高溜井卸礦氣流誘導粉塵污染研究

蔣仲安 王亞朋 王九柱

摘? ?要：為掌握金屬礦山高溜井卸礦風流及粉塵的時空變化規(guī)律，采用相似原理推導出了高溜井卸礦氣流及粉塵的相似準則數(shù)，以相似準則數(shù)為基礎(chǔ)建立了溜井相似實驗?zāi)Ｐ停⑼ㄟ^相似實驗及數(shù)值模擬對不同卸礦流量、不同礦石粒徑及不同卸礦高度下溜井內(nèi)氣流變化、粉塵運移規(guī)律進行研究. 研究結(jié)果表明：溜井第一中段卸礦時，第一、二中段井口壓差為負，第三、四中段壓差為正;三、四中段有粉塵被卸礦氣流帶出，為溜井主要產(chǎn)塵點;隨卸礦流量的增加，產(chǎn)塵點的風速及粉塵濃度呈現(xiàn)出先增加后減少的規(guī)律，卸礦流量為1.0 kg/s時風速及產(chǎn)塵量最大;卸礦流量不變時，產(chǎn)塵點的風速與礦石粒徑呈反比，粉塵濃度與礦石粒徑為冪函數(shù)關(guān)系，指數(shù)最大值為-0.63;卸礦流量及礦石粒徑不變時，卸礦高度越大產(chǎn)塵點的風速及粉塵濃度越大.

關(guān)鍵詞：高溜井;粉塵擴散;沖擊氣流;相似準則;高速攝影

中圖分類號：TD714.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Studies on Dust Pollution Induced

by High-ore Pass Unloading Airflow

JIANG Zhongan，WANG Yapeng?，WANG Jiuzhu

（ School of Civil and Resource Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

Abstract：In order to grasp the temporal and spatial variation of unloading airflow and dust in high ore pass in metal mines，the similarity criterion of high ore pass unloading airflow and dust was derived by similar principle. The similar experimental model of the ore pass was established based on the similarity criterion. Experiments and numerical simulations were carried out to study the airflow changes and dust migration laws under different unloading flow rates，different ore sizes and different unloading heights. The results show that when the first middle section of the ore pass is unloading，the differential pressure at the wellhead in the first and second middle sections is negative，and the pressure difference in the third and fourth middle sections is positive; in the third and fourth middle sections，the dust is discharged by the unloading airflow，which is the main dust-producing point of the ore pass; with the increase of the unloading flow，the wind speed and dust concentration of the dust-producing point show a law of increase first and then decrease，and when the unloading flow is 1.0 kg/s，the wind speed and dust production are the largest; When the unloading flow rate is constant，the wind speed of the dust-producing point is inversely proportional to the ore particle size. The dust concentration and ore particle size are in a power function relationship，and the maximum index is -0.63; When the unloading flow rate and ore particle size are constant，the greater unloading height results in the greater wind speed and dust concentration of the dust-producing point.

Key words：high-ore pass;dust-diffusion;impinging airflow;similar criteria;high-speed photography

