露天煤礦火燒巖采裝工作面粉塵逸散規(guī)律 及抑塵技術(shù)

宋子嶺，郭舒鵬，回 晶，賈正昭

（1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000； 2. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

0 引言

裝車作業(yè)是露天煤礦開采礦產(chǎn)資源必不可少的工藝環(huán)節(jié)之一，但是在一些露天煤礦裝車過程中粉塵擴(kuò)散比較嚴(yán)重.粉塵由裝車部位擴(kuò)散，初期嚴(yán)重影響工人工作，并造成設(shè)備損害，經(jīng)過一段時(shí)間后，大量粉塵聚集在露天煤礦采場(chǎng)中，嚴(yán)重危害工人健康，并污染周圍環(huán)境. 因此，減小粉塵的擴(kuò)散，對(duì)露天煤礦生產(chǎn)具有積極作用.本文以露天煤礦裝車過程中裝車部位粉塵為研究對(duì)象，研究粉塵表面張力系數(shù)對(duì)粉塵擴(kuò)散和濃度分布的影響，采取一定措施，抑制露天煤礦在裝車過程中煤塵的產(chǎn)生.

由于現(xiàn)場(chǎng)粉塵實(shí)驗(yàn)成本較高，利用數(shù)值模擬可以大量減少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的成本投入.周剛[1]等針對(duì)粉塵采樣器測(cè)塵法不能全面反映工作面作業(yè)空間粉塵質(zhì)量濃度的特點(diǎn)，根據(jù)模擬結(jié)果指導(dǎo)綜放液壓支架噴霧降塵裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得較好的降塵效果. 程衛(wèi)民[2]等針對(duì)配有附壁風(fēng)筒綜掘工作面旋流氣幕抽吸控塵流場(chǎng)的特點(diǎn)，利用Fluent軟件對(duì)該流場(chǎng)風(fēng)流及粉塵的擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬.

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)露天煤礦生產(chǎn)作業(yè)的粉塵逸散規(guī)律做了大量的研究，并發(fā)現(xiàn)了一定的逸散規(guī)律，但在露天煤礦裝車作業(yè)方面的粉塵逸散研究較少，本文對(duì)露天煤礦裝車作業(yè)方面的粉塵逸散規(guī)律有積極的作用.

1 氣固兩相流數(shù)學(xué)模型

研究露天煤礦裝車過程中粉塵擴(kuò)散和質(zhì)量濃度分布，本質(zhì)上屬于氣固兩相流的研究范疇. Fluent提供的模擬兩相流的模型可以分為兩大類：歐拉-歐拉模型，包括流體體積函數(shù)（Volume of Fluid，VOF）模型、混合項(xiàng)（Mixture）模型、歐拉（Eulerian）模型；歐拉-拉格朗日（Eulerian-Lgrangea）模型，主要是離散型（Discrete Phase）模型.

歐拉-歐拉模型認(rèn)為顆粒相是擬流體，顆粒相和流體相相互作用相互影響著流動(dòng)，將顆粒相與流體相都在Euler坐標(biāo)系下進(jìn)行求解.

歐拉-拉格朗日模型認(rèn)為氣體是背景流體[3]，把顆粒相作為研究對(duì)象，將顆粒相作為離散體系，研究顆粒相在流體相中的運(yùn)動(dòng)情況，將流體相和顆粒相都在Lagrange坐標(biāo)系下處理.

本文主要研究的是粉塵顆粒在空氣中的運(yùn)動(dòng)情況，運(yùn)用Fluent進(jìn)行模擬研究采用離散型模型最為接近，而應(yīng)用離散型模型要求顆粒項(xiàng)的體積分?jǐn)?shù)較小，顆粒的局部體積分?jǐn)?shù)要小于0.1[4].這些要求露天煤礦裝車過程中粉塵顆粒相符合Fluent離散型模擬中顆粒相的要求，所以本文采用離散相模型進(jìn)行模擬.

