膠帶輸送巷道粉塵分布及其影響因素的實驗研究

陳舉師，蔣仲安，姜 蘭

(北京科技大學(xué) 教育部金屬礦山高效開采與安全重點實驗室，北京 100083)

膠帶輸送巷道粉塵分布及其影響因素的實驗研究

陳舉師，蔣仲安，姜 蘭

(北京科技大學(xué) 教育部金屬礦山高效開采與安全重點實驗室，北京 100083)

根據(jù)相似原理，結(jié)合氣固兩相流的運動方程，導(dǎo)出了模擬膠帶輸送巷道粉塵運動的相似準(zhǔn)則數(shù)，以西石門鐵礦11/96膠帶斜井為原型，建立了膠帶輸送巷道相似模型，并對粉塵分布進行了實驗研究。研究結(jié)果表明：巷道模型內(nèi)粉塵濃度沿程先逐步上升至一個最大值，后逐步緩慢降低。巷道風(fēng)流方向、巷道平均風(fēng)速、膠帶運行速度、礦石含水率、放料速度及放料高度等是影響膠帶輸送巷道粉塵濃度分布的6個主要因素。巷道平均風(fēng)速越大，帶式輸送機順風(fēng)運行且運行速度越小，粉塵濃度越低；礦石含水率越高，粉塵濃度越低，且礦石含水率達(dá)到3.09%后，粉塵濃度基本不再降低；放料速度越快，放料高度越高，粉塵濃度越大。

膠帶輸送巷道；粉塵分布；影響因素；相似準(zhǔn)則；氣固兩相流

礦石輸送過程中，由于上下游膠帶間存在一定的高度勢能差，且膠帶自身一般具備一定的運行速度，受高度落差及運動慣性的影響，會產(chǎn)生大量的粉塵。粉塵的危害是多方面的，但最普通且最嚴(yán)重的是引發(fā)塵肺病，嚴(yán)重威脅著井下工人的身體健康[1-3]。

對此國內(nèi)外的專家學(xué)者進行了大量的研究[4-8]，一般通過控制礦石的含水率、進行塵源密閉、加強通風(fēng)排塵效果、實施噴霧灑水、降低帶式輸送機高度勢能差及減小膠帶運行速度等措施來實現(xiàn)除塵目標(biāo)。雖然這些措施能夠在一定程度上降低粉塵濃度，但其應(yīng)用效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求，需要在理論上和實踐上進行更加深入的研究。

筆者通過研究膠帶輸送巷道粉塵分布規(guī)律，確定出影響粉塵濃度分布的主要因素，可以用于探索適用于膠帶輸送巷道的粉塵控制新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備、新方法。

1 相似準(zhǔn)則數(shù)的導(dǎo)出及簡化

1.1 氣固兩相流動的運動方程

膠帶輸送巷道粉塵分布的相似實驗主要研究粉塵在氣體中的運動規(guī)律以及分布情況，因此相似準(zhǔn)則數(shù)的導(dǎo)出要同時考慮氣體和粉塵。由于氣流是推動粉塵運動的基本動力之一，因此，應(yīng)使用氣體的運動方程和粉塵的運動方程來描述氣固兩相流動過程的全部物理現(xiàn)象[9-11]。

1.1.1氣體運動方程

膠帶輸送巷道中氣體流動可視為不可壓縮黏性定常流，采用三維穩(wěn)態(tài)不可壓縮N-S方程進行描述，即

(1)

式中，ρg，Ug，t，F(xiàn)，P，μg及Δ分別表示氣體密度(kg/m3)、速度矢量(m/s)、運動時間(s)、氣體的單位質(zhì)量力(N/m2)、氣壓(Pa)、動力黏度(Pa·s)及拉普拉斯算子。

1.1.2粉塵在氣體中的運動方程

對膠帶輸送巷道內(nèi)粉塵顆粒的受力情況進行量級分析，發(fā)現(xiàn)除重力、浮力、氣動阻力外，其他作用力的數(shù)量級都很小，可以忽略不計，則膠帶輸送巷道內(nèi)粉塵在氣體中的運動方程為

(2)

式中，dp，ρp，Cd，Up及g分別表示粉塵顆粒直徑(m)、粉塵顆粒密度(kg/m3)、氣動阻力系數(shù)、粉塵顆粒的運動速度(m/s)及重力加速度(m/s2)。

