陳舉師，蔣仲安，譚 聰

(教育部金屬礦山高效開(kāi)采與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京科技大學(xué))，100083北京)

巷道掘進(jìn)是煤礦開(kāi)采的重要環(huán)節(jié)之一.近年來(lái)，由于掘進(jìn)設(shè)備機(jī)械化程度不斷提高，且日常生產(chǎn)任務(wù)逐步加劇，粉塵污染的問(wèn)題日益突出.煤礦粉塵的主要危害之一體現(xiàn)在塵肺病方面，巖巷綜掘工作面較之煤巷掘進(jìn)，其粉塵源一般含有較多的二氧化硅，會(huì)對(duì)井下工人身體健康造成更大的危害.目前多數(shù)煤礦的平巷掘進(jìn)均采用壓入式通風(fēng)方式，從壓風(fēng)風(fēng)筒導(dǎo)出的風(fēng)流直接吹入掘進(jìn)工作面，將采落物中的粉塵揚(yáng)起，使這些粉塵隨風(fēng)流沿巷道移動(dòng)，部分浮游粉塵進(jìn)入新鮮風(fēng)流中，造成了嚴(yán)重的粉塵污染［1-3］.

對(duì)此國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究，一般通過(guò)使用長(zhǎng)壓短抽混合式通風(fēng)方式予以解決.長(zhǎng)壓短抽混合式通風(fēng)方式就是在巷道中鋪一趟較短的抽出式風(fēng)筒，使之與除塵器配合.再沿掘進(jìn)工作面鋪一趟較長(zhǎng)的壓入式風(fēng)筒，并在風(fēng)筒前端使用附壁風(fēng)筒技術(shù)，使壓風(fēng)經(jīng)附壁風(fēng)筒的縫隙與工作面前壁構(gòu)成一定的夾角進(jìn)入工作面.根據(jù)國(guó)內(nèi)外實(shí)踐，采用附壁風(fēng)筒后，其附壁效應(yīng)使壓入風(fēng)流在工作面附近形成一道氣幕，能阻止工作面含塵氣流向外擴(kuò)散，取得了較好的除塵效果.目前國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)綜掘工作面長(zhǎng)壓短抽混合式通風(fēng)除塵系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)布置方式的研究比較多，主要采用了理論分析、相似實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等研究手段，而對(duì)于綜掘工作面混合式通風(fēng)除塵系統(tǒng)條件下粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律的研究較少，主要采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的手段對(duì)綜掘工作面的粉塵質(zhì)量濃度分布進(jìn)行粗略的測(cè)定，對(duì)使用混合式通風(fēng)除塵系統(tǒng)時(shí)綜掘工作面的風(fēng)流流場(chǎng)分布及粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律缺少比較全面的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致對(duì)混合式通風(fēng)除塵系統(tǒng)的應(yīng)用效果也缺少較為直觀的判斷［4-6］.本文通過(guò)對(duì)巖巷掘進(jìn)過(guò)程中采用壓入式通風(fēng)、安裝附壁風(fēng)筒、安裝除塵風(fēng)機(jī)及同時(shí)安裝附壁風(fēng)筒及除塵風(fēng)機(jī)4種粉塵控制方案時(shí)的風(fēng)流流場(chǎng)分布及粉塵質(zhì)量濃度分布進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對(duì)比分析各種粉塵控制方案條件下的降塵效果，最終確定出降塵效果最優(yōu)的粉塵控制方案，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施.

