水幕降塵系統(tǒng)霧滴分布受風(fēng)流影響的數(shù)值模擬研究

曹建霞，張永亮，付翠翠，姚 奇

(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520)

金屬礦山在采選生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量粉塵若不及時(shí)處理，將會(huì)造成礦井下作業(yè)環(huán)境的嚴(yán)重污染，進(jìn)而影響礦工的身體健康與生產(chǎn)的順利進(jìn)行。許多研究者已針對(duì)這種現(xiàn)狀開展了一系列研究，在金屬礦山粉塵防治領(lǐng)域開發(fā)出了適合于金屬礦山粉塵治理的方法與技術(shù)，包括通風(fēng)除塵、噴霧降塵、泡沫抑塵、抑塵劑抑塵等傳統(tǒng)或新型粉塵污染控制方法[1-4]，并通過(guò)軟件模擬或試驗(yàn)研究等多種方法探究了金屬礦山井下作業(yè)面風(fēng)流場(chǎng)分布、粉塵空間分布等一系列與粉塵運(yùn)移相關(guān)聯(lián)的分布規(guī)律[5-6]。此外，研究者們更進(jìn)一步地對(duì)影響降塵效率的因素展開了分析[7-9]，如張波等[10]對(duì)氣水噴霧的噴頭型號(hào)進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)研究，得出半徑為1.5 mm可調(diào)廣角的噴頭霧化效果最好；聶文等[11]基于噴嘴霧化特性測(cè)定試驗(yàn)裝置，通過(guò)對(duì)應(yīng)用效果較優(yōu)的實(shí)心圓錐霧場(chǎng)噴嘴施加不同壓力，得出噴霧壓力為8 MPa時(shí)噴嘴霧化降塵效果最優(yōu)；王鵬飛等[12]基于自主研發(fā)的氣水噴霧降塵試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)不同供水壓力下的氣水噴霧噴嘴流量、霧化特性參數(shù)及降塵效率進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明礦山作業(yè)場(chǎng)所在采取氣水噴霧降塵方法時(shí)，供水壓力不能過(guò)高也不能過(guò)低；慧雙琳[13]利用Fluent數(shù)值模擬軟件對(duì)噴嘴噴霧特性參數(shù)進(jìn)行了定量分析，通過(guò)分析不同風(fēng)速、噴嘴壓力下霧滴質(zhì)量濃度分布及霧滴速度，得到了橫向風(fēng)速和噴嘴壓力對(duì)降塵噴霧特性的影響。

目前，針對(duì)水幕降塵效率影響因素的研究方向逐漸細(xì)化，礦山降塵體系已得到進(jìn)一步完善[14-15]。然而，對(duì)于金屬礦山水幕降塵系統(tǒng)缺少專門的降塵效率影響因素分析。因此，本文將利用Fluent數(shù)值模擬軟件分析不同風(fēng)速下巷道內(nèi)形成的風(fēng)流場(chǎng)以及水幕噴嘴產(chǎn)生的霧滴場(chǎng)分布特征，探究巷道風(fēng)流對(duì)水幕降塵系統(tǒng)霧滴分布的擾動(dòng)作用，以完善水幕降塵系統(tǒng)在金屬礦山領(lǐng)域的影響因素分析體系。

1 水幕降塵效率的影響因素分析及數(shù)值模擬的物理模型

1. 1 水幕降塵效率的影響因素分析

探究水幕降塵系統(tǒng)降塵效率的影響因素有利于完善和優(yōu)化降塵體系，然而在金屬礦山領(lǐng)域?qū)τ绊懰唤祲m效率的研究較少，本文就此展開研究分析。分析水幕降塵效率的影響因素出發(fā)點(diǎn)在于探究水幕降塵系統(tǒng)中能夠引起霧化特征改變使得形成的霧滴場(chǎng)波動(dòng)的因素，包括噴嘴自身屬性和外部條件。

1.1.1 噴嘴自身屬性

(1) 噴嘴選型。噴嘴的結(jié)構(gòu)對(duì)于它所能生成的水霧起到至關(guān)重要的作用，不同類型的噴嘴結(jié)構(gòu)不同，霧化效果各異。針對(duì)不同噴嘴類型的特點(diǎn)并結(jié)合我國(guó)金屬礦山降塵現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的具體情況可知，機(jī)械霧化噴嘴因種類眾多、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工礦企業(yè)的應(yīng)用較為廣泛[16-17]。

