胶带输送巷道粉尘浓度分布的数值模拟及实验研究*

陈举师，蒋仲安，王 明

(北京科技大学 教育部金属矿山高效开采与安全重点实验室，北京 100083)

胶带输送巷道粉尘浓度分布的数值模拟及实验研究*

陈举师，蒋仲安†，王 明

(北京科技大学 教育部金属矿山高效开采与安全重点实验室，北京 100083)

为了改善胶带输送巷道粉尘浓度超标的现状，探索影响粉尘浓度分布的主要因素，根据相似原理，结合气固两相流的运动方程，导出了模拟胶带输送巷道粉尘运动的相似准则数，建立了胶带输送巷道相似模型，运用计算流体力学的Fluent软件对胶带输送巷道相似模型粉尘浓度分布进行数值模拟，并与相似实验数据对比分析，模拟结果与实验数据基本吻合.研究结果表明，巷道平均风速及胶带运行速度是影响粉尘浓度分布的两大主要因素.巷道平均风速为0.15～0.60 m·s-1时，风速越大，粉尘浓度越低.胶带运行速度为1～2.5 m·s-1时，运行速度越大，粉尘浓度越高.

浓度分布；胶带输送巷道；粉尘；相似理论；数值模拟

金属矿山在井下开采过程中，矿岩的装载与输送是最为重要的环节之一，直接决定着矿山能否正常生产，影响着矿山的生产成本.矿岩在转载及输送过程中，均会产生大量的粉尘.金属矿山粉尘中游离二氧化硅含量较高，长期吸入极易引发尘肺病，严重危害着井下工人的身体健康[1-3].

对此国内外的专家学者进行了大量的研究，一般通过控制矿石的含水率、进行尘源密闭、加强通风排尘效果、实施喷雾洒水、降低胶带机高度势能差及减小胶带运行速度等措施来实现除尘目标.虽然这些措施能够在一定程度上降低粉尘浓度，但其应用效果远远达不到国家卫生标准的要求，需要在理论上和实践上进行更加深入的研究[4-8].

因此，研究胶带输送巷道的粉尘浓度分布规律，确定出影响粉尘浓度分布的主要因素，对于探索适用于胶带输送巷道的粉尘控制新工艺、新技术、新设备、新方法具有十分重大的现实意义.

1 粉尘产生机理

任何粉尘都要经过一定的传播途径，才能以空气为媒介向周边扩散.使粉尘颗粒从静止状态变成悬浮状态的过程称作“尘化”过程，弄清尘化机理，是治理粉尘的首要问题.在胶带输送巷道内，胶带输送机机头及机尾转载点处是主要尘源.此外，胶带输送机在运行过程中，由于胶带自身的振动以及矿石与空气的摩擦作用，也会产生少量的粉尘.根据现场调查及理论分析可知胶带输送巷道内粉尘尘化机理主要有：

1)剪切作用造成的尘化.矿石在机尾转载过程中，上游工序中的矿石由具有一定高度的漏斗口自由落下至胶带输送机表面，在该过程中，矿石中所携带的矿粉受空气的迎面阻力作用发生了剪切效应，导致空气被卷入矿粉流中，矿粉流逐渐扩散，相互的卷吸作用使粉尘不断地向外飞扬，并长时间悬浮在空气中，造成胶带机尾处粉尘飞扬.

2)诱导空气造成的尘化.矿石在输送过程中，由于块度大小不均，胶带上矿堆表面凹凸不平，当其以一定速度在空气中运动时，会带动矿石表面附近区域内的空气一起流动，产生了所谓的诱导空气.诱导空气与矿堆表面的矿粉相互混合，将部分矿粉卷吸入空气中，随风流的运动扩散开来，造成胶带输送机表面粉尘飞扬.

3)设备运动造成的尘化.胶带输送机运行过程中，由于胶带托辊的作用，胶带自身会剧烈振动，导致细小粉尘颗粒自矿石堆中脱离出来，并与矿石堆表面附近区域内空气发生混合，最终随风流飘散.

4)装入矿石造成的尘化.矿石在机头转载时，受自身重力作用自由下落，会排挤出与下落矿石相同体积的空气，这些空气会由漏斗口向上逸出.在该过程中，下落矿石中所含的矿粉颗粒将与空气发生混合，并随上逸空气排出漏斗口外，造成机头转载点处粉尘弥漫.

