高溜井卸礦沖擊氣流影響因素的相似理論與實(shí)驗(yàn)研究

王 明， 蔣仲安, 陳舉師， 鄧權(quán)龍

(1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083; 2.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,河北 三河 101601)

高溜井卸礦沖擊氣流影響因素的相似理論與實(shí)驗(yàn)研究

王 明1,2， 蔣仲安1, 陳舉師1， 鄧權(quán)龍1

(1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083; 2.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,河北 三河 101601)

高溜井卸礦過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊氣流是卸礦硐室及其附近巷道產(chǎn)塵的主要原因，通過(guò)分析沖擊氣流產(chǎn)生的基本方程，根據(jù)相似原理，導(dǎo)出了高溜井卸礦沖擊氣流的相似準(zhǔn)則數(shù)，以李樓鐵礦24#卸礦溜井為原型，建立了高溜井的相似模型，并對(duì)不同卸礦條件下的沖擊氣流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：沖擊風(fēng)速隨卸礦流量的增加而增加，但其增幅隨卸礦流量增加而減小，最大沖擊風(fēng)速與卸礦流量成近似冪函數(shù)關(guān)系，且卸礦高度越大，冪指數(shù)越大，實(shí)驗(yàn)得冪指數(shù)范圍為0.593～0.732；卸礦高度越高沖擊氣流越大，且隨著卸礦高度的增加，礦石顆粒分散的空間越大，顆粒間相互作用越小，對(duì)溜井內(nèi)氣流的誘導(dǎo)作用越大，沖擊氣流增加的幅度隨卸礦高度的增加不斷提高；礦石粒徑范圍及出口阻力系數(shù)越大沖擊氣流越??；同時(shí)卸礦的中段越多，沖擊氣流會(huì)產(chǎn)生疊加而增大，但遠(yuǎn)小于各中段單獨(dú)卸礦產(chǎn)生沖擊氣流的總和。

高溜井；卸礦；沖擊氣流；相似準(zhǔn)則；影響因素

金屬礦山廣泛采用溜井轉(zhuǎn)運(yùn)礦石集中卸礦，溜礦井卸礦過(guò)程產(chǎn)生大量的粉塵，特別是多中段卸礦的高溜井，因礦石沿溜井下落過(guò)程中形成強(qiáng)大的沖擊氣流，帶出大量的粉塵，嚴(yán)重污染卸礦硐室及其附近巷道的工作環(huán)境。高溜井卸礦時(shí)粉塵防治難度較大，與卸礦流量、礦石卸礦高度、沖擊氣流大小等因素有關(guān)，國(guó)內(nèi)對(duì)此主要進(jìn)行了具體防塵措施的應(yīng)用研究，而對(duì)卸礦時(shí)沖擊氣流產(chǎn)生的規(guī)律研究較少[1]。國(guó)外對(duì)落料自由下落產(chǎn)生沖擊氣流的理論研究較多，而針對(duì)高溜井卸礦產(chǎn)生沖擊氣流的理論研究并不豐富，還需進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究對(duì)相關(guān)規(guī)律進(jìn)行探討[2-3]。

