風(fēng)流擾動下煤炭裝載沖擊粉塵運(yùn)移規(guī)律與抑塵技術(shù)研究

于海里，侯慶亮，李敬國，希都日古，于 昕

（內(nèi)蒙古白音華蒙東露天煤業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026200）

0 引 言

雖然我國能源結(jié)構(gòu)正由煤炭為主向多元化轉(zhuǎn)變，但是資源稟賦特征決定了2050年前煤炭仍將是我國的主要消費(fèi)能源[1-3]。長期以來，煤炭開采與利用總體是一個粗放的過程，尤其是煤炭開采過程中，往往產(chǎn)生大量粉塵。高濃度粉塵不僅威脅礦井安全生產(chǎn)，而且誘發(fā)塵肺、心血管等疾病[4-6]。根據(jù)國家衛(wèi)生健康委員會公布的數(shù)據(jù)，2021年全國共報告職業(yè)病新病例15 407例，其中，職業(yè)性塵肺病11 809例，占比高達(dá)76.65%[7]，是我國危害最大和分布最廣的職業(yè)病，尤其是在煤炭行業(yè)。自有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以來，煤工塵肺累計(jì)報告病例占到職業(yè)性塵肺病總量近半數(shù)。近十幾年來，每年煤工塵肺新增病例都在60%以上。由此導(dǎo)致的死亡人數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過煤礦生產(chǎn)事故的死亡人數(shù)[8-9]，可見煤炭生產(chǎn)所帶來的煤塵污染問題嚴(yán)重威脅著員工的身體健康。

快速定量裝車站是煤炭對外鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾画h(huán)，20世紀(jì)70年代起國外學(xué)者就對露天煤礦粉塵的產(chǎn)塵機(jī)理進(jìn)行了研究[10]，分析散料裝卸作業(yè)過程中車輛運(yùn)行揚(yáng)塵、風(fēng)刮起塵和散料裝卸揚(yáng)塵等因素對露天煤礦作業(yè)區(qū)域內(nèi)呼吸性粉塵和全塵濃度的影響，并確定相應(yīng)的治理措施。劉乃偉[9]針對裝車站不同作業(yè)工序，分析其產(chǎn)塵特點(diǎn)，構(gòu)建多樣化抑塵技術(shù)，將裝車站內(nèi)部粉塵量控制在2.5 mg/m3以下。荊德吉等[11]基于歐拉-歐拉模型采用數(shù)值模擬的方法分析落煤塔區(qū)域粉塵逸散過程，指出引起落煤塔噴塵的主要因素是高壓誘導(dǎo)氣流，并據(jù)此提出“內(nèi)吸外抑”的綜合防塵技術(shù)。湯萬鈞等[12]根據(jù)不同產(chǎn)塵因素的產(chǎn)塵特點(diǎn)分析各自的起塵機(jī)理，基于流體力學(xué)采用數(shù)值模擬的方法研究了露天煤礦粉塵聚集擴(kuò)散機(jī)理，依據(jù)隨機(jī)森林模型得到影響露天煤礦粉塵運(yùn)移的主要因素。

目前裝車站作業(yè)區(qū)域煤塵污染防治工作一直無法達(dá)到理想效果，一方面是對裝車站作業(yè)區(qū)域粉塵污染運(yùn)移規(guī)律尚不清晰，另一方面目前對于防控塵措施的研究主要針對采掘面等封閉或半封閉環(huán)境，對于煤礦裝車站這種開放性環(huán)境下粉塵污染問題的治理研究較少。此外，煤炭裝載實(shí)際運(yùn)行過程受到氣象環(huán)境因素影響，致使沖擊產(chǎn)塵運(yùn)移過程十分復(fù)雜，而明確粉塵運(yùn)移規(guī)律對于制定有效的控塵、防塵措施具有重要意義。因此，本文以白音華三號露天煤礦裝車站為研究對象，構(gòu)建物理模型，運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究不同風(fēng)流擾動作用下裝車站粉塵運(yùn)移規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況對裝車站區(qū)域采用防風(fēng)抑塵網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與現(xiàn)場應(yīng)用測試，為煤炭裝載沖擊產(chǎn)塵防治與環(huán)境保護(hù)工作提供參考與借鑒。