(2) 噴嘴直徑。噴嘴直徑直接影響噴嘴的流量，在保證其他條件相同的基礎(chǔ)上，在一定范圍內(nèi)噴嘴流量、霧化錐角隨著孔徑的增大而增大，有利于粉塵的捕獲。相關(guān)試驗(yàn)證明，噴嘴霧化的霧滴粒徑越接近粉塵顆粒粒徑，粉塵的沉降效果越佳[18]。

2.1.2 外部條件

(1) 供水壓力。供水壓力即為噴霧霧化的外在動(dòng)力，也是影響水幕除塵效率的關(guān)鍵因素。在噴嘴選定的情況下，噴霧壓力與霧化粒度成正相關(guān)性，所以高壓噴霧能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸性粉塵的捕集，但高壓噴霧又存在耗水量大、成本高的局限，這就要求可通過(guò)改變噴霧壓力觀測(cè)水滴霧化的粒徑分布，并綜合考慮除塵效率、用水量、成本等要素來(lái)確定最佳的噴霧壓力[19]。

(2) 巷道風(fēng)流速度。巷道風(fēng)流速度直接影響噴嘴的霧化、降塵效果。噴嘴噴霧形成的射流進(jìn)入風(fēng)流后，會(huì)發(fā)生一定程度的偏移，影響霧滴與塵粒碰撞時(shí)具有的速度，從而改變霧滴場(chǎng)的初始分布[20]。

1. 2 數(shù)值模擬的物理模型

本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法探究水幕降塵效率影響因素之巷道風(fēng)流速度產(chǎn)生的影響效果，主要利用Fluent流體分析軟件模擬礦井巷道的風(fēng)流與水幕。模擬涉及到的主要物理模型有湍流模型、離散相模型和噴霧模型。

1.2.1 湍流模型

大多數(shù)流動(dòng)都在湍流范疇內(nèi)，巷道內(nèi)的風(fēng)流也不例外。針對(duì)不同的湍流流動(dòng)問(wèn)題，學(xué)者們提出了相應(yīng)的湍流模型，考慮到巷道內(nèi)流體流動(dòng)特性及相關(guān)計(jì)算方面的要求，本文選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行求解。標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程假設(shè)流體流動(dòng)為完全湍流且忽略分子黏性的影響，需要求解湍動(dòng)能及其耗散率方程[21-22]。湍動(dòng)能輸運(yùn)方程通過(guò)精確的方程推導(dǎo)而來(lái)，其方程表達(dá)式如下：

(1)

耗散率方程則是通過(guò)物理推導(dǎo)，數(shù)學(xué)上模擬相似原型方程得到，其表達(dá)式如下：

(2)

上式中：k為湍動(dòng)能(m2/s2);ε為耗散率(m2/s2);ρ為流體密度(kg/m3)；t為時(shí)間(s)；μ為湍流黏度(Pa·s)；μt為湍流黏性系數(shù)(Pa·s);Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為浮力導(dǎo)致的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng);YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散能的影響；σk=1.0，σε=1.2;C1ε、C2ε、C3ε為Fluent軟件默認(rèn)值常數(shù)，分別為1.44、1.92、0.09。

1.2.2 離散相模型

離散相模型是以歐拉-拉格朗日方法為基礎(chǔ)建立的，該模型將氣體或液體看作連續(xù)介質(zhì)，視另外一相是離散于背景流體中的顆粒或粒子，用歐拉觀點(diǎn)描述連續(xù)相流場(chǎng)，離散相則通過(guò)求解拉格朗日坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程得到離散相顆粒的軌道[23-24]。離散相顆粒即粉塵軌道的計(jì)算需通過(guò)對(duì)拉格朗日坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程進(jìn)行積分得到。顆粒的作用力平衡方程可簡(jiǎn)單地表示為顆粒慣性等于作用在顆粒上的各種力，在笛卡爾坐標(biāo)系下的形式(x方向)為

(3)

式中:up為顆粒速度(m/s);u為流體相速度(m/s);FD(u-up)為顆粒的單位質(zhì)量曳力(N/kg);g為重力加速度(m/s2);rp為顆粒密度(kg/m3);r為流體密度(kg/m3);Fx為顆粒受到的其他作用力(N)，主要考慮粉塵顆粒受到的浮力，其他作用力可忽略不計(jì)。

