CN112282827B - 一种覆盖面及气流速度优化的空气幕发生器及其运行工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种覆盖面及气流速度优化的空气幕发生器及其运行工艺，包括上侧左段条状出风口、上侧右段条状出风口、左侧条状出风口、右侧条状出风口；所述上侧左段条状出风口与左侧条状出风口间倒角连接，所述上侧右段条状出风口与右侧条状出风口间倒角连接，使形成的空气幕在横截面内连续完整分布；所述上侧左段条状出风口和上侧右段条状出风口相对于气流喷嘴的角度活动调节，使形成的空气幕垂直分布于同一横截面内。本发明的空气幕发生器增大空气幕覆盖面积、使气流速度在空气幕内均匀分布，从而增强空气幕的阻断效果，提高粉尘治理效果。
Description
技术领域
本发明属于煤矿粉尘防治领域，尤其涉及一种覆盖面及气流速度优化的空气幕发生器及其运行工艺。
背景技术
我国作为最大的煤炭消费国。近年来，随着综掘机械化程度的不断提高，矿井的开采方法和采煤工艺向着高产、集约化生产的方向发展。但同时该技术还容易导致综掘工作面的粉尘浓度增加，粉尘浓度经常超标。粉尘的煤尘颗粒的物理和化学性质决定它不但威胁矿井职工的健康而且还影响煤矿的安全生产。因此，采取有效措施降低煤矿井下粉尘浓度势在必行。
由于通风系统粉尘分散的动态变化，粉尘浓度的现场测量受到限制，在过去几年里，研究人员大多用数值模拟方法研究了煤矿巷道的气固两相流动。数值方法已得到验证，并提供了通过实验方法无法获得的有用信息。综合分析国内外主要的粉尘防治措施，空气幕粉尘控制技术被认为是一种清洁、经济、高效的粉尘控制技术。空气幕的降尘效率与空气幕发生器密切相关。但现有的结构仍然存在空气幕不连续分布、覆盖面积小、气流速度不均匀等问题，导致粉尘治理效果仍不理想。因此，本发明对空气幕发生器进行优化，并通过数值模拟结果分析了改进空气幕对粉尘分散分布的影响，为煤矿井下清洁生产粉尘控制提供理论指导，对保证矿井的安全生产具有深远意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种覆盖面及气流速度优化的空气幕发生器及其运行工艺，使形成的空气幕在横截面内全面、均匀覆盖，增强空气幕的阻断效果，提高粉尘治理效果。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种覆盖面及气流速度优化的空气幕发生器，包括上侧左段条状出风口、上侧右段条状出风口、左侧条状出风口、右侧条状出风口；所述上侧左段条状出风口与左侧条状出风口间倒角连接，所述上侧右段条状出风口与右侧条状出风口间倒角连接，使形成的空气幕在横截面内连续完整分布；所述上侧左段条状出风口和上侧右段条状出风口相对于气流喷嘴的角度活动调节，使形成的空气幕垂直分布于同一横截面内。
优选的，所述倒角的倒角半径为0.1m。
优选的，所述上侧左段条状出风口相对于气流喷嘴的可调角度为0～30°，所述上侧右段条状出风口相对于气流喷嘴的可调角度为0～10°。
优选的，所述空气幕发生器的宽度为0.03m，初供风速度为15m/s，空气幕初风速为10m/s。
一种覆盖面及气流速度优化的空气幕发生器的运行工艺，其特征在于，空气幕发生器分别从上侧左段条状出风口、上侧右段条状出风口、左侧条状出风口、右侧条状出风口吹出空气气流，在横截面上形成连续完整覆盖、垂直分布的空气幕且空气气流在空气幕内均匀分布，能降低粉尘停留时间、降低粉尘浓度，增强空气幕的阻断效果，提高粉尘治理效果。
相比于现有技术，本发明的有益效果如下：
1）本发明通过空气幕发生器的上侧左段条状出风口与左侧条状出风口间、上侧右段条状出风口与右侧条状出风口间采用的倒角连接，使形成的空气幕在横截面内连续分布，间断区域产生，有利于增强空气幕的阻断效果，提高粉尘治理效果。