1.2 相似準(zhǔn)則數(shù)的導(dǎo)出

式(1)和式(2)中分別分析了膠帶輸送巷道內(nèi)氣體和粉塵的運動方程，其中有量綱的物理量有ρg，ρp，Ug，Up，μg，dp，g，l，t，P等10個。其中,l為巷道長度，m。

1.3 相似準(zhǔn)則數(shù)的簡化

2 膠帶輸送巷道相似模型的建立

以西石門鐵礦11/96膠帶斜井為原型，建立幾何尺寸比為Cl=l∶l′=2∶1的實驗?zāi)Ｐ?。巷道原型?.7 m，寬4m，取巷道長度l=24m，帶式輸送機寬1.4m，高1.4m，膠帶寬1m。因此，對應(yīng)建立的巷道模型高1.85m，寬2m，長度為l=12m，帶式輸送機模型寬0.7 m，高0.7 m，膠帶寬0.5m。

該模型為獨頭結(jié)構(gòu)，獨頭端以及頂板底板均為混凝土結(jié)構(gòu)，兩側(cè)壁面為木質(zhì)板結(jié)構(gòu)。帶式輸送機長5m，布置在巷道中部，距前端4.5m，后端2.5m。將壓入式風(fēng)機及風(fēng)筒安裝在相似實驗?zāi)Ｐ蛢?nèi)右側(cè)，風(fēng)筒出口中心位置高1.3 m，距右壁0.2m，實現(xiàn)壓入式通風(fēng)，風(fēng)流撞擊獨頭端后返回，沿著巷道流動，將帶式輸送機安置在風(fēng)流流場較為均勻的區(qū)域。膠帶輸送巷道相似實驗?zāi)Ｐ脱b置示意及效果如圖1，2所示。

圖1 相似實驗?zāi)Ｐ脱b置示意Fig.1 Diagrammatic sketch of similarity model in belt conveyer roadway

圖2 相似實驗?zāi)Ｐ脱b置效果Fig.2 Similarity model of belt conveyer roadway

3 實驗參數(shù)的測定方法及測點布置

3.1 實驗參數(shù)測定方法

本次實驗中所使用的礦石均取自西石門鐵礦，品位為29.97%左右，礦石原始含水率為1.97%。所需測定的參數(shù)主要包括風(fēng)速及粉塵質(zhì)量濃度。其中，風(fēng)速的測定采用Testo 410-2型多功能風(fēng)速儀，測定過程中將熱敏探頭正對風(fēng)流方向，待數(shù)顯面板上數(shù)值穩(wěn)定后，讀取風(fēng)速值。粉塵濃度采用濾膜質(zhì)量濃度法進行測定，使用FC-4型粉塵采樣儀進行采樣，最后由濾膜的增量和采氣量計算出空氣中的總粉塵濃度。

3.2 實驗參數(shù)測點布置

根據(jù)膠帶輸送巷道相似模型布置情況，在空間內(nèi)布置風(fēng)速測點及粉塵濃度測點，對巷道模型空間風(fēng)流流場分布及粉塵濃度分布進行測定。

3.2.1風(fēng)速測點布置

根據(jù)巷道模型的長度，結(jié)合射流通風(fēng)流場的理論基礎(chǔ)，在巷道模型內(nèi)部選取17個待測面，每個斷面布置3×4個風(fēng)速測點對風(fēng)速進行測定。各風(fēng)速測點的具體布置如圖3所示。巷道模型中，待測斷面在前端設(shè)置較密，后端設(shè)置間隔較大。

圖3 風(fēng)速測點布置Fig.3 Disposition of velocity measuring points

3.2.2粉塵濃度測點布置

在巷道模型內(nèi)部選取6個待測斷面，每個斷面布置3×4個粉塵濃度測點，測點布置參照風(fēng)速測點布置圖。沿著帶式輸送機運料方向在輸送機左側(cè)人行道中心線、右側(cè)風(fēng)筒道中心線及輸送機中軸線上布置測點，從機尾放料口處開始，每隔0.8m布置1個測點，直至機頭處。相似實驗?zāi)Ｐ头蹓m濃度測點布置如圖4所示。