2 相似模型的建立

胶带输送巷道粉尘浓度分布的相似实验主要研究粉尘在气体中的运动规律以及分布情况，因此相似准则数的导出要同时考虑气体和粉尘.由于气流是推动粉尘运动的基本动力之一，因此，应使用气体的运动方程和粉尘的运动方程来描述气固两相流动过程的全部物理现象[9-12].

2.1 相似准则数的导出

根据气固两相流的运动方程，其中有量纲的物理量为ρg，ρp，Ug，Up，μg，dp，g，l，t和P等10个.

2.2 相似准则数的简化

在进行相似模型实验设计时，由于受到比例尺制约关系的限制，要想使实验模型与原型之间各个相似准则数均相等是比较困难的，但在保证足够准确度的情况下，运用近似模型法来进行相似模型实验设计，以保持局部相似或近似是完全可以实现的.相似实验模型与原型的流场均处于稳定状态，可以不考虑Ho；模型与原型中的粉尘颗粒都很细小，其重力可忽略不计，可以不考虑Fr；粉尘颗粒能在极短的时间内充分加速到气流速度的99%，气固两相之间相对速度可忽略不计，则Up/Ug可近似地取1；粘性流体在流动时具有“自模性”，只要模型和原型的雷诺数Re均位于同一自模区，即可认为Re相似；由于本次实验过程中所使用的矿石均取自于西石门铁矿，其产生的粉尘与现场完全相同，则ρp/ρg可以满足.最终，相似模型实验满足与原型相似的相似准则数只有Stk,δl,Rep和Δ/D等4个.

2.3 相似模型的建立

胶带输送巷道相似模型以西石门铁矿11/96胶带斜井为原型，按照几何尺寸比为Cl=l∶l’=2∶1建立而成.巷道原型高3.7 m，宽4 m，取巷道长度l=24 m，胶带输送机宽1.4 m，高1.4 m，胶带宽1 m.对应建立的巷道模型高1.85 m，宽2 m，长度为l’=12 m，胶带输送机模型宽0.7 m，高0.7 m，胶带宽0.5 m.

该模型为独头结构，独头端以及顶板底板均为混凝土结构，两侧壁面为木质板结构.胶带输送机长5 m，布置在巷道中部，距前端4.5 m，后端2.5 m.将压入式风机及送风管道安装在相似实验模型内右侧，管道中心位置高1.3 m，距右壁0.2 m，实现压入式通风，风流撞击独头端后返回，沿着巷道流动，将胶带输送机安置在风流流场较为均匀的区域.胶带输送巷道相似实验模型装置示意图，如图1所示.

3 数值模拟结果及分析

3.1 几何模型的建立及求解

3.1.1 几何模型的建立及网格划分

根据相似实验模型装置的实际情况，结合数值模拟的需要，对胶带输送巷道相似模型做出以下简化及假设：

1)巷道模型视为长方体，送风管道视为规则的圆柱体，放料漏斗视为规则的倒梯形台；

2)平面、支架等简化认为为平面边界；

3)实验用电机与变频器由于体积较小，不考虑其对风流的影响；

4)不考虑相似实验模型内部的漏风；

5)不考虑胶带机运行过程中的震动.

图1 胶带输送巷道相似实验模型装置示意图

根据上述简化及假设条件，按照相似模型的实际尺寸进行建模，并进行网格划分，得胶带输送巷道相似模型的几何模型建立及网格划分如图2所示.几何模型中巷道断面宽2.0 m，高1.85 m，长12 m；送风管道直径为0.4 m，出风端中心高度1.3 m，进风端中心高度0.3 m.网格的基本尺寸取0.1～0.2 m.

图2 胶带输送巷道的几何模型建立及网格划分

3.1.2 边界条件的设定及求解

通过查阅相关文献资料，根据相似模型实验装置的实际情况，结合胶带输送巷道粉尘运动三维数学模型和Fluent数值模拟方法，并对区域网格进行自适应等调试，最终求解出胶带输送巷道相似模型粉尘浓度分布[13-15].

3.2 风流流场分布

根据胶带输送巷道相似模型的实验结果，在Fluent中进行参数设置，得出巷道平均风速为0.3 m·s-1时模型空间风流流场分布如图3及图4所示.