Hemeon[4]最早對(duì)小粒徑物料自由下落過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊氣流進(jìn)行了研究，并將產(chǎn)生的沖擊氣流看成是單個(gè)物料在靜止的空氣中自由下落產(chǎn)生氣流的總和。Cooper等[5]在前人研究的基礎(chǔ)上實(shí)驗(yàn)研究了皮帶運(yùn)輸轉(zhuǎn)載處物料下落過(guò)程卷吸空氣量的計(jì)算及其影響因素。Wypych等[6]認(rèn)為物料下落過(guò)程中內(nèi)部區(qū)域的顆粒對(duì)其周圍氣流的誘導(dǎo)作用較顆粒單獨(dú)下落時(shí)小。ANSART等[7-8]對(duì)小顆粒物料下落過(guò)程粉塵的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究。Uchiyama等[9-10]對(duì)自由下落的顆粒流進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，得到了不同條件下誘導(dǎo)氣流的分布情況。劉啟覺(jué)等[11-12]根據(jù)流體力學(xué)的相關(guān)理論，推導(dǎo)出了物料下落過(guò)程產(chǎn)生誘導(dǎo)風(fēng)量的計(jì)算公式。李小劍等[13]利用CFD數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究分析了自由下落物料與空氣的耦合機(jī)理及運(yùn)動(dòng)特征，求解出了自由下落微粒的誘導(dǎo)空氣量。上述對(duì)物料下落的研究主要集中在對(duì)物料下落過(guò)程中沖擊氣流的理論分析，忽略了顆粒間相互作用的影響，特別是在落料流量較大的有限空間內(nèi)顆粒間的相互作用遠(yuǎn)大于離散作用，造成結(jié)果與實(shí)際情況有一定差距。李小川等[14-16]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了物料下落過(guò)程誘導(dǎo)氣流及粉塵的產(chǎn)生機(jī)理，但實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ洼^小，且主要研究的是連續(xù)落料時(shí)沖擊氣流的產(chǎn)生規(guī)律。石朋波[17]針對(duì)礦車料槽處卸礦過(guò)程形成的揚(yáng)塵，采用理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬的方法對(duì)沖擊氣流進(jìn)行了分析。王英敏等[18]通過(guò)把礦石簡(jiǎn)化為球體，對(duì)礦石自由下落過(guò)程中前后形成的壓差進(jìn)行分析，推導(dǎo)出了卸礦時(shí)最大沖擊氣流與其影響因素之間的關(guān)系。暨朝頌[19]從礦石與溜井內(nèi)空氣能量交換的角度進(jìn)行分析，建立了相關(guān)的能量方程，探討了溜井內(nèi)沖擊氣流的產(chǎn)生過(guò)程和計(jì)算方法。前人在對(duì)溜井卸礦沖擊氣流方面的研究缺乏對(duì)礦石下落到底部之后氣流運(yùn)動(dòng)情況的研究。本文通過(guò)理論分析沖擊氣流的產(chǎn)生及流動(dòng)過(guò)程，建立相似實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^(guò)相似實(shí)驗(yàn)研究卸礦時(shí)沖擊氣流的產(chǎn)生規(guī)律及其影響因素，為更有針對(duì)性的提出高溜井卸礦粉塵的防治措施提供理論基礎(chǔ)。

1 沖擊氣流的產(chǎn)生及其影響因素分析

溜井卸礦時(shí)，礦石自由下落與溜井內(nèi)靜止的空氣發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)礦井通風(fēng)流體力學(xué)的相關(guān)理論可知，單個(gè)礦石顆粒受到的阻力相當(dāng)于空氣在溜井內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)礦石所引起的正面阻力，可有下式計(jì)算:

(1)

式中：hd為礦石所引起的正面阻力，Pa；Sn為礦石在巷道方向的投影面積，m2；s為溜井巷道的斷面積，m2；vn為礦石與空氣的相對(duì)速度，m/s1；ρg為空氣的密度，kg/m3；C為正面阻力系數(shù)，與礦石顆粒的雷諾數(shù)Re=ρgdpvn/μ有關(guān)(μ為空氣黏度，Pa/s1)；

由于礦石在風(fēng)流方向上的投影面積Sn遠(yuǎn)小于溜井?dāng)嗝鍿，式(1)中S-Sn可簡(jiǎn)化為S，當(dāng)大量礦石顆粒通過(guò)溜井自由下落時(shí)，假設(shè)氣體視為不可壓縮的連續(xù)相，礦石顆粒視為密度均勻的球形且相互間不發(fā)生碰撞等作用，則單位時(shí)間內(nèi)礦石受到的空氣阻力為

(2)

(3)

式中，H為卸礦高度，m。

在沖擊壓力作用下，由溜井口沖出的氣流與溜井口的風(fēng)阻有關(guān)。由于沖擊氣流的形成與消失屬于非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程，所以，其壓力損失為

(4)

風(fēng)流因克服阻力而造成能量損失，所以hc=h，即：

(5)

式(5)表明影響高溜井卸礦時(shí)沖擊氣流產(chǎn)生的主要因素包括礦石流量Mp、礦石粒徑dp、溜井卸礦高度H、溜井的直徑D、溜井口阻力系數(shù)ξ等。

2 相似實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h2>

2.1 沖擊氣流相似準(zhǔn)則分析

(4) 由于阻力系數(shù)ξ是無(wú)量綱量，用量綱分析是不能確定其冪次，為盡量消除其影響，應(yīng)取實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖枇ο禂?shù)與實(shí)體的阻力系數(shù)相同[20]。

2.2 實(shí)驗(yàn)相似模型的設(shè)計(jì)

以李樓鐵礦24#高溜井為原型，該溜井總共服務(wù)-325、-350、-375、-400中段，每個(gè)中段高25 m，溜井高為100 m，直徑為3 m，斜溜槽直徑為2.5 m，傾角為45°，建立幾何尺寸比為Cy/Cm=10/1的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｈ鐖D1所示為建立的溜井放礦實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?個(gè)中段，從上到下分別編號(hào)為1中段、2中段、3中段和4中段，溜井模型主體采用直徑為0.3 m的PVC管，斜溜槽采用直徑為0.25 m的PVC管，溜井總高度為10 m。