1 數(shù)學(xué)模型的選定

物質(zhì)具有氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三相，自然界和工程應(yīng)用中通常會(huì)遇到多相流動(dòng)問(wèn)題，但是多相流系統(tǒng)中相的概念具有更為廣泛的意義.在多相流動(dòng)中，“相”可定義為具有相同類(lèi)別的物質(zhì)，該類(lèi)物質(zhì)在所處的流動(dòng)中具有特定的慣性響應(yīng)并與流場(chǎng)相互作用.多相流動(dòng)模式一般可以分為4類(lèi):氣液兩相流或液液兩相流、氣固兩相流、液固兩相流以及三相流.目前應(yīng)用較多的離散相模型，本質(zhì)上屬于氣固兩相流.處理多相流有兩種數(shù)值計(jì)算的方法:歐拉-拉格朗日法和歐拉-歐拉法.在 Fluent中的拉格朗日離散相模型遵循歐拉-拉格朗日法.在離散相模型中，流體相被處理為連續(xù)相，直接求解Navier-Stokes方程，而離散相是通過(guò)計(jì)算流場(chǎng)中大量的粒子、氣泡或液滴的運(yùn)動(dòng)得到的.離散相和流體相之間可以有動(dòng)量、質(zhì)量和能量的交換.該模型的一個(gè)基本假設(shè):作為離散的第二相的體積比率應(yīng)很低，對(duì)于體積率小于10%的氣泡、液滴和粒子負(fù)載流動(dòng)，可以采用離散相模型.

2 幾何模型的建立及參數(shù)設(shè)定

2.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

南翼皮帶運(yùn)輸巷位于薛村礦井田南部，其施工目的是為了解決南翼地區(qū)正常生產(chǎn)時(shí)的煤巖運(yùn)輸問(wèn)題，服務(wù)年限為9 a.巷道直接頂板為黑灰色粉砂巖，平均厚度為7 m.老頂為石灰?guī)r，灰色，平均厚0.3 m左右.直接底板為灰褐色粉砂巖，平均厚度2.8 m.巷道斷面呈半圓拱形，采用U36鋼支護(hù)，規(guī)格為4 450 mm×3 200 mm.掘進(jìn)過(guò)程中采用EBZ-315型綜掘機(jī)截割并自行裝煤(巖)，后跟溜子、皮帶接力運(yùn)輸?shù)氖┕し绞?

南翼皮帶運(yùn)輸巷在掘進(jìn)過(guò)程中采取壓入式通風(fēng)，目前配置FBDNo.6型局部通風(fēng)機(jī)，功率為2×15 kW，供風(fēng)距離約為400 m，局扇出風(fēng)口處供風(fēng)量為367 m3/min.風(fēng)筒采用阻燃抗靜電的風(fēng)筒布制作，直徑為600 mm，懸掛在巷道右?guī)?，懸掛高?.9 m，風(fēng)筒出口距工作面迎頭4 m.

為了解決目前南翼皮帶運(yùn)輸巷在掘進(jìn)過(guò)程中粉塵質(zhì)量濃度嚴(yán)重超標(biāo)的問(wèn)題，根據(jù)防塵專家的建議，初步制定了4種降塵方案:壓入式通風(fēng)(目前使用)、安裝附壁風(fēng)筒、安裝除塵器以及同時(shí)安裝附壁風(fēng)筒及除塵器.根據(jù)設(shè)計(jì)要求，除塵器處理風(fēng)量需達(dá)到269 m3/min，附壁風(fēng)筒狹縫噴口處風(fēng)速達(dá)到23 m/s，出風(fēng)量約為275 m3/min，風(fēng)筒前端錐形出風(fēng)口風(fēng)速達(dá)到 21 m/s，出風(fēng)量約為92 m3/min.

2.2 幾何模型的建立

本文主要對(duì)薛村礦南翼皮帶運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面通風(fēng)除塵系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析.由于工作面上有掘進(jìn)機(jī)、皮帶、風(fēng)筒等各種設(shè)備，且隨著防塵工作的開(kāi)展，工作面內(nèi)還會(huì)增加附壁風(fēng)筒、除塵器等設(shè)備，粉塵內(nèi)部擴(kuò)散空間形狀較為復(fù)雜，無(wú)法作出準(zhǔn)確的幾何模型.因此，文中對(duì)工作面粉塵擴(kuò)散計(jì)算域進(jìn)行以下適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化:1)將工作面巷道斷面視為標(biāo)準(zhǔn)半圓拱.2)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身視為規(guī)則的長(zhǎng)方體，掘進(jìn)機(jī)搖臂、掘進(jìn)頭、左右鏟板等部件均按照標(biāo)準(zhǔn)幾何體進(jìn)行表示.3)壓入式風(fēng)筒、抽風(fēng)風(fēng)筒及除塵器等視為規(guī)則的圓柱體;吸風(fēng)口按照標(biāo)準(zhǔn)楔形體近似處理;不考慮巷道左幫風(fēng)管、水管等對(duì)風(fēng)流的影響.4)皮帶、支架等設(shè)備均按照平面邊界處理.

