冬季露天煤礦采場霧氣分布及除霧效果分析

智曉峰，鞠興軍，張周愛，繆衛(wèi)峰，杜勇志，張 洋，楊小彬，程虹銘

（1.大雁公司（神寶能源）寶日希勒露天煤礦，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083）

霧是空氣中水蒸氣接近飽和時，氣象參數(shù)（溫度、濕度、氣壓等）發(fā)生變化，多余水蒸氣凝結(jié)成細小水滴析出、匯聚而成［1］。工程中，霧害主要是降低作業(yè)空間能見度，給作業(yè)空間內(nèi)的人員帶來安全隱患。張清琳［2］分析了城市管廊工程中空氣霧化原因，提出一種新型的綜合管廊通風(fēng)除霧系統(tǒng)；薛永慶等［3］采用實測和數(shù)值模擬的方法分析冬季引水隧道霧氣產(chǎn)生原因，提出升溫除濕的方式減小引水隧道霧氣的產(chǎn)生；孫寶芝等［4］基于熱力學(xué)原理分析了地下海水坑道霧氣形成機制，提出升溫、降溫、通風(fēng)等幾種消霧方法并進行了現(xiàn)場應(yīng)用；李增華等［5］、吳吉男等［6］、秦憲禮等［7］、祁學(xué)謙等［8］對井工煤礦巷道產(chǎn)霧原因進行了分析并提出了相應(yīng)的治理措施。神寶能源寶日希勒露天煤礦冬季鏟裝作業(yè)中不同程度地發(fā)生了霧氣，加之，采場地勢低，空氣對流慢，霧氣縈繞在電鏟鏟斗與煤壁之間，消散慢，能見度低，電鏟作業(yè)司機視線受阻，既影響鏟裝效率又留下安全隱患。

為此，現(xiàn)場測定采場煤壁及鏟裝空間的溫度、濕度和風(fēng)速，基于熱力學(xué)原理分析露天采場霧氣產(chǎn)生原因，采用數(shù)值模擬的方法分析采場霧氣分布情況，提出增設(shè)風(fēng)機干預(yù)采場流場的方法進行除霧，并模擬分析了不同風(fēng)機組合下采場流場分布及霧氣消散情況。

1 現(xiàn)場測試及結(jié)果分析

結(jié)合露天煤礦采場冬季霧氣形成機理，對寶日希勒露天煤礦采場在冬季12 月份鏟裝過程中形成霧氣區(qū)域的空氣溫度、濕度、風(fēng)速進行現(xiàn)場測試。測點布置在采場煤壁及煤壁前方15 m 范圍內(nèi)，測點布置間隔為5 m，其中煤壁處測點（A1、A2、A3、A4、B1、C1、D1）主要測定煤壁剛暴露時涌出空氣的溫度、濕度，但考慮到煤壁的不穩(wěn)定性，可適當(dāng)遠離煤壁測定，其余9 個測點測定采場空氣的溫度、濕度和風(fēng)速。測定編號和布置如圖1 所示。各測點參數(shù)測5 次，取5 次測定結(jié)果的平均值作為測定的最終結(jié)果。測定的最終結(jié)果見表1～表3。

圖1 采場空間測點布置

表1 采場空間溫度測定結(jié)果 單位：℃

表3 采場空間風(fēng)速測定結(jié)果 單位：m/s

霧是空氣相對濕度達到100%時空氣中的水蒸氣凝結(jié)形成細小水滴漂浮在空氣中形成的?？諝庀鄬穸鹊拇笮∮蓾窨諝庵兴魵獾姆謮号c相同溫度下飽和水蒸氣的分壓比值決定，空氣相對濕度的增大可以是濕空氣中水蒸氣的分壓增大或空氣溫度降低所造成。從表1 中可以看出，新暴露的煤壁溫度與采場空間溫度相差較大，采場空間飽和水蒸氣分壓小于新暴露煤壁處的飽和水蒸氣分壓，煤壁瞬時涌出的濕空氣在采場空間達到飽和狀態(tài)析出細小水滴成霧；并且采場空間空氣相對濕度低于煤壁附近空氣（表2），相對濕度較大的濕空氣涌入相對濕度較小的空間，為霧氣源源不斷生產(chǎn)提供了條件；采場空間地勢低，兩面為煤壁，采場流場微弱（表3），亦不利于霧氣消散；同時，鏟裝過程中形成的大量煤塵作為凝結(jié)核，也為采場空間的汽-水轉(zhuǎn)化提供了依托。

表2 采場空間相對濕度測定結(jié)果 %

2 采場霧氣產(chǎn)生及分布數(shù)值模擬

2.1 采場霧氣分布數(shù)學(xué)模型

采用Ansys Fluent 軟件對冬季露天采場霧氣產(chǎn)生及分布規(guī)律進行數(shù)值計算與分析。霧氣為細小水滴的混合體，露天采場霧氣形成中又包裹著煤塵，可以用離散相模型（DPM）模擬分析細小水滴在采場空間中的分布規(guī)律，假定露天采場霧氣顆粒生成過程中滿足牛頓第二定律，進一步可運用拉格朗日法對霧氣顆粒運動方程進行積分求解，可求得外界流場作用下霧氣顆粒的分布規(guī)律，霧氣顆粒的受力方程［9］可表示為

