘、呼尘质量浓度分别在106.4~127.8 mg/m³和41.9~50.2 mg/m³范围内波动，当L_F为25 m时，全尘、呼尘质量浓度分别急剧减小至15.1 mg/m³和5.9 mg/m³；当L_F为30 m时，全尘、呼尘质量浓度分别急剧减小至13.8 mg/m³和5.4 mg/m³；在距迎头5.0 m测点处，当L_F为5~30 m时，全尘、呼尘的质量浓度分别在85 mg/m³和33 mg/m³以上，质量浓度较高；说明随着L_F增大，迎头粉尘的扩散能力逐渐减小并在L_F为25 m后趋于稳定，仅增大L_F形成的控尘风流场控尘效果有限值。

图3  不同通风条件下各测点粉尘质量浓度曲面

Fig. 3  Curved surface of dust mass concentration of measure point under different ventilation conditions

3) 当L_E为1~5 m时，随着L_E增大，有人作业区域6个测点的全尘、呼尘平均降尘率由L_E为1 m时的92.13%和90.57%分别逐渐减小至5.0 m时的77.59%和75.11%，距迎头5.0 m测点处粉尘质量浓度不断增大，全尘、呼尘浓度分别由L_E为1 m时的18.2 mg/m³和7.0 mg/m³增大至5 m时的136.8 mg/m³和53.7 mg/m³。

4) Q_F为150~500 m³/min时，随着Q_F增大，有人作业区域6个测点的全尘、呼尘平均降尘率由Q_F为150 m³/min时的80.98%和79.83%先分别逐渐增大至250 m³/min时的88.98%和87.25%，后波动减小至500 m³/min时的72.57%和71.32%；在距迎头5.0 m测点处，全尘、呼尘质量浓度也是先分别减小至250 m³/min时的79.8 mg/m³和31.3 mg/m³，后分别波动增大至500 m³/min时的102.4 mg/m³和39.9 mg/m³。这主要是由于在Q_F增大至250 m³/min中，在距迎头5.0 m断面处形成的控尘风流场风速不断增大，使迎头粉尘的扩散能力不断减小，压风量增大至300 m³/min后，在该断面处已无法形成控尘风流场，致使迎头粉尘的扩散能力又基本呈现增大的趋势。

5) Y为0.5~1.5时，随着Y减小，迎头粉尘扩散能力不断减小，有人作业区域6个测点的全尘、呼尘平均降尘率由Y为1.5时的81.72%和80.81%分别增大至Y为0.75时的95.56%和94.31%，再缓慢增大至Y为0.5时的96.80%和95.22%；在距迎头5.0 m测点处，Y由1.5减小至0.75时，全尘、呼尘质量浓度分别由121.3 mg/m³和47.6 mg/m³减小至19.8 mg/m³和7.5 mg/m³，当Y为0.5时，全尘、呼尘质量浓度分别缓慢减小至17.2 mg/m³和6.7 mg/m³，迎头粉尘的扩散能力已基本趋于稳定。

5  结论

1) 设计进行了L_F，L_E，Q_F和Y这4种通风条件影响长压短抽掘进面粉尘扩散的仿真实验，确定了不同通风条件下推动粉尘运动的风流场运移及粉尘扩散规律。

2) 风流场运移规律为L_F越大，L_E越小，Q_F越小，Y越大，越利于形成风速方向均指向掘进面迎头的控尘风流场，L_min为25 m。

3) 粉尘扩散规律为在距迎头2.5~39.0 m的实验掘进面范围内，随着测点与迎头距离的增大，粉尘质量浓度整体呈现减小或波动性减小趋势；L_E越小，迎头粉尘扩散能力越小，距迎头5.0~39.0 m的有人作业区域全尘、呼尘平均降尘率由L_E为1 m时的92.13%和90.57%分别减小至5 m时的77.59%和75.11%；随着L_F增大、Y减小，迎头粉尘扩散能力逐渐减小并趋于稳定，Y为0.75时有人作业区域全尘、呼尘的平均降尘率已分别增至95.56%和94.31%；随着Q_F增大，迎头粉尘扩散能力先减小后增大，其中Q_F为250 m³/min时扩散能力最小。

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(编辑  罗金花)

收稿日期：2014-11-08；修回日期：2015-01-20

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金煤炭联合重点支持项目(U1261205)；国家自然科学基金面上项目(51474139)；国家青年基金资助项目(51404147)；中国博士后科学基金资助项目(2015M570602); 山东省科技发展计划项目(2013GSF12004); 山东科技大学矿业与安全工程学院科研创新团队(2012ZHTD06) (Project (U1261205) supported by the Key Program of the Coal Joint Funds of the National Natural Science Foundation of China; Project (51474139) supported by the General Program of the National Natural Science Foundation of China; Project (51404147) supported by the National Natural Science Foundation for Young Scientists of China; Project (2015M570602) supported by the China Postdoctoral Science Foundation; Project (2013GSF12004) supported by the Shandong Provincial Foundation for Development of Science and Technology; Project (2012ZHTD06) supported by the Scientific Research Innovation Team of College of Mining and Safety Engineering in Shandong University of Science and Technology)

通信作者：周刚，博士，副教授，从事矿井通风与粉尘防治研究；E-mail: sdniewen@163.com