溜井作為金屬礦山主要運輸系統(tǒng)，大量礦石在溜井內(nèi)快速下落，形成活塞效應(yīng)，溜井內(nèi)穩(wěn)定氣流被推動，由井口涌出形成沖擊氣流. 礦石下落造成的粉塵被沖擊氣流攜帶進入巷道，導致粉塵污染[1-3]. 國內(nèi)外對于溜井氣流及粉塵運動規(guī)律的直接研究相對較少，針對散落物下落誘導氣流分析較多. Uchiyama等[4-5]建立二維及三維數(shù)值模型，對分散顆粒流下落的復(fù)雜紊流過程進行了模擬分析. 通過建立不同邊界條件下的模型，分析了顆粒密度和直徑對自身流動的影響. Wypych等[6]和Liu等[7]采用實驗及理論推導方法對物料下落夾帶氣流及粉塵產(chǎn)生量進行研究，分析了物料下落高度與夾帶氣流量之間的關(guān)系，得出夾帶氣流量與下落高度的5/3次方成正比. 李維梓[8]假設(shè)物料下落為自由落體，下落過程中沒有溫度變化，推導并證明出散落物誘導氣流的最大速度小于物料末速度的0.807倍. 李小川等[9-10]將物料下落過程中夾帶空氣作為產(chǎn)塵的主要因素，對現(xiàn)有理論計算公式及實驗方法進行總結(jié)，為物料下落夾帶氣流量的計算提出了研究方案. 賈蘭等[11]運用溜槽物料牽引流、落料誘導氣流和剪切氣流理論分析了溜槽工藝的粉塵析出機理. 同時總結(jié)出，溜槽運輸系統(tǒng)粉塵的析出是誘導空氣的塵化作用及剪切壓縮空氣塵化作用的結(jié)果，影響粉塵析出的主要因素包括物料的基本屬性、運行速度及溜槽出口落差. 王學文等[12]使用離散元軟件EDEM建立了某型號煤倉與煤散料的分析模型，描述了EDEM建立煤倉模型、煤顆粒模型和生成煤散料的具體方法，模擬仿真了煤倉內(nèi)煤散料卸料流動狀態(tài). Ansart等[13-14]和 M?bius[15]針對固體散裝物料下落過程中堆積及粉塵擴散問題，建立漏斗實驗裝置分析了粉末自由下落形成的粉塵雨流特征，并研究了漏斗口形狀對雨流特征的影響. 劉啟覺[16]、嚴興忠[17]依靠流體力學的相關(guān)理論，推導出了物料下落過程產(chǎn)生誘導風量的計算公式. 王英敏等[18]通過忽略礦石與井壁之間的碰撞，將礦石下落視為自由沉降，推導出溜井內(nèi)最大沖擊風速計算方程，從而確定了影響沖擊風速的主要因素.

上述對于物料下落誘導氣流的研究，忽略了礦石間的碰撞關(guān)系，沒有明確分析出溜井內(nèi)礦石下落過程中，各中段風流方向與礦石運動位置的對應(yīng)關(guān)系. 因此，為全面分析溜井產(chǎn)塵及氣流分布規(guī)律，本文以安徽礦業(yè)集團溜井運輸系統(tǒng)為研究背景，采用相似實驗及數(shù)值模擬兩種分析方式，依靠高速攝像技術(shù)，對不同卸礦條件下溜井口粉塵擴散及氣流變化進行直觀研究，為溜井卸礦粉塵的治理提供理論基礎(chǔ).

1? ?相似實驗?zāi)Ｐ蛥?shù)確定

溜井尺寸較大，很難建立1 ∶ 1的實驗?zāi)Ｐ? 為保證實驗的可行性，采用相似準則對原有尺寸進行縮放，建立溜井的相似實驗?zāi)Ｐ瓦M行分析，為實現(xiàn)相似實驗?zāi)Ｐ团c現(xiàn)場情況相同，產(chǎn)生的物理現(xiàn)象及力學相似，不但要保證模型的幾何相似，流體的運動及動力相似，同時還要滿足兩種環(huán)境下的流體運動具有相同的初始條件及邊界條件. 溜井相似準則是建立相似模型的基礎(chǔ)，為滿足相似實驗對相似模型的要求，根據(jù)相似定理分別對溜井內(nèi)氣流及固體顆粒的相似準則數(shù)進行推導.

1.1? ?沖擊氣流相似準則推導

根據(jù)暨朝頌[19]建立的溜井內(nèi)沖擊氣流量計算方程式可知，影響溜井內(nèi)沖擊氣流量Q的主要物理量包括空氣密度ρg、礦石直徑dp、空氣粘度μ、溜井直徑D、礦石的質(zhì)量流量mP、重力加速度g、礦石密度ρp、礦石下落高度h、溜井局部通風阻力系數(shù)ξ及溜井內(nèi)沖擊風速vg. 由相似第二定理可知在假定流體為不可壓縮并忽略熱交換的情況下，溜井卸礦誘導沖擊氣流函數(shù)表達式為：

