DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.048

多向涡流风幕阻隔粉尘弥散的模拟实验

聂文，刘阳昊，程卫民，周刚，薛娇，马骁

(山东科技大学 矿业与安全工程学院，

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)

摘要：针对掘进面迎头粉尘弥散难以控制的难题，设计新型多向涡流风幕发生装置，并基于自行设计的模拟实验平台得出多向涡流风幕风流运移及阻隔粉尘弥散规律。研究结果表明：风流运移规律为多向涡流风幕与迎头距离L_c越大，压抽比Y、压风量Q_f及轴径比Z越小，越利于形成风流均指向迎头运移的阻尘风流场。阻隔粉尘弥散规律为粉尘质量浓度基本随巷道断面与迎头距离的增大而减小或波动减小；随着L_c的增大，阻隔粉尘弥散能力先减小后增大；Y、Z越小，Q_f越大，越利于阻隔粉尘弥散。通风参数变至一定值后，形成阻尘风流场的均匀程度及阻隔粉尘弥散能力基本稳定，并确定了实验掘进面较优通风参数为：L_c=20 m，Y=5:4，Q_f=300 m³/min，Z=1:9；该参数时全尘、呼吸性粉尘的降尘率平均值分别为95.85%和94.32%。

关键词：掘进面; 多向涡流风幕; 阻尘风流场; 粉尘弥散; 模拟实验

中图分类号：TD714.41          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)01-0350-09

Simulation experiment on multi-direction whirling air curtain preventing dust diffusion

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

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

the Ministry of Science and Technology, College of Mining and Safety Engineering,

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

Abstract: Considering the problem that it is difficult to control the dust diffusion in tunnelling headings, a new type of multi-direction whirling air curtain generator was designed. Based on the self-designed analogous experimental platform, the law on wind migration of the multi-direction whirling air curtain and the separation of dust diffusion was proved. The results show that the greater the distance L_c from multi-direction whirling air curtain to heading face, the less the press extraction ratio Y, the less the press wind volume Q_f, and the less the axial pressure ratio Z, which is beneficial to the formation of the dust prevention wind flow field that points to the heading face. The law on the separation of dust diffusion prevention is that the dust mass concentration decreases and the fluctuation of it decreases basically with the increase of L_c. When L_c increases, the ability of dust diffusion prevention decreases first and then increases. The more Q_f is, the less Y and Z are, which is beneficial to the separation of dust diffusion. After the ventilation parameters tend to a certain value, the uniform degree of the dust separation wind flow field and the ability of separate dust diffusion reach basically stable. Some excellent ventilation parameters of experimental heading face are determined: L_c=20 m, Y=5:4, Q_f=300 m³/min, and Z=1:9. With the above parameters, the average dust removal rate of the total coal dust and respirable dust are 95.85% and 94.32%, respectively.

Key words: heading face; multi-direction whirling air curtain; dust separation wind flow field; dust diffusion; simulation experiment

据国家卫生计生委通报，2013年全国共报告职业病26 393例，其中，尘肺病23 152例，占87.7%，煤工尘肺病22 050例，占尘肺病总例数的95.2%，而掘进面煤工尘肺病例数约占煤工尘肺病总例数的50%以上，由此可见，预防我国煤工尤其掘进面煤工尘肺病在预防我国职业病的工作中占有重要地位。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，严重威胁了煤工的身体健康^[1-2]。目前，国内外主要产煤国掘进面防尘技术主要有喷雾降尘、化学抑尘及通风除尘等，其中，抽风机为除尘风机的长压短抽式通风除尘技术由于具有耗水量小、运行成本低等优点，已成为我国掘进面应用较广泛的防尘技术^[3-5]。但传统的单一长压短抽式通风除尘技术仍不能有效控制掘进面迎头的高浓度粉尘大量弥散至有人作业区域，主要原因是难以在有人作业处至迎头间形成风流均指向迎头运移的阻尘风流场^[6-8]。实践证明，涡流风幕尤其多向涡流风幕配合抽尘净化技术形成的抽吸气流阻隔捕吸粉尘，是一种可以阻隔粉尘弥散的有效方法^[9-11]。国内外学者在研究掘进面风流运移及粉尘弥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，现场实测易受生产条件限制，测定时间及通风参数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，通风参数设置也较简单，因此，现有研究成果难以系统、准确地得出涡流风幕阻隔掘进面粉尘弥散的规律，现场应用后也一直未达到理想的除尘效果^[12-17]。为此，本文作者设计进行与掘进面现场较为一致的多向涡流风幕阻隔粉尘弥散模拟实验，以期为指导掘进面粉尘防治提供参考。