1 風(fēng)流-粉塵運(yùn)移數(shù)學(xué)模型與物理模型

1.1 氣固兩相流數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

目前氣固兩相流模擬方法有歐拉-歐拉法與歐拉-拉格朗日法，歐拉-拉格朗日法直接對離散顆粒的運(yùn)動軌跡進(jìn)行求解，適用于稀疏顆粒流，該方法假設(shè)少，模型簡化，同時揭示了每個顆粒的運(yùn)動和反應(yīng)規(guī)律，相較于顆粒相擬流體模型，該模型更為合理精確。

對于湍流流動的數(shù)值模擬，考慮計(jì)算精度與模擬實(shí)驗(yàn)對計(jì)算機(jī)性能的要求，采用一種非直接數(shù)值模擬方法——雷洛平均法，將瞬態(tài)脈動量通過某種模型在時均化的方程中體現(xiàn)出來，引入雷諾應(yīng)力的封閉模型求解時均化雷諾方程[13]。

1）連續(xù)相流動控制方程。對于不可壓縮流體流動，在不考慮熱量交換的條件下，其流動遵循質(zhì)量守恒定律與動量定律。對于氣固兩相流系統(tǒng)，任一邊長為dx、dy和dz的微元控制體中氣相連續(xù)性方程見式（1）。

式中： ρg為氣體相密度，kg/m3；ux、uy、uz為流體質(zhì)點(diǎn)的速度沿三個坐標(biāo)軸的分量，m/s； αf為連續(xù)相空隙率，表示控制體中氣體所占的體積份額，計(jì)算見式（2）。

瞬時狀態(tài)下湍流流動的動量守恒方程見式（3）

式中：Fsf為離散顆粒相對流體的作用力，N； τij為雷諾應(yīng)力，N；g為重力加速度，m/s2。

Realizableκ-ε模型方程見式（4）。

2）離散項(xiàng)控制方程。根據(jù)牛頓第二定律構(gòu)建顆粒相的運(yùn)動求解方程見式（6）。

1.2 物理模型

根據(jù)裝車站實(shí)際設(shè)施的布置和作業(yè)規(guī)程，建立與之1∶1對應(yīng)的物理模型，構(gòu)建的物理幾何模型由外流域、落煤塔、C70型通用敞車三大部分構(gòu)成，如圖1所示。模型尺寸為180 m×38 m×48 m，其中風(fēng)流方向與敞車運(yùn)移方向之間的夾角為45°，敞車與敞車之間的間距為1.024 m，未裝車區(qū)域有4輛敞車等待裝車，正在裝車區(qū)域有1輛敞車，4輛敞車裝車完畢駛離裝車站生產(chǎn)區(qū)域，在裝車站下風(fēng)側(cè)出口兩端設(shè)置防風(fēng)抑塵網(wǎng)。

圖1 裝車站物理模型Fig.1 Physical model of loading station

2 網(wǎng)格劃分與邊界參數(shù)設(shè)定

對物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，目前常用的判定網(wǎng)格質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)為Skewness與Element Quality，基于網(wǎng)格質(zhì)量對于仿真結(jié)果的重要性，本文用Skewness與Element Quality兩個標(biāo)準(zhǔn)分別對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，網(wǎng)格質(zhì)量見表1。本次模擬所采用的湍流模型為Realizableκ-ε模型，壁面函數(shù)使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

表1 網(wǎng)格質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics table of grid quality

結(jié)合白音華蒙東煤業(yè)公司裝車站現(xiàn)場實(shí)際通風(fēng)情況對邊界條件作如下設(shè)置：外流域入口邊界條件設(shè)置為Velocity Inlet，速度u與高度z的關(guān)系按實(shí)際風(fēng)廓線分布，數(shù)值分布符合式（7）。

式中：u10為10 m處的風(fēng)速，u10=2.7 m/s；z為距地面的高度，m。

基于裝車站作業(yè)空間內(nèi)的粉塵粒徑及質(zhì)量濃度的測定數(shù)據(jù)，對湍流及離散相模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，主要模擬參數(shù)見表2。