式中：u為流體速度；up為顆粒速度；ρ為流體密度；ρp為顆粒密度；Fx為附加加速度；FD（u-up）為顆粒的單位質(zhì)量曳力；gx為重力加速度。

相對雷諾數(shù)（顆粒雷諾數(shù)）

式中：dp為顆粒直徑；CD為曳力系數(shù)；α1、α2、α3根據(jù)相對雷諾數(shù)的范圍取不同的值。

2.2 采場幾何模型

依據(jù)寶日希勒露天煤礦采場布置情況及相關(guān)參數(shù)，建立三維幾何計算模型。采場空間長40 m、寬20 m、高30 m，鏟車位置在長度方向20 m 處，煤壁1、2、3 為電鏟司機可視區(qū)域，鏟車與煤壁1、2、3 間為霧氣生成區(qū)域和鏟車作業(yè)區(qū)，幾何模擬具體尺寸及布置情況如圖2 所示。

圖2 采場物理模型

2.3 采場霧氣分布規(guī)律

圖3 為Fluent 模擬得到的采場霧氣分布規(guī)律?？梢钥闯觯诮罕谔幧傻撵F氣濃度相對較低，離煤壁距離增大，采場空氣溫度、濕度與煤壁涌出的濕空氣差異增大，霧氣生成濃度增加，最大濃度達17.7 g/m3。由于鏟車司機的視線高度大約在10 m，截取了采場10 m 高度處的霧氣濃度分布情況，如圖3（b）所示，可以看出，鏟車司機的視線平面內(nèi)，霧氣的分布密集范圍在10 m 左右，也就是整個鏟斗的工作區(qū)域均分布著濃霧。

圖3 采場霧氣分布規(guī)律

3 風(fēng)機干預(yù)下采場流場分布及除霧效果分析

霧氣的異常生成常出現(xiàn)在空氣流通不暢、空氣溫度、濕度急劇變化的管廊、地下空間工程等，一般可采取增溫、加大通風(fēng)等方法降低空氣的相對濕度，達到除霧的目的。露天采場為半封閉空間，空間范圍大，增溫除霧達不到良好的效果，為此，提出增設(shè)風(fēng)機以改變采場流場的除霧方法。

3.1 采場流場模型

露天采場空間大，要形成有效的流場風(fēng)機需要較大的出口流速，并且受煤壁的影響，風(fēng)流在近煤壁區(qū)域會形成渦流場，F(xiàn)luent 軟件中的RNGk-ε模型是使用重整化群理論推導(dǎo)出來的，相比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，RNGk-ε模型在模擬高速流和漩渦流方面提高了精度［10-11］，更適合模擬本文風(fēng)機作用下采場流場分布情況。采場流場數(shù)學(xué)模型［12］及幾何模型如下：

1）流場連續(xù)方程：

式中：ui為速度張量；xi為位移張量。

2）流場動量方程：

式中：i=x、y、z，作為下標(biāo)時代表X、Y、Z軸，否則代表位移張量；μ為動力黏度。

3）RNGk-ε湍流模型的動能方程：

4）RNGk-ε湍流模型的擴散方程：

式中：k為湍動能，m2/s2；ε為耗 散率，m2/s3；Gk為 由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動能；αε、αk分別為ε方程和k方程的湍流普朗特數(shù)；Sk、Sε為用戶自定義；μi為湍流動力黏滯系數(shù)，Pa·s；YM為可壓縮湍流中過渡的擴散產(chǎn)生的波動。其中，μt為湍流黏性系數(shù)，模型常數(shù)分別為C1ε=1.42，C2ε=1.68。

5）幾何模型：根據(jù)電鏟情況，在電鏟不同位置增設(shè)3 臺風(fēng)機以改變采場空間流場。如圖2 所示，在離地面3 m 處，電鏟兩側(cè)分別布置兩臺風(fēng)機（風(fēng)機1、2），再在風(fēng)機2 上方2 m 處內(nèi)錯1 m 布置風(fēng)機3。

3.2 風(fēng)機干預(yù)下采場流場分布情況

為探究風(fēng)機作用下采場流場的分布情況，分別模擬了單臺風(fēng)機、兩臺風(fēng)機和3 臺風(fēng)機的作用效果，風(fēng)機出口風(fēng)速設(shè)置為30 m/s。截取三維流場中10 m高度處平面，如圖4 所示，圖4（a）為單臺風(fēng)機1 作用效果，可以看出流場流速由風(fēng)機出口逐漸向煤壁衰減，煤壁處最小風(fēng)速為8.5 m/s，圖4（b）、（c）、（d）分別為水平兩臺風(fēng)機1 和2、垂直兩臺風(fēng)機2 和3 及3 臺風(fēng)機的作用效果，煤壁處的風(fēng)速分別為10.4、11.0、11.6 m/s。從流場的空間分布上看（以流場流速11 m/s 等值線為例），單臺風(fēng)機的作用范圍最小，3 臺風(fēng)機的作用范圍最大，垂直兩臺風(fēng)機減小風(fēng)速的衰減，但其作用范圍小于水平布置的兩臺風(fēng)機。