2 模型建立

2.1 工程背景

如圖1，大南湖二號(hào)露天煤礦礦區(qū)范圍內(nèi)分布火燒區(qū)3處，煤層自燃導(dǎo)致煤層上覆巖系及圍巖燒變、烘烤，使變形特性原本塑性的巖石變得性脆易碎，巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，形貌呈片狀、板狀、碎塊狀、楔形、菱形體等.由于火燒區(qū)巖體破碎，穩(wěn)固性差，裝車作業(yè)將發(fā)生較為嚴(yán)重的粉塵擴(kuò)散.

圖1 大南湖二號(hào)露天煤礦采場(chǎng)分布及工作面現(xiàn)狀 Fig.1 stope distribution and current situation of Dananhu No. 2 open-pit coal mine

因此，為確保大南湖二號(hào)露天煤礦的安全、綠色、高效開采，研究火燒區(qū)裝車過程粉塵控制技術(shù)，是進(jìn)一步提高大南湖二號(hào)露天煤礦經(jīng)濟(jì)效益，降低環(huán)境影響程度的主要途徑之一.

2.2 模型建立

根據(jù)露天煤礦礦場(chǎng)實(shí)際，進(jìn)行簡(jiǎn)化后建立露天礦裝車部位及附近的幾何模型.將整個(gè)模型設(shè)為長(zhǎng)為160 m，寬為40 m，高為40 m；單斗卡車的容積為24 m3，長(zhǎng)為4 m，寬為3 m，高為2 m，卡車車廂底部距離地面1.7 m；單斗鏟出口的面積為4 m2，單斗鏟出口距單斗卡車頂部0.5 m；用CAE前處理軟件ICEM CFD進(jìn)行建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖2.

圖2 露天煤礦裝車部位附近幾何模型和網(wǎng)格劃分 Fig.2 geometric model and grid division near the loading part of open-pit coal mine

對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到模型高度較高處和距離裝車部位距離較遠(yuǎn)處對(duì)粉塵的運(yùn)移軌跡影響較小，所以在模型上部和距離裝車部位較遠(yuǎn)處可以采用大網(wǎng)格以減輕模擬運(yùn)算負(fù)擔(dān)，除此之外的部分采用小網(wǎng)格.

2.3 參數(shù)設(shè)定

將ICEM CFD生成的網(wǎng)格輸出為Fluent可以識(shí)別的網(wǎng)格（Msh）文件導(dǎo)入Fluent，并對(duì)其進(jìn)行求解器、模型、邊界條件設(shè)置及粉塵源參數(shù)設(shè)置.詳細(xì)的求解器、模型、邊界條件設(shè)置見表1，對(duì)粉塵源參數(shù)設(shè)置見表2.

表1 求解器、模型、邊界條件 Tab.1 condition of solve,model and boundary

表2 粉塵源參數(shù) Tab.2 parameter of dust source

大南湖二號(hào)露天煤礦位于新疆維吾爾自治區(qū)哈密市境內(nèi)，通過統(tǒng)計(jì)哈密市2019全年風(fēng)速情況可以發(fā)現(xiàn)，大南湖二號(hào)露天煤礦礦區(qū)周圍風(fēng)速常年為三四級(jí)，只有少數(shù)時(shí)間處于一二級(jí)，一二級(jí)風(fēng)風(fēng)速為1.6～3.3 m/s，三四級(jí)風(fēng)風(fēng)速為3.4～5.4 m/s，綜合考慮，礦區(qū)風(fēng)速取為4 m/s.

3 模擬結(jié)果分析

為了研究露天煤礦裝車部位附近粉塵的逸散情況，在y方向上截取一個(gè)最中心的y=20 m平面，觀察在露天礦裝車部位附近粉塵的擴(kuò)散情況.

粉塵實(shí)測(cè)表面張力系數(shù)設(shè)置為3×10-4N/m，10倍實(shí)測(cè)表面張力系數(shù)為3×10-3N/m，分析有風(fēng)和無風(fēng)時(shí)表面張力對(duì)粉塵沉降效果的影響.

