本文是一篇工程碩士論文，筆者認為在進行數值模擬過程中，通風條件與粉塵有著密切的聯系，合理地確定風量、風速是減少粉塵濃度的關鍵因素?；旌鲜匠龎m風筒壓抽風筒的重合部風流不穩定是今后要研究的問題。
1 緒論
1.1 研究背景與意義
1.1.1 研究背景
隨著礦井機械化大型設備設施的應用、智能化裝備的安裝與實施、自動化程度的不斷提升，在提高煤礦生產效率的同時，瓦斯、煤塵、火災等災害事故隱患日益突出，特別是礦井粉塵污染的隱患，已經嚴重影響了企業職工的身體健康[1]。煤塵的性質決定它不但威脅綜掘面工作人員及其他工作人員的職業衛生健康，同時，由于高濃度的粉塵與高溫熱源接觸，容易產生爆炸[2]，從而給礦井帶來極大的安全隱患，因而，煤礦粉塵的治理成為各國和各單位的重點和難點[3]。
由于綜掘工作面空間狹隘、生產條件艱苦、生產環境復雜特殊及現有機械化生產設備技術條件局限性等原因，會造成巷道空間粉塵的大面積充積，從而導致空間內粉塵濃度高，而空間粉塵濃度高，將會導致巷道中能見度低，影響工作面的正常生產[4]。掘進機工作人員周圍粉塵質量濃度明顯高于2022版《煤礦安全規程》第六百四十條規定的作業場所空氣粉塵濃度4 mg/m3的上限要求[5]。不僅如此，粉塵在風流吹動的作用下，沉積嚴重區域粉塵容易產生再次揚起，對工作環境造成二次污染，沉降粉塵爆炸和自燃的可能性較大，容易造成二次粉塵污染，加重事故的嚴重程度[6]。因此，對掘進面粉塵進行防治已刻不容緩。
為了控制粉塵，各種除塵產品和措施在礦山中得到廣泛的應用。但這些技術在實際應用中存在一定的局限性，如煤層注水會導致工作環境惡化影響煤質；噴霧除塵僅限于呼吸性粉塵，噴嘴易被煤渣堵塞，可靠性差；泡沫除塵成本高，會污染工作表面的環境和腐蝕設備；干濕式除塵設備的除塵效果相對較好，但難以降低工作人員和指揮所的粉塵濃度[7]。對于煤礦綜掘面產生的粉塵危害問題，應采取行之有效的粉塵控制和除塵措施來減少礦井綜掘面粉塵的污染擴散現象。壓入式通風是當前礦井開采中常用的一種形式，傳統壓入式通風方式具有單一性特點，導致巷道粉塵無法有效的擴散[8]，煤礦采取此防塵措施無法滿足控除塵需求。而附壁風筒就很好的解決了這個問題，附壁風筒可以通過渦流效應對巷道中粉塵形成抽吸凈化效果，減少粉塵在巷道內擴散和轉移運動，從而能夠有效解決綜掘面粉塵污染問題[9]。
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1.2 國內外研究現狀
1.2.1 國內研究現狀
煤炭是我國的重要能源，隨著國民經濟的持續發展，對煤炭的需求也在不斷增長，但是煤炭生產過程中的粉塵污染也越來越嚴重。綜掘工作面采用綜掘機切割時，產塵量大、散熱量大以及強度大，是煤礦粉塵產生量最大的來源之一，也是瞬間峰值釋放的高峰期[16]。粉塵濃度達到一定限值，發生明火時，就會發生粉塵爆炸，這也是氣體爆炸后二次爆炸的主要原因，其危害性巨大。所以，如何有效地控制綜掘工作面的粉塵是煤礦防塵工作的關鍵。通風除塵、干式除塵、濕式振弦除塵及風幕隔塵是現階段礦井采取的主要防治礦井粉塵擴散污染的技術措施[17]。
對礦井進行有效通風除塵是現階段綜掘面普遍使用的一種除塵方式。我國對礦井綜掘面使用風幕技術的理論研究最早始于二十世紀六十年代[18]。當時前蘇聯學者已經將風幕應用于礦井以實現隔絕冷空氣保溫效果。我國中南大學領導的科研小組在前蘇聯礦山風幕研究基礎上，進行大量的模擬實驗研究，并最終得出結論：礦井風幕的最佳阻風率在23.8%~25.2%間波動[11]。
1990年，國內首個在綜掘工作面安裝揚塵控制風幕的教授王海橋[19]設計了地下揚塵治理粉塵污染問題。詳細分析了綜采工作面安裝風幕前后粉塵濃度的變化，得出綜采工作面運行過程中的粉塵遷移軌跡可以通過安裝地下礦井氣幕來改變。在風幕的控制作用下，煤塵會被阻擋在掘進機工作人員前方，只有少量粉塵隨著風流運動流向掘進機工作人員周邊，這為以后煤礦風幕的高效設計提供了重要的理論基礎。