實(shí)驗(yàn)裝置由溜井模型主體、卸礦漏斗、出口斷面調(diào)

圖1 溜礦井放礦實(shí)驗(yàn)相似模型Fig.1 Similarity model of unloading ore in high ore pass

節(jié)板、儲(chǔ)礦段、測(cè)風(fēng)管及風(fēng)速儀組成。卸礦漏斗可以通過(guò)調(diào)節(jié)出口斷面控制卸礦時(shí)礦石流量的大小。斜溜槽出口設(shè)置斷面積調(diào)節(jié)板，調(diào)節(jié)不同的出口阻力系數(shù)。通過(guò)儲(chǔ)礦管儲(chǔ)存和放出落入溜井模型底部的礦石。風(fēng)速儀采用JFY-4型通風(fēng)多參數(shù)檢測(cè)儀，把風(fēng)速儀的探頭通過(guò)測(cè)風(fēng)管進(jìn)入斜溜槽，測(cè)定卸礦時(shí)產(chǎn)生沖擊氣流的大小。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法及各參數(shù)的測(cè)定

(1) 實(shí)驗(yàn)材料的制備：實(shí)驗(yàn)用礦石采用李樓鐵礦礦石，井下卸礦時(shí)礦石的實(shí)際尺寸為小于500 mm，經(jīng)XPC-60×100顎式破碎機(jī)破碎至50 mm以下，采用1目(孔徑約25 mm)、2目(孔徑約10 mm)、4目(孔徑約5 mm)、16目(孔徑約1 mm)篩分網(wǎng)將破碎之后的礦石篩分成5個(gè)等級(jí)，分別為：25 mm

(2) 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥枇ο禂?shù)的測(cè)定：經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定溜井從卸礦口完全開(kāi)口到幾乎完全密閉情況下阻力系數(shù)范圍大約為10～1 500。將溜井的最頂端開(kāi)口連接到一臺(tái)小型抽出式風(fēng)機(jī)的入口端，通過(guò)抽風(fēng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定溜井模型在不同出口斷面情況下的阻力系數(shù)。通過(guò)調(diào)節(jié)卸礦口的斷面積，設(shè)置合理的風(fēng)量，通過(guò)微差壓傳感器測(cè)定風(fēng)機(jī)入口靜壓，用風(fēng)速儀測(cè)定各出口的風(fēng)速，計(jì)算得不同條件下模型阻力系數(shù)的大小。

(3) 沖擊風(fēng)速的測(cè)定：采用JFY-4型通風(fēng)多參數(shù)檢測(cè)儀，在每個(gè)中段溜槽出口設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，卸礦時(shí)同時(shí)開(kāi)啟各個(gè)風(fēng)速監(jiān)測(cè)儀，每隔1 s讀數(shù)一次，共監(jiān)測(cè)120 s。

3 相似實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 高溜井卸礦沖擊氣流產(chǎn)生規(guī)律

為對(duì)比分析相似實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的高溜井卸礦時(shí)沖擊氣流，結(jié)合李樓鐵礦的現(xiàn)場(chǎng)情況，根據(jù)相似比得到的實(shí)驗(yàn)條件為卸礦量6 kg/s1、卸礦高度為10 m、礦石粒徑小于50 mm、阻力系數(shù)為53，卸礦時(shí)間為2 s，通過(guò)相似實(shí)驗(yàn)得到了1中段卸礦時(shí)各個(gè)中段的沖擊氣流隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖2所示。通過(guò)相似比還原實(shí)驗(yàn)測(cè)定的值，得到實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?中段的實(shí)驗(yàn)值與李樓鐵礦高溜井-400中段出口的實(shí)測(cè)值的對(duì)比,如圖3所示。

圖2 各中段沖擊風(fēng)速隨時(shí)間的變化關(guān)系

Fig.2 The changes over time of the impact velocity in every middle section

圖3 沖擊風(fēng)速的實(shí)驗(yàn)值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比圖

