压入式通风掘进工作忙粉尘分布规律研究.pdf

文章编号0253 - 9993200203 - 0233 - 04 压入式通风掘进工作面粉尘分布规律研究 刘荣华,王海桥,施式亮,刘何清 湘潭工学院 资源工程系,湖南 湘潭 411201 摘 要针对压入式通风掘进工作面风流流场结构特点,把工作面粉尘分布划分为3个区射流 区、回流区及涡流区来进行研究,建立了3区粉尘浓度计算模型,得出了压入式通风掘进工作面 3区粉尘分布不均匀的规律即回流区、涡流区粉尘浓度较高,分布较均匀;射流区粉尘浓度相 对较低,且粉尘浓度沿射程不断变化,离风筒出风口越远,射流断面粉尘平均浓度越高;射流卷 吸比对掘进工作面粉尘分布不均匀性影响较大,射流卷吸比越大,整个工作面粉尘分布越均匀. 这些结论为进一步研究掘进工作面通风过程中粉尘的分布,正确评价掘进工作面作业环境和掘进 通风效率,提供了新的理论依据. 关键词压入式通风;贴附射流;射流卷吸比;粉尘分布;断面粉尘平均浓度 中图分类号 TD71413 文献标识码 A 收稿日期 2001-08-06 基金项目国家自然科学基金资助项目59974022 目前独头掘进工作面广泛采用压入式通风方式,即在一条掘进巷道中,使用局部通风机通过风筒向工 作面压入新鲜风流,同时清洗过工作面后含有大量粉尘的乏风流,再沿掘进巷道返回被排出掘进工作面. 为了正确评价掘进工作面作业环境和通风效率,需要测定工作面的粉尘浓度.鉴于掘进工作面风流流场结 构的复杂性,一般都假设掘进工作面均匀分布来测定工作面粉尘浓度,对工作面作业环境作出评价.实际 图1 压入式通风掘进工作面风流流场结构 Fig11 of jet flow field in heading face with forced ventilation 上掘进工作面粉尘浓度分布是不均匀的,为了对掘 进工作面作业环境及通风效率作出更准确地评价, 有必要进一步研究掘进工作面粉尘浓度分布规律. 1 压入式通风掘进工作面风流流场结构 111 压入式通风掘进工作面风流流场基本结构 掘进工作面压入式通风实际上是末端封闭的受 限圆形贴附射流通风[1],这种通风方式的风筒一般 布置在掘进巷道侧壁,风筒出口距掘进迎头保证一 定的最小距离,由风筒出风口吹向独头巷道的风流, 起始按贴附射流规律发展,由于受独头巷道局限空 间的限制和风流的连续性,不久便出现了与射流方 向相反的流动,风流在独头巷道工作区形成射流区 和回流区,同时,由于射流的卷吸作用在射流区和 回流区界面上还存在涡流区,基本结构如图1所示. 112 圆形贴附射流特征 流体从圆形风筒流出,射入空间中,形成圆形射流.由于射流的卷吸与混合作用,射流断面不断扩 第27卷第3期煤 炭 学 报Vol127 No13 2002年6月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJune 2002 大,流量沿程不断增加,流速则不断降低.由于压入式通风的风筒布置在掘进巷道侧壁,从风筒出风口射 出的风流受巷道边壁的限制,其流动特性与自由射流不同,属贴附射流[2].贴附射流在运动过程中,只 能从一侧的自由空间中卷吸周围空气,根据文献[3] ,分析其贴附射流的运动规律时,其射流断面可看作 自由完整射流的一半,其它运动规律与自由射流相同.因此,贴附射流的射流断面流量沿程变化规律可表 示为 Q/ Q010176as/ r′ 01132 as/ r′ 0 2 射流起始段 , 1 Q/ Q0414as/ d′001147 射流主体段 , 2 式中,Q为射流断面流量, m3/ min ;Q0为风筒出风口风量, m3/ min ;s为射程, m;a为射流的紊流系 数,圆形出口射流a 0108;d′ 0, r′ 0分别为圆形贴附射流的特征直径和特征半径, m. 根据文献[4] ,圆形贴附射流的特征直径、特征半径的计算式为 d′ 0 2d0, r′ 0 d′0/2 2d0/2, 式中,d0为射流出口直径即风筒出口直径 , m. 将上式中的d′ 0, r′ 0及a分别代入式 1和式2可得 Q/ Q0101086s/ d001017s2/ d20 射流起始段 , 3 Q/ Q00125s/ d001646 射流主体段 . 4 根据文献[4] ,圆形贴附射流起始段长度的计算式sn01336 d′ 0/ a 5194d0.其中,sn为贴附射 流起始段长度, m. 2 压入式通风掘进工作面粉尘分布基本特性 根据压入式通风掘进工作面风流流场结构特点,掘进工作面有3个流场分区射流区、回流区、涡流 区,由于3个分区在掘进工作面所处的位置不同,以及其各自的流场特性不同,因此这3区的粉尘浓度及 粉尘在3区内部的分布规律也各不相同.