基于上述簡(jiǎn)化過(guò)程，將掘進(jìn)巷道的橫斷面模擬成底為4.4 m，高為3.2 m的標(biāo)準(zhǔn)半圓拱形，考慮要模擬加入附壁風(fēng)筒及除塵器后對(duì)巷道風(fēng)流及粉塵運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響，取巷道長(zhǎng)為100 m，其中壓入式風(fēng)筒出風(fēng)口距迎頭4 m，附壁風(fēng)筒前端距迎頭8 m，除塵器出風(fēng)口距迎頭15 m.

運(yùn)用Gambit建立掘進(jìn)工作面的幾何模型，并進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格劃分.網(wǎng)格劃分過(guò)程中，以網(wǎng)格數(shù)為自變量，以不同網(wǎng)格數(shù)下模擬結(jié)果中司機(jī)所在處呼吸帶高度粉塵質(zhì)量濃度作為因變量，對(duì)比分析司機(jī)所在處粉塵質(zhì)量濃度隨網(wǎng)格數(shù)的變化規(guī)律，以驗(yàn)證網(wǎng)格獨(dú)立性.采用三維的Tet/Hybrid網(wǎng)格單元、TGrid網(wǎng)格類(lèi)型分塊對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格基本尺寸為0.3 m，網(wǎng)格總數(shù)為473 004個(gè)，巖巷綜掘工作面三維幾何模型及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1.

圖1 巖巷綜掘工作面三維幾何模型

2.3 參數(shù)設(shè)定及求解

根據(jù)薛村礦南翼皮帶運(yùn)輸巷的具體情況及相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)學(xué)模型和FLUENT的數(shù)值模擬方法，對(duì)邊界條件及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，采用離散相模型(DPM)對(duì)巖巷綜掘工作面通風(fēng)除塵系統(tǒng)的除塵效果進(jìn)行模擬.首先通過(guò)計(jì)算連續(xù)相獲得風(fēng)流流場(chǎng)的速度、湍流動(dòng)能等基本信息，再在拉格朗日坐標(biāo)下采用隨機(jī)軌道模型對(duì)單個(gè)粉塵顆粒進(jìn)行軌道積分，得到單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡.通過(guò)大批量地跟蹤粉塵顆粒軌道就可以統(tǒng)計(jì)出粉塵質(zhì)量濃度分布情況，最終求解出巖巷綜掘工作面通風(fēng)除塵系統(tǒng)的除塵效果［7-15］.

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 風(fēng)流流動(dòng)規(guī)律及分析

為了研究巖巷綜掘工作面在壓入式通風(fēng)條件下，以及安裝附壁風(fēng)筒、抽風(fēng)除塵系統(tǒng)后風(fēng)流流動(dòng)情況的變化，針對(duì)不同現(xiàn)場(chǎng)條件，通過(guò)查看矢量圖，得出掘進(jìn)工作面風(fēng)流速度矢量v分布如圖2所示.圖中4種狀態(tài)依次分別為壓入式通風(fēng)、安裝附壁風(fēng)筒、安裝除塵器以及二者同時(shí)安裝情況下掘進(jìn)工作面風(fēng)流速度矢量分布.