Fig.3 Comparison of impact velocity between experiment and field measurement

由圖2、圖3可知：①卸礦時(shí)各中段沖擊風(fēng)速隨時(shí)間的變化規(guī)律一致，都是隨著礦石的下落迅速增大，且在礦石通過(guò)該中段之后達(dá)到最大值，然后逐漸減小至穩(wěn)定值；沖擊風(fēng)速隨中段高度的降低而增大，最大沖擊風(fēng)速在4中段達(dá)到1.4 m/s1，而在1中度風(fēng)速只有0.4 m/s1；②中段高度越高，沖擊風(fēng)速達(dá)到峰值的時(shí)間越早，沖擊風(fēng)速在1中段達(dá)到峰值的時(shí)間在卸礦后4 s，而在4中段達(dá)到峰值時(shí)間大概在8 s以后，同時(shí)可知，沖擊風(fēng)速由零增加到最大值所用的時(shí)間t遠(yuǎn)大于礦石自由落體的時(shí)間；③底部中段無(wú)論是最大沖擊風(fēng)速的大小，還是保持較大風(fēng)速的時(shí)間范圍都要遠(yuǎn)大于上部中段的值，所以文中對(duì)沖擊風(fēng)速影響因素的實(shí)驗(yàn)研究主要針對(duì)第4中段進(jìn)行研究分析；④通過(guò)相似比還原實(shí)驗(yàn)得到的速度隨之間的變化曲線，對(duì)比分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，可以發(fā)現(xiàn)卸礦時(shí)沖擊風(fēng)速的實(shí)驗(yàn)值和實(shí)測(cè)值變化規(guī)律有較好的一致性，從而驗(yàn)證了相似模型的可靠性和適用性。

3.2 不同影響因素對(duì)沖擊風(fēng)速的影響

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，卸礦流量、卸礦高度、礦石粒徑、溜井口阻力系數(shù)及同時(shí)卸礦中段數(shù)是影響高溜井卸礦時(shí)沖擊氣流產(chǎn)生的5個(gè)主要因素。通過(guò)改變卸礦時(shí)各參數(shù)條件，對(duì)卸礦出口沖擊風(fēng)速進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，研究各因素對(duì)沖擊氣流產(chǎn)生的影響規(guī)律。

3.2.1 卸礦量對(duì)沖擊風(fēng)速的影響

溜井放礦過(guò)程中產(chǎn)生沖擊氣流的動(dòng)力主要來(lái)自礦石本身的重量，采場(chǎng)溜井一次實(shí)際的放礦量有1 t、2 t、3 t等不同情況。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的相似條件，模型實(shí)驗(yàn)中一次放礦量必須控制在10 kg/s1以內(nèi)。為研究不同卸礦流量對(duì)沖擊風(fēng)速的影響，分別調(diào)節(jié)卸礦漏斗控制礦石流量為2 kg/s1、4 kg/s1、6 kg/s1、8 kg/s1、10 kg/s1，在1中段進(jìn)行卸礦時(shí)，得到4中段沖擊風(fēng)速隨時(shí)間的變化如圖4所示，卸礦高度一定條件下，得到最大沖擊風(fēng)速隨卸礦流量的變化曲線,如圖5所示。

圖4 不同卸礦流量時(shí)沖擊風(fēng)速隨時(shí)間的變化關(guān)系

Fig.4 The changes over time of the impact velocity in different unloading ore flow

圖5 最大沖擊風(fēng)速隨卸礦流量的變化關(guān)系

Fig.5 Relationship between the biggest impact velocity and unloading ore flow

由圖4可知：①1中段卸礦時(shí)，4中段的沖擊風(fēng)速隨礦石流量的增大而增大，當(dāng)?shù)V石重量為10 kg/s1時(shí)，最大沖擊風(fēng)速達(dá)到2.1 m/s1以上，而當(dāng)?shù)V石重量為2 kg/s1時(shí)，最大沖擊風(fēng)速只有0.7 m/s1左右。②不論礦石重量多大，沖擊風(fēng)速達(dá)到最大值的時(shí)間基本相同，但卸礦量越高，風(fēng)速下降到最低值的時(shí)間越長(zhǎng)。

由圖5可知，卸礦高度相同時(shí)，最大沖擊風(fēng)速隨著卸礦流量的增大而不斷增大，但最大沖擊風(fēng)速隨卸礦流量增大而增加的幅度減小。沖擊風(fēng)速與卸礦流量成近似冪函數(shù)關(guān)系，不同卸礦高度，沖擊風(fēng)速隨卸礦流量變化的冪指數(shù)不同，卸礦高度越大冪指數(shù)越大，實(shí)驗(yàn)得冪指數(shù)范圍為0.593～0.732。導(dǎo)致卸礦流量增大而沖擊風(fēng)速增加幅度減緩的主要原因是礦石下落過(guò)程中不斷互相作用影響了礦石顆粒與空氣的接觸，卸礦流量越大，同時(shí)下落的礦石越多，處于礦石流內(nèi)部的顆粒與空氣接觸的幾率越小，從而降低了礦石對(duì)溜井內(nèi)氣流的作用力。由于卸礦高度的增加，在下落的過(guò)程中有更多的空間讓礦石顆粒充分散開(kāi)，增加了礦石與空氣接觸的范圍，所以卸礦高度越大，卸礦流量的增加對(duì)沖擊氣流的影響越大。