圖4 粉塵濃度測點布置Fig.4 Disposition of dust concentration measuring points

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 風(fēng)流流場分布

實驗過程中取風(fēng)筒出口風(fēng)速為7 m/s，研究巷道模型內(nèi)風(fēng)流流場分布情況。由于篇幅有限，此處只選取H=1.0m平面及H=1.6 m平面作為代表進行風(fēng)流流場分析。如圖5所示分別為H=1.0m平面、H=1.6 m平面與W=0.3 m、W=0.9m、W=1.6 m斷面的交線上風(fēng)速的沿程變化，從圖5可以看出：

圖5 H=1.0,1.6 m平面風(fēng)速的沿程變化Fig.5 Velocity variations in H=1.0,1.6 m plane

(1)在H=1.0m平面內(nèi)，W=0.9m,W=1.6 m斷面上風(fēng)速沿著回風(fēng)方向先急劇下降，在距獨頭端約3.5m處趨于穩(wěn)定；W=0.3 m斷面風(fēng)速沿程先減小，后增大，隨后又迅速減小，在距獨頭端約3.5m處也趨于穩(wěn)定。在距獨頭端3.5m以外區(qū)域內(nèi)，風(fēng)速基本保持在0.32m/s左右。

(2)在H=1.6 m平面內(nèi)，風(fēng)速從獨頭端開始，沿回風(fēng)方向先急劇下降，在距離獨頭端3～4m處達(dá)到最小值；隨后風(fēng)速又緩慢增大，在距離獨頭端約5m處逐漸趨于穩(wěn)定，風(fēng)速基本維持在0.40m/s左右；在距離獨頭端9～10m處，風(fēng)速又略微減小，隨后趨于穩(wěn)定。

(3)帶式輸送機處于距獨頭端4.5～9.5m區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)風(fēng)流流場較為穩(wěn)定，這與現(xiàn)場11/96膠帶斜井內(nèi)風(fēng)流流場分布規(guī)律基本吻合，對于開展帶式輸送巷道粉塵分布的相似實驗具有可行性。

4.2 粉塵濃度分布

為了研究巷道模型內(nèi)粉塵濃度空間分布情況，取風(fēng)筒出口風(fēng)速為7 m/s對巷道模型空間粉塵濃度分布進行詳細(xì)測定，實驗過程中帶式輸送機順風(fēng)運行且速度為1.5m/s、礦石含水率為1.97%、放料速度為1.5kg/s，放料高度為34cm。如圖6～7所示分別為H=1.0m平面內(nèi)不同巷道斷面、左側(cè)人行道不同高度平面內(nèi)粉塵濃度沿程分布，從圖中可以看出：

圖6 不同巷道斷面內(nèi)粉塵濃度的沿程變化Fig.6 Dust concentration variations in different cross sections in roadway

圖7 不同高度平面內(nèi)粉塵濃度的沿程變化Fig.7 Dust concentration variations in different height planes

(1)粉塵自放料口處和上膠帶表面產(chǎn)生后，隨風(fēng)流沿上膠帶運行方向運動，橫向隨機擴散。隨著距帶式輸送機放料口距離的增加，粉塵濃度沿程先逐步上升至一個最大值，后逐步緩慢降低。

(2)在水平方向上，粉塵濃度在膠帶中部分布最高，膠帶右側(cè)次之，膠帶左側(cè)最低。各斷面粉塵濃度最大值出現(xiàn)的位置也有所不同，膠帶中部、膠帶左側(cè)及膠帶右側(cè)分別在距下料口1.7,2.5,3.3 m處達(dá)到最大值。

(3)在高度方向上，粉塵濃度在H=1.0m高度平面內(nèi)達(dá)到最大值，并以該平面為中心向上下兩側(cè)逐步降低。

4.3 不同參數(shù)條件下粉塵濃度分布

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查并查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，巷道風(fēng)流方向、巷道平均風(fēng)速、膠帶運行速度、礦石含水率、放料速度及放料高度等是影響膠帶輸送巷道粉塵濃度分布的6個主要因素。通過改變各粉塵影響因素的參數(shù)條件，對人行道中央斷面(W=0.3 m)與H=1m平面交線上粉塵濃度沿程分布進行詳細(xì)測定并對比分析，研究各因素對粉塵濃度分布的影響規(guī)律。

