冬季露天煤矿采场雾气分布及除雾效果分析

智晓峰，鞠兴军，张周爱，缪卫峰，杜勇志，张 洋，杨小彬，程虹铭

（1.大雁公司（神宝能源）宝日希勒露天煤矿，内蒙古 呼伦贝尔 021008；2.中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京 100083）

雾是空气中水蒸气接近饱和时，气象参数（温度、湿度、气压等）发生变化，多余水蒸气凝结成细小水滴析出、汇聚而成［1］。工程中，雾害主要是降低作业空间能见度，给作业空间内的人员带来安全隐患。张清琳［2］分析了城市管廊工程中空气雾化原因，提出一种新型的综合管廊通风除雾系统；薛永庆等［3］采用实测和数值模拟的方法分析冬季引水隧道雾气产生原因，提出升温除湿的方式减小引水隧道雾气的产生；孙宝芝等［4］基于热力学原理分析了地下海水坑道雾气形成机制，提出升温、降温、通风等几种消雾方法并进行了现场应用；李增华等［5］、吴吉男等［6］、秦宪礼等［7］、祁学谦等［8］对井工煤矿巷道产雾原因进行了分析并提出了相应的治理措施。神宝能源宝日希勒露天煤矿冬季铲装作业中不同程度地发生了雾气，加之，采场地势低，空气对流慢，雾气萦绕在电铲铲斗与煤壁之间，消散慢，能见度低，电铲作业司机视线受阻，既影响铲装效率又留下安全隐患。

为此，现场测定采场煤壁及铲装空间的温度、湿度和风速，基于热力学原理分析露天采场雾气产生原因，采用数值模拟的方法分析采场雾气分布情况，提出增设风机干预采场流场的方法进行除雾，并模拟分析了不同风机组合下采场流场分布及雾气消散情况。

1 现场测试及结果分析

结合露天煤矿采场冬季雾气形成机理，对宝日希勒露天煤矿采场在冬季12 月份铲装过程中形成雾气区域的空气温度、湿度、风速进行现场测试。测点布置在采场煤壁及煤壁前方15 m 范围内，测点布置间隔为5 m，其中煤壁处测点（A1、A2、A3、A4、B1、C1、D1）主要测定煤壁刚暴露时涌出空气的温度、湿度，但考虑到煤壁的不稳定性，可适当远离煤壁测定，其余9 个测点测定采场空气的温度、湿度和风速。测定编号和布置如图1 所示。各测点参数测5 次，取5 次测定结果的平均值作为测定的最终结果。测定的最终结果见表1～表3。

图1 采场空间测点布置

表1 采场空间温度测定结果 单位：℃

表3 采场空间风速测定结果 单位：m/s

雾是空气相对湿度达到100%时空气中的水蒸气凝结形成细小水滴漂浮在空气中形成的。空气相对湿度的大小由湿空气中水蒸气的分压与相同温度下饱和水蒸气的分压比值决定，空气相对湿度的增大可以是湿空气中水蒸气的分压增大或空气温度降低所造成。从表1 中可以看出，新暴露的煤壁温度与采场空间温度相差较大，采场空间饱和水蒸气分压小于新暴露煤壁处的饱和水蒸气分压，煤壁瞬时涌出的湿空气在采场空间达到饱和状态析出细小水滴成雾；并且采场空间空气相对湿度低于煤壁附近空气（表2），相对湿度较大的湿空气涌入相对湿度较小的空间，为雾气源源不断生产提供了条件；采场空间地势低，两面为煤壁，采场流场微弱（表3），亦不利于雾气消散；同时，铲装过程中形成的大量煤尘作为凝结核，也为采场空间的汽-水转化提供了依托。

表2 采场空间相对湿度测定结果 %

2 采场雾气产生及分布数值模拟

2.1 采场雾气分布数学模型

采用Ansys Fluent 软件对冬季露天采场雾气产生及分布规律进行数值计算与分析。雾气为细小水滴的混合体，露天采场雾气形成中又包裹着煤尘，可以用离散相模型（DPM）模拟分析细小水滴在采场空间中的分布规律，假定露天采场雾气颗粒生成过程中满足牛顿第二定律，进一步可运用拉格朗日法对雾气颗粒运动方程进行积分求解，可求得外界流场作用下雾气颗粒的分布规律，雾气颗粒的受力方程［9］可表示为