3.2.2 卸礦高度對(duì)沖擊風(fēng)速的影響

由能量守恒定律可知，礦石顆粒下落的過(guò)程中將勢(shì)能轉(zhuǎn)換為空氣動(dòng)能、礦石自身的動(dòng)能和碰撞及摩擦損失的能量，高度是溜井內(nèi)空氣獲得能量多少的最直接因素。為研究不同卸礦高度對(duì)溜井沖擊風(fēng)速的影響，分別在1中段(H=10 m)、2中段(H=7.5 m)、3中段(H=5 m)、4中段進(jìn)行倒礦(H=2.5 m)，監(jiān)測(cè)到4中段的沖擊風(fēng)速隨時(shí)間的變化曲線,如圖6所示。

圖6 不同卸礦高度時(shí)沖擊風(fēng)速隨時(shí)間的變化關(guān)系

Fig.6 The changes over time of the impact velocity in different unloading height

由圖6可知：①4中段的沖擊風(fēng)流隨卸礦高度的增加而增大，且卸礦高度越高，沖擊風(fēng)速持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，而沖擊風(fēng)速達(dá)到峰值的時(shí)間隨卸礦高度的增加而增大；②1中段卸礦時(shí)，沖擊風(fēng)速最大值能達(dá)到1.4 m/s1左右，達(dá)到峰值的時(shí)間為10 s，沖擊風(fēng)流持續(xù)時(shí)間約為20 s，而在4中段卸礦時(shí)，最大沖擊風(fēng)速只有0.3 m/s1，達(dá)到?jīng)_擊風(fēng)速的峰值時(shí)間為7 s左右，沖擊氣流持續(xù)時(shí)間不超過(guò)15 s。

在礦石粒徑一定的情況下，得最大沖擊風(fēng)速隨卸礦高度的關(guān)系曲線如圖7所示，由圖可知：①礦石粒徑一定時(shí)，卸礦產(chǎn)生的最大沖擊風(fēng)速隨卸礦高度的增加而顯著增大，且與卸礦高度擬合成指數(shù)函數(shù)，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，最大沖擊風(fēng)速增加的趨勢(shì)隨卸礦高度的增加而變大。在卸礦高差范圍內(nèi)，礦石還處于較大的加速階段，由于卸礦高度的增加，礦石分散的空間越大，對(duì)溜井內(nèi)氣流的誘導(dǎo)作用越大，所以最大沖擊氣流增加的幅度隨卸礦高度的增加而不斷提高。②對(duì)于不同粒徑范圍的礦石，最大沖擊風(fēng)速隨高度變化函數(shù)的指數(shù)不一樣，函數(shù)的指數(shù)隨粒徑的減小，先增大再變小，說(shuō)明在一定粒徑范圍內(nèi)，粒徑越小，最大沖擊風(fēng)速隨卸礦高度變化越明顯；由于空氣阻力的作用，粒徑小于一定范圍的礦石顆粒在卸礦高度范圍內(nèi)很快達(dá)到了勻速運(yùn)動(dòng)，所以導(dǎo)致最大沖擊風(fēng)速隨高度變化的趨勢(shì)減小。

圖7 最大沖擊風(fēng)速隨卸礦高度的變化關(guān)系Fig.7 Relationship between the biggest impact velocity and unloading height

3.2.3 礦石粒徑對(duì)沖擊風(fēng)速的影響

為研究卸礦時(shí)不同粒徑的礦石對(duì)沖擊風(fēng)速的影響，在1中段斜溜槽口進(jìn)行不同粒徑范圍的礦石進(jìn)行倒礦，卸礦流量為6 kg/s1，對(duì)4中段的沖擊風(fēng)速進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)得到?jīng)_擊氣流隨時(shí)間的變化曲線,如圖8所示。

圖8 不同礦石粒徑時(shí)沖擊風(fēng)速隨時(shí)間的變化關(guān)系

Fig.8 The changes over time of the impact velocity in different ore particle size