图3 胶带输送巷道相似模型风流流场速度矢量分布

图4 胶带输送巷道相似模型风流流场分布

从图中可以看出：

1)风流自送风管道口射出后，以逐渐扩大的风流射向独头端，风速沿管道轴线方向逐渐减小，导致到达独头端的风速较低；风流在独头的阻碍下发生反向回流，并受模型空间及射流卷吸作用的影响，形成涡流，最后沿模型走向经过胶带输送机排出.

2)从送风管道口到独头端，管道轴线上的风速从6.5 m·s-1衰减到2 m·s-1；在靠近独头端的区域，风速较大，且变化较快；距离管道口越近，风速越大，变化也越剧烈.气流涡旋中心的风速较低，边缘风速较高；巷道模型内胶带输送机所处区域平均风速约为0.3 m·s-1.

3)风流在流动至胶带输送机机尾处(距独头端4.5 m)基本达到稳定，且在胶带机所在巷道区域内始终保持稳定.说明相似模型实验中管道布置参数选择合理，用来模拟胶带输送巷道内稳定的风流流场可行.

3.3 粉尘浓度空间分布

在离散相模型中进行粉尘源相关参数设置，令胶带输送机机头及机尾各随机产生420个粉尘颗粒，并跟踪其运动轨迹得到胶带运行速度为1 m·s-1，巷道平均风速为0.3 m·s-1时粉尘运动轨迹如图5所示.通过大批量地进行粉尘颗粒跟踪，并对其运动轨迹进行统计分析，得相似巷道模型内粉尘浓度分布如图6、图7所示.从图中可知：

图5 胶带输送巷道相似模型粉尘运动轨迹

图6 胶带输送巷道相似模型空间粉尘分布

图7 胶带输送巷道相似模型粉尘浓度分布渲染图

1)粉尘颗粒在放料口和胶带表面产生后，在风流的作用下往巷道出口方向扩散，横向随机脉动.随着扩散距离的增大，由于脉动量的累加，粉尘颗粒覆盖范围也逐渐增加，最终充满整个巷道断面.

2)在胶带输送机所在巷道区域内，随着距独头端距离的增加，粉尘浓度沿程先上升至最大值，然后逐步缓慢降低；

3)在巷道断面内，水平方向上粉尘浓度在胶带中部达到最大值，并以胶带中部为中心向两侧降低，胶带左侧粉尘浓度低于胶带右侧；竖直方向上粉尘浓度以上下部胶带表面为中心向上下两侧逐步降低.

3.4 不同边界条件下粉尘浓度分布

通过现场调查及理论分析可知，巷道平均风速及胶带运行速度是胶带输送巷道内影响粉尘浓度分布的两大主要因素.因此，取人行道中央断面(W=0.3 m)与H=1 m平面的交线作为基准线研究这两个参数对粉尘浓度分布的影响.

3.4.1 巷道平均风速

在胶带运行速度为1 m·s-1，巷道平均风速分别为0.15 m·s-1，0.3 m·s-1，0.45 m·s-1及0.6 m·s-1条件下粉尘浓度沿程分布如图8所示.

与胶带机放料端的距离/m

从图8中可以看出：

1)在巷道平均风速为0.15～0.6 m·s-1的范围内，风速越大，巷道空间内粉尘浓度整体越低.随着风速的增大，粉尘浓度达到最大值的位置距独头端越远.

2)较大的风速有利于粉尘颗粒的稀释及排出，但同时也会造成已沉降粉尘的二次飞扬，在本次模拟过程中，所选择的风速均未达到扬尘风速，风流对粉尘颗粒主要起着稀释及排出的效果.

3)在现场应用中，在满足规程要求的情况下，为达到一个较好的排尘效果，应将巷道风速保持在一个比较合理的数值范围，这样能实现风流的排尘效果，也能保证已沉降粉尘不被风流扬起.

3.4.2 胶带运行速度

在巷道平均风速为0.3 m·s-1，胶带运行速度分别为1 m·s-1，1.5 m·s-1，2 m·s-1及2.5 m·s-1条件下粉尘浓度沿程分布如图9所示.从图9中可以看出：

1)胶带运行速度对巷道内粉尘浓度分布规律的影响较弱，其变化趋势基本保持一致.在胶带运行速度为1～2.5 m·s-1的范围内，随着胶带运行速度的增大，巷道内粉尘浓度整体升高.