式中：u为流体速度；up为颗粒速度；ρ为流体密度；ρp为颗粒密度；Fx为附加加速度；FD（u-up）为颗粒的单位质量曳力；gx为重力加速度。

相对雷诺数（颗粒雷诺数）

式中：dp为颗粒直径；CD为曳力系数；α1、α2、α3根据相对雷诺数的范围取不同的值。

2.2 采场几何模型

依据宝日希勒露天煤矿采场布置情况及相关参数，建立三维几何计算模型。采场空间长40 m、宽20 m、高30 m，铲车位置在长度方向20 m 处，煤壁1、2、3 为电铲司机可视区域，铲车与煤壁1、2、3 间为雾气生成区域和铲车作业区，几何模拟具体尺寸及布置情况如图2 所示。

图2 采场物理模型

2.3 采场雾气分布规律

图3 为Fluent 模拟得到的采场雾气分布规律。可以看出，在近煤壁处生成的雾气浓度相对较低，离煤壁距离增大，采场空气温度、湿度与煤壁涌出的湿空气差异增大，雾气生成浓度增加，最大浓度达17.7 g/m3。由于铲车司机的视线高度大约在10 m，截取了采场10 m 高度处的雾气浓度分布情况，如图3（b）所示，可以看出，铲车司机的视线平面内，雾气的分布密集范围在10 m 左右，也就是整个铲斗的工作区域均分布着浓雾。

图3 采场雾气分布规律

3 风机干预下采场流场分布及除雾效果分析

雾气的异常生成常出现在空气流通不畅、空气温度、湿度急剧变化的管廊、地下空间工程等，一般可采取增温、加大通风等方法降低空气的相对湿度，达到除雾的目的。露天采场为半封闭空间，空间范围大，增温除雾达不到良好的效果，为此，提出增设风机以改变采场流场的除雾方法。

3.1 采场流场模型

露天采场空间大，要形成有效的流场风机需要较大的出口流速，并且受煤壁的影响，风流在近煤壁区域会形成涡流场，Fluent 软件中的RNGk-ε模型是使用重整化群理论推导出来的，相比标准k-ε模型，RNGk-ε模型在模拟高速流和漩涡流方面提高了精度［10-11］，更适合模拟本文风机作用下采场流场分布情况。采场流场数学模型［12］及几何模型如下：

1）流场连续方程：

式中：ui为速度张量；xi为位移张量。

2）流场动量方程：

式中：i=x、y、z，作为下标时代表X、Y、Z轴，否则代表位移张量；μ为动力黏度。

3）RNGk-ε湍流模型的动能方程：

4）RNGk-ε湍流模型的扩散方程：

式中：k为湍动能，m2/s2；ε为耗 散率，m2/s3；Gk为 由层流速度梯度产生的湍流动能；Gb为由浮力产生的湍流动能；αε、αk分别为ε方程和k方程的湍流普朗特数；Sk、Sε为用户自定义；μi为湍流动力黏滞系数，Pa·s；YM为可压缩湍流中过渡的扩散产生的波动。其中，μt为湍流黏性系数，模型常数分别为C1ε=1.42，C2ε=1.68。

5）几何模型：根据电铲情况，在电铲不同位置增设3 台风机以改变采场空间流场。如图2 所示，在离地面3 m 处，电铲两侧分别布置两台风机（风机1、2），再在风机2 上方2 m 处内错1 m 布置风机3。

3.2 风机干预下采场流场分布情况

为探究风机作用下采场流场的分布情况，分别模拟了单台风机、两台风机和3 台风机的作用效果，风机出口风速设置为30 m/s。截取三维流场中10 m高度处平面，如图4 所示，图4（a）为单台风机1 作用效果，可以看出流场流速由风机出口逐渐向煤壁衰减，煤壁处最小风速为8.5 m/s，图4（b）、（c）、（d）分别为水平两台风机1 和2、垂直两台风机2 和3 及3 台风机的作用效果，煤壁处的风速分别为10.4、11.0、11.6 m/s。从流场的空间分布上看（以流场流速11 m/s 等值线为例），单台风机的作用范围最小，3 台风机的作用范围最大，垂直两台风机减小风速的衰减，但其作用范围小于水平布置的两台风机。