1  多向涡流风幕阻隔粉尘弥散原理

粉尘沿掘进面巷道的弥散，可简化为等强度源一维纵向弥散，从初始时刻t=0 s开始，在某处连续加入粉尘弥散质，弥散方程如下^[18-20]：

             (1)

                (2)

式中：c为平均粉尘质量浓度，mg/m³；v为平均流速，m/s；t为弥散时间，s；K为综合弥散系数，D_t为径向质量浓度引起径向分子弥散系数，D₁为纵向流速分布不均引起的纵向弥散系数，D₁≥D_t。

不可压缩黏性气体运动方程^{[7, 18]}为

          (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。

球形尘粒忽略外力作用时的运动方程^{[7, 19]}为

        (4)

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

由式(1)~(4)可知：粉尘在掘进面中弥散的基本动力源于运移的风流，为气固两相流运动，通过转变风流运移方式可阻隔粉尘弥散。

在掘进面长压短抽通风除尘方式中，若将压风筒直吹迎头的轴向风流部分或全部转为吹向巷道周壁的径向多方向出风，受附壁效应等影响，在巷道内可形成多个径向涡流风幕风流场，相对传统康达风筒形成的单向涡流风幕，可更好地径向覆盖巷道全断面，避免风幕死角的出现；受距迎头较近的抽风筒抽风负压作用，多向涡流风幕风流场不断向迎头轴向运移，由于内部涡流风流场互相影响，其向迎头的轴向运移能力将明显弱于传统的螺旋线状单向涡流风幕风流场，可在更小的距离内将径向风流转为阻隔粉尘效果更好的风流方向均轴向指向迎头的阻尘风流场，以阻隔迎头粉尘向有人作业区域弥散，并通过抽风筒吸入除尘风机净化，以有效提高抽尘净化效率，降低掘进面粉尘质量浓度。若径向出风口与轴向出风口的出风速度明显大于周围风流速度，则可将出风口周围空气卷吸入出风射流场，形成轴向涡流风流场，从而阻碍阻尘风流场的形成^[10]。图1所示为多向涡流风幕应用后掘进面风流场运移示意图。

图1  风幕应用后风流场运移示意图

Fig. 1  Schematic diagram of wind flow field migration after the use of air curtain

2  模拟实验平台及风幕发生装置设计

2.1  模拟实验平台设计

本文自行设计长压短抽通风除尘式掘进面气载粉尘弥散模拟实验平台(如图2所示)，以测定多向涡流风幕风流场运移及阻隔粉尘弥散的规律。模拟实验平台基于山东科技大学模拟实验矿井的掘进面构建，主要由掘进巷道、压入式风机、除尘风机及高压泵等构成。半圆拱形掘进巷道的长、宽、高分别为41.00，3.45 和3.25 m，断面积为9.93 m²；最大出风量为547 m³/min的压入式风机安设在距迎头60 m的井底车场大巷处，最大吸风量为422 m³/min的除尘风机距迎头34 m，两风机均分别由装有ATV61HD37N4Z型无级变频器的变频调速控制开关控制；位于井下南北大巷的3D2-S135/28型高压泵将储水筒中的水增压至2 MPa后输至除尘风机。分别与压入式风机、除尘风机相连且沿巷道两壁安设的压、抽风筒直径均为0.8 m，其中轴线均距底板为2 m；在迎头处安设吹风量为64 m³/min的扬尘风扇作为产尘源。