f = （ρg，dp，μ，D，mp，g，ρp，h，ξ，vg）? ?（1）

再根據(jù)π定理在上述物理量中選取dp、ρg、g 3個互不影響的獨立量綱，則無量綱π數(shù)為7. 無量綱π可以表示為π1 = dpaρgbgc mp;π2 = dpdρgegf h;π3 =dpgρghgi D;π4 = dpjρgkgl ρp;π5 = dpmρgngo vg;π6 = dppρgqgr μ;π7 = dpsρgtgu ξ. π1表達式兩側(cè)的因次為：1 = [L]a[ML-3]b[LT-2]c[MT-1]，L表示長度量綱;M表示質(zhì)量量綱;T表示時間量綱. 為滿足等式成立，則方程式指數(shù)為零，即滿足方程組：a+c-3b=0，b+1=0，-2c-1=0;解得a= -，b=-1，c=-，因此得到π1 = ;同理可得π2 = ，π3 = ，π4 = ，π5 = ，π6 = ，π7 = ξ.

由π3、π4可知溜井內(nèi)礦石下落阻塞比準則數(shù) = ;π2、π5可知弗汝德準則數(shù) = ;質(zhì)量流量準則數(shù)π1 = . 氣流在溜井內(nèi)的流動可理想化為不可壓縮過程，要實現(xiàn)相似前后運動規(guī)律相同，在滿足幾何相似的同時，還需要滿足上述準則數(shù)相等. 由幾何相似可知相似模型與現(xiàn)場原型按照1 ∶ 25的比例縮小;溜井內(nèi)礦石下落阻塞比準則數(shù)為 = ，由阻塞比準則數(shù)看出礦石及空氣的密度是影響相似準則數(shù)相等的主要因素. 當保證相似實驗中礦石及空氣的密度與現(xiàn)場一致時，礦石粒徑在原有分布基礎(chǔ)上縮小25倍，即滿足溜井相似條件. 同理，為滿足弗汝德準則數(shù)及質(zhì)量流量準則數(shù)相等，卸礦質(zhì)量流量為實際卸礦流量的（1/25）.

1.2? ?粉塵顆粒相似準則推導

溜井內(nèi)礦石下落推動氣體運動的過程中，假設(shè)氣體為不可壓縮流動. 對其使用三維穩(wěn)態(tài)不可壓縮N-S方程進行描述，氣體運動方程可寫為[20]：

ρg = F + μg ΔUg - P? ? ? ? ? （2）

式中：ρg表示氣體密度，單位為kg/ m3;Ug表示氣體速度矢量，單位為m/s;t表示運動時間，單位為s;F表示氣體的單位質(zhì)量力，單位為N/m2;P表示為氣壓，單位為Pa;μg表示動力黏度，單位為Pa·s;Δ表示拉普拉斯算子.

粉塵顆粒在溜井內(nèi)隨氣流運動，對單個顆粒進行受力分析可知，顆粒尺寸較小忽略量級較小的力后，影響粉塵運動的主要力為重力、浮力、氣動阻力. 粉塵在溜井內(nèi)的運動方程可表示為[21-22]：

dp3ρp

- （ρp - ρg）g =

Cddp2ρg（Ug - Up）Ug - Up? ? ?（3）

式中：dp為粉塵顆粒直徑，單位為m;ρp為粉塵顆粒密度，單位為kg/m3;Cd為氣動阻力系數(shù);Up為粉塵顆粒的運動速度，單位為m/s;g為重力加速度，單位為m/s2.

延用對沖擊氣流相似準則推導過程，在式（2）（3）基礎(chǔ)上選取影響粉塵運移的主要物理量ρg，ρp，Ug，Up，μg，dp，g，P ，h，t. 其中，h為溜井高度，單位為m;t為粉塵運動時間. 同理根據(jù)π定理中量綱分析推導出以下準則數(shù)：斯托克斯準則數(shù)（Stk=dp2ρp l-1μg-1Ug - Up），雷諾準則數(shù)（Re = lρgUg? μg-1），弗勞德準則數(shù)（Fr = Ug l-0.5g-0.5），均時性準則數(shù)（H0 = Ug tl-1），密度準則數(shù) （ρp ρg-1），運動準則數(shù)（Up Ug-1）. 分析可知想要實現(xiàn)完全的相似，必須滿足所有準則數(shù)相等，即應(yīng)建立與現(xiàn)場完全一致的實驗?zāi)Ｐ?，顯然受實驗條件的限制不可能實現(xiàn)[23]. 因此，采用近似模型法對相似準則數(shù)進行簡化分析. 實驗時采用粉塵顆粒由現(xiàn)場采樣取回滿足密度準則數(shù);粉塵顆粒較小，其運動完全依附于空氣流動，可近似為兩種速度一致，運動準則數(shù)為1. 通過對溜井相似實驗中雷諾數(shù)的計算發(fā)現(xiàn)，其數(shù)值與現(xiàn)場條件下雷諾數(shù)值處于相同自模區(qū)內(nèi)，忽略雷諾準則數(shù)相等;分析顆粒重力與慣性力兩者之間的量級知，兩者之比的弗勞德準則數(shù)可以忽略. 通過對氣流、顆粒運動相似準則數(shù)的推導及簡化分析可知，為保證建立的溜井相似實驗?zāi)Ｐ偷贸雠c現(xiàn)場相同的物理現(xiàn)象，應(yīng)在滿足幾何相似的基礎(chǔ)上保證空氣介質(zhì)的密度、粘性系數(shù)與現(xiàn)場相同及粉塵顆粒在溜井內(nèi)物質(zhì)密度應(yīng)相等.