图4 风机干预下采场流场分布

3.3 风机干预下除雾效果

DPM 模型中颗粒的运移分布受曳力的影响，见式（1），外在流场作用下可以增大颗粒的单位质量曳力，促进颗粒的运移。通过增设风机改变采场流场分布，进而促进雾气颗粒运移，达到除雾效果。不同风机组合下流场分布及影响范围不同，本节模拟分析不同风机组合下除雾效果，如图5 所示。

图5（a）为单台风机1 作用下雾气颗粒浓度分布情况。可以看出，单台风机作用下，采场雾气浓度开始下降，但是采场拐角处雾气浓度依然很高，最大雾气浓度约为15.2 g/m3。图5（b）为两台水平风机1、2 作用下雾气颗粒浓度分布情况，两台水平风机流场作用范围大，采场雾气浓度显著下降，采场拐角处积聚的最大雾气浓度为4.53 g/m3。图5（c）为两台垂直风机2、3 作用下雾气颗粒浓度分布情况，两台垂直风机减小了流场流速的衰减，但是影响范围小于两台水平风机，采场雾气消散情况劣于两台水平风机作用效果，采场大部分区域仍然遍布雾气，雾气最大浓度为9.94 g/m3。图5（d）为模拟试验3 台风机作用下雾气颗粒浓度分布情况，3 台风机作用下流场影响范围大，流速衰减小，除雾效果显著，只在采场拐角处有残雾存在，最大浓度在3.5 g/m3左右。

图5 风机干预下采场雾气浓度分布

以上数值模拟试验表明：露天采场增设风机改变流场的方法可有效消除采场雾气，且不同的风机组合下除雾效果不同。实际运用中，可根据现场雾气分布情况选择不同的风机组合形式，例如：雾气浓度较小时，可开设一台风机，既可达到除雾效果又减小电能消耗；雾气浓度较大时，初期开设3 台风机，可快速消除铲车司机前方雾气，随着铲车司机视野的开阔可减少风机数量，通过水平两台或垂直两台风机进一步消除采场雾气。

4 结论

通过对神宝能源宝日希勒露天煤矿冬季采场雾气进行现场实测，结合理论分析和数值模拟，对该露天矿冬季采场雾气形成机理及风机干预除雾效果进行分析，得到以下结论：

1）该露天矿冬季采场空间内以电铲铲装过程中形成的大量煤尘作为凝结核依托，煤中湿空气与采场中低温、低湿空气混合，降温增湿及混合增湿两种方式下，采场空间局部空气相对湿度达到100%后形成雾气，雾气形成过程中关键参数是空气温度和湿度。

2）煤中湿空气与采场中低温、低湿空气混合后，电铲与煤壁中间是雾气形成的主要区域，数值模拟显示雾气生成的范围在10 m 左右，生成的雾气最大浓度为17.7 g/m3，已严重阻挡铲车司机的作业视线。

3）增设风机的方法可有效改善采场空间的流场，数值模拟得到：单台风机作用下，煤壁拐角处风速为8.5 m/s；两台风机作用下，煤壁拐角处风速有所增加，相比两台风机水平布置，垂直布置的两台风机作用范围相对较小；3 台风机同时布置，作用范围最大。

4）流场的作用改变了雾气颗粒的运移，可有效地消散雾气。数值模拟得出：当增设1 台风机时，煤壁拐角处的雾气的最大浓度约为15.2 g/m3；增设两台水平风机时，煤壁拐角处的雾气的最大浓度约为4.53 g/m3；增设垂直两台水平风机时，煤壁拐角处的雾气的最大浓度约为9.94 g/m3；增设3 台风机时，煤壁拐角处的雾气几乎全部消散。