表2 邊界條件參數(shù)Table 2 Parameters of boundary condition

3 煤炭裝載沖擊產(chǎn)塵運(yùn)移規(guī)律分析

3.1 風(fēng)流擾動下裝車站粉塵分布規(guī)律

為了探究風(fēng)流擾動下裝車站粉塵運(yùn)移規(guī)律，運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析了在風(fēng)速為2.70 m/s、45°斜向風(fēng)作用下煤礦裝車站粉塵運(yùn)移狀況。

自然通風(fēng)條件下粉塵擴(kuò)散云圖如圖2所示。在不采取任何除塵裝置下裝車站下風(fēng)側(cè)出現(xiàn)大面積粉塵污染，粉塵顆粒運(yùn)移速度極值達(dá)到8.29 m/s，粉塵顆粒運(yùn)移除自身重力因素外，其主要受到外界風(fēng)流的影響。

圖2 自然通風(fēng)條件下粉塵擴(kuò)散云圖Fig.2 Cloud map of dust diffusion under natural ventilation

對煤礦裝車站生產(chǎn)區(qū)域速度場進(jìn)行定性分析，如圖3（a）所示。風(fēng)流遇到裝車站迎風(fēng)面后在建筑物前緣角點(diǎn)處發(fā)生分離，一部分風(fēng)流沿迎風(fēng)面兩側(cè)流動，一部分進(jìn)入裝車涵洞內(nèi)向下風(fēng)側(cè)運(yùn)移，在此過程中夾帶煤塊裝車產(chǎn)生的懸浮狀粉塵顆粒向下風(fēng)側(cè)區(qū)域運(yùn)移，由圖2（a）可知，裝車涵洞出口處粉塵顆粒運(yùn)移速率超過2.25 m/s，其原因?yàn)橥ㄟ^裝車涵洞的過堂風(fēng)改變粉塵顆粒原本的受力狀態(tài)，使懸浮態(tài)的粉塵顆粒獲得一定的加速度，以較高的運(yùn)移速度向下風(fēng)側(cè)擴(kuò)散。

圖3 煤礦裝車站區(qū)域風(fēng)流流線圖Fig.3 Wind flow diagram of coal mine installation station area

由于建筑物阻礙作用使得在裝車站下風(fēng)側(cè)出現(xiàn)較大范圍風(fēng)流低速區(qū)，如圖3（a）所示。同時，在裝車站下風(fēng)側(cè)出現(xiàn)較大范圍粉塵污染區(qū)域，如圖3（b）所示。一部分風(fēng)流發(fā)生回流，風(fēng)速降低，在背風(fēng)面形成一個順時針渦旋，使得低水平處的粉塵顆粒受風(fēng)流影響向上運(yùn)移，對比圖2（b）與圖3（b）可知，低風(fēng)速渦旋區(qū)域與粉塵顆粒污染范圍大致吻合。由此可知，裝車站風(fēng)流場中流經(jīng)裝車涵洞的過堂風(fēng)與背風(fēng)面形成的低風(fēng)速順時針渦旋是造成下風(fēng)側(cè)粉塵顆粒運(yùn)移特性的主要原因。因此，實(shí)現(xiàn)對裝車站生產(chǎn)區(qū)域粉塵擴(kuò)散運(yùn)移的有效控制，需改善裝車站風(fēng)流場。

3.2 不同風(fēng)速下裝車站粉塵擴(kuò)散運(yùn)移規(guī)律

氣象風(fēng)流在裝車站粉塵擴(kuò)散運(yùn)移過程中有著重要影響，為進(jìn)一步探究自然風(fēng)速對煤炭裝載沖擊粉塵運(yùn)移規(guī)律的影響，參照不同風(fēng)級氣象特征，在0.10 m/s（無 風(fēng)）、2.70 m/s（輕 風(fēng)）、4.15 m/s（微 風(fēng)）、6.70 m/s（和風(fēng)）、9.35 m/s（清風(fēng)）、12.30 m/s（強(qiáng)風(fēng)）風(fēng)流擾動下，開展數(shù)值模擬工作，分析裝車站風(fēng)流場的速度分布規(guī)律。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，風(fēng)流經(jīng)過裝車站時速度會出現(xiàn)局部提高，裝車涵洞內(nèi)漂浮的煤塵顆粒在風(fēng)流夾帶作用下，向下風(fēng)側(cè)區(qū)域擴(kuò)散，如圖4所示。由于裝車站建筑物的影響，下風(fēng)側(cè)出現(xiàn)風(fēng)流低速區(qū)。隨著自然風(fēng)速的增加，下風(fēng)側(cè)區(qū)域內(nèi)風(fēng)速分布的不均勻性加劇，加重了裝車站附近風(fēng)流的紊亂程度，提升了該區(qū)域內(nèi)風(fēng)速的極值。