從圖8中可以看出，在1中段卸礦時(shí)，4中段的沖擊風(fēng)速隨著粒徑的減小而增大，當(dāng)?shù)V石粒徑小于1 mm時(shí)，最大沖擊風(fēng)速達(dá)到1.7 m/s1左右，而當(dāng)?shù)V石粒徑大于25 mm時(shí)，最大沖擊氣流只有0.6 m/s1左右，主要原因是在礦石重量相同的情況下，礦石粒徑越小，礦石的比表面積越大，對(duì)溜井內(nèi)氣流的影響越大。

由式(1)可知，卸礦時(shí)礦石顆粒對(duì)溜井內(nèi)空氣的作用力與礦石在垂直于風(fēng)流方向上的投影面積直接相關(guān)，單位質(zhì)量的礦石粒徑越小，礦石顆粒數(shù)越多，礦石總投影面積越大，對(duì)溜井內(nèi)氣流的作用力越大。由于礦石顆粒下落過(guò)程中不斷互相碰撞、摩擦等接觸作用，投影面積與礦石粒徑不完全成線性變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)得到的不同礦石粒徑與最大沖擊氣流的關(guān)系如圖9所示，從圖中可以看出，卸礦流量一定情況下，最大沖擊氣流隨礦石粒徑范圍的增大而減小，粒徑越大最大沖擊氣流的降低的趨勢(shì)也增加。礦石粒徑范圍一定時(shí)，最大沖擊氣流隨卸礦流量的增加而增加，增加的趨勢(shì)隨卸礦流量的增加而減小，且粒徑越小時(shí)趨勢(shì)減小的越明顯。分析礦石顆粒的下落過(guò)程可知，卸礦流量越大，粒徑范圍越小，礦石顆粒間接觸的幾率也越大，從而導(dǎo)致最大沖擊風(fēng)速增加的趨勢(shì)減小。

圖9 最大沖擊風(fēng)速隨礦石粒徑的變化關(guān)系

Fig.9 Relationship between the biggest impact velocity and ore particle size

3.2.4 溜井口阻力系數(shù)對(duì)沖擊風(fēng)速的影響

溜井卸礦過(guò)程中溜井內(nèi)空氣獲得能量后主要用于克服溜井及與其進(jìn)出口兩端并聯(lián)的外部巷道所產(chǎn)生的阻力，在溜井口設(shè)置井蓋等增阻措施時(shí)，井蓋的密閉性對(duì)沖擊氣流的大小產(chǎn)生直接的影響。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)改變溜井口的斷面積，來(lái)改變整個(gè)溜井模型的阻力系數(shù)，測(cè)得阻力系數(shù)ξ分別為21、53、215、533、1 260情況下沖擊氣流的分布情況,如圖10所示。

由圖10可知：①?zèng)_擊氣流隨溜井阻力系數(shù)的增大顯著減小，當(dāng)阻力系數(shù)較小時(shí)，沖擊風(fēng)速隨阻力系數(shù)的變化幅度較大，隨著阻力系數(shù)的不斷增大，沖擊風(fēng)速的下降幅度也不斷減小。②溜井出口阻力系數(shù)越小，沖擊氣流達(dá)到最大值的時(shí)間越短，沖擊氣流下降到較小值的速度也越快。③從圖中各曲線與X軸所圍成的面積大小可知，出口阻力系數(shù)越大，從溜井口流出的風(fēng)量越小，根據(jù)能量守恒定律，大部分沖擊氣流在溜井內(nèi)部循環(huán)，克服巷道阻力而損失能量。

圖10 不同溜井阻力系數(shù)時(shí)沖擊風(fēng)速隨時(shí)間的變化關(guān)系

Fig.10 The changes over time of the impact velocity in different high ore pass drag coefficient

3.2.5 多中段同時(shí)卸礦對(duì)沖擊風(fēng)速的影響

由于井下經(jīng)常出現(xiàn)多中段同時(shí)生產(chǎn)的情況，所以研究不同中段同時(shí)卸礦對(duì)溜井沖擊風(fēng)速的影響非常有必要。實(shí)驗(yàn)時(shí)，每中段采用6 kg礦石分別井下單一中段(1中段)，兩個(gè)中段(1、2中段)同時(shí)倒礦、三個(gè)中段同時(shí)倒礦(1、2、3中段)，對(duì)4中段的沖擊風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)比分析不同卸礦中段數(shù)對(duì)沖擊風(fēng)速的影響如圖11所示，由圖可知：卸礦中段數(shù)越多，4中段處的沖擊風(fēng)速越大，由于卸礦中段數(shù)的增加導(dǎo)致卸礦量增加，沖擊風(fēng)流疊加，但產(chǎn)生的沖擊氣流遠(yuǎn)小于各中段單獨(dú)卸礦產(chǎn)生沖擊氣流的總和。多中段同時(shí)卸礦時(shí)，由于下部中段礦石在其后方溜井內(nèi)形成的補(bǔ)充氣流抵消了部分上部中段在其前方產(chǎn)生的沖擊氣流，從而導(dǎo)致沖擊氣流強(qiáng)度降低，補(bǔ)充氣流會(huì)隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸減弱，最終還是會(huì)有沖擊氣流的疊加，所以控制各個(gè)中段卸礦的時(shí)間差，對(duì)降低多中段卸礦沖擊氣流疊加有所幫助。