1.2.3 噴霧模型

水幕是基于多個(gè)噴嘴噴出霧滴所形成的一道阻隔，F(xiàn)luent軟件提供了多種復(fù)雜的噴霧模型，所有模型都是用選定噴嘴的物理及尺寸參數(shù)(噴口直徑、質(zhì)量流率)來(lái)控制初始顆粒尺寸、速度、位置等指標(biāo)。在本次模擬中選用壓力-旋流噴嘴模型，液滴破碎模型選定TAB模型。TAB模型是模擬液滴變形與破碎的經(jīng)典方法，該方法源于在彈簧質(zhì)量系統(tǒng)與液滴振蕩、變形之間的泰勒類比，認(rèn)為液滴的破碎是由于液滴表面不斷增大的波動(dòng)振幅。TAB模型中液滴的受力方程可表示如下：

(4)

其中：

(5)

(6)

(7)

上式中：Fa為氣動(dòng)力(N)；Fσ為表面張力(N);Fμ為黏性力(N);ud為液滴的速度(m/s);σ為液滴的表面張力系數(shù)(N/m);μd為液滴的動(dòng)力黏度[kg/(m·s)];r為液滴的半徑(m)；ρd為液滴的密度(kg/m3);ua為空氣的速度(m/s)；ρa(bǔ)為空氣的密度(kg/m3);CF、Ck和Cd為無(wú)量綱參數(shù)，Lamb[25]確定了CF、Ck和Cd的取值分別為1/3、8和5。

當(dāng)y=1即位移量x為初始液滴半徑r的一半(x=0.5r)時(shí)，則認(rèn)為液滴已經(jīng)破碎。

2 數(shù)值模型的建立

2. 1 幾何模型的建立

為了有利于水幕噴嘴的設(shè)置，對(duì)建立的幾何模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化。玲瓏金礦大開頭-270 m西側(cè)掘進(jìn)巷道斷面近似尺寸為4.8 m×3 m的矩形，截取巷道長(zhǎng)度50 m。考慮到金屬礦山掘進(jìn)巷道的真實(shí)情況以及數(shù)值模擬分析的需要，對(duì)掘進(jìn)巷道內(nèi)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了一定的假設(shè)：①巷道內(nèi)氣流為連續(xù)相，噴嘴噴射出的霧滴離散于流場(chǎng)，均滿足包括三大守恒定律在內(nèi)的多種物理定律；②巷道內(nèi)不涉及到溫度的轉(zhuǎn)變與傳遞，視巷道流場(chǎng)邊界與流體內(nèi)部無(wú)熱源；③風(fēng)速的改變影響噴嘴形成霧滴的分布，反之霧滴的運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)流場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)。

通過(guò)軟件SpaceClaim Design Modeler建立了巷道幾何模型,見(jiàn)圖1。

圖1 巷道幾何模型Fig.1 Tunnel geometry model

2. 2 幾何模型的網(wǎng)格劃分

將建立好的巷道幾何模型導(dǎo)入到ICEM網(wǎng)格劃分軟件中進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，本模型的幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單規(guī)則，選用計(jì)算性強(qiáng)的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分方法為基于附加塊的網(wǎng)格劃分法，網(wǎng)格劃分后的網(wǎng)格數(shù)為31 229，網(wǎng)格質(zhì)量良好，見(jiàn)圖2。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.2 Meshing results

2. 3 參數(shù)設(shè)置

將網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent軟件中，結(jié)合流體動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬方法，確定相關(guān)參數(shù)。

2.3.1 基本求解設(shè)置

求解器類型選用基于壓力的求解器，采用絕對(duì)速度方程，關(guān)于求解器的時(shí)間類型選擇上采用先通過(guò)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)計(jì)算連續(xù)相收斂，后在瞬態(tài)流動(dòng)中計(jì)算離散相，追蹤顆粒相的運(yùn)動(dòng)軌跡。開啟湍流模型中的標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程及離散相模型。模擬涉及到的材料有空氣及液態(tài)水，相應(yīng)屬性采用默認(rèn)值，無(wú)需改動(dòng)。

2.3.2 邊界條件設(shè)置

依據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423—2020)和《金屬非金屬地下礦山通風(fēng)技術(shù)規(guī)范 通風(fēng)系統(tǒng)》(AQ 2013.1—2008)中相關(guān)的規(guī)定，巷道型采場(chǎng)和掘進(jìn)巷道的排塵風(fēng)速不得小于0.25 m/s，井巷斷面平均最高風(fēng)速不得超過(guò)4.0 m/s，據(jù)此設(shè)定巷道內(nèi)風(fēng)速即模擬進(jìn)口邊界的速度分別為0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s、3.0 m/s，分析不同風(fēng)速下對(duì)應(yīng)的水幕霧滴場(chǎng)質(zhì)量濃度分布特征。具體的邊界條件設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 邊界條件設(shè)置