圖4 不同通風(fēng)條件下裝車站速度場分布Fig.4 Velocity field distribution of installation station under different ventilation conditions

不同通風(fēng)條件下粉塵質(zhì)量濃度分布如圖5所示。由圖5可知，隨著風(fēng)速的增大，裝車站下風(fēng)側(cè)粉塵濃度分布呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。當(dāng)自然風(fēng)速為0.10 m/s時，裝車涵洞內(nèi)粉塵濃度達(dá)到最大值，其值為2 370.000 mg/m3，隨著與裝車涵洞距離的增加，在重力的作用下粉塵顆粒發(fā)生沉降，粉塵濃度迅速降低為0 mg/m3；當(dāng)自然風(fēng)速為2.70 m/s時，粉塵濃度沿程分布呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，在距裝車站0～52.105 m的范圍內(nèi)粉塵顆粒受到風(fēng)流的擾動作用大于重力影響，致使粉塵顆粒在空間中彌散，在距裝車站37.218 m處粉塵濃度高達(dá)583.297 mg/m3。當(dāng)與裝車站之間的距離超過52.105 m時，在重力的作用下粉塵顆粒發(fā)生沉降，質(zhì)量濃度迅速降至為0；當(dāng)自然風(fēng)速為4.15 m/s時，粉塵濃度沿程呈現(xiàn)降低趨勢，在距裝車站38.120 m處粉塵濃度達(dá)到最大值，其值為264.731 mg/m3；當(dāng)自然風(fēng)速超過6.70 m/s時，粉塵濃度沿程分布近似保持69.106 mg/m3不變。

圖5 不同通風(fēng)條件下粉塵質(zhì)量濃度分布Fig.5 Distribution of dust mass concentration under different ventilation conditions

圖6為不同通風(fēng)條件下離地面2 m處粉塵污染面積統(tǒng)計(jì)圖。由圖6可知，當(dāng)自然風(fēng)速為0.10 m/s時，重力沉降作用明顯，污染面積為298.143 m2。在自然風(fēng)速由2.70 m/s增加至6.70 m/s的過程中，重力沉降作用逐漸降低，風(fēng)流擾動作用逐漸增強(qiáng)，粉塵污染面積由937.182 m2增加至1 311.259 m2。當(dāng)自然風(fēng)速超過9.35 m/s時，風(fēng)流擾動作用進(jìn)一步加強(qiáng)，較大粒徑的粉塵顆粒在風(fēng)流的夾帶作用下向下風(fēng)側(cè)進(jìn)一步擴(kuò)散，粉塵的污染面積超過1 847.932 m2。

圖6 不同通風(fēng)條件下粉塵污染面積Fig.6 Dust pollution area under different ventilation conditions

綜上所述，當(dāng)自然風(fēng)速不超過2.70 m/s時，隨著風(fēng)速的增加，粉塵濃度與污染面積均呈現(xiàn)出升高趨勢。隨著風(fēng)速的增大，裝車站風(fēng)流的不均勻性逐漸加劇，造成粉塵顆粒在風(fēng)流的夾帶作用下向下風(fēng)側(cè)區(qū)域擴(kuò)散。當(dāng)自然風(fēng)速超過2.70 m/s時，隨著風(fēng)速的增加，粉塵濃度逐漸降低，污染范圍逐漸擴(kuò)大。自然風(fēng)速越高，風(fēng)流擾動作用越明顯，粒徑較大的粉塵顆粒在風(fēng)流擾動作用下不再發(fā)生沉降運(yùn)動，向下風(fēng)側(cè)進(jìn)行擴(kuò)散。

3.3 阻隔抑塵下裝車站粉塵分布特征

為了降低裝車站粉塵濃度，縮小粉塵污染面積，提出了采用防風(fēng)抑塵網(wǎng)減輕裝車站粉塵污染程度，并進(jìn)一步探究了網(wǎng)高對于抑塵效果的影響。