2)胶带运行速度越大，所引起的胶带自身的振动就越强烈，且矿石与空气的摩擦效应也更强，导致胶带表面所产生的粉尘颗粒逃脱束缚的能力越强，模型空间粉尘浓度相应升高.

3)实际生产过程中，在保证完成生产任务的前提下，应尽量减小胶带输送机的运行速度，以降低胶带输送巷道内粉尘的浓度.

与胶带机放料端的距离/m

4 相似实验结果及分析

4.1 测点布置

根据胶带输送巷道相似模型布置情况，在空间内布置风速测点及粉尘浓度测点，每个测点均进行至少三次的数据测定，并取平均值进行比较分析，以消除误差的影响，使测量值尽量接近真实.

1)风速测点布置

根据巷道模型的长度，结合射流通风流场的理论基础，在巷道模型内部选取17个待测面，每个断面布置3×4个风速测点对风速进行测定.各风速测点的具体布置如图10所示.巷道模型中，待测断面在前端设置较密，后端设置间隔较大.

W/m

2)粉尘浓度测点布置

在巷道模型内部选取6个待测断面，每个断面布置3×4个粉尘浓度测点，测点布置参照风速测点布置图.沿着胶带输送机运料方向在输送机左侧人行道中心线、右侧送风管道中心线及输送机中轴线上布置测点，从机尾放料口处开始，每隔0.8 m布置1个测点，直至机头处.相似实验模型粉尘浓度测点布置如图11所示.

图11 粉尘浓度测点布置示意图

4.2 风流流场分布

取巷道平均风速为0.3 m·s-1研究巷道模型内风流流场分布情况.由于篇幅有限，此处只选取H= 1.0 m平面作为代表进行风流流场分析.图12所示为H=1.0 m平面分别与W=0.3 m，W=0.9 m，W=1.6 m断面的交线上风速的沿程变化规律,从图12中可看出：

与独头断面的距离/m

在H=1.0 m平面内，W=0.9 m，W=1.6 m断面上风速沿着回风方向先急剧下降，在距独头端约3.5 m处趋于稳定；W=0.3 m断面风速沿程先减小，后增大，随后又迅速减小，在距独头端约3.5 m处也趋于稳定.在距独头端3.5 m以外区域内，风速基本保持在0.32 m·s-1左右.

4.3 粉尘浓度分布

取巷道平均风速为0.3 m·s-1对巷道模型空间粉尘浓度分布进行详细测定，实验过程中胶带机运行速度为1.5 m·s-1.图13、图14分别为不同巷道断面、不同高度平面内粉尘浓度沿程分布，从图13、图14中可以看出：

随着距胶带机放料口距离的增加，粉尘浓度沿程先逐步上升至一个最大值，后逐步缓慢降低.在水平方向上，粉尘浓度在胶带中部分布最高，胶带右侧居中，胶带左侧最低.在高度方向上，粉尘浓度在H=1.0 m高度平面内达到最大值，并以该平面为中心向上下两侧逐步降低.

与胶带机放料端的距离/m

与胶带机放料端的距离/m

4.4 不同参数条件下粉尘浓度分布

1)巷道平均风速

对巷道平均风速为0.15 m·s-1，0.30 m·s-1，0.45 m·s-1及0.60 m·s-1条件下粉尘浓度沿程分布进行测定结果如图15所示.从图15中可以看出：

与胶带机放料端的距离/m

①巷道平均风速在0.15～0.60 m·s-1范围内，平均风速越大，沿着人行道在H=1.0 m平面上粉尘浓度越低，且人行道上粉尘浓度最大值出现的位置距下料口越远.

②风速越大，对粉尘颗粒的稀释效果越明显，人行道内粉尘浓度越低；同时大风速对粉尘颗粒的排出效果也更好，粉尘运动轨迹较长，出现粉尘浓度最大值的位置距放料口较远．

2)胶带运行速度

对胶带运行速度为1.0 m·s-1，1.5 m·s-1，2.0 m·s-1及2.5 m·s-1条件下粉尘浓度沿程分布进行测定，结果如图16所示.从图16中可以看出：

与胶带机放料端的距离/m

①胶带运行速度在1.0～2.5 m·s-1范围内，随着胶带运行速度的增加，粉尘浓度在人行道中央断面与H=1.0 m平面大交线上整体分布也相应升高，且最大值出现的位置距放料口越近.