開啟離散相模型后，進(jìn)口和出口邊界為逃逸狀態(tài)，壁面為捕捉狀態(tài)。

2.3.3 水幕噴嘴設(shè)置

水幕噴嘴設(shè)置于距掘進(jìn)面20 m處的巷道斷面，巷道頂板間隔0.8 m布設(shè)5個(gè)噴嘴，巷道兩側(cè)壁中央各設(shè)1個(gè)噴嘴。水幕噴嘴的參數(shù)設(shè)定值見(jiàn)表2。

表2 水幕噴嘴參數(shù)設(shè)定值

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

為了研究巷道內(nèi)不同風(fēng)速對(duì)水幕降塵系統(tǒng)形成霧滴場(chǎng)的擾動(dòng)影響，分析了不同風(fēng)速v下掘進(jìn)巷道內(nèi)形成的風(fēng)流場(chǎng)以及各風(fēng)速下水幕噴嘴產(chǎn)生的霧滴場(chǎng)分布特征。

3. 1 風(fēng)流場(chǎng)分布特征

在CFD-Post專用后處理軟件中分析模擬結(jié)果，得到不同風(fēng)速下掘進(jìn)巷道內(nèi)水幕附近的流線，見(jiàn)圖3。由于風(fēng)速為2.5 m/s和3.0 m/s時(shí)對(duì)應(yīng)的流線大致與風(fēng)速為2.0 m/s時(shí)的流線趨勢(shì)一致，故未在圖中標(biāo)出。

圖3 不同風(fēng)速下掘進(jìn)巷道內(nèi)水幕附近的流線分布Fig.3 Streamline of distribution near water curtain in tunneling roadway

由圖3可見(jiàn)，圖中明顯不同于其他流線的即風(fēng)速為0.5 m/s時(shí)的流線，水幕附近的流線有明顯的渦流產(chǎn)生，且隨著風(fēng)速的增大，渦流現(xiàn)象不再明顯并趨于消失。渦流的產(chǎn)生是由于水幕附近噴霧在高壓下噴出同樣具有一定的速度，而在設(shè)置的水幕下方形成一處看不見(jiàn)的風(fēng)流阻礙，使數(shù)值較小的巷道風(fēng)流經(jīng)過(guò)此處時(shí)或從阻力較小的低處繼續(xù)向前或被阻隔只能繞道而行，即產(chǎn)生圖中所示的渦流現(xiàn)象，且風(fēng)速越大，水幕噴霧形成的阻礙影響越小，流線走勢(shì)逐漸平穩(wěn)。

為了更加直觀地認(rèn)識(shí)到巷道內(nèi)風(fēng)速的分布，截取掘進(jìn)巷道縱向中斷面的風(fēng)速分布云圖，見(jiàn)圖4。

圖4 不同風(fēng)速下掘進(jìn)巷道縱向中斷面的風(fēng)速分布云圖Fig.4 Airflow field distribution in longitudinal and middle section of tunneling roadway under different wind speeds

圖4更加直觀地展示了風(fēng)流對(duì)水幕產(chǎn)生的影響隨著風(fēng)速的增大而增大。由圖4可以明顯看到水幕下方形成的高于巷道其他位置速度的帶狀流場(chǎng)，隨著巷道風(fēng)速的增加，帶狀流場(chǎng)持續(xù)向前延伸，橫向覆蓋的范圍越來(lái)越廣，但在風(fēng)速的影響下，水幕流場(chǎng)由最初能抵達(dá)巷道底板轉(zhuǎn)至較為集中分布在巷道頂板。

3. 2 水幕霧滴場(chǎng)分布特征

開啟的隨機(jī)軌道模型可追蹤離散相即霧滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，包括霧滴顆粒的直徑大小。由模擬結(jié)果分析可知，水幕霧滴粒徑范圍內(nèi)最小值為8.16×10-6m，最大值為5.9×10-5m，即霧滴粒徑在8～59 μm之間，不同風(fēng)速下模擬形成的對(duì)應(yīng)的水幕霧滴顆粒數(shù)為20 499個(gè)、23 494個(gè)、27 708個(gè)、32 247個(gè)、30 531個(gè)，風(fēng)速為3.0 m/s捕捉到的霧滴粒徑有一部分離開計(jì)算域，故數(shù)值相對(duì)較小，但對(duì)霧滴粒徑占比的影響較小。不同風(fēng)速下各霧滴粒徑的顆粒數(shù)占比，見(jiàn)表3。