2? ?溜井實驗平臺的建立

以北京科技大學防塵實驗室為基礎(chǔ)，建立相似溜井卸礦粉塵分析實驗平臺. 實驗平臺主要包括相似溜井模型、高速攝影機（型號：UHS-12V2012）、微電腦激光粉塵檢測儀（型號：LD-5C）、通風多參數(shù)檢測儀（型號：JFY-4）. 通過上述儀器實現(xiàn)對卸礦時溜井口氣流、壓差及粉塵濃度變化情況的實時檢測與記錄，直觀反映出卸礦粉塵的產(chǎn)生及擴散過程. 為滿足可視化的分析礦石下落過程中溜井口及聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)粉塵的產(chǎn)生與運移，實驗采用高強度、高透視性亞克力材料建立溜井模型. 由溜井模型相似準則知，為滿足幾何相似，相似模型尺寸與實際尺寸比為1 ∶ 25. 建立的相似模型尺寸為：溜井高度H′為3.6 m，每個分層高度為h1′為0.8 m，溜井直徑D1′為0.14 m，礦倉直徑D2′為0.2 m，斜溜巷道直徑D3′為0.12 m（斜溜巷道與溜井夾角為35°），聯(lián)絡(luò)巷長L′為0.6 m，寬W′為0.16 m，高h2′為0.18 m. 通過對現(xiàn)場卸礦情況的調(diào)查，實驗時單次卸礦量為1.6 kg，卸礦流量為0.8 kg/s. 根據(jù)對溜井卸礦現(xiàn)場礦石粒徑的分析，按照相似準則數(shù)縮小后確定出相似實驗中礦石粒徑配比為小于0.5 mm（2%）、0.5～1 mm（34%）、1～5 mm（40%）、5～10 mm（20%）、10～20 mm（4%）. 建立的溜井卸礦實驗平臺及實驗使用礦石配比如圖1、圖2所示.

3? ?相似實驗結(jié)果分析

3.1? ?卸礦流量對產(chǎn)塵點氣流及粉塵濃度影響分析

卸礦流量是卸礦主要控制參數(shù)，以卸礦流量0.8 kg/s為基礎(chǔ)，選取0.4 kg/s、0.6 kg/s、0.8 kg/s、1.0 kg/s、1.2 kg/s 5個卸礦流量，在溜井第一中段進行卸礦實驗，并分別對不同中段溜井口壓差（測點為A～D）及風速（測點為a～d）大小監(jiān)測. 卸礦流量為0.8 kg/s時，各中段溜井口壓差監(jiān)測結(jié)果如圖3所示.

由圖3可知，第一中段測點A壓差始終為負值，說明此中段氣流被吸入溜井;第二中段測點B壓差3 s前為正值，表現(xiàn)出礦石對氣流的擠壓，3 s后礦石通過出現(xiàn)負壓，氣流被吸入溜井;第三、四中段壓差均為正值，表現(xiàn)出礦石下落對溜井內(nèi)氣流壓縮的釋放階段. 因此，第一中段卸礦時，第三、四中段為溜井主要產(chǎn)塵點，風流是驅(qū)使粉塵進入聯(lián)絡(luò)巷的動力. 不同卸礦流量變化下，產(chǎn)塵點風速及粉塵峰值濃度變化如圖4所示.