從圖2可以看出:1)壓入式通風(fēng)條件下，風(fēng)流自巷道右?guī)惋L(fēng)筒出風(fēng)口高速噴射而出，在前方迎頭的阻礙下轉(zhuǎn)向巷道左幫，并以較大的速度向巷道后方區(qū)域擴(kuò)散，風(fēng)流主要集中在左側(cè)人行道區(qū)域，風(fēng)流速度場(chǎng)分布極為不均.2)加入附壁風(fēng)筒后，其前端的錐形出風(fēng)口流出的少量風(fēng)流，與壓入式風(fēng)筒前端射流作用相似，能在迎頭附近區(qū)域形成逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的渦流;附壁風(fēng)筒狹縫流出的大量風(fēng)流在巷道斷面的影響下，在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)前方區(qū)域內(nèi)形成一道逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的風(fēng)墻，風(fēng)流速度場(chǎng)分布比較均勻.3)安裝除塵器后，系統(tǒng)前端3個(gè)吸風(fēng)口在除塵器負(fù)壓的作用下，將迎頭附近高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)流匯集，并通過(guò)除塵器排出，在除塵器后方形成二次高速射流，巷道內(nèi)風(fēng)流速度場(chǎng)分布較為紊亂.4)同時(shí)安裝附壁風(fēng)筒及除塵器，巷道內(nèi)風(fēng)流流場(chǎng)兼有二者獨(dú)立作用時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)前方區(qū)域流場(chǎng)分布比較均勻，后方區(qū)域由于除塵器出風(fēng)口的二次高速射流作用，流場(chǎng)分布較為紊亂.

圖2 巖巷綜掘工作面風(fēng)流速度矢量分布

3.2 粉塵運(yùn)動(dòng)規(guī)律及分析

為了能直觀地了解粉塵顆粒在巖巷綜掘工作面的運(yùn)動(dòng)軌跡，在滿足人體肉眼觀察及計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的前提下，在掘進(jìn)機(jī)截割頭，左右鏟板位置處設(shè)置塵源，分別隨機(jī)產(chǎn)生150、50及50個(gè)粉塵顆粒，并跟蹤其運(yùn)動(dòng)軌跡，分別得出4種條件下巖巷綜掘工作面粉塵顆粒停留時(shí)間t的規(guī)律見(jiàn)圖3.

從圖3可以看出:1)粉塵顆粒自各塵源位置產(chǎn)生后，縱向隨風(fēng)流方向運(yùn)動(dòng)，橫向隨機(jī)擴(kuò)散，擴(kuò)散過(guò)程中受到巷道壁面及設(shè)備表面的阻擋及捕捉作用，終止其運(yùn)動(dòng)軌跡.2)壓入式通風(fēng)條件下，粉塵顆粒在巷道左幫夾角處大量聚集，軌跡線路比較單一;安裝附壁風(fēng)筒條件下，粉塵顆粒最大限度地均勻分布在司機(jī)前方區(qū)域內(nèi)，軌跡路線較為分散;安裝除塵器條件下，粉塵顆粒在吸風(fēng)口位置處大量匯聚，司機(jī)后方區(qū)域粉塵顆粒較少;二者同時(shí)安裝時(shí)，司機(jī)前方區(qū)域粉塵顆粒分布比較均勻，且司機(jī)后方顆粒極少.3)壓入式通風(fēng)、安裝附壁風(fēng)筒、安裝除塵器及二者同時(shí)安裝條件下，塵源處產(chǎn)生的250個(gè)粉塵顆粒中，被捕捉數(shù)目分別為176、238、202、250個(gè)，其對(duì)應(yīng)的最長(zhǎng)停留時(shí)間分別為179、44、161、27 s.

圖3 巖巷綜掘工作面粉塵顆粒停留時(shí)間分布

3.3 粉塵質(zhì)量濃度分布及分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)工作面各塵源產(chǎn)塵量及產(chǎn)塵強(qiáng)度的結(jié)果，為掘進(jìn)機(jī)3個(gè)主要塵源賦予相應(yīng)的質(zhì)量流率及初始速度等參數(shù)，得出巖巷綜掘工作面在4種條件下粉塵質(zhì)量濃度ρ分布如圖4所示.

