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掘进工作面双附壁环形风幕除尘系统模拟及实验研究

2024-06-12 67 上传者：管理员

摘要：为改善宝欣煤矿综掘工作面粉尘治理效果，以3209胶带巷为工程背景，综合运用工程类比、数值模拟、实验室实验等手段，进行双附壁环形风幕控尘技术设计及实验研究，结果表明：最佳控尘风幕的出风初速度为30 m/s,最佳附壁叶片角度为30°,通过搭建双附壁环形风幕控尘试验平台，全尘、呼尘的控尘效率均达到95%以上，验证了该控尘技术的有效性和可行性，为井下除尘提供了技术支持。

关键词：
机械化
粉尘
综掘工作面
附壁风筒
风幕
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21世纪以来，随着煤矿机械化程度的提高，采掘效率提升的同时，矿井工作区域粉尘质量浓度也显著增加[1,2]。高浓度粉尘不仅会给井下作业人员带来尘肺病风险，还会加速设备老化，产生粉尘爆炸隐患，对煤矿安全生产构成严重威胁。目前，国内综合采掘工作面治理粉尘的主要方法有综合采掘机内外喷雾、混合通风抽压除尘、泡沫抑尘等[3,4]。这些方法虽然取得了一定的效果，但由于技术的限制和各种约束，仍达不到行业标准，导致综掘工作面内粉尘质量浓度过高。本次研究开发了宝欣煤矿3209综掘工作面综合风幕除尘系统，利用FLUENT软件进行数值模拟，分析出风口风速和风幕射流角度的变化对系统除尘效率的影响，并进行了室内实验，以验证风幕防尘技术的有效性。旨在为风幕除尘系统在综掘工作面的应用提供理论指导。

1、风幕控尘除尘系统工作原理

根据宝欣煤矿悬臂式采煤机实际结构图，设计了综掘工作面风幕粉尘控制方案，如图1(a)所示，该方案由综掘机、环形风幕、压力风管、排风管等部分组成，风幕机设有内环喷嘴和外环喷嘴，每个外环喷嘴均设有附壁叶片，附壁叶片可以对外环喷嘴的气流产生壁面效应。壁面效应是指流体在曲面上流动时偏离原路径而附着在固体表面上的现象，壁面效应降低了流体的速度，由于射流夹带效应导致流体流向壁面，从而在射流两侧形成相对的低压区，在压差的影响下，在低压区核心区域形成涡旋，使射流向壁面偏斜。一侧的涡旋得到加强，导致一侧低气压区气压较低，在这种正反馈循环的驱动下，射流最终附着在墙壁上，形成了附壁效应。压力风机设备通过压力风道向环形风幕机输送气体，而排风机则通过排风道从外部空间抽出空气，排风道安装在环形风幕的中心，在各结构构件的共同作用下，逐渐形成如图1(b)中箭头所示的稳定气流场。通过环形风幕的作用，可在综合开采空间内逐步形成稳定的气流场，将矿机头产生的粉尘导向环形风幕的中心区域。然后由排风机将粉尘抽出，并在环形风幕前形成风幕，隔离粉尘。

图1 风幕控尘系统及原理

2、双附壁环形风幕控尘效果数值模拟

2.1 出口风速对风幕控尘效果影响

根据宝欣煤矿3209掘进工作面实际情况，构建了一个双附壁环形风幕装置，其圆环体内径为1.6 m, 外径为1.8 m, 内环布置了10个喷嘴，而外喷嘴及附壁则布置了20个喷嘴。利用物理场控制网络构建了模型，并使用SCDM建立了几何模型。随后将模型导入Mesh进行网格划分，划分好网格后再导入FLUENT。建立的几何模型如图2(a)所示。为了研究双附壁环形风幕出口风速对综掘工作面粉尘控制效果的影响，设定了3种不同的出口风速，分别为25 m/s、30 m/s和35 m/s.

根据数值模拟分析，得到了司机以及其他工作人员处纵坐标Y=1.5 m处横截面3个速度下的粉尘质量浓度云图，具体如图2(b)～图2(d)所示。通过对比不同出风口速度下司机处及其他作业人员处粉尘质量浓度发现在综掘工作面处粉尘质量浓度较高，然而，由于风幕的控尘作用和抽风筒的卷吸作用，大部分的粉尘已经被卷吸抽除，粉尘的控制相对较理想。但是对于出口风速为25 m/s的情况，风速未达到最佳的射流速度，不能很好地阻止粉尘向司机处逸散。另一方面，当风幕出口速度为35 m/s时，风速过高导致粉尘被吹起并扩散到巷道后方。在Y=1.5 m处，以及X=9.5～30 m处仍然存在一定的分散性粉尘。当出口风速为30 m/s时，粉尘的控制相对理想，在X=9.5 m断面以后，粉尘质量浓度被合理控制在0.000 1～0.000 3 kg/m3以内。

图2 数值模型及呼吸带内粉尘体积分数模拟分布云图

2.2 风幕附壁叶片角度对控尘效果影响

根据前文模拟结果，令射流初速度=30 m/s, 分别取风幕附壁叶片角度为 20°、30°、45°,对这3种情况下双附壁风幕风流场、粉尘运移以及控尘的情况进行模拟仿真。