2）本发明通过将空气幕发生器的上侧条状出风口分割为左侧与右侧两段，分别调节角度，使形成的垂直空气幕分布于同一横截面内，也有利于空气流场在横截面内的均匀分布，有利于增强空气幕的阻断效果，提高粉尘治理效果。
3）本发明的空气幕发生器形成的空气幕完整覆盖横截面，且横截面内空气流速分布更加均匀，使粉尘运动速度有所提高，停留时间更短，有利于降低平均粉尘浓度，尤其是空气幕前粉尘浓度。保证在掘进机司机周围粉尘浓度和PM2.5浓度显著降低，符合安全标准。
附图说明
图1为综采工作面模拟煤巷示意图；
图2（a）为现有的空气幕发生器的结构示意图；
图2（b）为本发明的空气幕发生器的结构示意图；
图3（a）为现有的空气幕发生器形成的截面空气流场示意图；
图3（b）为本发明的空气幕发生器形成的截面空气流场示意图；
图4（a）为现有的空气幕前侧风速向量示意图；
图4（b）为现有的空气幕右侧风速向量示意图；
图5（a）为本发明的尘埃平均运动速度随与掘进工作面距离（X轴）的变化；
图5（b）为本发明的尘埃平均运动速度随高度（Y轴）的变化；
图5（c）为本发明的尘埃平均运动速度随与煤巷右侧距离（Z轴）的变化；
图6（a）为现有的空气幕发生器作用下的粉尘分布示意图；
图6（b）为本发明的空气幕发生器作用下的粉尘分布示意图；
图7为本发明的空气幕发生器作用下的粉尘浓度随与掘进工作面距离（X轴）的变化；
图8（a）为本发明的空气幕发生器作用下的掘进机司机周围粉尘浓度随时间的变化；
图8（b）为本发明的空气幕发生器作用下的掘进机司机周围PM2.5浓度随时间的变化；
图9（a）为本发明的粉尘浓度和风速的测量值和模拟值的比较模型；
图9（b）为本发明的粉尘浓度的测量值和模拟值的对比；
图9（c）为本发明的风速的测量值和模拟值的对比。
其中，1-综掘面，2-粉尘入口，3-空气幕发生器，4-送风口，5-掘进机，6-送风管道，7-巷道主体，8-出流口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例1
煤巷道结构如图1所示，包括巷道主体7，主体尺寸为30×4×4m，拱顶直径为5m；主体前侧为综掘面1，综掘面的中心位置为粉尘入口2；在巷道内部有掘进机5，其尺寸为8.5×2.9×1.75m，操作司机位于掘进机5的前侧，掘进机5的前缘为宽度为0.03m的空气幕发生器3；送风口4位于空气幕发生器3的前沿，与送风管道6前侧连接，送风管道6位于巷道的右上方，直径为0.8m，高度为2.4m，后侧为出流口8。
现有的空气幕发生器包括三个主要的独立部件：上侧条状出风口、左侧条状出风口、右侧条状出风口，上侧条状出风口与左、右侧条状出风口间采用直角连接，形成的空气幕在连接处断开的，显示出两个间隔，覆盖面较小（图2（a））；而且由于送风气流的影响，形成的空气幕在横截面内分布不均匀，上侧条状出风口从右段（送风侧）到左段气流速度逐渐减小且气流方向逐渐向横截面后侧倾斜（图3（a）和图3（b）），导致阻断效果有限。
本发明的空气幕发生器包括四个主要的独立部件：上侧左段条状出风口、上侧右段条状出风口、左侧条状出风口、右侧条状出风口，上侧左段条状出风口与左侧条状出风口间、上侧右段条状出风口与右侧条状出风口间均采用倒角连接，倒角半径为0.1m，使形成的空气幕在横截面内连续分布，覆盖面积显著增大；而且上侧左段条状出风口向前侧回调30°，上侧右段条状出风口向前侧回调10°，使形成的空气幕分布于同一横截面内（图2（b））。
如图4所示，拟定初供风速度为15m/s，空气幕初风速为10m/s，选取距掘进工作面6m截面进行空气流场的对比分析。如图4（a）所示，现有的空气幕发生器在截面内的空气流速分布不均匀；如图4（b）所示，本发明的空气幕发生器在截面内的空气流速范围分布均匀，尤其是在顶部区域内，仅有中间位置小面积的低速区域。
