淮北矿业股份有限公司 工程处 安徽淮北 23500
摘要：为了提升综掘工作面通风降尘效果，研究掘进工作面射流通风流场规律，在压入式通风下贴附射流会形成射流区和回流区。对压入式通风掘进工作面粉尘分布规律进行了研究，得出了射流区中粉尘浓度低于回流区、涡流区的结论。近几年，国内的大多数学者研究长压短抽式通风除尘系统及其影响因素。通过对长压短抽通风系统进行研究，得出了该通风方式比单一压入式通风除尘效果更好，风流流场较为平稳，能更好将粉尘进行控制并排出。在附壁风筒改进中取得了重大突破，改进的附壁风筒可以改变风筒中的风流方向，实现了提高附壁风筒缝隙出口风速的目的。
键词：综掘工作面；高效除尘技术；研究；应用
0引言
随着煤矿掘进技术机械化程度越来越高，机械化应用越来越广泛，相对传统的钻爆法施工，综掘施工产生了大量粉尘，对职工的身体健康造成很大伤害，为保障职工不受粉尘伤害，除采用个体防护外，要加大综掘施工除尘技术的研究，高效的达到除尘效果，减少粉尘对职工造成的职业危害。
1 综掘工作面除尘数学模型的建议
1.1 连续性运动控制方程
在不考虑热量的传功情况下，煤尘颗粒只做动能的运动。为了充分考虑不同情况下流体的连续性运动，利用气体流动的数学模型，同时应用k-ε方程模型，得到流体湍流动能的特征。
气体流动方程：
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动能方程为：
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k的方程：
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ε的方程：
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轨迹方程为：
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运动方程为：
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式中，Gk为剪切力变化产生的湍流能变化率；k为湍动力；ε为湍动能耗散率；u为层流黏性系数；ui为湍流黏性系数；P为湍流有效压力；ρ为气体密度；Xi为X方向上的速度。
1.2 几何模型建立及网格划分
长压短抽式通风是由压风筒将新鲜空气送入工作面，通过抽风筒将污浊的空气抽出、净化，抽风筒应尽可能地靠近最大产尘点，压风筒出风口应超前抽风筒出风口10m以上，其通风方式如图1所示。由于现场设备及条件极其复杂，为了简化模型，做出以下适当的假设：①将工作面巷道视为标准半圆拱形；②掘进机视为规则的长方体；③胶带、支架等简化为平面边界。根据综掘工作面的实际情况，选取的掘进巷道长为60m，宽为5．4m，高为4．3m。所选取的风筒直径为0．8m，风筒布置在水平高度2m处，利用CFD软件处理模块mesh进行网格划分，如图2所示。
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图1长压短抽式通风方式
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图2网格划分
1.3边界条件
根据煤矿掘进施工的实际情况，结合Fluent数值模拟软件中方法，具体的边界条件及其参数见表1。
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表1计算模型相关参数
2数值模拟结果分析
2.1风流场数值模拟结果
根据以上建立的数学模型和模拟参数，可以对掘进巷道风流的分布特点进行模拟，模拟的风流速度矢量图如图3、图4所示。
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图3掘进巷道风流速度矢量
由图4可以看出，综掘工作面压抽混合式通风后置压风口射出的高速风流，进入巷道中后，流动断面不断扩大，又因受到空气阻力影响，从压风筒口射出向掘进面的运动的风流速度不断下降，当到达掘进工作面时，风流速度已变得很小，但风速仍超过0．25m/s，确保了司机、其他作业人员以及通风控尘的所需的风速和风量。掘进工作面风流分布如图5所示。由图5中可以看出，风流从压风筒口射出后，射流因受到巷道的空间限制和抽风筒抽吸风的作用，射流的范围增加到一定程度就不再继续扩大，当少量前进风流到达掘进面壁面，会形成附壁射流。风流碰到工作面壁面后会反向回流，大部分的回风风流会被卷吸到抽风筒中，排出巷道。极小部分风流因压风射流的影响形成了小的涡流区，导致粉尘难以被排除。
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图4长压短抽式通风流场速度矢量
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图5掘进工作面风流分布
通过分析风流场速度分布可得，综掘工作面长压短抽式通风通过后置压风口的分流作用，导致压风射流到工作面的风速减小，极大地削减了风流对工作面迎头端面的冲击，仅产生小范围的涡流，长压短抽式通风风流分布均匀稳定且风速符合国家规定。
2.2不同压抽比下综掘巷道粉尘分布规律模拟
压抽比是长压短抽式通风的影响因素之一，为了确定最佳的压抽比，设压风量与抽风量的比值为β，根据煤矿的实际情况，保持压风风量不变，增大或减小除尘风机吸风量以改变压抽比β，探讨不同压抽比下粉尘运移情况与除尘效果。根据园子沟煤矿的实际情况，将压风筒风量设置为300m3/min，压风筒距工作面27m，抽风筒口距工作面4m。由于人的呼吸带高度在1.5m左右，因此分别模拟压抽比β为0.9、1.0、1.1、1.2、1.3时1.5m平面处的速度矢量分布和粉尘分布规律。不同压抽比下速度矢量分布如图6所示，粉尘浓度分布如图7所示。
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图6不同压抽比下速度矢量分布
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图7不同压抽比下粉尘浓度分布
从图6可以看出，当压抽流量比β增大时，由于抽风筒中的风流减小，抽风筒进口处产生的负压不足以将全部粉尘吸入抽风筒中，而相对压风增大，导致产生较多的涡流数量；当压抽比较小时，以抽风筒的吸风风流为主，掘进司机前的污浊空气能够得到有效的控制，但气流不宜过大，气流过大不利于人的呼吸。通过上述分析，当压抽比为1．1时，更有利于园子沟煤矿的控尘降尘。从图7可以看出，采用长压短抽式通风时，掘进工作面的粉尘浓度显著降低，当抽风筒占据主导时，掘进工作面附近的粉尘大部分被抽风筒吸出排走，粉尘浓度降低更为明显，粉尘随着巷道风流流动并不断沉降。
3结语
1）巷道掘进迎头粉尘，主要靠除尘风机进行除尘，只有有效的控制压抽流量比，才能达到良好的除尘效果，根据研究对于长压短抽式通风方式除尘，当压抽流量比小于1．1时，除尘效率随着压抽比的增大而增大；当压抽比为1．1时，除尘效果最佳；当压抽比大于1．1时，除尘效率逐渐降低。
2）根据现场测试与模拟结果比较可知，所得结果基本一致，降尘率达到了84%，为矿山通风除尘提供了理论参考。
参考文献：
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[2]陈伟，姜涛，程继民，李强，母超彬.综掘高效除尘技术及装备研究与实践[J].煤炭与化工，2014，37（12）：72-74+77.
[3]张景公，芮存山.岩巷综掘工作面综合除尘技术研究与应用[J].建井技术，2014，35（S1）：141-144.
作者简介：
张成超（1984—），男，汉族，安徽淮北人，学士学位，淮北矿业股份有限公司工程处朱仙庄矿建工区技术主管。