3.1 有風(fēng)工況

（1）流場(chǎng)風(fēng)速

考察y=20 m截面上的風(fēng)流流場(chǎng)工況，流場(chǎng)內(nèi)風(fēng)流流場(chǎng)相對(duì)較為穩(wěn)定，只在單斗鏟附近形成一個(gè)風(fēng)流旋渦，圖3是風(fēng)速為4 m/s時(shí)風(fēng)流速度場(chǎng)分布.

圖3 風(fēng)流速度場(chǎng)分布 Fig.3 velocity field distribution of airflow

（2）實(shí)測(cè)表面張力系數(shù)下粉塵運(yùn)移軌跡

有風(fēng)工況時(shí)，實(shí)測(cè)表面張力系數(shù)下，y=20 m平面不同時(shí)間粉塵擴(kuò)散規(guī)律見圖4.

圖4 有風(fēng)工況實(shí)測(cè)表面張力系數(shù)下粉塵軌跡 Fig.4 dust trajectory under measured surface tension coefficient under wind condition

從圖4可以看出在有風(fēng)工況下露天煤礦裝車過程粉塵擴(kuò)散規(guī)律的變化.

① 露天煤礦裝車過程中礦石從單斗鏟倒入單斗卡車過程（0～5 s），粉塵比較密集，主要為一定的初速度由單斗鏟向單斗卡車運(yùn)動(dòng)的過程，粉塵擴(kuò)散較少，擴(kuò)散到單斗卡車外部的粉塵主要為少量隨風(fēng)流向前移動(dòng)的粉塵.

② 單斗鏟停止向單斗卡車傾倒礦石之后的1.2～3.5 s，大量的粉塵充斥在卡車車廂內(nèi)部較小的空間，粉塵之間相互間距較小，粉塵質(zhì)量濃度較大，粉塵主要運(yùn)動(dòng)為粉塵相互碰撞、聚合、破裂.而粉塵相互碰撞、聚合、破裂運(yùn)動(dòng)十分劇烈，粉塵開始由單斗卡車車廂內(nèi)部開始向車廂外急劇擴(kuò)散并且隨著風(fēng)流向前移動(dòng)，粉塵開始占據(jù)單斗卡車車廂外部周圍一定的空間.

③ 單斗鏟停止向單斗卡車傾倒礦石之后的3.5～10 s，粉塵主要分布在單斗卡車外部的空間，粉塵之間相互間距不再致密，粉塵相互碰撞、聚合、破裂運(yùn)動(dòng)減輕，粉塵擴(kuò)散不再劇烈，粉塵運(yùn)動(dòng)為輕微擴(kuò)散和隨著風(fēng)流向前移動(dòng).

④ 單斗鏟停止向單斗卡車傾倒礦石之后的10～30 s，粉塵主要分布在單斗卡車外部的空間，粉塵之間相互間距較大，粉塵相互碰撞、聚合、破裂運(yùn)動(dòng)較輕，擴(kuò)散不明顯，粉塵的主要運(yùn)動(dòng)為隨風(fēng)流向前移動(dòng).

（3）10倍實(shí)測(cè)表面張力系數(shù)下粉塵運(yùn)移軌跡

有風(fēng)工況時(shí)，10倍實(shí)測(cè)表面張力系數(shù)下，y= 20 m平面在不同時(shí)間粉塵擴(kuò)散規(guī)律見圖5.

圖5 有風(fēng)工況10倍實(shí)測(cè)表面張力系數(shù)下粉塵軌跡 Fig.5 dust trajectory under 10 times measured surface tension coefficient in windy condition

從圖5可以看出，當(dāng)增大粉塵的表面張力系數(shù)，停止裝車后的粉塵擴(kuò)散不明顯，表明大量粉塵沉降到單斗卡車底部，只有少量擴(kuò)散到單斗卡車外部粉塵隨著風(fēng)流向前移動(dòng).