提高抑塵效率首要是改善裝車站內(nèi)風(fēng)流場分布，防風(fēng)抑塵網(wǎng)通過網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)改變其表面風(fēng)速和湍流強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)改變風(fēng)流場特性的目的。相對于其他降塵工藝，防風(fēng)抑塵網(wǎng)具有一次性投資低、維護(hù)工作量小、操作容易等特點(diǎn)。防風(fēng)抑塵網(wǎng)控塵效果影響因素眾多，其中防風(fēng)抑塵網(wǎng)的安裝高度是一個重要的影響因素，相關(guān)研究表明，在一定安裝范圍內(nèi)隨著網(wǎng)高的增加可以降低粉塵擴(kuò)散范圍。

為了有效解決煤炭裝載粉塵運(yùn)移污染問題，基于白音華三號露天煤礦所處的自然條件，在風(fēng)速為2.70 m/s、45°斜向風(fēng)作用下對煤礦裝車站抑塵技術(shù)進(jìn)行探究。本文以抑塵網(wǎng)安裝高度為自變量，探究其對煤礦裝車站風(fēng)流場與控塵效果的影響，為現(xiàn)場控塵措施的制定提供參考。抑塵網(wǎng)的模擬參數(shù)見表3。風(fēng)流場分布云圖如圖7所示。風(fēng)流通過抑塵網(wǎng)后動能降低，風(fēng)速減小，在裝車站下風(fēng)側(cè)與兩抑塵網(wǎng)之間的區(qū)域內(nèi)形成低速區(qū)，隨著網(wǎng)高的增加，低速區(qū)的范圍逐漸擴(kuò)大，且風(fēng)速值趨于穩(wěn)定，兩抑塵網(wǎng)之間的區(qū)域風(fēng)速低于0.80 m/s。同時，隨著網(wǎng)高的增加，風(fēng)速極值呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，當(dāng)網(wǎng)高為7 m時，風(fēng)速極值最小，其數(shù)值低于0.70 m/s。

表3 抑塵網(wǎng)參數(shù)設(shè)置Table 3 Parameter setting of dust suppression net

圖7 不同高度抑塵網(wǎng)條件下水平面z=3.5 m風(fēng)流場分布云圖（俯視圖）Fig.7 Cloud diagram of wind flow field distribution in horizontal plane z=3.5 m under different height of dust suppression net conditions（top view）

不同高度抑塵網(wǎng)條件下裝車站下風(fēng)側(cè)風(fēng)速分布如圖8所示。由圖8可知，在未安裝抑塵網(wǎng)時生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)風(fēng)速值波動范圍大，風(fēng)速最大值可達(dá)到2.44 m/s。當(dāng)網(wǎng)高小于7 m時，網(wǎng)高的增加對下風(fēng)側(cè)區(qū)域風(fēng)速值的降低效果明顯，但在距離25～30 m附近對風(fēng)速值沒有抑制作用，出現(xiàn)風(fēng)速峰值；當(dāng)網(wǎng)高為7 m時，在任意距離作用效果顯著；當(dāng)網(wǎng)高大于7 m時，隨著網(wǎng)高的增加，風(fēng)速改變量不大，其值在0～0.90 m/s范圍內(nèi)波動，風(fēng)速極值略微上調(diào)。當(dāng)抑塵網(wǎng)安裝高度不超過7 m時，作用范圍集中于下風(fēng)側(cè)，作用效果明顯；當(dāng)安裝高度超過7 m時與7 m相較，下風(fēng)側(cè)風(fēng)速值變化接近，且距離較近處風(fēng)速極值略微上調(diào)。由此可知，抑塵網(wǎng)對區(qū)域風(fēng)速值的降低效果存在閾值，最佳安裝高度為7 m。

圖8 不同高度抑塵網(wǎng)條件下裝車站下風(fēng)側(cè)風(fēng)速分布Fig.8 Wind speed distribution on the downwind side of the installation station under different height dust suppression net conditions