由圖4（a）（b）可以看出，產(chǎn)塵點氣流速度隨著卸礦流量的增加呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢. 定性分析可知卸礦流量逐漸變大時，礦石對氣體的夾帶量增加導致風速變大（流量小于1.0 kg/s時）;當卸礦流量過大時分散的礦石可以視為整體下落的物體，與空氣的接觸面減小，夾帶氣流量減小，風速減少（流量大于1.0 kg/s時）. 第三中段風速衰減過程先后出現(xiàn)兩個峰值，產(chǎn)生這種規(guī)律的原因是礦石下落過程中氣流由溜井口迅速被壓出產(chǎn)生第一個峰值;當?shù)V石下落至礦倉后會產(chǎn)生反沖氣流對第三中段進行補充，因此出現(xiàn)第二個峰值. 而第四中段風流速度較大，反沖氣流量不足以補充其衰減量，因此風速僅體現(xiàn)出先增大后減小趨勢.由圖4（c）分析可知，粉塵峰值變化規(guī)律與風速隨卸礦流量變化規(guī)律一致，粉塵濃度最大值出現(xiàn)在第四中段. 在流量區(qū)間為0.8 ～ 1.0 kg/s范圍內(nèi)降低卸礦流量能明顯改善溜井口風速大小及產(chǎn)塵量.

分析實驗結(jié)果可知，卸礦流量小于1.0 kg/s時，粉塵濃度及風速值與卸礦流量呈正相關(guān)，第四中段風速及粉塵濃度均為最大值. 為更加直觀反映出粉塵隨時間變化關(guān)系，采用高速攝影機對卸礦流量為1.0 kg/s時，第四中段粉塵擴散情況進行拍攝分析. 提取出0.05 s、0.10 s、0.1 5 s、0.20 s 4個時刻粉塵云運動圖像，如圖5所示. 高速攝影機拍攝參數(shù)設(shè)置如表1所示. 粉塵受卸礦氣流作用涌入聯(lián)絡(luò)巷后，大粒徑粉塵在巷道內(nèi)優(yōu)先沉降，小粒徑粉塵隨風流在巷道內(nèi)運動. 通過測量，粉塵云在0.2 s內(nèi)的擴散距離為0.2 m，粉塵云的運動速度為1 m/s. 卸礦口處最大沖擊風速為2.64 m/s，沖擊風速大概為粉塵運移速度的2.64倍，風速衰減較快粉塵滯后于風速在聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)運動.

3.2? ?礦石粒徑及卸礦高度對產(chǎn)塵點氣流及粉塵濃度

影響分析

礦石粒徑變化反映了礦石比表面積，卸礦量一定時礦石粒徑越小，礦石比表面積越大，與空氣接觸面積越大. 按照礦石配比設(shè)置礦石粒徑，在卸礦量及卸礦流量一定時，分別對10～20 mm、5～10 mm、1～5 mm、0.5～1 mm、小于0.5 mm 5個粒徑區(qū)間進行卸礦實驗. 不同粒徑下產(chǎn)塵點風速及粉塵濃度峰值變化如圖6所示. 由圖6看出粒徑變化時僅對各中段風速及粉塵濃度的大小產(chǎn)生影響，粒徑相同時粉塵濃度最大值出現(xiàn)在第四中段，與流量變化分析規(guī)律一致. 風速及粉塵濃度值與粒徑大小呈負相關(guān)，粒徑越大風速與濃度值越小. 其中，粉塵濃度與礦石粒徑變化呈冪函數(shù)關(guān)系，最大產(chǎn)塵點冪函數(shù)指數(shù)為-0.63.

理想化的卸礦過程是礦石與空氣間發(fā)生完全的能量交換，不存在能量損失，礦石的重力勢能完全轉(zhuǎn)化為空氣的動能. 因此，在不同中段卸礦即卸礦高度的變化直接影響了礦石重力勢能的大小. 確保卸礦量及卸礦流量不變的情況下分別在不同中段進行卸礦實驗，對三、四中段溜井口進行風速及粉塵濃度值監(jiān)測. 粉塵及風速峰值監(jiān)測結(jié)果如圖7所示.

