0.   引言

在综掘工作面，综掘机截割煤岩体是产尘的主要原因^[1-2]。煤岩体破碎后，其中的粉尘颗粒解除约束状态，本身具有的能量被释放，从而造成粉尘扩散。高浓度粉尘威胁煤矿从业人员健康，甚至发生粉尘爆炸引发矿井灾害^[3-6]。为实现煤炭安全、高效开采，打造清洁作业环境，创建无尘绿色矿井，分析粉尘运移分布规律，并在此基础上做好粉尘控制与治理工作至关重要^[7-8]。

目前，众多学者对工作面粉尘运移规律及控尘技术进行了大量研究。肖旸等^[9]通过数值模拟不同压风筒出口风流角度和压抽比作用下巷道内粉尘运移特征，提出了一种可改变压风筒出口风流角度的长压短抽除尘系统。孙连胜^[10]对不同控风口形状和间距进行模拟，得到了对应条件下巷道内粉尘浓度变化特征。江丙友等^[11]测试分析了尘源在不同运动工况下对综掘工作面粉尘质量浓度和粒径分布的影响，并基于试验得到了最优尘源移动路径与通风参数。牟国礼等^[12]模拟了长压短抽式通风下掘进工作面粉尘运移规律，发现掘进工作面附近区域的粉尘浓度较高，沿程逐渐降低，绝大部分粉尘集中在掘进工作面至抽风口的范围内。蒋仲安等^[13]研究了掘进机动态截割煤岩时粉尘污染效应，并确定了掘进工作面通风控尘及排尘参数。于海里等^[14]采用Realizable湍流模型，通过数值模拟分析了不同风速扰动下装载冲击产尘运移规律，探究了抑尘运移方法及其防治粉尘污染的效果。杨鹏等^[15]建立了离散相模型，分析了掘进巷道长压短抽通风条件下的风流场，发现随着压风口到工作面距离减小，掘进机司机侧的紊乱风流被消除，粉尘浓度减小，工作面区域粉尘浓度先减小后增大。龚晓燕等^[16]建立了出风口参数可变化的风流调控有限元模型，模拟风筒出风口参数变化对风流及粉尘浓度运移分布的影响，同时对除尘装置进行了改进和优化。孙峰^[17]分析了大断面掘进工作面粉尘产尘与运移特征，对综掘喷雾机的高效喷雾降尘装置进行了改造。李斌等^[18]提出了一种超远距离掘进工作面通风除尘、降尘捕尘技术，在巷道布置防尘网、增加喷雾等来降低逸散粉尘浓度。关万里等^[19]构建了与矿井现有巷道掘进工艺、技术条件相匹配的一体化除尘系统。杨宏刚等^[20]提出在掘进工作面压入风筒上增设多组切向送风来增强角动量，提高旋流风幕的稳定性，获得了较好的除尘效果。

上述研究根据粉尘运移规律提出了通风排尘、喷雾降尘等防尘技术，但在高浓度粉尘综掘工作面中应用效果不明显。本文以山西蒲县宏源集团富家凹煤业有限公司综掘工作面为研究背景，采用Fluent软件模拟综掘工作面风流场及粉尘运移规律，提出综掘工作面扰动拨流控尘技术，并开展现场工业性试验验证其有效性。

1.   工程概况

1.1   工作面条件

富家凹煤业有限公司矿井生产能力为2.5 Mt/a，批准开采2—11号煤层，井田面积为17.862 3 km²，开采标高为+1 409.98～+1 099.98 m。煤层自燃倾向性等级为Ⅱ级，属自燃煤层，煤尘具有爆炸危险性。矿井通风方式为中央并列式，采用机械抽出式通风方法。该矿11309综掘工作面布置于11号煤层三采区南侧。工作面整体为单斜构造，北西高、南东低，走向118～153°，倾向28～63°，倾角0～−4°。工作面开切眼长度为285 m，走向长度为1 800 m。开采的11号煤层位于山西组下部，顶板为泥岩、中粒砂岩，底板为铝质泥岩、K₁石灰岩。煤层厚度为2.15～3.20 m，含1层夹矸（厚度为0～0.1 m），煤层结构简单。