從圖4可以看出:1)從粉塵分布情況來(lái)看，壓入式通風(fēng)時(shí)粉塵分布范圍最廣，幾乎遍布整個(gè)巷道空間，且數(shù)值較大;同時(shí)安裝附壁風(fēng)筒及除塵器時(shí)粉塵分布范圍最小，距迎頭15 m之外范圍內(nèi)，幾乎沒(méi)有粉塵存在;單獨(dú)安裝附壁風(fēng)筒或除塵器時(shí)粉塵分布范圍介于兩者之間，且安裝附壁風(fēng)筒時(shí)分布范圍較小.2)在附壁風(fēng)筒逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)風(fēng)墻的作用下，大量粉塵顆粒被阻隔在司機(jī)前方區(qū)域內(nèi)無(wú)法逸出，司機(jī)位置及其后方區(qū)域粉塵顆粒較少，粉塵質(zhì)量濃度較低;安裝除塵器后，司機(jī)前方區(qū)域含塵氣流在吸風(fēng)口前匯聚，并經(jīng)除塵器凈化后排至巷道后方，其降塵效果取決于吸風(fēng)口的吸風(fēng)覆蓋范圍.3)司機(jī)位置處(距迎頭約為8 m)及其后方區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度值的大小，是判斷降塵效果優(yōu)劣的重要指標(biāo)，由圖4可知，距迎頭8 m外巷道區(qū)域內(nèi)，各條件下粉塵質(zhì)量濃度值分別保持在 400、100、300、20 mg/m3以內(nèi)，可見(jiàn)同時(shí)安裝附壁風(fēng)筒及除塵風(fēng)機(jī)時(shí)降塵效果最好.

圖4 巖巷綜掘工作面粉塵質(zhì)量濃度分布

3.4 粉塵質(zhì)量濃度沿程變化及分析

為研究掘進(jìn)工作面粉塵質(zhì)量濃度沿程變化情況，以壓入式通風(fēng)條件為代表，沿巷道走向分別截取不同的線段進(jìn)行對(duì)比分析.圖5為掘進(jìn)巷道內(nèi)不同斷面呼吸帶高度(H=1.5 m)粉塵質(zhì)量濃度沿程變化圖，其中y=-1.7、0、1.4 m 分別表示掘進(jìn)巷道左側(cè)人行道、皮帶機(jī)道及右側(cè)人行道.圖6為掘進(jìn)巷道內(nèi)左側(cè)人行道在不同高度下粉塵質(zhì)量濃度沿程變化.圖7為壓入式通風(fēng)、安裝附壁風(fēng)筒、安裝除塵器及二者同時(shí)安裝條件下左側(cè)人行道呼吸帶高度粉塵質(zhì)量濃度的沿程變化.

從圖5～7可以看出:1)在呼吸帶高度上，粉塵質(zhì)量濃度均按照先急劇上升至最大值，后逐步緩慢下降的趨勢(shì)變化;在巷道前50 m內(nèi)，左側(cè)人行道粉塵質(zhì)量濃度較高，右側(cè)人行道較低;在后50 m內(nèi)，隨著粉塵顆粒的擴(kuò)散趨于穩(wěn)定，且人行道內(nèi)粉塵顆粒被巷道壁面大量捕捉，人行道粉塵質(zhì)量濃度均低于皮帶機(jī)道.2)在不同高度上，粉塵質(zhì)量濃度變化規(guī)律與不同斷面變化規(guī)律相似，均為先急劇上升至一個(gè)最大值，后緩慢下降.整體來(lái)看，z=1.5 m高度粉塵質(zhì)量濃度最大，以此高度為中心，沿上下兩側(cè)逐步降低，因此呼吸帶高度粉塵的控制是防塵工作的重中之重.3)不同現(xiàn)場(chǎng)條件下，粉塵質(zhì)量濃度沿程變化趨勢(shì)均與壓入式通風(fēng)條件保持一致.整體來(lái)看，降塵效果按優(yōu)劣進(jìn)行排序?yàn)槎咄瑫r(shí)安裝、安裝附壁風(fēng)筒、安裝除塵器、壓入式通風(fēng)，在除塵器出口后方區(qū)域內(nèi)，粉塵質(zhì)量濃度分別保持在5、45、75、175 mg/m3以內(nèi).