當(dāng)不改變粉塵的表面張力系數(shù)時(shí)，單斗卡車內(nèi)部卡車底部粉塵質(zhì)量濃度較小，結(jié)合圖4可以發(fā)現(xiàn)大量的粉塵充斥在較大的流場(chǎng)空間內(nèi)；當(dāng)粉塵表面張力系數(shù)增大后，單斗卡車內(nèi)部和卡車底部的粉塵質(zhì)量濃度顯著增大，結(jié)合圖5可知只有少量粉塵隨風(fēng)流擴(kuò)散到單斗卡車外部，但是離地表較近也易于沉降.這表明當(dāng)粉塵的表面張力系數(shù)增大后相比于不改變粉塵的表面張力系數(shù)時(shí)，粉塵的沉降會(huì)更劇烈，大量的粉塵都會(huì)沉降到單斗卡車底部.

3.2 無風(fēng)工況

無風(fēng)工況下的建模，網(wǎng)格參數(shù)、求解器設(shè)置與有風(fēng)工況下基本一致，只把邊界條件處的入口速度修改為0 m/s，其他參數(shù)保持不變.

（1）流場(chǎng)風(fēng)速

無風(fēng)的條件下整個(gè)流場(chǎng)空間內(nèi)是不存在風(fēng)速的，所以在y=20 m截面上的風(fēng)流流場(chǎng)速度都為0 m/s.

（2）實(shí)測(cè)表面張力系數(shù)下粉塵運(yùn)移軌跡

無風(fēng)工況時(shí)，實(shí)測(cè)表面張力系數(shù)下，y=20 m平面在不同時(shí)間粉塵擴(kuò)散規(guī)律見圖6.

圖6 有風(fēng)工況實(shí)測(cè)表面張力系數(shù)下粉塵軌跡 Fig.6 dust trajectory under measured surface tension coefficient under wind condition

從圖6可以看出在無風(fēng)工況下露天煤礦裝車過程粉塵擴(kuò)散規(guī)律的變化.

① 露天煤礦裝車過程中礦石從單斗鏟倒入單斗卡車過程（0～2.5 s），粉塵比較密集，主要為粉塵以一定的初速度由單斗鏟向單斗卡車運(yùn)動(dòng)的過程.

② 露天煤礦裝車過程中礦石從單斗鏟倒入單斗卡車過程（2.5～5 s），大量的粉塵充斥在單斗卡車車廂內(nèi)部較小的空間，并且還有大量粉塵從單斗鏟出口處以一定的初速度沖入單斗卡車內(nèi)部.單斗卡車內(nèi)部粉塵之間相互間距較小，粉塵質(zhì)量濃度較大，大量的粉塵以一定初速度沖入單斗卡車內(nèi)部，使粉塵之間相互碰撞、聚合、破裂運(yùn)動(dòng)十分劇烈，粉塵開始由單斗卡車車廂內(nèi)部開始向車廂外急劇擴(kuò)散，粉塵開始占據(jù)單斗卡車車廂上部的空間.

③ 單斗鏟停止向單斗卡車傾倒礦石后的0～10 s，因?yàn)樵趩味风P向單斗卡車傾倒礦石的2.5～5 s內(nèi)已經(jīng)有大量的粉塵擴(kuò)散到單斗卡車上部適當(dāng)?shù)目臻g，所以留在單斗卡車內(nèi)部的粉塵質(zhì)量濃度變小，粉塵相互之間的距離變大，粉塵之間相互碰撞、聚合、破裂運(yùn)動(dòng)變緩，粉塵仍然繼續(xù)擴(kuò)散，但擴(kuò)散不太劇烈.

④ 單斗鏟停止向單斗卡車傾倒礦石后的10～20 s，粉塵主要分布在單斗卡車上部的空間，粉塵之間相互間距較大，粉塵相互碰撞、聚合、破裂運(yùn)動(dòng)較輕，粉塵擴(kuò)散不明顯.