由表3可知，不同各風(fēng)速下各霧滴粒徑的范圍及顆粒數(shù)占比差別不大，說(shuō)明風(fēng)速對(duì)霧滴粒徑的影響不明顯，且形成的霧滴粒徑多集中在30 μm左右。

表3 不同風(fēng)速下各霧滴粒徑的顆粒數(shù)占比

由于水幕霧滴粒徑的分布無(wú)法判定噴霧效果，本文選取霧滴質(zhì)量濃度分布進(jìn)一步評(píng)判水幕降塵系統(tǒng)的霧化效果，因此選取人的呼吸帶高度橫向斷面即z=1.5 m平面、巷道縱向中截面即x=2.4 m平面作為參考平面，模擬得到不同風(fēng)速下巷道各平面霧滴質(zhì)量濃度分布云圖(見(jiàn)圖5)，并根據(jù)霧滴質(zhì)量濃度的整體分布確定水幕降塵系統(tǒng)的霧化效果?？紤]到礦井粉塵對(duì)人體產(chǎn)生危害的主要途徑是經(jīng)由呼吸道進(jìn)入肺部，故將z向高度1.5 m命名為人的呼吸帶高度，該處的霧滴濃度應(yīng)呈現(xiàn)分布上的優(yōu)勢(shì)。

圖5 不同風(fēng)速下巷道平面霧滴質(zhì)量濃度分布云圖Fig.5 Mass concentration distribution of droplet field at different sections under different wind speeds

由圖5(a)可以看出：當(dāng)巷道風(fēng)速為0.5 m/s時(shí)，水幕形成的霧滴在整個(gè)巷道內(nèi)能夠到達(dá)最遠(yuǎn)的距離大致距水幕噴嘴安設(shè)處10 m左右，霧滴質(zhì)量濃度最大接近0.09 kg/m3，霧滴質(zhì)量濃度峰值集中在水幕附近；隨著風(fēng)速的增加，霧滴在巷道內(nèi)覆蓋的范圍擴(kuò)大，霧滴逐漸占據(jù)整個(gè)巷道，當(dāng)風(fēng)速為3.0 m/s時(shí)，水幕產(chǎn)生的霧滴到達(dá)巷道出口處甚至逸出，與此同時(shí)，霧滴的最大質(zhì)量濃度縮減至0.03 kg/m3左右，說(shuō)明巷道風(fēng)速越大，對(duì)水幕噴嘴霧化效果的影響越大，到達(dá)同一平面時(shí)的霧滴質(zhì)量濃度越小。由圖5(b)可得到另一個(gè)方向上的霧滴分布：噴霧在遇到橫向風(fēng)流時(shí)，隨著風(fēng)速的增大，霧滴的偏移距離變大，由覆蓋整個(gè)截面到靠近巷道底板位置出現(xiàn)霧滴盲區(qū)，霧滴質(zhì)量濃度峰值停留在風(fēng)速為1.0 m/s、2.0 m/s條件下。

為了更好地探究水幕形成的霧滴在巷道內(nèi)的運(yùn)移特征，模擬得到水幕下方y(tǒng)=20 m、水幕后方5 m即y=25 m巷道截面的霧滴質(zhì)量濃度分布云圖，見(jiàn)圖6。

圖6 不同風(fēng)速下巷道截面霧滴質(zhì)量濃度分布云圖Fig.6 Mass concentration distribution of droplet at tunnel cross-section under different wind speeds