不同網(wǎng)高條件下粉塵運(yùn)移范圍分布如圖9所示。由圖9可知，隨著抑塵網(wǎng)安裝高度的增加，在裝車站下風(fēng)側(cè)區(qū)域內(nèi)粉塵的污染范圍逐漸縮小。當(dāng)抑塵網(wǎng)安裝高度為5 m時，粉塵的污染范圍主要集中在靠近裝車站的下風(fēng)側(cè)區(qū)域與兩抑塵網(wǎng)之間的區(qū)域。隨著網(wǎng)高的不斷增加，下風(fēng)側(cè)粉塵污染逐漸縮小，當(dāng)網(wǎng)高超過7 m時，粉塵的污染范圍主要集中在兩抑塵網(wǎng)之間的區(qū)域。隨著網(wǎng)高的不斷增加，粉塵顆粒的逃逸速度不斷降低，當(dāng)網(wǎng)高超過7 m時粉塵顆粒的逃逸速度低于0.80 m/s，粉塵污染范圍主要集中在兩抑塵網(wǎng)之間的區(qū)域內(nèi)。

圖9 不同高度抑塵網(wǎng)條件下粉塵運(yùn)移范圍分布Fig.9 Distribution of dust migration range under different height of dust suppression net conditions

為了更好地量化抑塵網(wǎng)網(wǎng)高對裝車站下風(fēng)側(cè)粉塵濃度的影響，選取抑塵網(wǎng)外側(cè)區(qū)域內(nèi)一點(diǎn)作為監(jiān)測點(diǎn)，該點(diǎn)距裝車涵洞出口10 m，數(shù)值高度為1.5 m，該點(diǎn)處粉塵濃度隨網(wǎng)高的變化如圖10所示。由圖10可知，隨著抑塵網(wǎng)安裝高度的增加，裝車站下風(fēng)側(cè)粉塵濃度呈現(xiàn)出下降趨勢，當(dāng)網(wǎng)高超過7 m時，粉塵濃度略微上升，但整體濃度水平低于60 mg/m3。根據(jù)模擬數(shù)據(jù)在現(xiàn)場應(yīng)用中選用網(wǎng)高為7 m的防風(fēng)抑塵網(wǎng)。

圖10 下風(fēng)側(cè)粉塵濃度與抑塵網(wǎng)高度曲線圖Fig.10 Graph of dust concentration and height of dust suppression net on downwind side

4 現(xiàn)場應(yīng)用與效果分析

防風(fēng)抑塵網(wǎng)使氣流從外側(cè)通過墻體時，在墻體內(nèi)側(cè)形成上下干擾的氣流以達(dá)到外側(cè)強(qiáng)風(fēng)內(nèi)側(cè)弱風(fēng)的效果，從而防止粉塵的飛揚(yáng)。為了解決裝車站無組織排放的粉塵顆粒隨自然風(fēng)逃逸對周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染這一問題，在裝車涵洞出口處兩側(cè)安裝防風(fēng)抑塵網(wǎng)，如圖11所示，以期減少了粉塵顆粒因受風(fēng)流場影響在裝車站下風(fēng)側(cè)造成的大面積污染。

圖11 抑塵網(wǎng)現(xiàn)場應(yīng)用Fig.11 Field application of dust suppression net

防風(fēng)抑塵網(wǎng)選用單峰型抑塵網(wǎng)，成型寬度為500 mm。表面經(jīng)過靜電粉末噴涂處理，不易生銹。安裝長度為5.4 m，避免因安裝長度過大使得抗風(fēng)效果較差。抑塵網(wǎng)設(shè)置在主流風(fēng)面上，根據(jù)模擬結(jié)果網(wǎng)高選為7 m。

為了考察抑塵網(wǎng)現(xiàn)場控塵效果，在裝車站下風(fēng)側(cè)每隔10 m選取一個監(jiān)測點(diǎn)，其中，A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)、E點(diǎn)五個點(diǎn)位于抑塵網(wǎng)外側(cè)區(qū)域內(nèi)，F(xiàn)點(diǎn)、G點(diǎn)、H點(diǎn)、I點(diǎn)、J點(diǎn)位于抑塵網(wǎng)內(nèi)側(cè)，如圖12所示。各測點(diǎn)豎直高度為1.5 m，其現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)見表4。由表4可知，在裝車站安裝抑塵網(wǎng)控塵措施后，相比于抑塵網(wǎng)內(nèi)側(cè)區(qū)域內(nèi)的粉塵濃度，在抑塵網(wǎng)外側(cè)區(qū)域內(nèi)粉塵濃度得到明顯降低，降塵效率最高可以達(dá)到86.57%，整體降塵效率不低于82.51%，可見安裝抑塵網(wǎng)后裝車站粉塵擴(kuò)散范圍得到了有效降低，對礦區(qū)周邊的環(huán)境保護(hù)具有重要意義