图2  模拟实验平台

Fig. 2  Analogous experimental platform

2.2  多向涡流风幕发生装置设计

本文设计的新型多向涡流风幕发生装置由圆筒、三向及两向径向出风口、挡板等构成。该装置长1.7 m，直径为0.57~0.97 m，沿圆筒筒体的180°角半圆弧处共设置10组宽0.05 m的径向出风口及导流网，其中，三向及两向径向出风口各5组，交替布置，之间间隔宽为0.05 m的圆筒实体，径向出风口段共0.95 m。每组三向及两向径向出风口组分别有36°角圆弧形出风口3条及60°角圆弧形出风口2条。该装置的材质为一种新型高分子轻质材料，阻燃、抗静电，抗压强度高，总质量小于30 kg。多向涡流风幕发生装置与压风筒相连，通过挡板开关调节内置挡板，可将压风筒直吹迎头的轴向风流通过导流网与径向出风口，部分或全部转为吹向巷道周壁的径向多方向出风。图3所示为风幕发生装置结构示意图。

图3  风幕发生装置结构示意图

Fig. 3  Diagrammatic sketch of generator structure of air curtain

3  实验的方案设计及结果分析

3.1  实验方案设计

设计了多向涡流风幕与迎头距离L_c、压抽比Y(压风量与抽风量比值)、压风量Q_f、轴径比Z(压风筒中轴向出风量与径向出风量比值)影响多向涡流风幕阻隔掘进面粉尘弥散的模拟实验方案，并对通风参数及测风点、测尘点进行设置。

3.1.1  通风参数设置

设定压、抽风口距迎头分别为掘进面常用的10 m和3 m，并根据以下参数依次进行模拟实验：1) Q_f为断面积约10 m²、掘进面较常用时的200 m³/min，Y=5:4，Z=1:9，L_c分别为10(压风口与迎头距离略小于10 m)，15，20和25 m，以确定距迎头5 m(煤工与迎头最近距离)断面处可形成较均匀阻尘风流场的多向涡流风幕与迎头较优距离L_e；2) Q_f=200 m³/min，L_c=L_e，Z=1:9，Y分别为3:2，5:4，3:4和1:2，以确定较优的压抽比Y_e；(3) L_c=L_e，Y=Y_e，Z=1:9，Q_f分别为150，200，300，400和500 m³/min，以确定较优的压风量Q_e；4) Q_f=Q_e，L_c=L_e，Y=Y_e，Z分别为1:9，3:7，5:5，7:3和9:1，以确定较优的轴径比Z_e。

3.1.2  测点设置

1) 测风点。为了确定整体风流运移规律，设置多个测风断面，断面与迎头距离L_d分别为0.5，5和10 m，L₃(距迎头最近的径向三向出风口所在断面与迎头距离)及L₂(距迎头最远的径向两向出风口所在断面与迎头距离)；每个断面上均设置7个测风点，径向出风口所在断面测点位置分别为(0.500, 1.000)，(1.725, 1.000)，(2.950, 1.000)，(1.725, 2.000)，(0.500, 2.600)，(1.725, 2.600)和(2.950, 2.600)，其余断面测点位置分别为(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, 2.60)，数值单位为“m”，2组测点均依次分别用罗马数字Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ及Ⅶ表示。图4所示为测风点位置示意图。风速大小与方向分别由TSI 8347-Velocicalc风速表与红条带测定。

2) 测尘点。在有人作业区域分别距迎头5，10，15，20，25，30和40 m断面的距底板1.55 m工人呼吸高度处各设置1个测尘点，测点位置坐标为(1.725, 1.550)；扬尘量为300 g/min，由CCHZ-1000型粉尘测定仪测定粉尘质量浓度。