圖5 不同斷面粉塵質(zhì)量濃度沿程變化

圖6 不同高度粉塵質(zhì)量濃度沿程變化

圖7 不同現(xiàn)場(chǎng)條件下粉塵質(zhì)量濃度沿程變化

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件

本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定是在薛村礦南翼皮帶運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面進(jìn)行的.為了對(duì)比不同現(xiàn)場(chǎng)條件下巖巷掘進(jìn)工作面的粉塵質(zhì)量濃度分布情況，分別對(duì)壓入式通風(fēng)、安裝附壁風(fēng)筒、安裝除塵器及二者同時(shí)安裝條件下粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)定.粉塵質(zhì)量濃度測(cè)定期間，壓入式風(fēng)筒出口實(shí)測(cè)風(fēng)量為367 m3/min;使用附壁風(fēng)筒后，其前端錐形出風(fēng)口實(shí)測(cè)風(fēng)量為88 m3/min，側(cè)面狹縫噴口處實(shí)測(cè)風(fēng)量為279 m3/min;使用除塵風(fēng)機(jī)時(shí)，其脫水器后方出口處實(shí)測(cè)風(fēng)量為264 m3/min.

4.2 粉塵質(zhì)量濃度測(cè)量方法

采用濾膜質(zhì)量濃度法對(duì)薛村礦南翼皮帶運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面的粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)定.測(cè)量?jī)x器采用薛村礦提供的AKFC-92A防爆型粉塵采樣器，其原理是含有粉塵的空氣經(jīng)氣泵吸入，通過(guò)濾膜，空氣中的粉塵被已知質(zhì)量的濾膜采集，從而由濾膜的增量和采氣量計(jì)算出空氣中總粉塵的質(zhì)量濃度，即

式中:ρ為空氣中的粉塵質(zhì)量濃度，mg/m3;m1，m2分別為采樣前后的濾膜質(zhì)量，mg;Q為采樣流量，L/min;t為采樣時(shí)間，min.

4.3 粉塵質(zhì)量濃度測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)文獻(xiàn)［16］，在南翼皮帶運(yùn)輸巷左側(cè)人行道 (y=-1.7 m)呼吸帶高度(H=1.5 m)平面沿程布置14個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)距離迎頭的長(zhǎng)度分別為0、2、4、6、8、11、15、20、30、40、50、60、80、100 m.現(xiàn)場(chǎng)粉塵質(zhì)量濃度測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖8.

4.4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果及分析

根據(jù)確定的采樣方法，結(jié)合相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)布置，分別對(duì)壓入式通風(fēng)、安裝附壁風(fēng)筒、安裝除塵器及二者同時(shí)安裝條件下南翼皮帶運(yùn)輸巷內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，每種條件下每個(gè)測(cè)點(diǎn)均進(jìn)行至少3次的數(shù)據(jù)測(cè)定，并取平均值，整理后得不同現(xiàn)場(chǎng)條件下粉塵質(zhì)量濃度分布如圖9所示.

從圖9可以看出:1)4種現(xiàn)場(chǎng)條件下掘進(jìn)工作面內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度沿程分布規(guī)律基本保持一致，沿程均呈現(xiàn)出先急劇上升至最大值，后逐步緩慢下降的變化趨勢(shì).2)在距迎頭20 m外區(qū)域，壓入式通風(fēng)、安裝附壁風(fēng)筒、安裝除塵器及二者同時(shí)安裝條件下粉塵質(zhì)量濃度分別為52～220、20～100、16.5～65.5、7～10.5 mg/m3.3)與壓入式通風(fēng)條件下粉塵質(zhì)量濃度相比，其他3種現(xiàn)場(chǎng)條件下粉塵質(zhì)量濃度均有一定程度的降低，安裝附壁風(fēng)筒、安裝除塵器及二者同時(shí)安裝條件下平均除塵率分別為 49.4%、67.1%及 86.2%.4)將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，粉塵質(zhì)量濃度變化規(guī)律基本保持一致.但整體比較之下，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)仍然存在一定偏差，這是由于在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、模型建立及參數(shù)設(shè)定過(guò)程中均出現(xiàn)一定誤差所引起的.通過(guò)對(duì)比分析，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，說(shuō)明運(yùn)用離散相模型對(duì)巖巷綜掘工作面通風(fēng)除塵系統(tǒng)進(jìn)行模擬是合適的，模擬結(jié)果可信.