表4 抑塵網(wǎng)控塵效果監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 4 Monitor data of dust control effect of dust suppression net

圖12 測點(diǎn)布置示意圖Fig.12 Schematic diagram of the arrangement of measuring points

為了驗(yàn)證所獲得模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，如圖13所示。由圖13可知，抑塵網(wǎng)外側(cè)粉塵濃度相對誤差控制在18.18%以內(nèi)，最小誤差為6.89%，抑塵網(wǎng)外側(cè)粉塵濃度相對誤差小于11.07%，最小誤差為9.63%，考慮到現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境的復(fù)雜性、煤炭裝載產(chǎn)塵的波動性及人為誤差，可認(rèn)為模擬產(chǎn)生的誤差在可接受的范圍內(nèi)，所獲得的模擬結(jié)果相對可靠。

圖13 抑塵網(wǎng)內(nèi)外側(cè)粉塵濃度結(jié)果對比Fig.13 Comparison of dust concentration results inside and outside the dust suppression net

綜上所述，受裝車站建筑物的影響，風(fēng)流在經(jīng)過裝車站時風(fēng)速會出現(xiàn)局部增加，高速的風(fēng)流在經(jīng)過裝車站涵洞時對粉塵顆粒會產(chǎn)生卷吸，在距離裝車站較近的區(qū)域內(nèi)風(fēng)流較為紊亂，風(fēng)流紊亂程度愈大，粉塵顆粒運(yùn)移軌跡越無規(guī)則化，故通過設(shè)置防風(fēng)抑塵網(wǎng)，可以改善裝車站生產(chǎn)區(qū)域風(fēng)速的分布狀況，降低來流風(fēng)的動能，減少物料的揚(yáng)塵。

5 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬的方法探究了抑塵網(wǎng)安裝高度對煤礦裝車站粉塵污染的影響規(guī)律，研究了自然通風(fēng)風(fēng)向與敞車運(yùn)移同向情況下裝車站周圍風(fēng)流、粉塵運(yùn)移規(guī)律，探討了抑塵網(wǎng)安裝高度對于裝車站產(chǎn)塵污染規(guī)律的影響，主要結(jié)論如下所述。

1）流經(jīng)裝車涵洞的過堂風(fēng)與背風(fēng)面形成的低風(fēng)速順時針渦旋是造成下風(fēng)側(cè)粉塵顆粒運(yùn)移特性的主要原因。

2）當(dāng)自然風(fēng)速不超過2.70 m/s，粉塵濃度與污染范圍隨著風(fēng)速的升高呈現(xiàn)出增加趨勢；自然風(fēng)速由4.15 m/s增加至12.30 m/s時，風(fēng)流的不均勻性不斷加劇，擾動作用明顯增強(qiáng)，粉塵濃度雖然呈現(xiàn)降低趨勢，但粉塵顆粒在風(fēng)流的夾帶作用下向下風(fēng)側(cè)區(qū)域擴(kuò)散，污染面積進(jìn)一步擴(kuò)大。

3）隨著網(wǎng)高的增加可以有效地降低裝車站下風(fēng)側(cè)區(qū)域風(fēng)速值，并在裝車涵洞出口處形成一條風(fēng)速值分布均勻的低速帶，有利于減小粉塵顆粒逃逸速度，促使粉塵顆粒沉降，縮小粉塵顆粒擴(kuò)散范圍，降低下風(fēng)側(cè)區(qū)域內(nèi)粉塵濃度值。但網(wǎng)高對于風(fēng)流場與粉塵運(yùn)移的影響存在閾值，當(dāng)網(wǎng)高超過7 m時流域內(nèi)風(fēng)速值變化不大，下風(fēng)側(cè)區(qū)域內(nèi)粉塵濃度略微增加。在進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用后，降塵效率最高可以達(dá)到86.57%，整體降塵效率不低于82.51%。