3.2  实验结果分析

根据实验方案依次进行风流运移及粉尘弥散的模拟实验。

3.2.1  风流运移模拟实验结果分析

以设置的通风参数依次进行实验，实验结果如表1~4所示。表1~4中，风速方向采用以下图标表示：“⊕”表示指向迎头，“⊙”表示逆向迎头，“→”表示由压风筒指向抽风筒，“←”表示由抽风筒指向压风筒，“↑”表示由底板指向顶板，“↓”表示由顶板指向底板。

图4  测风点位置示意图

Fig. 4  Schematic diagram of setting wind location

1) 多向涡流风幕与迎头距离。不同L_c时各测点风速如表1所示。由表1可知：

① L_c由10 m增至25 m中，在L₃和L₂断面处均形成了径向多向涡流风幕风流场，致使风流方向发生变化，如测点(2.950, 1.000)处的风流均为由抽风筒指向压风筒；三向与两向涡流风幕风流场交替布置，也保证了对整个巷道断面的径向无缝隙覆盖。

② 随着L_c的增大，L_d=5 m断面的风流场方向逐渐由紊乱转为指向迎头运移，说明由出风口高速风流导致的轴向涡流风流场对阻尘风流场形成的阻碍逐渐减弱，并在L_c=20 m时形成了较均匀的阻尘风流场，7个测点的风速大小区间为0.24~0.33 m/s；L_c=25 m时，风速大小区间为0.24~0.32 m/s，与L_c=20 m时基本一致。增大L_c会带来管理上的诸多不便，因此，确定L_e=20 m。

③ 在L_d=0.5 m断面，L_c由10 m增至15 m中，风速逐渐减小，由L_c=10 m时的0.11~0.51 m/s减至15 m时的0.04~0.31 m/s，随着L_c继续增大，风流速度大小、方向已基本无变化。

表1  不同L_c时各测点风速

Table 1   Wind velocity of measure point of different distances between multi-direction whirling air curtain and tunneling place

2)  压抽比。不同Y时各测点风速如表2所示。由表2可知：

① Q_f=200 m³/min，Y由3:2减至1:2时，抽风量不断增大并逐渐超过Q_f，巷道末端与涡流风幕发生装置区域的风流方向逐渐由逆向迎头转为指向迎头，致使L₃断面7个测点的风速均呈增大趋势，并在风速最小的测点(2.950, 1.000)处，风流方向逐渐由抽风筒指向压风筒转为指向迎头。

表2  不同Y时各测点风速

Table 2  Wind velocity of measure point of different press extraction ratios

② 在L_d=5 m断面，Y由3:2减至1:2时，均形成了阻尘风流场，但风速波动幅度随Y的减小而减小；Y=3:2时，风速大小区间为0.18~0.32 m/s，Y为3:4和1:2时分别为0.46~0.49 m/s和0.69~0.71 m/s，说明Y的减小利于形成均匀的阻尘风流场。掘进面长压短抽通风除尘方式中，Y一般大于1，以防止循环风的出现，因此，确定Y_e=5:4。

3) 压风量。不同Q_f时各测点风速如表3所示。由表3可知：

① 随着Q_f的增大，多向涡流风幕发生装置的径向出风量不断增大，L₃断面的风流速度不断增大，但各测点的径向风流方向一致。

② 在L_d=5 m断面，Q_f由150 m³/min增至500 m³/min中，均形成了阻尘风流场，各测点风速均不断增大，但风速的波动幅度随压风量的增大而增大，风速大小区间由Q_f=150 m³/min时的0.20~0.23 m/s增至500 m³/min时的0.38~1.16 m/s，说明Q_f的增大不利于形成均匀指向迎头的阻尘风流场；当Q_f＞300 m³/min时，L_d=5 m断面各测点的最大风速为最小风速的2倍以上，阻尘风流场的风速大小波动较大，因此，确定Q_e=300 m³/min。