（3）10倍實(shí)測(cè)表面張力系數(shù)下粉塵運(yùn)移軌跡

無風(fēng)工況時(shí)，10倍實(shí)測(cè)表面張力系數(shù)下，y= 20 m平面在不同時(shí)間粉塵擴(kuò)散規(guī)律見圖7.

圖7 無風(fēng)工況10倍實(shí)測(cè)表面張力系數(shù)下粉塵軌跡 Fig7 dust trajectory under10 times measured surface tension coefficient under in unwindy condition

由圖7的粉塵擴(kuò)散規(guī)律可以看出，粉塵的表面張力增大后，全過程粉塵擴(kuò)散相比較于圖6有顯著變化，粉塵擴(kuò)散明顯變小，全程只有少量的粉塵擴(kuò)散在單斗卡車上部較小的空間.

當(dāng)不改變粉塵的表面張力系數(shù)時(shí)，結(jié)合圖6可知，單斗卡車內(nèi)部幾乎不存在粉塵顆粒，大量的粉塵都充斥在單斗卡車上部巨大的空間內(nèi)；當(dāng)粉塵的表面張力系數(shù)增大后，結(jié)合圖7可以看出大量的粉塵沉降到單斗卡車底部，只有少量的粉塵擴(kuò)散在單斗卡車上部較小的空間內(nèi).這也表明當(dāng)粉塵的表面張力系數(shù)增大后相比于不改變粉塵的表面張力系數(shù)時(shí)，粉塵的沉降會(huì)變劇烈，大量的粉塵都會(huì)沉降到單斗卡車底部.

由上述分析表明：粉塵表面張力系數(shù)增大后，有風(fēng)和無風(fēng)兩種工況下，粉塵的擴(kuò)散都明顯變小，粉塵的主要運(yùn)動(dòng)為沉降到單斗卡車底部.粉塵進(jìn)行相互碰撞、聚合、破裂運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于粉塵表面張力系數(shù)增大，粉塵更容易聚成大顆粒，聚合體質(zhì)量比較大，更容易沉降，達(dá)到減小粉塵擴(kuò)散目的.

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 凝并劑配制

利用大南湖二號(hào)露天煤礦收集的粉塵樣本，由羧甲基纖維素鈉加入水中形成凝并劑，通過實(shí)驗(yàn)方法確定最佳配比.

4.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）配制凝并劑溶液.羧甲基纖維素鈉體積分?jǐn)?shù)分別選取為0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%和0.06%，放置在500 mL的燒杯中，將去離子水作為對(duì)照組.

（2）把配制好的溶液放在磁力攪拌器上加熱至25 ℃.

（3）稱取0.05 g粉塵樣品置于250 mL燒杯中，加入100 mL配制好的凝并劑溶液.然后在磁力攪拌器上攪拌5 min，靜置5 min后，用分光光度計(jì)在550 nm處測(cè)其透過率.實(shí)驗(yàn)裝置見圖8.

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置 Fi.8 experimental apparatus

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分光光度計(jì)測(cè)得的吸光度數(shù)值見表3.

表3 吸光度實(shí)驗(yàn)結(jié)果 Tab.3 experimental data of absorbance

如表3，體積分?jǐn)?shù)為0.01%的凝并劑溶液吸光度最小，則通光率最大，表明使用凝并劑增大粉塵的表面張力系數(shù)會(huì)使粉塵相互聚合形成大顆粒，驗(yàn)證了模擬工況.

5 結(jié)論

根據(jù)以上模擬結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）粉塵的表面張力系數(shù)較小，進(jìn)行相互碰撞、聚合、破裂運(yùn)動(dòng)時(shí)，不易聚合成為大顆粒，不易沉降，擴(kuò)散比較明顯.增大粉塵的表面張力系數(shù)，粉塵更易聚合為大顆粒，易于沉降，擴(kuò)散不再顯著.

（2）加入凝并劑、增大粉塵表面張力系數(shù)，可以抑制粉塵的擴(kuò)散，達(dá)到降塵的目的.