(1)不同巷道風(fēng)流方向條件下粉塵濃度分布。

為了研究膠帶輸送巷道內(nèi)風(fēng)流方向?qū)Ψ蹓m濃度分布的影響，對帶式輸送機順風(fēng)運行及逆風(fēng)運行條件下粉塵濃度分布進行測定，如圖8(a)所示，可以看出：帶式輸送機逆風(fēng)運行時粉塵濃度沿程逐步緩慢降低，且降低速率基本保持穩(wěn)定，粉塵濃度在放料口處達(dá)到最大值，在帶式輸送機機頭處達(dá)到最小值。整體來看，帶式輸送機逆風(fēng)運行時粉塵濃度較之順風(fēng)運行要高。

(2)不同巷道平均風(fēng)速條件下粉塵濃度分布。

風(fēng)筒出口風(fēng)速分別為3.5，7，10.5,14m/s時，巷道斷面內(nèi)平均風(fēng)速分別為0.15，0.30，0.45，0.60m/s。對不同巷道平均風(fēng)速條件下粉塵濃度沿程分布進行詳細(xì)測定，如圖8(b)所示。從圖8(b)中可以看出：

① 巷道平均風(fēng)速在0.15～0.60m/s范圍內(nèi)，風(fēng)速越大，沿著人行道在H=1.0m平面上粉塵濃度越低，且人行道上粉塵濃度最大值出現(xiàn)的位置距下料口越遠(yuǎn)。

② 巷道平均風(fēng)速越大，對粉塵顆粒的稀釋及排出效果越明顯，導(dǎo)致人行道內(nèi)粉塵濃度越低，粉塵運動軌跡較之小風(fēng)速時也較長，出現(xiàn)粉塵濃度最大值的位置距放料口自然更遠(yuǎn)一些。

圖8 不同參數(shù)條件下粉塵濃度的沿程變化Fig.8 Dust concentration variations in different condition

(3)不同膠帶運行速度條件下粉塵濃度分布。

對膠帶運行速度為1.0,1.5,2.0，2.5m/s條件下粉塵濃度沿程分布進行詳細(xì)測定,如圖8(c)所示。從圖8(c)可以看出：

① 膠帶運行速度在1.0～2.5m/s范圍內(nèi)，隨著膠帶運行速度的加快，粉塵濃度整體分布也相應(yīng)升高，且最大值出現(xiàn)的位置距放料口越近。

② 膠帶運行速度越快，所產(chǎn)生的誘導(dǎo)空氣量也就越大，隨誘導(dǎo)空氣析出的粉塵量也就越多。此外，帶式輸送機自身的振動頻率加快，振動幅度增大，這也在一定程度上引起粉塵濃度升高。

③ 較快的膠帶運行速度使得粉塵顆粒的產(chǎn)生速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了巷道風(fēng)流的排塵能力，導(dǎo)致粉塵顆粒不能及時排出，故而其最大值出現(xiàn)的位置距放料口要近一些。

(4)不同礦石含水率條件下粉塵濃度分布。

通過曬干實驗用鐵礦石及添加定量的水等方式來改變鐵礦石的含水率，并取樣對鐵礦石含水率進行測定，研究不同含水率條件下粉塵濃度分布規(guī)律。本次實驗共選取6個不同鐵礦石含水率，分別為1.65%，1.97%，2.17%，2.36%，3.09%,3.85%，對粉塵濃度分布進行測定，整理如圖8(d)所示。從圖8(d)可以看出：隨著礦石含水率的增大，粉塵濃度整體分布呈現(xiàn)出下降的趨勢。當(dāng)含水率從1.65%逐漸增大至3.09%時，粉塵濃度整體由80～120mg/m3下降至20mg/m3以內(nèi)。當(dāng)含水率超過3.09%時，隨著含水率的增大，粉塵濃度下降的趨勢趨于平緩，基本保持不變，維持在5～15mg/m3。

(5)不同放料速度條件下粉塵濃度分布。

為研究不同放料速度條件下粉塵濃度的變化情況，通過調(diào)整放料口大小來改變放料速度，本次實驗中共選取3個放料速度，分別為0.5，1.0與1.5kg/s，對不同放料速度條件下粉塵濃度分布進行詳細(xì)測定，得粉塵濃度分布如圖8(e)所示。從圖8(e)可看出：放料速度在0.5～1.5kg/s，隨著放料速度的加快，粉塵濃度整體逐漸升高。放料速度越快，礦石輸送的基數(shù)越大，膠帶運行過程中產(chǎn)生的誘導(dǎo)空氣量增加，導(dǎo)致粉塵析出量增加；另一方面帶式輸送機工作負(fù)荷增大，導(dǎo)致其運行過程中自身的振動等狀況更為猛烈，這也是粉塵濃度升高的又一個原因。