由圖6(a)可以看出：當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，水幕形成的霧滴分布受風(fēng)流擾動(dòng)的影響較小，能夠保持自身的運(yùn)動(dòng)傾向，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到1.5 m/s后，霧滴受風(fēng)流的影響向后側(cè)移動(dòng)，出現(xiàn)霧滴覆蓋率小的風(fēng)流主導(dǎo)域，在巷道中部該現(xiàn)象明顯，水幕布設(shè)處考慮到的是在此處粉塵分布濃度較大，故設(shè)置水幕起到攔截粉塵的作用，但隨著風(fēng)速的增大，在該處的霧滴質(zhì)量濃度變小，所以巷道內(nèi)的風(fēng)速不宜過(guò)大。由圖6(b)可以看出：在水幕后方5 m范圍內(nèi)霧滴的分布較為穩(wěn)定，且在巷道內(nèi)的覆蓋更為均勻；當(dāng)風(fēng)速為0.5 m/s時(shí)，霧滴的質(zhì)量濃度進(jìn)入衰退狀態(tài)，在呼吸帶高度上的霧滴分布較少；當(dāng)風(fēng)速為1.0 m/s時(shí)，霧滴分布集中在靠近巷道底板處，捕集到呼吸帶高度上粉塵的概率較低；當(dāng)風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)，呼吸帶高度上的霧滴質(zhì)量濃度平均為0.05 kg/m3且分布范圍較其他條件下更廣；隨著風(fēng)速的繼續(xù)增加，呼吸帶高度上霧滴平均質(zhì)量濃度維持在0.03～0.05 kg/m3之間，但霧滴分布覆蓋的范圍有所減小，當(dāng)風(fēng)速由2.0 m/s增至3 m/s時(shí)，在呼吸帶高度上的霧滴分布范圍縮減了一半以上。綜合考慮，當(dāng)巷道風(fēng)速為1.5 m/s左右時(shí)，霧滴分布受到風(fēng)流擾動(dòng)的影響能帶來(lái)更好的霧化效果，從而有利于提高水幕降塵系統(tǒng)的降塵效率。

4 工程應(yīng)用效果驗(yàn)證

玲瓏金礦由于礦床賦存條件極為復(fù)雜，再加上民采破壞、生產(chǎn)任務(wù)緊迫等原因，難以形成一個(gè)合理的通風(fēng)系統(tǒng)，且礦井下作業(yè)的不確定因素過(guò)多，部分裝置對(duì)外界條件的要求較高，經(jīng)過(guò)多次重復(fù)試驗(yàn)，出于對(duì)各種因素的考慮決定采取水幕降塵技術(shù)。水幕的位置布設(shè)在距掘進(jìn)面前端20 m處，噴嘴選用的參數(shù)同模擬設(shè)定一致，在多個(gè)掘進(jìn)頭通過(guò)改變風(fēng)筒通風(fēng)量的方式實(shí)現(xiàn)巷道風(fēng)速的設(shè)置，并在水幕后10 m處使用礦山現(xiàn)有的濾重式粉塵檢測(cè)儀測(cè)定了水幕開啟前、后的粉塵濃度，其測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 水幕降塵試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果

由表4可知：水幕降塵系統(tǒng)能夠有效降低掘進(jìn)面釋放的粉塵濃度，降塵率可達(dá)40%左右；當(dāng)巷道風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)，降塵率較其他風(fēng)速條件下高，可達(dá)到54.6%，與數(shù)值模擬得到的結(jié)果基本一致，從而驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠度。

5 結(jié) 論

根據(jù)本文對(duì)水幕降塵系統(tǒng)霧滴分布受巷道風(fēng)流影響的數(shù)值模擬結(jié)果并結(jié)合工程應(yīng)用效果驗(yàn)證，可以得到以下結(jié)論：

(1) 巷道風(fēng)流與水幕噴嘴所形成的霧滴之間相互影響，當(dāng)巷道風(fēng)速為1.0 m/s時(shí)水幕霧滴對(duì)風(fēng)流的阻隔作用較明顯，且隨著風(fēng)速的增大，橫向來(lái)風(fēng)對(duì)噴嘴產(chǎn)生霧滴的擾動(dòng)作用逐漸變大。

(2) 巷道風(fēng)流對(duì)水幕霧滴粒徑的影響不大，霧滴粒徑多集中在30 μm左右，但其對(duì)霧滴質(zhì)量濃度在巷道內(nèi)整體分布的影響較大，當(dāng)巷道風(fēng)速為1.5 m/s左右時(shí)，風(fēng)流對(duì)霧滴的偏移距離與分布位置產(chǎn)生的影響有利于實(shí)現(xiàn)水幕降塵系統(tǒng)較優(yōu)的降塵效果。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用效果驗(yàn)證結(jié)果顯示，當(dāng)巷道風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)水幕降塵系統(tǒng)的降塵率可達(dá)54.6%，與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，故水幕降塵巷道風(fēng)速的選擇最好以1.5 m/s左右為宜。