表3  不同Q_f时各测点风速

Table 3  Wind velocity of measure point of different pressed air volumes

4) 轴径比。不同Z时各测点风速如表4所示。由表4可知：

① Z由1:9增至9:1中，多向涡流风幕发生装置的径向出风量不断减小，L₃断面7个测点的风速也随之减小，但各测点的径向风流方向一致。

② 随着Z的增大，L_d=5 m断面的阻尘风流场逐渐趋向紊乱，Z为1:9~5:5时均可形成阻尘风流场，但风速大小区间已由Z=1:9时的0.30~0.58 m/s变为5:5时的0.09~3.57 m/s，Z增至7:3后，测点(2.950, 0.500)和(2.950, 1.550)处的风速方向已转为逆向迎头，阻尘风流场消失；因此，确定Z_e=1:9。

3.2.2  粉尘弥散模拟实验结果分析

以未开启除尘风机且Q_f=200 m/m³，L_f=10 m时实验掘进面各测点的粉尘质量浓度为初始粉尘质量浓度，实验粉尘为0.045 mm筛子筛选后的煤尘，依次测定了不同L_c，Y，Q_f和Z时各测点粉尘质量浓度。表5所示为初始粉尘质量浓度，图5所示为不同通风参数时各测点粉尘质量浓度曲面图。表5与图5中，T为全尘，R为呼吸性粉尘，为粉尘质量浓度。

1) 在L_d为5~40 m区域，全尘与呼吸性粉尘随通风参数的变化趋势一致，基本呈现出粉尘质量浓度随着L_d增大而减小或波动减小，说明随着L_d增大，粉尘尤其颗粒较大的非呼吸性粉尘逐渐沉降，致使粉尘质量浓度降低，但在L_d由30 m增至40 m中，部分通风参数时L_d=40 m处的粉尘质量浓度略大于30 m，这主要是由于除尘风机并未将粉尘100%净化，致使除尘风机后部粉尘质量浓度略大于前部。

表4  不同Z时各测点风速

Table 4  Wind velocity of measure point of different axial pressure ratios

表5  初始粉尘质量浓度

Table 5  Original dust mass concentration    mg·m^-3

2) L_c由10 m增至25 m时，7个测点全尘、呼吸性粉尘的降尘率平均值分别先由L_c=10 m时的69.77%和68.58%减至15 m时的66.70%和65.65%，然后又分别急剧增至20 m时的86.39%和85.87%，最后分别缓慢增至25 m时的86.75%和86.16%；在L_d=5 m处，全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别由L_c=10 m时的128.4 mg/m³和50.6 mg/m³减至25 m时的106.3 mg/m³和41.4 mg/m³，说明L_c≥20 m时，虽然在L_d=5 m处形成了较均匀的阻尘风流场，但是由于风速较小，难以将粉尘有效控制在L_d＜5 m区域内；L_c=10 m时，全尘、呼吸性粉尘质量浓度先分别由L_d=10 m时的139.6 mg/m³和57.2 mg/m³减至15 m时的43.6 mg/m³和16.5 mg/m³，L_c=15 m时，全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别由L_d=15 m时的122.6 mg/m³和49.8 mg/m³减至20 m时的38.3 mg/m³和14.0 mg/m³，这表明，径向方向的多向涡流风幕直接阻挡了粉尘向外弥散。以上实验结果说明：在有人作业区域形成较均匀阻尘风流场后，继续增大L_c对阻隔粉尘弥散已基本无影响，但在未形成阻尘风流场前，L_c越小，越利于多向涡流风幕直接阻隔粉尘弥散，但各测点粉尘质量浓度明显比形成阻尘风流场后的高。

图5  不同通风参数时各测点粉尘质量浓度曲面图

Fig. 5  Curved surface of dust mass concentration of measure point under different ventilation parameters

3) 在Q_f=200 m³/min，Y由3:2减至1:2时，粉尘逆向迎头的弥散能力逐渐减弱，7个测点的全尘、呼吸性粉尘降尘率平均值分别先由Y=3:2时的84.18%和83.22%减至3:4时的96.94%和95.77%，后缓慢减至1:2时的97.14%和96.83%；L_d=5 m处的全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别先由Y=3:2时的99.8 mg/m³和38.8 mg/m³波动减至3:4时的8.1 mg/m³和3.0 mg/m³，后减至1:2时的7.2 mg/m³和2.5 mg/m³；在除尘风机后部的L_d=40 m处，Y为3:4和1:2时，全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别均在0.6 mg/m³和0.4 mg/m³以内，明显分别小于3:2和5:4时的大于9.9 mg/m³和4.1 mg/m³，说明减小Y以增大阻尘风流场的风速，可有效阻隔粉尘弥散，但在Y减至3:4后，粉尘逆向迎头弥散能力已基本稳定。

