高溜井粉尘扩散特征试验研究*

2021-04-08葛连梦汪林红陈宜华

现代矿业 2021年2期

葛连梦汪林红陈宜华陈颂

（1.安徽工业大学能源与环境学院；2.山东中矿集团有限公司）

金属矿山多采用溜井转运的方式进行集中卸矿。高溜井放矿时，易诱发冲击气流，冲击气流向下做加速运动，携带的粉尘在卸矿口附近产生大量的高浓度矿尘，在巷道内扩散，与井下爆破一同成为井下重大污染源，污染矿井作业环境且影响采场工作人员的身体健康［1-3］。大量研究数据表明，矿井作业人员若长时间吸入粒径＜5 μm 的粉尘，尤其是粒径＜2.5 μm 的粉尘，会对身体健康造成严重危害［4-5］。由此可见，矿山的防尘降尘形势迫在眉睫，掌握高溜井内粉尘的分布特征、扩散规律对制定和开展高效的防治措施有重大指导意义［6］。

溜井集中卸矿时，粉尘产生量大，防治难度高，与矿石质量、粒径、连续放矿次数及溜井放矿高度等影响因素密不可分，因此国内学者对溜井卸矿诱发的冲击气流分布规律和粉尘扩散特征开展了大量研究，但大部分依旧停留在实验阶段，在工程应用和产尘理论方面成果较少［7］。本研究采用相似实验与数值模拟相结合的方式，分析梅山矿和张庄矿中高溜井在不同中段粉尘产生的规律以及影响因素，为高溜井粉尘防治提供理论指导。

1 试验材料与方法

1.1 实验原料

分别选取梅山矿和张庄矿矿石样品，将较大矿石颗粒经颚式破碎机破碎后，用筛网筛选出5种不同范围的粒径等级：①25 mm＜D≤60 mm ；②10 mm＜D≤25 mm ；③5 mm＜D≤10 mm；④1 mm＜D≤5 mm；⑤D≤1mm。根据工程现场高溜井的实际放矿情况，将各等级粒径按照5%、30%、30%、30%、5%的比例配置实验样品。

1.2 实验装置

基于相似准则理论建立实验模型，模型与某金属矿山高溜井实际尺寸大小按相似比1∶10 缩小，实验装置如图1所示，包括溜井模型主管、卸矿漏斗、储矿弯头、风速仪以及粉尘采样仪5 个部分，其中高溜井实验模型采用PVC 管材质，溜井主体高10 m，直径0.3 m，斜溜槽内径0.2 m，与溜井主体倾斜角度为3°。采取从溜井顶端自主放矿的方式，将粉尘采样仪（LD-5C）和热敏风速仪（testo425）的采样管分别伸入斜溜槽管径内，同步监测3中段粉尘浓度及风速变化情况。

1.3 矿石样品性质

1.3.1 梅山铁矿性质

梅山铁矿的矿石样品中主要化学成分为Fe、Ca、Mg、Al、S、P，以及V、Ga，其物理力学性质见表1。

1.3.2 张庄铁矿性质

张庄铁矿矿石中的有用矿物质为磁铁矿（25.54%）、假象赤铁矿、赤铁矿等；脉石矿物主要包括石英（35.7%）、辉石、石榴石等硅酸盐类矿物（30.74%）。

分析两种矿物含量，梅山矿岩样品质量较重，故样品品位高于张庄铁矿。

1.4 实验结果与讨论

1.4.1 矿石粒径对风速和粉尘浓度的影响

将矿石粒径划分为5 种不同的粒径范围：①25 mm＜D≤60 mm；②10 mm＜D≤25 mm；③5 mm＜D≤10 mm；④1 mm＜D≤5 mm；⑤D≤1 mm，进行单一粒径范围矿石的溜井放矿试验。在放矿质量为4 kg 的条件下，不同矿石粒径对高落差粉尘浓度及风速的影响如图2、图3所示。