在侧壁贴附叶片角度不同的情况下，观察不同截面粉尘质量浓度的控制情况。选取X=9.5 m处，即环向风幕后方处的断面，粉尘质量浓度分布云图如图3(a)～图3(c)所示，掘进机司机处呼吸带内粉尘质量浓度沿程变化曲线如图3(d)所示。通过对比分析，得出以下结论：在保持风幕出风口尺寸和出口初速不变的情况下，侧壁附着叶片的不同角度会影响综合采煤工作面的抑尘效果。在30°夹角时，Y-Z各截面的粉尘质量浓度相对较低，在距综合工作面9.5～30 m范围内，是人员的主要活动区域，有严格的粉尘要求。当附叶角为30°时，该区域粉尘质量浓度保持在0～0.000 01 kg/m3之间，巷道出口处粉尘质量浓度低于5 mg/m3,说明附叶夹角为30°时对附壁的影响最强，从而使系统的抑尘效果更好。

图3 风幕不同射流角度综掘面粉尘分布云图及变化曲线

3、风幕控尘系统试验研究

3.1 实验平台的搭建

在本实验中，根据实际的综掘工作面规格，按比例建造了一个缩小版，实验环境尺寸调整为高2 m, 宽1.8 m, 长5 m.为了模拟真实的综掘工作面，在实验环境前端放置粉尘发生器，代替井下掘进机的煤岩切割工作，采用YYF-2-6312型风机提供气流，两个压力风管连接到风幕上，在环形风幕的中心安装了一个排风管。实验装置的结构组成如图4所示。自行研制的双壁旋风气幕控尘装置置于掘进机后方，圆形气幕尺寸外径0.6 m, 内径0.5 m.喷嘴以30°角连接在所述圆环的内、外部。单向封闭巷道有效地再现了井下真实工作巷道，将粉尘发生器置于环形气幕前方1.2 m处，模拟掘进机切割和截煤作业时产生的高浓度粉尘，以滑石粉作为试验粉尘。

图4 风幕控尘试验设备示意

3.2 降尘效果分析

为了测定环境空气中漂浮的粉尘质量浓度，采用了CCHZ1000直读式粉尘测定仪，该仪器利用红外光吸收法原理进行测定。在密闭空间下，采用了以下试验方案来测定不同测点的粉尘质量浓度：首先选取未开启风幕机时试验空间内的粉尘质量浓度作为本试验的尘源处质量浓度，并使用直读式粉尘质量浓度测量仪测定了试验空间内各测点的全尘质量浓度和呼吸性粉尘质量浓度；然后启动风机，并设定风幕出口的风速为30 m/s, 测定了试验空间内各测点的全尘质量浓度和呼吸性粉尘质量浓度；最后，对比无控尘设备和启动控尘设备时粉尘质量浓度的控制效果。通过以上试验，获得不同控尘方案下各测点的粉尘质量浓度以及控尘效率的数据，如表1和图5所示。

表1 风幕开启前后粉尘质量浓度变化

根据表1及图5可知，当控尘设备不启动时，整个实验空间充满粉尘，粉尘质量浓度极高，各尘源点粉尘质量浓度达到811.6 mg/m3,粉尘从产尘点向出口方向扩散，在200 cm位置，粉尘质量浓度达到267.8 mg/m3,自然沉降不能降尘，远远超过国家粉尘质量浓度标准，严重影响了井下作业。粉尘控制装置启动后，由于风幕场的粉尘控制作用，全尘和呼吸性粉尘质量浓度大大降低，总粉尘的除尘效率可达98.5%,呼吸性粉尘的除尘效率可达97.5%,总体降尘率在95%以上，双附壁旋风风幕粉尘控制试验台有效控制了粉尘污染，显著改善了综掘工作面的工作环境。

4、结语

文章以宝欣煤矿3209胶带巷综掘工作面为工程背景，对双附壁环形风幕控尘技术进行了研究。通过工程类比设计环形风幕控尘系统，借助数值模拟手段研究不同参数条件下的控尘效果。当出口风速为30 m/s, 附叶角为30°时，粉尘的控制效果相对理想。搭建环形风幕实验平台模拟井下真实环境，实验表明，环形风幕总体降尘效果达到95%以上，可达到理想的控尘效果，验证了双附壁环形风幕控尘技术的有效性，为该技术后期在井下实地应用提供了技术支持。

图5 风幕控尘效果实验模拟结果

参考文献:

[1]张凯铭,贾雄伟,张强,等.综掘面圆角门型风幕控尘除尘设备参数优化[J].机械管理开发,2023,38(5):65-66,69.

[2]陈浩.煤峪口煤矿掘进工作面风幕控尘除尘系统研究[J].山东煤炭科技,2023,41(4):123-125,134.

[3]陈景序,滕婷,荆德吉,等.气动旋转射流风幕风速空间分布与控尘性能研究[J].中国矿业,2022,31(7):168-173.

[4]张凯铭.综掘工作面粉尘运移规律与风幕控尘除尘技术研究[D].西安:西安科技大学,2020.

文章来源:杨慧明.掘进工作面双附壁环形风幕除尘系统模拟及实验研究[J].煤,2024,33(06):83-86.