4) Q_f由150 m³/min增至500m³/min中，7个测点的全尘、呼吸性粉尘降尘率平均值分别先由Q_f= 150 m³/min时的83.65%和82.57%急剧减至300 m³/min时的95.85%和94.32%，后缓慢减至500 m³/min时的96.59%和95.47%；L_d=5 m处的全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别先由Q_f=150 m³/min时的115.2 mg/m³和44.9 mg/m³急剧减至300 m³/min时的8.6 mg/m³和3.3 mg/m³，后缓慢减至500 m³/min时的7.5 mg/m³和2.9 mg/m³；说明Q_f增至300 m³/min后，阻尘风流场可将粉尘有效阻隔在L_d＜5 m区域内。

5) Q_f=30.0 m³/min、Z由1: 9增至9:1时，全尘、呼吸性粉尘降尘率平均值分别由Z=1:9时的95.85%和94.32%减至9:1时的56.88%和55.52%；L_d=5 m处的全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别先由Z=1:9时的8.6 mg/m³和3.3 mg/m³急剧增至3:7时的83.7 mg/m³和33.5 mg/m³，后增至9:1时的123.6 mg/m³和49.2 mg/m³，在径向多向涡流风幕后的L_d=25 m处粉尘质量浓度明显小于风幕前的L_d=20m处，且风幕后降尘率随Z的减小而减小，如全尘降尘率由Z=5:5时的57.46%减至9:1时的21.93%。

4  结论

1) 多向涡流风幕发生装置的径向出风，受附壁效应等影响，在巷道内可形成多个径向涡流风幕风流场，在抽风负压作用下逐渐向迎头运移，若通风参数合适，可形成风流均指向迎头运移的阻尘风流场；L_c越大，Y，Q_f及Z越小，越利于形成阻尘风流场。

2) 在L_d为5~40 m区域，粉尘质量浓度基本随L_d的增大而减小或波动减小；未形成阻尘风流场前，L_c越小，越利于多向涡流风幕直接阻隔粉尘弥散，但在有人作业区域形成较均匀阻尘风流场后，继续增大L_c对阻隔粉尘弥散已基本无影响；Y和Z越小，Q_f越大，越利于阻隔粉尘逆向迎头弥散。

3) 通风参数变至一定值后，形成阻尘风流场的均匀程度及阻隔粉尘弥散能力基本稳定；综合考虑多向涡流风幕阻隔粉尘弥散效果、阻尘风流场形成及防止循环风的出现，确定了实验掘进面的较优通风参数为：L_c=20 m，Y=5:4，Q_f=300m³/min，Z=1:9；该参数时全尘、呼吸性粉尘的降尘率平均值分别为95.85%和94.32%。

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(编辑  罗金花)

收稿日期：2015-02-03；修回日期：2015-04-03

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金煤炭联合基金重点资助项目(U1261205)；国家青年基金资助项目(51404147)；中国博士后科学基金资助项目(2015M570601)；山东科技大学人才引进科研启动基金项目(2014RCJJ029) (Project(U1261205) supported by the Key Program of the Coal Joint Funds of the National Natural Science Foundation of China; Project(51404147) supported by the National Natural Science Foundation for Young Scientists of China; Project(2015M570601) supported by the China Postdoctoral Science Foundation; Project(2014RCJJ029) supported by the Scientific Research Foundation of Shandong University of Science and Technology for Recruited Talents)

通信作者：周刚，博士，副教授，从事矿井通风与防尘方向的研究；E-mail: ahsdzhougang@163.com