射流区位于产尘源的前方,该区的粉尘主要来自于送风流本身所 含的粉尘以及射流沿程不断从涡流区卷吸进来的粉尘,其空气含尘量较低,且粉尘浓度沿程在不断变化; 回流区和涡流区都位于产尘源的后方,粉尘浓度较高,且粉尘分布较均匀.为了更准确地测定工作面粉尘 浓度,掌握掘进工作面粉尘分布规律,把掘进工作面粉尘分布分为相应的3个区来进行研究图1 . 3 压入式通风掘进工作面3区粉尘浓度计算 按照上述分析的压入式通风掘进工作面3区粉尘不均匀分布特性,建立3区粉尘不均匀分布模型.根 据质量守恒定律[5],先对射流区、涡流区的粉尘浓度建立微分方程,即 dNa dt N0Q0 Va NbQ′ Va - Na Q 0 Q′ Va ,5 dNb dt Na Q 0 Q′- Q1 Vb G Q0 Q′-Q1 Vb Q 0 Q′ - Nb Q 0- Q1 Vb - NbQ′ Vb ,6 式中,Na,Nb分别为射流区、涡流区的粉尘平均浓度, mg/ m3;N0为送风流中粉尘浓度, mg/ m3;Q0, Q1, Q′ 分别为压入风量、从工作面排出风量、射流区卷吸风量, m3/ min ;Va,Vb分别为射流区、涡流 区体积, m3;G为掘进作业产尘强度, mg/ min ;t为通风时间, min. 由气体流动连续性原理知,送入掘进工作面的风量Q0Q1,则式6可简化为 dNb dt NaQ′ Vb GQ′ Vb Q 0 Q′ - NbQ′ Vb .7 用微分算子法联立求解式5 , 7得, Nat C1e K1t C2e K2t N0 GQ′/ Q0 Q 0 Q′ , 432 煤 炭 学 报 2002年第27卷 Nbt C3e K1t C4e K2t N0 G/ Q0, K1,2 1 2 - Q′ Vb Q0 Q′ Va Q′ Vb Q0 Q′ Vb 2 -4 Q0Q′ VaVb . 其中,C1～C4均是由初始条件和方程决定的系数,且K1,K2均为负值.因此当t→∞,粉尘浓度 达到稳定后,射流区、涡流区的粉尘浓度分别为 Na N0 GQ′/ Q0 Q 0 Q′ , Nb N0 G/ Q0. 8 令Q′/ Q0 Q′ β,β实际上就是射流的卷吸流量比.再根据质量守恒定律对回风区粉尘建立平 衡方程Na Q 0 Q′ G Nc Q 0 Q′ ,即 Nc Na G/ Q0 Q′ . 9 其中,Nc为回流区粉尘浓度, mg/ m3.将Na代入式9得 Nc N0 G/ Q0.10 其中式8 , 10分别为掘进工作面射流区、涡流区及回流区粉尘的平均浓度计算式. 3个表达式 反映出涡流区、回流区中的粉尘分布相对较稳定,粉尘浓度取决于掘进工作面的产尘量、风筒压入的风 量及压入风量中的初始粉尘浓度,其浓度大小等于假定工作面粉尘分布均匀情况下掘进工作面的平均粉尘 浓度[5];而射流区粉尘浓度则低于掘进工作面的平均粉尘浓度,且粉尘浓度的高低与射流在运动过程中 的卷吸空气量大小有关,射流卷吸空气量越大,射流区的粉尘浓度越高,越接近于其它两区的粉尘浓度. 4 粉尘在掘进工作面射流区内的分布规律 为了考察射流区中风流的粉尘浓度沿射流射程的分布规律,首先研究其粉尘沿射程随射流断面风量变 化的分布规律.因射流断面风量是随射程而变化的,只要知道粉尘沿射程随射流断面风量变化的分布规 律,就能进一步得出粉尘浓度沿射程的变化规律.在射流区沿射程方向取一微元体图1 ,根据质量守恒 定律对微元体列微分方程NaQ NbdQ Na dNa Q dQ ,其中,Na为射流区内射流断面上的粉尘 平均浓度即断面粉尘平均浓度 , mg/ m3;Q为射流断面风量, m3/ min.解此微分方程得近似解析解为 Na Nb C/ Q.11 C由初始条件确定,当QQ0时,即风筒出风口处NaN0.将初始条件代入上式得C Q0 N 0- Nb . 将C及式Nb一起代入式11得 Na N0 G1-Q0/ Q / Q0.12 分别将式3 , 4代入式12 ,即得出射流断面上的粉尘平均浓度沿射程的变化规律为 射流起始段NasG1 - 1 01086s/ d0 01017s2/ d2 0 - 1 / Q0N0, 射流主体段NasG1 - 0125s/ d0 01646 - 1 / Q0N0. 以上2式表明,整个射流区内粉尘分布是不均匀的.射流断面粉尘平均浓度与射程有关,粉尘浓度沿 射流方向随着射程的增大而不断增大,即距风筒出风口越远,射流断面粉尘平均浓度越高,且其浓度变化 规律与射流运动特性有关,即在射流起始段与主体段,粉尘浓度随射程的变化规律有所不同. 5 结 论 1粉尘在压入式通风掘进工作面中分布是不均匀的.其中回流区、涡流区内粉尘浓度较大,且分布 较均匀,而射流区中的粉尘浓度低于回流区、涡流区内的粉尘浓度. 2射流运动过程中卷吸风量的大小对整个掘进工作面粉尘分布不均匀程度影响较大.射流运动过程 中从涡流区卷吸的风量越大,即射流卷吸比越大,射流区内的粉尘浓度越接近回流区、涡流区内的粉尘浓 度,整个掘进工作面粉尘分布也就越趋于均匀. 