2002年，在此基礎上，王海橋、劉榮華[20]等人繼續研究風幕控塵技術，確定旋轉風幕對綜采工作面粉塵濃度以及粉塵隔塵效果的影響，并得出在一定條件下，出口風速有一個最佳的出口條件，當控制在最佳條件下，旋轉風幕對呼吸性粉塵和全塵的防控效率會有很好的防控效果。
2005年，江西理工大學的王海寧等人[21]在前人對礦井巷道通風阻力參數、巷道斷面通風阻力參數以及送風風機葉片角度參數研究的基礎上，通過對理論模型進行分析，并且多次測量了礦井漏氣、實際通風阻力和壓差等有關參數，建立了這些參數之間函數關系。
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2 綜掘面粉塵分布運移規律研究
2.1 粉塵的來源
綜掘面粉塵產生機理是研究粉塵污染特征的第一步[45]，粉塵來源方式有三種，其中掘進機切割過程產生的粉塵是綜掘面粉塵的最大來源，綜掘面粉塵具體產生方式是以下幾個方面所列：
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（1）掘進機進行割煤導致巖石破碎形變從而產生大量的粉塵，此時的高濃度粉塵也是綜掘面整個過程中最重要的產塵方式，同時此位置也是整個巷道中濃度最大的產塵點。
（2）煤礦通風運輸過程中，新鮮的風流會從壓風筒運輸進入巷道中，風流在運動過程中，會由于風流本身流動產生力引起粉塵向綜掘工作面擴散，從而增大作業環境中粉塵擴散。如果此時粉塵處理的不及時也會造成粉塵的二次沉降，對于整個巷道來說就是礦井綜掘面粉塵污染的二次來源。
（3）煤炭運輸及裝載過程產生的揚塵也是綜掘面粉塵的來源之一。在運輸過程中，煤體會由于運輸路程顛簸下落產生揚塵，或者由于運輸過程中皮帶摩擦以及運輸設備相互摩擦從而造成粉塵的產生。
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2.2 粉塵產生的影響因素
在礦井開采初期，施工作業多，粉塵源分布廣，是礦井防塵工作的重點，產塵量占總塵量的比例也相對比較大[47]。而影響礦塵產生的條件也有很多，具體如下：
（1）煤塵通風處理過程與粉塵顆粒的密集程度有很大的關系，通風狀況的控制是掘進面粉塵控制的主要因素之一，合理的風速可以有效地去除工作面的粉塵[48]，合理通風強度足以沖淡礦塵并把它吹出礦井。但是，風速太大或者太小都會造成粉塵控制不合理。風速過低會阻礙煤塵的及時清除，導致粉塵清理清理不及時而聚集；風速過高又導致粉塵的飛揚飄散而引起煤塵沉降。
（2）煤含水量對粉塵的產生也起到重要的限制。當煤巖含水量較低時，煤礦綜掘面粉塵會積聚導致濃度較大；當煤巖含水量較大時，在綜掘過程中，由于含水量較大，會增加粉塵顆粒之間的粘結性和凝聚性，使粉塵顆粒變大，失去飛揚性；因此，提高煤體含水量有利于減少綜掘過程中的粉塵產生。
（3）在煤礦綜掘過程中，掘進司機采取不同工作方式進行截割也會一定程度上影響粉塵的產生。綜掘面截割順序分為三種，第一類是自下而上弓形截割，此種比較適合均勻的中硬煤，這種采煤方式在重力作用下沉降，但是由于自由表面的增加，切割機切齒的核體積增大，同時壓力效應時間越短，采煤能耗越低，產生的粉塵量越小。第二種方式是中心鉆入齊式截割，適用于軟煤，主要原因是在開采煤壁時，割煤截面的尺寸往往大于所要求的斷面尺寸，造成了綜掘時間的延長以及材料的浪費，從而增加了粉塵的產生。第三種是自上而下弓形截割，適用于較硬的煤，這種截割方式要求落煤速度與機械運輸速度一致，機械化程度越高，礦塵危害就越嚴重。如果不能用運輸機或輸送設備將采煤從工作面上運出，在進行切割時會將堆積的煤塊再次卷起來，造成大量粉塵的產生。
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3 綜掘面粉塵運移規律數值模擬 ............................. 13