1.2   存在的问题

在11309综掘工作面，综掘机截割部装配内喷雾、外喷雾装置，并在运输转载点处设置喷雾装置。此外，综掘工作面安设KCS−310DX湿式除尘风机，同时采取湿式打眼施工、设置净化水幕、冲洗巷道、个体防护、粉尘在线监测等粉尘防治措施。然而11309综掘工作面总体降尘效果仍不够理想。根据相关监测数据，若在综掘工作面综掘机作业时未采取任何降尘措施，粉尘浓度达1 500 mg/m³以上。采取一些常规降尘措施后，工作面粉尘浓度仍达700 mg/m³以上。

2.   模型构建

2.1   物理模型

根据11309综掘工作面实际情况对模型进行简化，并做以下假设：① 巷道中风流为等温流动。② 不考虑正压风筒和吸尘风道流动，因为风筒流动对粉尘颗粒输运影响较小。③ 不考虑巷道表面凹凸不平，设表面为无滑移光滑壁面。④ 粉尘颗粒用颗粒轨道模型，采用拉格朗日法求解，同时考虑粉尘对连续相的作用力。⑤ 不考虑巷道转载机、设备开关等对风流的影响。根据上述假设，通过简化综掘机实际尺寸，建立常规掘进期间综掘工作面物理模型，如图1所示。

图  1  物理模型

Figure  1.  Physical model

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2.2   数学模型

本文研究对象为巷道空气流动及工作面产尘输运，主要涉及质量守恒控制方程、动量守恒控制方程及湍流标量控制方程^[21]。

对于质量守恒控制方程和动量守恒控制方程的求解，只有在极少数简单、理想情况下才可获得解析解。因此，需要引入新的方程使方程组封闭，即需要附加湍流标量控制方程。

2.3   参数设定

模型主要边界条件：正压风筒风速为13.49 m/s；吸尘风道风速为−14.58 m/s；巷道尾部出口压力为0。粉尘源参数设置见表1。

表  1  粉尘源参数设置

Table  1.  Dust source parameters setting

粉尘源参数	参数设定		粉尘源参数	参数设定
喷射源类型	面喷射		最大粒径/m	1.20×10−4
粉尘源位置	工作面		分布指数	2.53
颗粒密度/（kg·m−3）	1 450		质量流率/（kg·s−1）	1×10−3
初始速度/（m·s−1）	0.5		跟踪次数	4
最小粒径/m	1.0×10−6		积分尺度	0.15

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3.   数值模拟结果分析

3.1   风流场分布特征

正压风筒中心垂直切面处风流场分布如图2所示。可看出正压风筒压入的风流从风筒前端流出，射向工作面煤壁，风流撞击煤壁后向巷道后方流动；同时风流从正压风筒出风口沿巷道壁面流动，在综掘工作面附近由于流动受限，沿工作面煤壁向下流动，进而扩散流动。风流在正压风筒出风口的流速为13.49 m/s。风流流出正压风筒后，由于射流效应将卷吸周围空气，造成风速逐步减小。但风筒与巷道侧壁相邻一侧，由于流动受限，无法卷吸周围空气，风速衰减变缓，形成附壁流动（贴附壁面流动），形成一定的贴附流动长度，为3.2 m。

图  2  正压风筒中心垂直切面处风流场分布

Figure  2.  Airflow field disturibution at central vertical cross-section of positive pressure ventilation duct

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除尘风机吸尘风道中心垂直切面处风流场分布如图3所示。可看出风流从正压风筒出风口冲击工作面壁面后扩散，且以向下流动为主，在下方综掘机截割下部形成流动漩涡。综掘工作面区域平均风速为1.95 m/s，对截割部产生的粉尘形成有效扰动。吸风口附近由于除尘风机负压作用，风流由巷道空间进入吸尘风道，吸尘风道对风流场分布的影响较小。

距离巷道底板1，2 m平面处风流场分布分别如图4和图5所示。可看出正压风筒出风口的风流与工作面壁面碰撞后，沿着工作面壁面向四周扩散，朝着回风方向流动。其中部分风流在负压作用下进入吸尘风道。在吸风口附近风流流动主要受除尘风机吸尘口吸力作用影响，形成回流。