532第3期刘荣华等压入式通风掘进工作面粉尘分布规律研究 3粉尘在掘进工作面射流区内分布也是不均匀的.射流断面粉尘平均浓度沿射程不断变化,离风筒 出风口越远,射流断面粉尘平均浓度越高. 参考文献 [1] 吴中立.矿井通风与安全[M].徐州中国矿业大学出版社, 1989. [2] 王海桥.掘进工作面射流通风流场研究[J ].煤炭学报, 1999 , 24 5 498～501. [3] 周谟仁.流体力学泵与风机第二版 [M].北京中国建筑工业出版社, 1985. [4] 陆耀庆.供暖通风设计手册[M].北京中国建筑工业出版社, 1987. [5] 梅甫定.综掘工作面三区粉尘不均匀分布规律的探讨[J ].通风除尘, 1992 2 52～53. 作者简介 刘荣华1963 - ,男,湖南邵阳人,副教授, 1987年毕业于中国矿业学院,现从事通风与安全方面的教学与科研工 作,发表“用空气幕阻止粉尘向采煤机司机工作区扩散的模拟实验研究”等论文10余篇. Study on regularity of dust distributing in heading face with forced ventilation LIU Rong2hua , WANG Hai2qiao , SHI Shi2liang , LIU He2qing Department of Resource Engineering , Xiangtan Polytechnic University , Xiangtan 400201,China Abstract Thinking of the character of air current field in the heading face with forced ventilation , during the processes of study , the dust distribution in the face is divided into three regions , it is jet flow region , returning region and whirlpool region. By means of studying , the calculating model of the concentration of dust is estab2 lished , and the regularity of dust distributing differently in the three regions is discovered. It is that the dust concentration in returning region and whirlpool region is more thicker and well2distributed than that of jet flow region , and in jet flow region dust distributing varieties as distance to draught.The longer the distance to draught is , the thicker the average dust concentration of jet flow section is. The ratio of air being drawn into jet flow has a great effect on the uniity of dust distribution , the bigger the ratio is , the more well2distributed it is in the heading face. The research results offer a new theory basis for the study on the distribution of the dust during the forced ventilation processes and accurately estimating work condition in the face and the efficiency of ventilation. Key words forced ventilation ; wall2attached jet ; ratio of air being drawn into jet flow ; dust distribution ; av2 erage dust concentration of section 632 煤 炭 学 报 2002年第27卷