通过分析图2 可得，对于两种不同性质的矿石，粉尘粒径越小，粉尘浓度最值越大，张庄铁矿矿石样品在溜井内的粉尘浓度最大值高于梅山铁矿。从溜井顶端放矿的矿石粒径越小，越易在溜井内扩散，下落过程中因碰撞产生的微细粉尘颗粒越多，致使溜井内粉尘浓度越高，达到最大值的时间点基本相同，均在10 s 左右。粉尘浓度在沉降后发生波动是由于冲击风速导致溜井底部和斜溜槽内沉积的粉尘扬起。

从图3可发现，从溜井顶端放矿诱发的冲击风速值随着矿石粒径的减小而增大，两种不同类型的矿石诱发的风速最值相差较小，且达到峰值的时间节点相同。是由于放矿质量相同，矿石粒径越小，其比表面积越大，下落的矿石颗粒投影面积在溜井横截面积中占比较大，对高溜井内气流影响也越大［8］。

1.4.2 放矿质量对风速和粉尘浓度的影响

对比张庄矿和梅山矿两种不同性质的矿石，保持放矿高度、矿石粒径相同，探讨在不同放矿质量下对溜井内呼吸性粉尘浓度和风速的影响，结果如图4、图5所示。由图4可得，随着不断增大放矿质量，粉尘浓度最大值也明显增加，粉尘在溜井内悬浮时间越长。当梅山矿石放矿质量由2 kg增至8 kg时，粉尘浓度由27.4 mg/m3增至132 mg/m3；张庄矿石放矿质量由2 kg增至8 kg时，粉尘浓度由64.4 mg/m3增至136.6 mg/m3，梅山矿石的粉尘浓度最值变化范围高于张庄矿石。导致该现象的原因是梅山矿石的品位较高，相同质量下，梅山矿样品体积小，所占溜井截面积投影值较小，在溜井内碰撞产生的粉尘浓度小。

由图5 可知，风速最大值随放矿质量增大而增加，且风速达到最大值的时间节点基本一致。当梅山矿石放矿质量由2 kg增至8 kg时，风速值由1.2 m/s增至2.48 m/s；张庄矿石放矿质量由2 kg增至8 kg时，风速最值由0.53 m/s增至2.74 m/s。

通过对梅山、张庄两种矿石的最大风速和最大粉尘浓度进行线性拟合，由图6 可以看出，在不同放矿质量下，张庄铁矿最大粉尘浓度与最大风速二者之间的线性相关度最好，拟合系数R2分别为0.999、0.930。张庄矿矿石风速增加幅度大，风速产生波动，是由于在相同质量下张庄矿石样品体积大，在碰撞中产生的小粒径矿石多，其粒径本身重力小于向上的阻力，使其在溜井内继续运动，出现风速波动的现象。

1.4.3 连续放矿次数对风速和粉尘浓度的影响

图7、图8 是连续放矿次数对溜井内粉尘扩散和风速的影响，选取质量为4 kg 的两种试验样品，从溜井顶端进行一次放矿、连续两次放矿、连续三次放矿。当梅山铁矿的连续放矿次数由一次增至三次，即放矿质量由4 kg 增至12 kg，粉尘浓度峰值由31.6 mg/m3增至100.1 mg/m3；张庄铁矿连续放矿次数由一次增至三次，粉尘浓度最值由109.6 mg/m3增至261.6 mg/m3。张庄铁矿的粉尘浓度最值和增加幅度均高于梅山铁矿，是由于梅山矿石样品品位高，下落过程诱发的粉尘少，产生的冲击小，故粉尘浓度小。

图8 中可发现，连续放矿次数对风速最值的影响较显著。随着连续放矿次数的增加，风速波动较大，且出现多个峰值，是因下落过程中矿石颗粒诱发的冲击风流发生叠加，对溜井底部的冲击气流影响显著。

1.4.4 不同中段对高溜井风速和粉尘浓度的影响

溜井卸矿高度不同，对溜井内粉尘浓度和风速影响也有所不同，分别从溜井3 个中段2.5、5、7.5m处进行放矿，来探究溜井放矿高度与最大粉尘浓度、最大风速之间的线性拟合关系，以及最大粉尘浓度和最大风速之间的拟合关系，如图9、图10、图11 所示。