圖11 不同中段同時(shí)卸礦時(shí)沖擊風(fēng)速隨時(shí)間的變化關(guān)系

Fig.11 The changes over time of the impact velocity when different middle section unloading together

4 結(jié) 論

(2) 卸礦時(shí)底部中段最大沖擊風(fēng)速的大小及其持續(xù)時(shí)間都要遠(yuǎn)大于上部中段，沖擊氣流的實(shí)驗(yàn)值和實(shí)測(cè)值變化規(guī)律都有較好的一致性，證明了實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及相似理論的正確性，表明高溜井卸礦模型能夠很好地模擬沖擊氣流的產(chǎn)生過(guò)程；

(3) 最大沖擊風(fēng)速隨卸礦流量的增加而增加，在量值上與卸礦流量成近似冪函數(shù)關(guān)系，且卸礦高度越大，冪指數(shù)越大，實(shí)驗(yàn)得冪指數(shù)范圍為0.593～0.732；卸礦高度越高，沖擊氣流越大，且沖擊氣流增加的幅度隨卸礦高度的增加不斷提高；礦石粒徑范圍及出口阻力系數(shù)越大沖擊氣流越?。煌瑫r(shí)卸礦的中段越多，沖擊氣流會(huì)產(chǎn)生疊加而增大，但遠(yuǎn)小于各中段單獨(dú)卸礦產(chǎn)生沖擊氣流的總和；

(4) 建立的高溜井卸礦模型及實(shí)驗(yàn)得到影響沖擊氣流產(chǎn)生的因素為深入研究高溜井卸礦粉塵的產(chǎn)生及提出更有針對(duì)性的粉塵控制措施提供理論參考。

[1] 吳國(guó)珉，劉金明，吳超. 溜井放礦沖擊氣流的分析與污染控制措施[J]. 采礦技術(shù), 2007, 7(4): 40-41.

WU Guomin, LIU Jinming, WU Chao. Analyzing the impact air chute ore and pollution control measures[J]. Mining Technology, 2007, 7(4): 40-41.

[2] ULLMANN A, DAYAN A. Exhaust volume model for dust emission control of belt conveyor transfer points[J]. Powder Technology, 1998, 96(2): 139-147.

[3] CALIZAYA F, DUCKWORTH I J. Study of pressure buildup in long orepasses using computational fluid dynamics (CFD)[J]. Transactions-society for Mining Metallurgy and Exploration Incorporated, 2007, 320: 122.

[4] HEMEON W C L. Plant and process ventilation[M]. New York: Industrial Press, 1963.

[5] COOPER P, ARNOLD P. Air entrainment and dust generation from a falling stream of bulk material[J]. KONA Powder and Particle Journal, 1995, 13: 125-134.

[6] WYPYCH P, COOK D, COOPER P. Controlling dust emissions and explosion hazards in powder handling plants[J]. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 2005, 44(2): 323-326.

[7] ANSART R, RYCK A D, DODDS J A. Dust emission in powder handling: Free falling particle plume characterisation[J]. Chemical Engineering Journal, 2009, 152(2/3): 415-420.

[8] ANSART R, DE RYCK A, DODDS J A, et al. Dust emission by powder handling: Comparison between numerical analysis and experimental results[J]. Powder Technology, 2009, 190(1/2): 274-281.

[9] UCHIYAMA T. Numerical analysis of particulate jet generated by free falling particles[J]. Powder Technology, 2004, 145(2): 123-130.

[10] ESMAILI A A, DONOHUE T J, WHEELER C A, et al. On the analysis of a coarse particle free falling material stream[J]. International Journal of Mineral Processing, 2015, 142: 82-90.

[11] 劉啟覺(jué). 理想落料誘導(dǎo)空氣量的計(jì)算[J]. 通風(fēng)除塵, 1987(3): 33-36.

LIU Qijue. Ideal falling material induced air rate calculation[J]. Ventilation and Dust Removal, 1987(3): 33-36.