圖4 風(fēng)機干預(yù)下采場流場分布

3.3 風(fēng)機干預(yù)下除霧效果

DPM 模型中顆粒的運移分布受曳力的影響，見式（1），外在流場作用下可以增大顆粒的單位質(zhì)量曳力，促進顆粒的運移。通過增設(shè)風(fēng)機改變采場流場分布，進而促進霧氣顆粒運移，達到除霧效果。不同風(fēng)機組合下流場分布及影響范圍不同，本節(jié)模擬分析不同風(fēng)機組合下除霧效果，如圖5 所示。

圖5（a）為單臺風(fēng)機1 作用下霧氣顆粒濃度分布情況?？梢钥闯?，單臺風(fēng)機作用下，采場霧氣濃度開始下降，但是采場拐角處霧氣濃度依然很高，最大霧氣濃度約為15.2 g/m3。圖5（b）為兩臺水平風(fēng)機1、2 作用下霧氣顆粒濃度分布情況，兩臺水平風(fēng)機流場作用范圍大，采場霧氣濃度顯著下降，采場拐角處積聚的最大霧氣濃度為4.53 g/m3。圖5（c）為兩臺垂直風(fēng)機2、3 作用下霧氣顆粒濃度分布情況，兩臺垂直風(fēng)機減小了流場流速的衰減，但是影響范圍小于兩臺水平風(fēng)機，采場霧氣消散情況劣于兩臺水平風(fēng)機作用效果，采場大部分區(qū)域仍然遍布霧氣，霧氣最大濃度為9.94 g/m3。圖5（d）為模擬試驗3 臺風(fēng)機作用下霧氣顆粒濃度分布情況，3 臺風(fēng)機作用下流場影響范圍大，流速衰減小，除霧效果顯著，只在采場拐角處有殘霧存在，最大濃度在3.5 g/m3左右。

圖5 風(fēng)機干預(yù)下采場霧氣濃度分布

以上數(shù)值模擬試驗表明：露天采場增設(shè)風(fēng)機改變流場的方法可有效消除采場霧氣，且不同的風(fēng)機組合下除霧效果不同。實際運用中，可根據(jù)現(xiàn)場霧氣分布情況選擇不同的風(fēng)機組合形式，例如：霧氣濃度較小時，可開設(shè)一臺風(fēng)機，既可達到除霧效果又減小電能消耗；霧氣濃度較大時，初期開設(shè)3 臺風(fēng)機，可快速消除鏟車司機前方霧氣，隨著鏟車司機視野的開闊可減少風(fēng)機數(shù)量，通過水平兩臺或垂直兩臺風(fēng)機進一步消除采場霧氣。

4 結(jié)論

通過對神寶能源寶日希勒露天煤礦冬季采場霧氣進行現(xiàn)場實測，結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬，對該露天礦冬季采場霧氣形成機理及風(fēng)機干預(yù)除霧效果進行分析，得到以下結(jié)論：

1）該露天礦冬季采場空間內(nèi)以電鏟鏟裝過程中形成的大量煤塵作為凝結(jié)核依托，煤中濕空氣與采場中低溫、低濕空氣混合，降溫增濕及混合增濕兩種方式下，采場空間局部空氣相對濕度達到100%后形成霧氣，霧氣形成過程中關(guān)鍵參數(shù)是空氣溫度和濕度。

2）煤中濕空氣與采場中低溫、低濕空氣混合后，電鏟與煤壁中間是霧氣形成的主要區(qū)域，數(shù)值模擬顯示霧氣生成的范圍在10 m 左右，生成的霧氣最大濃度為17.7 g/m3，已嚴重阻擋鏟車司機的作業(yè)視線。

3）增設(shè)風(fēng)機的方法可有效改善采場空間的流場，數(shù)值模擬得到：單臺風(fēng)機作用下，煤壁拐角處風(fēng)速為8.5 m/s；兩臺風(fēng)機作用下，煤壁拐角處風(fēng)速有所增加，相比兩臺風(fēng)機水平布置，垂直布置的兩臺風(fēng)機作用范圍相對較??；3 臺風(fēng)機同時布置，作用范圍最大。

4）流場的作用改變了霧氣顆粒的運移，可有效地消散霧氣。數(shù)值模擬得出：當(dāng)增設(shè)1 臺風(fēng)機時，煤壁拐角處的霧氣的最大濃度約為15.2 g/m3；增設(shè)兩臺水平風(fēng)機時，煤壁拐角處的霧氣的最大濃度約為4.53 g/m3；增設(shè)垂直兩臺水平風(fēng)機時，煤壁拐角處的霧氣的最大濃度約為9.94 g/m3；增設(shè)3 臺風(fēng)機時，煤壁拐角處的霧氣幾乎全部消散。