如图5（a）所示，随与掘进工作面距离的增加，尘埃平均运动速度下降，从3.8m/s降低到小于1.5m/s。空气幕发生器改进后，粉尘运动速度有所提高，则粉尘颗粒移动更快，停留时间更短。如图5（b）所示，随高度增加，尘埃平均运动速度先升高后下降，从超过2.4m/s下降到大约1.3m/s。空气幕发生器改进后，高度1米以下的粉尘运动速度提高，而高度1米以上区域则运动速度较低。如图5（c）所示，左侧是粉尘流动的主要方向，在该区域，粉尘迅速移动，从左侧到右侧，粉尘速度从大于3.0m/s下降到小于1.5m/s。空气幕发生器改进后，右侧（送风侧）粉尘速度略有增加。
如图6所示，煤巷内的粉尘分布不均匀，随时间、空间的变化，粉尘出现分离、沉降、回流等现象。与现有的空气幕发生器相比，本发明的空气幕发生器作用下，空气幕前粉尘浓度相对较高，且平均粉尘浓度降低，说明空气幕的阻断效果更佳，可以更有效地控制煤巷粉尘的分散。
如图7所示，随与掘进工作面约3.5m处，粉尘浓度迅速下降，说明空气幕对粉尘分散有抑制作用，随与掘进工作面距离的增加，粉尘浓度从约500mg/m3降低到约100mg/m3。与现有的空气幕发生器相比，本发明的空气幕发生器作用下，与掘进工作面距离15m内，粉尘浓度相对较低。与掘进工作面约20m处粉尘浓度增大，是由于末端回流现象。
如图8（a）和图8（b）所示，相比于现有的空气幕发生器，本发明的空气幕发生器作用下，掘进机司机周围粉尘浓度和PM2.5浓度显著降低。
如图9（a）所示，本发明采用欧拉-拉格朗日法模拟了两相流动，采用离散相模型模拟了粉尘颗粒，并通过现场测量验证模拟结果。基于实际的实验结果建立物理模型，在送风侧沿煤巷选取5个监测点，利用相同的粉尘颗粒输入量和局部条件下的初始风速对粉尘分散过程进行了模拟，考察了所选点的风速和粉尘浓度。如图9（b）所示，沿煤巷送风方向，粉尘浓度先增大后减小。监测点粉尘浓度模拟结果的变化趋势与实测值吻合较好，但模拟结构粉尘浓度高于实测值，这是由于掘进机工作时间较长所致。如图9（c）所示，沿煤巷送风方向，气流衰减，风速减小。监测点气流速度模拟结果的变化趋势与实测值吻合较好。上述结果表明，所建立的模型捕捉了两相流的主要特征，在一定程度上验证了所建立的模型。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.基于覆盖面及气流速度优化的空气幕发生器的煤巷道结构，其特征在于，包括巷道主体，主体尺寸为30×4×4m，拱顶直径为5m；主体前侧为综掘面，综掘面的中心位置为粉尘入口；在巷道内部有掘进机，其尺寸为8.5×2.9×1.75m，操作司机位于掘进机的前侧，掘进机的前缘为宽度为0.03m的空气幕发生器，所述空气幕发生器的宽度为0.03m；送风口位于空气幕发生器的前沿，与送风管道前侧连接，送风管道位于巷道的右上方，直径为0.8m，高度为2.4m，后侧为出流口包括上侧左段条状出风口、上侧右段条状出风口、左侧条状出风口、右侧条状出风口；所述上侧左段条状出风口与左侧条状出风口间倒角连接，所述上侧右段条状出风口与右侧条状出风口间倒角连接，所述倒角连接的倒角半径为0.1m，使形成的空气幕在横截面内连续完整分布，间断区域产生，覆盖面积显著增大；所述上侧左段条状出风口和上侧右段条状出风口相对于气流喷嘴的角度活动调节，使形成的空气幕垂直分布于同一横截面内，有利于空气流场在横截面内的均匀分布，有利于增强空气幕的阻断效果，提高粉尘治理效果；所述上侧左段条状出风口向前侧回调30°，所述上侧右段条状出风口向前侧回调10°；
所述空气幕发生器运行时，初供风速度为15m/s，空气幕初风速为10m/s，分别从上侧左段条状出风口、上侧右段条状出风口、左侧条状出风口、右侧条状出风口吹出空气气流，在横截面上形成连续完整覆盖、垂直分布的空气幕且空气气流在空气幕内均匀分布，能降低粉尘停留时间、降低粉尘浓度，增强空气幕的阻断效果，提高粉尘治理效果。
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