分析图9、图10 可知，溜井高度与溜井最大粉尘浓度、最大风速均呈一次线性关系，随着溜井高度增大，放矿质量增加，风速、粉尘浓度最值和线性拟合斜率也在逐渐增加。当放矿质量为4 kg 时，张庄矿石样品和梅山矿石样品的线性拟合度最好，R2分别为0.985 和0.999，其中梅山矿石样品R2接近1。当放矿质量为2 kg 时，张庄矿石样品的线性拟合度最优，R2为0.981，当放矿质量为8 kg 时，梅山矿石样品的线性拟合最好，R2接近1。由于溜井高度增加，有利于矿石颗粒在溜井内的扩散，延长降落时间，碰撞产生的小粒径矿石也越多，风速越高，粉尘浓度也越大。

分析图11可得，最大风速增加，其粉尘浓度最值也在逐渐增大，其中张庄矿石样品最大风速与最大粉尘浓度的线性拟合度最好，R2为0.957。从上图中可以得到，通过减小溜井内风速大小来降低粉尘浓度，从而减轻对工作人员的身体伤害。

2 高落差粉尘的浓度模拟

2.1 几何模型的建立及网格划分

为了探究放矿时高溜井内压力、风速的变化过程，在Gambit软件中建立高溜井几何模型，模型高10 m，直径0.3 m，每个中段长2.5 m，3 个斜溜槽长度为0.3 m，内径为0.2 m，倾斜角度为30°。为了方便建模，省去影响较小的储料管段，如图12所示。

因建立的高溜井几何模型相对简单，故采用ICEM CFD 结构化网格对其进行划分，对网格进行质量检查的结果为良好，符合Fluent 计算要求，如图13所示。

2.2 边界条件设定及求解

高溜井几何模型网格划分完成后导入Fluent，选择离散型模型（DPM）对溜井内气固两相流进行模拟，并设定材料属性、边界条件、求解参数等。设置高溜井几何模型进口和出口的边界条件为Pressureinlet 和Pressure-outlet；计算域中选择空气类型为Continuous fluid，矿石颗粒为Particle transport solid，密度4 900 kg/m3，选择标准k-ε 湍流模型；3D 求解器设定为基于压力的SIMPLE算法［9］。

2.3 数值模拟结果及分析

模拟放矿质量、连续放矿次数相同、从溜井顶端进行放矿的情况，将Fluent 计算的数据结果导入CFD-Post 进行分析处理，得出溜井内不同时间点的压力、风速以及颗粒运动云图。

2.3.1 不同时刻的压力云图

不同时间点的压力分布云图能直观地反应矿石颗粒在下降过程中不同中段的压力变化情况，图14为从溜井顶端放矿在不同时刻的压力云图。在2 s时溜井整体压力值变化范围最广，矿石颗粒运动至底部时压强达到最大值，且时间越长溜井整体压力数值越小，在5～10 s 范围内3 个中段压力值基本保持稳定。随着矿石颗粒从溜井顶端向下做加速运动，越靠近溜井底部，云图颜色和数值越大，溜井下方的空气受到矿石颗粒的挤压，气流运动剧烈，导致溜井底部压强增大。

2.3.2 不同时刻的风速云图

为了介绍不同时间节点的风速变化情况，合理选取并分析具有代表性的时间节点1、2、3、5、7、10 s 的风速值，如图15 所示。风速矢量云图可以形象地展示高溜井内部不同时刻、不同中段的相对风速大小。从图中可以看出，第1 s时溜井一中段风速值最大，在下落过程中风速值在逐渐减小，整体变化幅度较小；第2 s时溜井整体风速值最大，风速波动区域较长，气流运动最强烈；时间越长，风速值波动越小，气流逐渐消失；斜溜槽内风速值较大，是由于管道之间气压减小，且与外界大气压相连，导致风速值较大。