由圖7看出，第四中段風速及粉塵濃度隨卸礦高度的增加而增大，礦石重力勢能的大小決定了溜井內(nèi)空氣動能量. 卸礦高度由0.8 m增加到3.2 m時，第四中段溜井口峰值風速增加了10倍. 第三中段風速相對較小，風速與卸礦高度大致呈正比關(guān)系. 當?shù)谌卸涡兜V時（卸礦高度為1.6 m），溜井口風流方向與礦石下落方向一致，受礦石下落的作用風速偏大. 并且隨卸礦高度增加，礦石對卸礦位置的風流影響越大. 第三中段卸礦時，卸礦處風流為第四中段卸礦時卸礦處風速的2倍. 由圖7（b）可知，粉塵濃度隨卸礦高度的增加而增加. 第三中段粉塵濃度大致為第四中段粉塵濃度的0.5倍，而第四中段風速為第三中段風速的2～8倍;對粒徑分析可知，三中段粉塵粒徑小于四中段，粉塵顆粒較小風速變化對其影響較小.

4? ?數(shù)值模型對實驗結(jié)果驗證分析

沖擊氣流是由礦石重力勢能轉(zhuǎn)化為空氣動能的過程，本質(zhì)為顆粒與氣體間的相對運動. 為研究沖擊氣流在溜井內(nèi)由產(chǎn)生到衰減的分布規(guī)律，利用Fluent軟件開源優(yōu)勢編輯API接口實現(xiàn)與EDEM之間數(shù)據(jù)的傳遞. 對氣固兩相流分析時，空氣被理想為恒溫、連續(xù)、不可壓縮的介質(zhì)，礦石與空氣之間相對運動，實現(xiàn)能量交換[24-25]. 考慮到礦石顆粒間的碰撞，使用EDEM軟件中Hertz-model描述礦石自身、礦石與礦石及礦石與溜井壁間碰撞的作用力.

4.1? ?幾何模型建立

根據(jù)如圖1（a）所示溜井實際尺寸，使用Solidworks軟件按照1 ∶ 1比例建立三維數(shù)值模型，導入CFD-DEM軟件進行分析. 模型建立及網(wǎng)格劃分情況，如圖8所示. 經(jīng)過對現(xiàn)場卸礦情況的監(jiān)測知，溜井平均一次卸礦量為5 000 kg，每次卸礦大約持續(xù)2 s. 根據(jù)現(xiàn)場檢測情況溜井第一水平聯(lián)絡(luò)巷設(shè)置為壓力入口，第二、三、四中段設(shè)置為壓力出口，模型其余部分設(shè)置為墻體. 并通過溜井卸礦現(xiàn)場監(jiān)測到的不同中段壓力值的大小設(shè)置壓力邊界條件. EDEM碰撞模型及Fluent流體分析具體參數(shù)的設(shè)定見表2所示.

4.2? ?數(shù)值模型結(jié)果分析

4.2.1? ?卸礦后產(chǎn)塵點風流速度的驗證分析

由能量守恒準則可知，卸礦量的大小直接決定了溜井內(nèi)沖擊風速的強度. 圖9顯示了卸礦量為

5 000 kg時，溜井內(nèi)不同時刻風流變化云圖. 可以看出溜井內(nèi)風速大小隨著礦石的持續(xù)下降逐漸增加，最大值出現(xiàn)在礦石完全下落至礦倉，時間為8 s時，溜井內(nèi)最大風速為6.0 m/s，溜井卸礦過程符合能量守恒定律. 由風速云圖看出，第一和第四中段風速變化最為明顯. 第一中段風速是礦石夾帶氣流自由下落，引起的風流迅速變化;第四中段風速是由礦石下落過程中能量的積累，風速變化較大，同時攜帶大量粉塵涌出溜井口. 因此，第四中段為溜井主要產(chǎn)塵部位，與相似實驗溜井口風速監(jiān)測結(jié)果一致. 根據(jù)不同時刻風速云圖與色彩帶對比可以看出各中段峰值風速大小關(guān)系為：第四中段>第一中段>第二中段>第三中段，與相似實驗各中段峰值風速排序一致. 風速云圖中獲取的最大風速可以監(jiān)測出礦石瞬間釋放引起礦石周圍的最大風速，而相似實驗中監(jiān)測到的壓差受卸礦過程中礦石下落影響，第一中段壓差相對數(shù)值模擬獲取的數(shù)據(jù)偏小. 根據(jù)風速變化分析可知，第一中段卸礦時，礦石在溜井內(nèi)與井壁大致存在兩個主要撞擊點. 礦石最終沿右側(cè)井壁穩(wěn)定散落，因此右側(cè)井壁處風流變化明顯比左側(cè)大，礦石的下落不能簡單的視為活塞運動.

