机掘工作面旋转射流屏蔽通风理论研究

本项目根据流体力学、空气动力学及紊动射流理论，探讨用旋流射流通风方法解决机掘工作面粉尘向外扩散及瓦斯局部积聚问题。首次提出机掘工作面旋转射流屏蔽通风新方法，即通过在风筒出口采用一定的加旋措施，产生旋转射流，利用其扩散性强的特点，形成一道锥形旋转风幕，在封住工作面粉尘向外扩散的同时，又能吹散积聚瓦斯，从而改善机掘工作面作业环境，提高矿井生产安全性。并运用模拟实验手段和计算流体动力学方法对机掘工作面旋转射流屏蔽通风作用下的风流流场及有害物的运移进行仿真模拟；研究工作面吹、吸耦合作用下的旋转风流空气动力学特性，优化工作面风流流场结构；研究机掘工作面旋转射流屏蔽通风作用下有害物运移规律，揭示旋转风流控尘机理和瓦斯传质机理；建立机掘工作面旋转射流屏蔽通风理论，为掘进工作面通风新技术研究提供新的理论依据。本研究对改善机掘工作面作业环境、确保矿井安全生产具有重要的实际意义。

随着煤矿机掘技术的高速发展，大功率掘进机的广泛采用，机掘工作面的产尘量剧增，作业环境恶化，严重威胁着矿井的安全生产和工人的身体健康。为了提高掘进通风效率，进一步改善机掘工作面作业环境及安全状况，本课题提出了机掘工作面旋转射流屏蔽通风新技术。并根据空气动力学和旋流分离理论，分析了机掘工作面旋转射流屏蔽通风作用机理，同时还将旋转风幕控尘理论应用于综采工作面空气幕隔尘技术。探讨了旋转射流起旋方法，设计出旋转射流风幕捕集装置模型，建立了机掘工作面旋转射流屏蔽通风物理模型和数学模型，利用Fluent流体力学计算软件对旋转射流屏蔽通风作用下的工作面风流流场特性以及粉尘和瓦斯分布规律进行了数值模拟计算分析。得出了：旋转射流屏蔽通风能在机掘工作面前方形成一旋转锥形风幕，将掘进产生的粉尘阻隔在旋转风幕和掘进端头之间的有限空间内，并在吸风口吸气流的作用下将其吸入除尘装置净化处理后排出；在旋风流场和吸风口吸气流的共同作用下，吹吸集流风口前方巷道中心吸风口部位压力较周围压力低，流场具有卷吸作用，且旋转射流作用下的吸气流动轴线速度衰减慢，使得工作面的粉尘和瓦斯被卷吸到巷道中心后向吸风口汇集，大大提高了吸风口对粉尘和瓦斯的捕集能力。分析了旋转射流集流风口喷口宽度、喷口角度以及吹吸流量比对工作面风流流场和有害物捕集效果的影响，得出了旋转射流集流风口合理结构参数及工作参数：即在保证掘进工作面正常需风量条件下，喷口宽度在0.04~0.06m之间，喷口角度75°左右，吹吸流量比0.8~1.4范围，工作面能形成一个完整稳定的旋流屏蔽风幕，来有效地阻止粉尘向司机工作区扩散，同时吹散掘进巷道附壁瓦斯，防止瓦斯局部集聚。设计制作了机掘工作面旋转射流屏蔽通风模拟实验平台，采用最先进的激光粒子测速技术（PIV）对工作面流场进行测试，验证了数值模拟计算分析结果。为了解决该通风方法现场应用过程中仍存在风管系统复杂、风筒重叠段风速太小，装置移动不便，以及因旋流风口阻力较大，导致喷口射流强度不足等问题，设计了机掘工作面旋转射流屏蔽通风集尘-除尘装置，并获得了实用新型技术专利授权。