王 昊，张永亮，撒占友，吴静波，王家远

(1.青岛理工大学 安全科学与工程系，山东 青岛 266520；2.青岛理工大学 山东省重点行业领域事故防范技术研究中心，山东 青岛 266520；3.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)

随着煤矿开采强度的增大，巷道机械化掘进水平迅速提高，随之而来的综掘工作面高浓度粉尘污染，不仅增大了煤矿巷道粉尘爆炸的风险，还严重威胁矿井安全生产和矿工生命健康[1-3]。

目前，长压短抽式局部通风系统被广泛应用于煤矿综掘工作面，若能够通过控制风流，将粉尘阻控在掘进机司机前部集中抽出，则可有效提高综掘工作面控除尘效率[4-6]。为此，国内外学者提出可在巷道内形成具有一定速度的空气幕以阻控粉尘扩散。程卫民等[7]设计了由附壁风筒和抽尘净化装置构成的综掘工作面旋流气幕抽吸控尘系统，数值模拟分析了旋流气幕抽吸控尘流场的特点；李雨成[8]、王鹏飞[9]等对比分析了不同出风口宽度与风速条件下形成的气幕状态及其阻尘效果；葛少成等[10]基于短路流场理论及流场叠加原理，通过叠加径向附壁旋流与负压汇流形成气幕；聂文等[11-12]研发了多径向涡旋气幕，通过数值模拟与实验测试证明了该气幕的阻尘能力优于传统单向线性气幕，并在国内煤矿综掘工作面进行了推广应用；HUA Yun[13]、YIN Shuai[14]等进一步阐释了多径向涡旋气幕位置对综掘工作面通风除尘的影响。

多径向涡旋气幕阻尘过程复杂，在诸多通风条件中，压抽风量比不仅影响气幕轴向运移能力，还控制阻尘流场分布，是影响气幕阻尘效果的重要因素。为此，笔者采用数值模拟与现场实测相结合的方法，以唐口煤矿3310运输巷综掘工作面为研究对象，开展压抽风量比对涡旋气幕阻尘效果的影响分析。

1 模型构建及参数设置

根据唐口煤矿3310运输巷现场环境及设备参数，运用Solidworks软件构建了等比例的几何模型，如图1所示，各部分主要参数见表1。

(a)物理模型

表1 物理模型各部分主要参数

附壁风筒包含两种类型射流出口，一类是沿半筒体间隔60°角分布，另一类是沿半筒体间隔36°角分布；两类出口各5组，宽度均为0.05 m，每间隔0.05 m交替布置。

将模型导入ICEM CFD软件，对流体域采用四面体网格划分。将划分网格后的物理模型导入CFD Fluent软件，设置边界条件：压风筒出风口、抽风筒吸风口、附壁风筒射流出口及工作面均为Velocity_inlet，巷道末端断面为Outflow，其他边界均为Wall。

将风流视为连续相，尘粒视为离散相，考虑到综掘工作面多径向涡旋气幕运移属于贴壁射流与强旋流形成的复合流场，故选用Realizableκ-ε模型开展连续相运移模拟，采用DPM模型开展离散相运移模拟[15-20]。

根据3310运输巷综掘工作面生产现场实测数据，压风总量为325 m3/min，附壁风筒径向出风量为 225 m3/min，约占压风总量的70%。以压风总量与抽风量之比r为变量，设置r=0.5、0.8、1.2、1.5。基于上述参数开展综掘工作面风流运移数值模拟，待风流场稳定后，打开DPM设置尘源颗粒参数：Dmin=8.21×10-7m、Dmean=4.83×10-6m、Dmax=2.67×10-5m，粉尘粒径遵循Rosin-Rammler分布，粉尘由工作面喷射进入流体域，初始粉尘质量流率为0.02 kg/s。

2 多径向涡旋气幕运移与阻尘数值模拟

2.1 多径向涡旋气幕运移数值模拟

为了直观展示多径向涡旋气幕运移过程中的流场状态，分别列出了不同r条件下气幕断面(z=20.5 m)、风筒轴线截面(y=2.7 m)的风速矢量、巷道整体流线分布图，如图2～3所示。

图2 不同r条件下的气幕断面风速矢量分布图

(a)r=1.2

1)由图2(a)、图3(a)可知，当r为1.5、1.2时，气幕以较为完整的径向涡旋状态轴向运移，惯性是影响气幕运移状态的主要因素。径向涡流间的相互扰动使气幕动能快速耗散，风速逐渐降低，随之呈现低速紊流状态；当运移至作业区域时，抽风负压作用增强，风速有所提高，风流方向开始转变为轴向。由图3可知，随r的降低，气幕以径向涡旋状态的轴向运移距离逐渐缩短，低速紊流范围逐渐缩小，抽风负压逐步成为控制风流结构的主要因素。由图2(b)、图3(c)可知，当r降至0.5时，气幕已无法维持径向涡旋状态，且未形成大规模的低速紊流区便转化为轴向流场，并逐步散布至巷道全断面。

2)由图3可知，当r为1.2时，部分未被抽出的风流沿抽风侧低速反向运移，受轴向射流卷吸影响，重新汇入射流场，导致掘进机上部风流紊乱，风速分布不均，掘进机司机前部断面风速分别为0.17～2.96 m/s 及0.23～2.81 m/s。当r降至0.8及0.5时，轴向射流卷吸效应减弱，掘进机上部风流呈轴向均匀分布，形成了轴向阻尘流场，风速分别为0.36～1.95 m/s及0.54～1.62 m/s。