图  3  除尘风机吸尘风道中心垂直切面处风流场分布

Figure  3.  Airflow field distribution of at central vertical cross-section of dust extraction fan's suction duct

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图  4  距离巷道底板1 m平面处风流场分布

Figure  4.  Airflow field distribution at plane 1 m above roadway floor

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图  5  距离巷道底板2 m平面处风流场分布

Figure  5.  Airflow field distribution at plane 2 m above roadway floor

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巷道各横向截面流速矢量图如图6所示。可看出漩涡现象比较明显。综掘工作面受到送风和吸尘风道吸力作用影响，风流形成一大一小2个方向相反的漩涡，巷道中部区域以顺时针漩涡为主，巷道尾部区域风流流动方向趋于一致，漩涡现象逐步减弱，直至消失。

3.2   粉尘运移规律

在工作面综掘机截割部持续作业，产生大量具有一定粒径分布特征的粉尘，粉尘受到风流作用和重力作用在巷道运移。综掘工作面粉尘运移模拟结果如图7所示。

图  6  巷道各横向截面流速矢量图

Figure  6.  Flow velocity vector diagram at each transverse cross-section of the roadway

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图  7  综掘工作面粉尘运移模拟结果

Figure  7.  Simulation results of dust migration in fully mechanized mining face

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从图7（a）和图7（b）可看出，粉尘在综掘工作面产生后，随着距综掘工作面距离增大，粉尘浓度逐渐减小。虽然粉尘颗粒受到风流作用，但由于与风流存在比较大的密度差，粉尘颗粒在巷道运移过程中不断沉积于巷道底部。在正压风筒出风口范围内粉尘浓度较小，为50 mg/m³左右。正压风筒出风口风流到达截割部时，由于气流冲刷效应，对截割部产生的粉尘形成有效扰动，大部分粉尘随气流朝下运动，造成截割部下端粉尘浓度较高，最高达500 mg/m³。气流离开截割部与粉尘完成充分混合，此时粉尘浓度约为200 mg/m³。粉尘随着气流向巷道尾部流动的过程中，部分粉尘在抽吸作用下进入吸风口，部分粉尘则向巷道尾部输运，在输运过程中粉尘浓度由于颗粒沉积作用逐步降低。

从图7（c）和图7（d）可看出，距巷道底板1，2 m处粉尘浓度基本呈相同的分布规律，距离综掘工作面越远，粉尘浓度越低，但综掘机司机位置附近粉尘浓度依然较高。因此，需要改善巷道风流流动方式，优化风口布局，从而降低综掘机司机位置附近粉尘浓度。

距综掘工作面不同距离处平均粉尘浓度曲线如图8所示。可看出随着距综掘工作面距离增大，粉尘浓度逐渐降低。最大粉尘浓度接近250 mg/m³，但粉尘浓度最大值并不是出现在截割部，而是出现在距离截割部5 m左右的位置。这是因为正压风筒出风口风流对截割部产生扰动，促使粉尘脱离截割部。粉尘从截割部至巷尾运移过程中，部分粉尘被除尘风机吸入，其余粉尘在向巷尾运移过程中逐步沉积在巷道底板或从巷道回风流出口排出。

图  8  距综掘工作面不同距离处平均粉尘浓度曲线

Figure  8.  Average dust concentration curve at different distances from fully mechanized mining face

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4.   扰动拨流控尘技术

基于综掘工作面风流场和粉尘运移规律，根据综掘工作面生产与通风条件，在产尘点进行“源头控尘”和“就地控尘”，以及时控制粉尘扩散和降低粉尘浓度。

综掘工作面产尘源来自于综掘机截割煤岩体，控制粉尘扩散就是控制工作面综掘机截割头作业空间的风流移动方向。因此，结合湿式除尘风机工作原理，提出了扰动拨流控尘技术。该技术采用“以风控尘”的思路，通过控制综掘工作面风流的流向，实现粉尘扩散控制、含尘风流收集处理。