[12] 嚴(yán)興忠. 落料誘導(dǎo)空氣量的理論計(jì)算法[J]. 工業(yè)安全與防塵, 1993(8): 12-18.

YAN Xingzhong. The theoretical calculation method for the falling-substance-induced air rate[J]. Industrial Safety and Dust Control, 1993(8): 12-18.

[13] 李小劍. 自由下落微粒羽流的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 天津: 天津商業(yè)大學(xué), 2007.

[14] 李小川. 氣流場(chǎng)中粉塵顆粒流動(dòng)行為與濕法凈化[D]. 徐州: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué), 2013.

[15] 李小川，李強(qiáng)，張棟，等. 轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)落料誘導(dǎo)氣流非線性變化影響因素[J]. 粉末冶金材料科學(xué)與工程, 2014, 19(4): 508-513.

LI Xiaochuan, LI Qiang, ZHANG Dong, et al. Nonlinear variation influence factors for induced airflow of bulk materials in transfer station[J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2014, 19(4): 508-513.

[16] 張桂芹，劉澤常，王兆軍，等. 物料下落過(guò)程中可吸入顆粒物產(chǎn)生特性及控制技術(shù)[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2007, 1(2): 82-87.

ZHANG Guiqin, LIU Zechang, WANG Zhaojun, et al. Generation characteristics of inhalable particles of free falling powder materials[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2007, 1(2): 82-87.

[17] 石朋波. 大型礦用車卸礦料槽塵源控制用除塵裝置的研究及應(yīng)用[D]. 上海: 東華大學(xué), 2013.

[18] 王英敏，欒昌才. 溜礦井沖擊風(fēng)量的計(jì)算及其控制[J]. 有色金屬(礦山部分), 1981(1): 41-45.

WANG Yingmin, LUAN Changcai. Mine impact air flow calculation and control[J]. Nonferrous Metals (Mine Section), 1981(1): 41-45.

[19] 暨朝頌. 溜井的沖擊氣流[J]. 中國(guó)礦山工程, 2007, 36(1): 36-38.

JI Chaosong. The impact air-flow in ore pass[J]. China Mine Engineering, 2007, 36(1): 36-38.

[20] 王英學(xué)，高波，趙文成，等. 高速列車進(jìn)出隧道空氣動(dòng)力學(xué)特征模型實(shí)驗(yàn)分析[J]. 流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測(cè)量, 2004, 18(3): 73-78.

WANG Yingxue, GAO Bo, ZHAO Wencheng, et al. Aerodynamics character model experiment analysis of high-speed train going through tunnel[J]. Experiments and Measurements in Fluid Mechanics, 2004, 18(3): 73-78.

Similaritytheoryandtestsforimpactingairflowinfluencefactorsduringunloadingoreinahighorepass

WANG Ming1,2, JIANG Zhongan1, CHEN Jushi1, DENG Quanlong1

(1. School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2. School of safety engineering, North China Institute of Science and Technology, Sanhe, 101601, China)

Impacting air flow producedin ore drawing througha high ore pass is the main reason why ore dumping chamber and adjacent tunnel produce dust. Here, according to the similarity principle, the similarity criteriaof impacting air flow produced during unloading ore in a high ore pass were derived by analyzing the basic equation. Taking 24# ore pass in Li Lou iron mine as the original model, the similarity model of the high ore pass was built, tests were conducted for impacting air flows under different unloading ore conditions. The results showed that the impact wind speed increases but its amplitude growth rate decreases with increase in the unloading ore flow rate, the maximum impact wind speed and the unloading ore flow rate form approximately a power function relation, the higher the unloading ore height, the larger the power exponent, the range of power exponent measured with tests is 0.593-0.732; the higher the unloading ore height, then the bigger the impacting air flow, the larger the space for ore particles dispersion, the smaller the interaction between particles, the bigger the induction effect on the air flow in the ore pass; the growth rate of the impacting air flow increase with increase in the unloading ore height; the greater the ore particle size range and drag coefficient at the exit, the smaller the impacting air flow; impacting air flow increases due to superposition effect with increases in segments of unloading ore， but it is far less than the sum ofimpacting air flows generated due to the separate unloading ore in each segment.

high ore pass; unloading ore; impacting air flow; similarity criterion; influence factors

國(guó)家自然科學(xué)基金(51574016)；北京市自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(8164060)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(FRF-TP-15-038A2)

2016-10-26 修改稿收到日期：2017-03-27

王明 男，博士，1988年9月

蔣仲安 男，教授，博士生導(dǎo)師，1963年10月

TD714.2

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.23.040