②胶带运行速度越大，胶带机自身的振动频率也就越快，振动幅度随之增大，导致产生的粉尘颗粒越多，粉尘浓度越高.

③较大的胶带运行速度使得粉尘颗粒的产生速率大大超出了巷道风流的排尘能力，导致粉尘颗粒不能及时排出，故其最大值出现的位置距放料口要近一些.

4.5 模拟结果的验证

为了验证模拟结果的准确性，使数值模拟与相似实验过程中所有参数及边界条件设置均保持一致，取胶带运行速度为1 m·s-1，巷道平均风速为0.3 m·s-1时人行道中央断面与H=1 m平面的交线作为基准线，将沿程风速及粉尘浓度分布作为比较对象，对模拟结果及实验数据进行对比分析结果如图17，图18所示.

从图17及图18中可以看出，在进行比较的基准线上，风速及粉尘浓度的模拟结果与实验数据基本吻合，分布及变化规律基本保持一致.但相比较之下两者数值上还是略微有所偏差，其中，风速模拟结果与实验数据相比其相对误差在所有测点的平均值为17%，粉尘浓度模拟结果相对误差的平均值为25%.这是由于在实验数据测定、模型建立及参数设置过程中均会存在一定误差所造成的.通过对比分析，说明采用离散相模型对胶带输送巷道相似模型粉尘运动进行模拟是可行的，模拟结果可信.

与独头断面的距离/m

与胶带机放料端的距离/m

5 结 论

1)胶带输送巷道风速及粉尘浓度的模拟结果与实验数据基本吻合，分布及变化规律基本保持一致.说明采用离散相模型对胶带输送巷道相似模型粉尘浓度分布及其影响因素进行模拟是可行的，模拟结果可信.

2)风流自送风管道口射出后，以逐渐扩大的风流射向独头端，风速沿管道轴线方向逐渐减小，在独头的阻碍下发生反向回流，并在胶带输送机所处区域保持稳定.说明相似模型实验中送风管道布置参数选择合理，用来模拟胶带输送巷道内稳定的风流流场可行.

3)随着距独头端距离的增加，巷道区域内粉尘浓度沿程先上升至最大值，然后逐步缓慢降低；水平方向上，粉尘浓度在胶带中部达到最大值，并以胶带中部为中心向两侧逐步降低；竖直方向上，粉尘浓度以上下部胶带表面为中心向上下两侧逐步降低.

4)巷道平均风速及胶带运行速度是胶带输送巷道相似模型内影响粉尘浓度分布的两大主要因素.在巷道平均风速为0.15～0.6 m·s-1的范围内，风速越大，巷道空间内粉尘浓度整体越低.在胶带运行速度为1～2.5 m·s-1的范围内，随着胶带运行速度的增大，巷道内粉尘浓度整体升高.

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Numerical Simulation and Experimental Research on Dust Concentration Distribution in Belt Conveyer Roadway

CHEN Ju-shi, JIANG Zhong-an†, WANG Ming

(The Key Laboratory of Ministry of Education for High Efficiency Exploitation and Safety of Metal Mine,Univ of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

In order to improve the current situation of dust concentration exceeding the limits in belt conveyer roadway,to explore the main influencing factors of dust concentration distribution, according to the similarity theory and the gas-solid two-phase flow equation motion, a similarity model device was designed for the specific situation in belt conveyer roadway. Fluent, which is a software of computational fluid dynamics, was used to analyze the dust concentration distribution in belt conveyor roadway of the similar model. Compared with similar experiment data analysis, the simulation result was consistent with the experimental data. The results show that the average wind speed in the roadway and the speed of the belt are the two main factors affecting the dust concentration distribution. When the average wind speed of the roadway is 0.15 m·s-1～ 0.60 m·s-1, the greater the wind speed, the lower the dust concentration. When the Tape speed is 1～ 2.5 m·s-1, the greater the speed, the higher the dust concentration.

concentration distribution; belt conveyer roadway; dust; similarity theory; numerical simulation

1674-2974(2015)06-0127-08

2014-05-26

国家自然科学基金资助项目(51274024),National Natural Science Foundation of China(51274024) ；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FR-TP-14-039A1)；中国博士后科学基金资助项目(2014560891)

陈举师(1987-)，男，贵州毕节人，北京科技大学讲师，博士

†通讯联系人，E-mail:jza1963@263.net

TD714.2

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