4.2.2? ?卸礦后產(chǎn)塵點風流方向的驗證分析

風速云圖體現(xiàn)了溜井內(nèi)整體風流大小分布情況，受礦石下落路徑的影響溜井內(nèi)右側(cè)風流普遍大于左側(cè)，不同中段溜井口存在大量氣流被反吸入或被壓出主流井. 為明確不同中段氣流方向隨礦石下落的變化，在分析出相似實驗壓差變化的同時，相應(yīng)提取出不同時刻溜井內(nèi)風速矢量及礦石下落軌跡圖，如圖10所示. 由圖10（a）（b）所示，礦石下落大約4 s時，隨礦石下落溜井內(nèi)氣流受礦石的誘導作用，第一中段氣流由聯(lián)絡(luò)巷流入溜井內(nèi);礦石未完全通過第二中段，其余中段氣流受第一中段影響存在被壓出的趨勢. 由圖10（c）所示，隨礦石完全通過第二中段，第二中段斜坡道與主溜井連接處形成負壓，二中段聯(lián)絡(luò)巷處風流被吸入主溜井，此處風流方向改變. 由于第三、四中段距離礦倉較近，礦石下落聚集大量氣流，礦石的運動不能體現(xiàn)出負壓，因此均有風流流入聯(lián)絡(luò)巷. 對比溜井相似實驗壓差結(jié)果（圖3）可知，第二中段壓差改變時刻為3 s，數(shù)值模擬中時刻為5 s左右風速矢量方向發(fā)生改變，由于下落高度不同導致礦石通過第二中段耗時有差別，從而影響了風流方向變化的時間點;但數(shù)值模擬中風流矢量圖箭頭方向的變化與相似實驗壓差正負值的變化趨勢一致.

5? ?結(jié)? ?論

1）通過相似準則推導出溜井實驗?zāi)Ｐ拖嗨茰蕜t數(shù). 為保證實驗與現(xiàn)場吻合，實驗幾何相似比例為1 ∶ 25，實驗卸礦流量為實際卸礦流量的（1/25）.

2）溜井卸礦產(chǎn)生的沖擊氣流是導致粉塵污染的主要因素，通過數(shù)值模擬及相似實驗對第一中段卸礦量為5 000 kg時各中段風流方向及風流大小分析可知，第三、四中段溜井口有沖擊風流沖出，其中第四中段風速達到2.64 m/s左右;通過對溜井口壓差及風速矢量分析發(fā)現(xiàn)，第一、第二中段風流是溜井內(nèi)負壓導致，風流由溜井口進入主溜井. 由風速大小及風向分析可知，第一中段卸礦時，第三、第四中段為主要產(chǎn)塵點.

3）卸礦流量小于1.0 kg/s時，溜井產(chǎn)塵點風速、粉塵濃度與卸礦流量呈正比關(guān)系;卸礦流量大于1.0 kg/s時，卸礦過程可以被理想化的當作整塊物體下落，夾帶氣流量減少風速出現(xiàn)下降趨勢. 產(chǎn)塵點風速變化趨勢與粉塵濃度變化趨勢基本一致，風流是主導產(chǎn)塵的主要因素.

4）產(chǎn)塵點風速變化與礦石粒徑呈反比，粒徑變化對第三中段風速影響相比第四中段更為明顯. 粉塵濃度與粒徑變化呈冪函數(shù)的關(guān)系，最大產(chǎn)塵點冪指數(shù)為-0.63. 隨卸礦高度變化，粉塵濃度及風速整體為負相關(guān)，但卸礦處風速受礦石運動影響更為

明顯.

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