2.2 多径向涡旋气幕阻尘数值模拟

为了掌握不同r条件下涡旋气幕运移对粉尘的阻控能力，分别列出了不同r条件下的巷道粉尘质量浓度ρ分布云图,以及人员呼吸带(y=1.55 m)、掘进机司机断面(z=7 m)粉尘质量浓度ρd分布云图，如图4～5所示。在此基础上，拟合了掘进机司机处粉尘质量浓度ρd与r之间的数学关系，如图6所示。

图4 不同r条件下的巷道粉尘质量浓度分布云图

图5 不同r条件下人员呼吸带及掘进机司机断面

图6 掘进机司机处粉尘质量浓度ρd与r的数学关系

由图4～6可知：

1)粉尘的扩散距离随r的降低而不断减小。当r为1.5和1.2时，粉尘已扩散至掘进机后部，距工作面分别约为13.6、12.4 m的区域；当r为0.5时，粉尘主要聚积于掘进机司机前部巷道空间，扩散距离降至最低值5.8 m。

2)当r为1.5和1.2时，掘进作业区域未形成轴向阻尘流场，粉尘在压风射流载动下集中于工作面抽风侧，掘进机司机处粉尘质量浓度分别为68.4、56.2 mg/m3；当r降至0.8时，掘进作业区域形成了风速分布均匀的轴向流场，掘进机司机处粉尘质量浓度降至48.9 mg/m3；当r进一步降至0.5时，掘进机司机断面未受到明显的粉尘污染，掘进机司机处粉尘质量浓度降至最低32.7 mg/m3。掘进机司机处粉尘质量浓度ρd与r之间近似满足数学关系ρd=17.424+33.776r。

由此可知，当r为0.5时，流场阻尘效果最佳，但与之相适配的除尘风机体积、能耗、维护成本及噪声污染将大幅增加；而当r为0.8时，虽然阻尘效果尚未达到最佳，但高浓度粉尘已基本被阻控在掘进机司机前部空间，作业环境能够得到有效改善。因此，基于生产现场实际情况，确定较优压抽风量比ry=0.8。

3 现场实测验证

3310运输巷初始条件下的压抽风量比r0约为2.2。为验证数值模拟结果的有效性并掌握应用较优压抽风量比ry=0.8条件下的涡旋气幕阻尘效果，对生产现场风速、风向及粉尘质量浓度参数进行测定分析。

3.1 测点设置

设置距工作面5、10、20 m的掘进机司机前部、掘进机后部及气幕断面为风流实测断面，测点布置如图7所示，坐标数值分别表示测点距抽风侧壁面与巷道底板的距离，单位为m。分别设置距工作面3、7、10 m的掘进作业、掘进机司机及掘进机后部断面为粉尘采样断面，以处于人员呼吸带上的D点为粉尘采样点。

图7 距工作面20 m断面测点布置示意图

3.2 实测结果分析

各实测断面测点的风速、方向及总粉尘质量浓度分别如表2及表3所示。表2中，“⊙”表示风流指向工作面，“¤”表示风流背离工作面；“◀”表示风流由压风侧偏向抽风侧，“▶”表示风流由抽风侧偏向压风侧；“▲”表示风流偏向巷道顶板，“▼”表示风流偏向巷道底板。

表2 r0与ry条件下各断面测点风速实测值与模拟值

表3 r0与ry条件下各断面测点粉尘质量浓度实测值与模拟值

由表2及表3可知：

1)各断面测点的风速实测值与模拟值间的平均误差分别为13.5%、12.9%、10.9%，风流方向实测结果与模拟结果基本一致，粉尘质量浓度实测值与模拟值间的平均误差为17.4%，误差在合理范围，说明数值模拟结果较为准确。

2)r0条件下，掘进机司机前部断面风流状态紊乱，压风侧风速显著高于抽风侧风速。说明涡旋气幕未转化为轴向阻尘流场，粉尘污染范围较大，掘进机司机处粉尘质量浓度达119.2 mg/m3。

3)ry条件下，气幕断面测点A、C、D处风流已呈轴向，掘进机司机前部断面形成了较为完整的轴向阻尘流场，风速分布较为均匀。该条件下，掘进机司机处粉尘质量浓度已降至63.0 mg/m3，作业环境得到有效改善。

4 结论

1)随着压抽风量比r的降低，气幕以径向涡旋状态的轴向运移距离及其前部低速紊流区均随之减小，当r为0.8和0.5时，能够在掘进作业区域形成分布较为均匀的轴向阻尘流场。

2)随着r的降低，粉尘污染范围随之减小，掘进机司机处粉尘质量浓度ρd与r之间近似满足ρd=17.424+33.776r。基于生产现场实际情况，确定适用于3110运输巷综掘工作面及与其生产条件相似的其他综掘工作面的较优r=0.8。

3)数值模拟结果在3310运输巷综掘工作面进行了现场实测检验，证明了数值模拟的有效性。应用优选的r后，掘进机司机处粉尘质量浓度由初始的 119.2 mg/m3降至63.0 mg/m3，有效控制了综掘工作面高浓度粉尘污染，改善了作业环境。