3.1 Fluent軟件離散相模擬步驟 ............................ 13
3.2 氣固兩相流運動數學模型 ............................. 15
4 風幕控塵數值模擬 ............................ 29
4.1 風幕控塵原理 .................................. 29
4.2 風幕控塵氣固兩相流數值模擬 ...................... 30
5 混合式除塵系統風幕控塵參數優化 ...................... 43
5.1 附壁風筒不同速度對控塵效果影響 ......................... 43
5.2 現場應用 ............................. 46
5 混合式除塵系統風幕控塵參數優化
5.1 附壁風筒不同速度對控塵效果影響
保持附壁風筒安裝位置、安裝數量、安裝尺寸及壓風筒入口速度不變的情況下，通過改變附壁風筒射流速度的變化，確定壓入速度對旋流風幕除塵效果的影響。本章主要研究附壁風筒速度控制在11 m/s、18 m/s、26 m/s的速度變化情況對粉塵濃度的影響。
5.1.1 附壁風筒與壓風筒1:1速度對控塵效果影響
當附壁風筒與壓風筒速度在1:1條件下，也就是說保持附壁風筒速度在11 m/s時，不同高度粉塵濃度圖如圖5-1所示，從圖中可以清晰的觀察到，由于風幕速度過于低，此時的附壁風筒還沒起到控制風流阻礙粉塵的效果，在不同高度時（Y=0.5 m、Y=1.5 m、Y=2.5 m）粉塵的濃度依然較大，在掘進機后方也存在不同程度的粉塵擴散，并且除了集中在掘進機工作處及其后方之外，還會在巷道中蔓延。此時可能由于風幕速度與壓風筒速度是相等比例的，導致其控塵效果還不是很理想，抽筒抽吸能力不強，掘進面還存在大量的粉塵產生，可以推斷到粉塵在附壁風筒11 m/s情況下，其控塵效果并不是很好。
工程碩士論文參考
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6 結論與展望
6.1 結論
（1）煤礦掘進面粉塵主要由四種來源產生的，而粉塵的主要來源就是煤層中的掘進機切割過程中產生的粉塵，此過程粉塵的產塵量最大，也是粉塵濃度的主要來源地。粉塵顆粒在靜止空氣中的沉降速度與其自身顆粒大小有關聯，即顆粒沉降速度與顆粒大小平方成正比例關系，而在綜掘過程中所要控制的就是綜掘面呼吸性粉塵的擴散。
（2）掘進面在采用混合式通風除塵方式下，壓風筒產生的高速風流會對粉塵的沉降起到一定效果。但是粉塵的濃度仍然很大，并且粉塵顆粒會蔓延到掘進機工作人員后方10 m以外的距離中。當綜掘面的粉塵進入巷道時，一些粉塵顆粒會因為壁面阻塞而留在壁面上，當粉塵隨風流動而繼續向巷道前方前進時，粉塵顆粒便會積聚，形成密集的抽風口區域，最終被抽風筒抽出從而降低巷道粉塵濃度。
（3）在混合式通風除塵方式下的掘進巷道中，利用風幕技術通過正壓供風筒末端設置風量、風向控制裝置，將壓入工作面的一部分風量由軸向風流改變成沿巷道周壁旋轉的徑向風流，一方面減少正面吹向迎頭的風流降低一部分產塵量，另一方面控制迎頭的飛揚粉塵向后方擴散，形成控塵系統，控制迎頭的粉塵向巷道后方空間擴散，在迎頭形成粉塵存儲區。附壁風筒徑向射出的風流會由于附壁巷道壁面的阻擋作用而產生很強大的附壁效應，此時由于風流產生的旋流風幕會根據抽吸作用將粉塵阻擋在掘進機司機的工作前方，并且會將風流由抽風筒一并抽出，從而來降低整個掘進面的粉塵擴散污染，以此來減少掘進機工作人員前方的粉塵污染，從而保護工作人員工作環境，減少工作人員塵肺病等重大粉塵疾病的產生。同時，存留的小部分的粉塵會隨著風流在巷道中擴散，有的在底板處擴散蔓延并逐漸沉降覆蓋在底板上。在安裝了附壁風筒之后，粉塵的擴散問題得到了很大程度的改善。
參考文獻（略）