(6)不同放料高度條件下粉塵濃度分布。

為了研究轉(zhuǎn)載點高度落差對膠帶輸送巷道粉塵濃度分布的影響，本實驗通過調(diào)整放料漏斗的高度來改變放料高度，即改變放料口與膠帶機上膠帶表面間的高差，并選取了4個放料高度，分別為10，18，26，34cm，得巷道模型內(nèi)粉塵濃度沿程分布如圖8(f)所示。從圖8(f)可以看出：放料高度在h=12～34cm范圍內(nèi)，放料高度越高，粉塵濃度整體越大。放料高度越高，礦石自由下落過程中與空氣發(fā)生剪切作用所經(jīng)歷的時間越久，其剪切作用塵化效應(yīng)越強烈，導(dǎo)致塵源處所產(chǎn)生的粉塵量越大，隨風(fēng)流擴散后增大了巷道空間粉塵濃度分布。

5 結(jié) 論

(1)巷道模型內(nèi)風(fēng)速從獨頭端開始，沿著回風(fēng)方向急劇下降，在距獨頭端約3.5m處趨于穩(wěn)定；風(fēng)流流場分布規(guī)律與現(xiàn)場基本吻合，對于開展相似實驗具有可行性。

(2)巷道模型內(nèi)粉塵濃度沿程先逐步上升至一個最大值，后逐步緩慢降低；在水平方向，膠帶中部粉塵濃度最高，膠帶左側(cè)最低；在高度方向，粉塵濃度在H=1.0m平面達(dá)到最大值，并以該平面為中心向上下兩側(cè)逐步降低。

(3)巷道風(fēng)流方向、巷道平均風(fēng)速、膠帶運行速度、礦石含水率、放料速度及放料高度等是影響膠帶輸送巷道粉塵濃度分布的6個主要因素。

(4)巷道平均風(fēng)速越大，帶式輸送機順風(fēng)運行且運行速度越小，粉塵濃度越低；礦石含水率越高，粉塵濃度越低，且礦石含水率達(dá)到3.09%后，粉塵濃度基本不再降低；放料速度越快，放料高度越高，粉塵濃度越大。

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Experimentalresearchondustdistributionanditsinfluencingfactorsinbeltconveyerroadway

CHEN Ju-shi,JIANG Zhong-an,JIANG Lan

(TheKeyLaboratoryofMinistryofEducationforHighEfficiencyExploitationandSafetyofMetalMine,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

Due to the similarity theory and the gas-solid two-phase flow equation motion,taking 11/96 belt conveyer inclined shaft in Xishimen Iron Ore as the research background,author educed the similarity index and designed a parallel model device for the specific situation in the belt convey roadway.Meanwhile,the dust distribution was experimentally studied.The results indicat that dust concentration along the first rises gradually to a maximum value in the roadway model,then gradually slowed down.Airflow direction,the average velocity of wind,the operating speed of the belt,ore moisture,feeding rate and feeding height are main influencing factors of dust distribution in the belt conveyer roadway.When the belt run along the wind direction in a low speed,the higher the velocity of wind,the smaller dust concentration will be.In the same way,the higher ore moisture,the lower the dust concentration.In addition,when ore moisture reaches the value of 3.09%,the dust concentration no longer reduces;What is more,the faster the feeding rate and the higher the feeding height,the greater dust concentration will be.

belt conveyer roadway;dust distribution;influencing factors;similarity criterion;gas-solid two-phase flow

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1755

國家自然科學(xué)基金資助項目(51274024)

陳舉師(1987—)，男，貴州畢節(jié)人，博士研究生。E-mail：chenjushi@163.com。通訊作者：蔣仲安(1963—)，男，浙江諸暨人，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：jza1963@263.net

TD714

A

0253-9993(2014)01-0135-06

陳舉師，蔣仲安，姜 蘭.膠帶輸送巷道粉塵分布及其影響因素的實驗研究[J].煤炭學(xué)報,2014,39(1):135-140.

Chen Jushi,Jiang Zhongan,Jiang Lan.Experimental research on dust distribution and its influencing factors in belt conveyer roadway[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):135-140.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1755