在正压风筒上增加扰动拨流装置，如图9所示，该装置主要由风道主体、阀板、碳纤维转轴、气动操作阀、吊环构成。扰动拨流装置通过减少正压风筒最前端出口风量，增加综掘机司机附近径向出风量；同时将除尘系统吸尘口前移至综掘机截割部附近，以改变作业空间巷道风流方向，并使除尘系统吸入风量远远大于综掘工作面正压风筒出口风量，存在的风量差由巷道内从正压风筒分出排放到巷道的风量进行补偿，从而改变综掘机司机作业空间风流方向。由于正压风筒最前端出口风量较小，减弱了风流对粉尘扩散的影响，在综掘工作面少量压入式风流对高浓度粉尘区域起到扰动效果，形成高浓度含尘气流，受综掘机机身负压吸尘口的影响，含尘气流向吸尘口处流动，形成扰动拨流效果，实现控尘、除尘的目的。

图  9  扰动拨流控尘原理

Figure  9.  Principle of disturbance deflection dust control

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5.   工程验证

5.1   数值模拟有效性验证

采用便携式微电脑粉尘浓度测定仪测量11309综掘工作面粉尘浓度。依据AQ 1020—2006《煤矿井下粉尘综合防治技术规范》，测点布置应满足以下要求：① 在工作面产尘点与除尘器捕尘罩之间粉尘扩散较均匀地区的呼吸带范围布置测点。② 在综掘机司机工作地点布置测点。③ 在综掘机机组后4～5 m处回风侧布置测点。

在巷道中心线呼吸带高度1.5 m处对粉尘浓度进行实地测量。测量过程中，测点间隔设定为5 m，每个测点至少进行3次独立测量，以确保数据的可靠性，最终取3次测量的平均值作为该测点的粉尘浓度。现场实测数据与数值模拟数据对比如图10所示。可看出粉尘浓度模拟值与实测值在变化趋势上具有较高的一致性。这表明数值模拟结果能够较好地反映现场粉尘浓度的分布情况，证实了模拟的有效性和可靠性。

图  10  现场实测数据和数值模拟数据对比

Figure  10.  Comparison of field measurement data and simulation data

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5.2   装置有效性验证

为保证数据的可靠性与合理性，分别在11309综掘工作面、综掘机司机处、除尘风机后方20 m处各测定10组数据。使用扰动拨流装置前后粉尘浓度对比如图11所示。可看出使用扰动拨流装置后，综掘工作面平均粉尘浓度由547.5 mg/m³降低到48.3 mg/m³，降尘效率达91.2%；综掘机司机处平均粉尘浓度由377.2 mg/m³降低到30.2 mg/m³，降尘效率达92.0%；除尘风机后方20 m处平均粉尘浓度由195.2 mg/m³降低到16.2 mg/m³，降尘效率达91.7%；总体来看，扰动拨流装置有效降低了粉尘浓度。

图  11  使用扰动拨流装置前后粉尘浓度对比

Figure  11.  Comparison of dust concentration before and after using flow disturbance device

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6.   结论

1） 数值模拟结果表明：利用正压风筒对综掘工作面供风时，风流到达工作面后沿壁面向下运动并扩散，受送风和吸尘风道吸力作用影响，风流形成漩涡，随着与工作面距离的增加，漩涡现象逐步减弱，直至消失；工作面区域风流流速较高，沿着巷道轴向向后风流流速逐渐降低；距综掘工作面越远，粉尘浓度越低；在综掘机司机位置附近粉尘浓度较高。

2） 提出了“以风控尘”为除尘思路的扰动拨流控尘技术。在正压风筒上增加扰动拨流装置，优化风口布局，通过减少正压风筒最前端出口风量，增加综掘机司机附近径向出风量；将除尘风机吸尘口前置，改变作业空间巷道风流方向，实现控尘、除尘的目的。

3） 通过工程实测验证了数值模拟结果和扰动拨流装置的可靠性。使用扰动拨流装置后综掘工作面粉尘浓度显著降低，降尘效率达90%以上。

4） 下一步拟围绕扰动拨流装置安装位置及开合角度、配风量优化等方面开展研究，进一步提高综掘工作面粉尘控制效果。