圖8 粉塵質(zhì)量濃度測(cè)點(diǎn)布置

圖9 不同現(xiàn)場(chǎng)條件下粉塵質(zhì)量濃度

5 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)南翼皮帶運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面通風(fēng)除塵系統(tǒng)的數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究可知，運(yùn)用離散相模型對(duì)巖巷綜掘工作面通風(fēng)除塵系統(tǒng)進(jìn)行模擬是可行的，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有較好的一致性.

2)粉塵顆粒自塵源產(chǎn)生后，縱向隨風(fēng)流方向運(yùn)動(dòng)，橫向隨機(jī)擴(kuò)散.擴(kuò)散過(guò)程中受到巷道壁面及設(shè)備表面的阻擋及捕捉作用，終止其運(yùn)動(dòng)軌跡.

3)粉塵質(zhì)量濃度在掘進(jìn)巷道內(nèi)沿程先急劇上升至最大值，后逐步緩慢下降.在不同斷面內(nèi)，前50 m左側(cè)人行道粉塵質(zhì)量濃度最高，后50 m皮帶機(jī)道最高.在不同高度上，粉塵質(zhì)量濃度以呼吸帶為中心沿上下兩側(cè)逐步降低.

4)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，以壓入式通風(fēng)條件為基準(zhǔn)，安裝附壁風(fēng)筒、安裝除塵器及二者同時(shí)安裝條件下平均除塵率分別為 49.4%、67.1%及 86.2%.針對(duì)4種降塵方案，降塵效果按優(yōu)劣排序:二者同時(shí)安裝、安裝附壁風(fēng)筒、安裝除塵器、壓入式通風(fēng).

［1］姚玉靜，程衛(wèi)民，聶文，等.綜掘工作面粉塵濃度分布的數(shù)值模擬［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2011，38(3):21-24.

［2］秦躍平，張苗苗，崔麗潔，等.綜掘工作面粉塵運(yùn)移的數(shù)值模擬及壓風(fēng)分流降塵方式研究［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(7):790-794.

［3］施春紅，歐盛南，金龍哲.礦井粉塵運(yùn)移規(guī)律性的試驗(yàn)研究［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(2):1-5.

［4］杜翠鳳，王輝，蔣仲安，等.長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)綜掘工作面粉塵分布規(guī)律的數(shù)值模擬［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(8):957-962.

［5］王曉珍，蔣仲安，王善文，等.煤巷掘進(jìn)過(guò)程中粉塵濃度分布的數(shù)值模擬［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(4):386-390.

［6］王輝，蔣仲安，杜翠鳳，等.綜掘巷道粉塵體積分?jǐn)?shù)分布的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，30(3):345-348.

［7］張大明.輸煤巷道煤塵運(yùn)移規(guī)律及治理技術(shù)研究［D］.阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2010.

［8］張大明，馬云東.巷道內(nèi)粉塵二次飛揚(yáng)規(guī)律的數(shù)值模擬研究［J］.能源環(huán)境保護(hù)，2010，24(2):10-12.

［9］蔣仲安，陳舉師，王晶晶，等.膠帶輸送巷道粉塵運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)值模擬［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(4):659-663.

［10］陳舉師，蔣仲安，楊斌，等.破碎硐室粉塵濃度空間分布規(guī)律的數(shù)值模擬［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(11):1865-1870.

［11］蔣仲安，陳舉師，牛偉，等.皮帶運(yùn)輸巷道粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律的數(shù)值模擬［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(9):977-981.

［12］劉毅，蔣仲安，蔡衛(wèi)，等.綜采工作面粉塵運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)值模擬［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(4):351-353.

［13］牛偉，蔣仲安，劉毅.綜采工作面粉塵運(yùn)動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬及應(yīng)用［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，29(3):357-360.

［14］牛偉，蔣仲安，王曉珍，等.綜放工作面粉塵濃度分布規(guī)律的數(shù)值模擬［J］.中國(guó)礦業(yè)，2008，17(12):77-80.

［15］NIU W，JIANG Z A，TIAN D M.Numerical simulation of the factors influencing dust in drilling tunnels:its application［J］.Mining Science and Technology:China，2011，21(1):11-15.

［16］GBZ/T 192.4—2007.工作場(chǎng)所空氣中粉塵測(cè)定 第1部分:總粉塵濃度［S］.北京:中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部，2007.