不同风速和风向下露天矿运输扬尘运移规律模拟分析

田冬梅，刘浩震，贾畅畅，马欣悦

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

我国煤炭能源一直在能源方面占据主导的地位[1]。其中，露天矿具有较高的回采率、安全可靠的工作环境、相对较大的生产规模、便于实施机械化、较高的生产效率等优点[2]。张德礼等发现露天矿生产过程中会产生表面尘土、奠基岩石和在煤层开凿发生、进行的穿孔等过程中，都将会出现大量污染环境的煤尘以及其它污染环境的粉尘飞扬的状况[3]。马明星和荆吉德等发现在粉尘粒径为0.230 mm时，粉尘的起尘量最大；粉尘粒径小于0.115 mm时，起尘量最小[4]。扬尘改变矿区职工的生存条件，影响职工和附近居民的健康，并会对矿区及矿区周围地区的环境(空气质量)产生不可预估的危害[5-8]。王雪涛研究发现煤矿工人尘肺病的检出率高、发病工龄短、发病年龄小，职业卫生管理不到位[9]。侯亚峰和李珊珊等分析得到有无设置防尘措施，产生的扬尘污染的差别明显[10]。李红玉和樊运晓发现露天矿中产生的粉尘会造成装置的组件过早磨损，进而缩短设备与装置的生命周期，最终带来严重的财产损失[11]。田冬梅和蒋仲安发现露天矿运输过程中，粉尘含水率、路面粉尘负荷、车速都显著影响扬尘的质量浓度，其影响程度由小到大为：路面粉尘负荷、粉尘含水率和车速[12]。空气中扬尘浓度越高，大气环境和空气质量越差。在后续实际研究露天矿运输扬尘时发现，风速也会显著影响扬尘运移。因此研究风速对露天矿运输扬尘的运移是必要的。

1 露天矿运输扬尘因素分析

影响运输扬尘的因素有许多，但针对露天矿研究时，已知露天矿内运输的物质为煤炭，因此可忽略对运输物种类的研究，只需对粉尘粒径、车速、道路防尘铺装、车辆载重和风速进行分析。

1.1 粉尘粒径

本研究选取露天矿中三条支线道路，在同一时间段监测不同粒径粉尘(粒径分别为1.0 μm、2.5 μm、10.0 μm、TSP)的质量浓度。使用粉尘浓度检测仪，选择露天矿进行作业的时段监测[13]。监测结果见表1。

表1 不同粒径粉尘的质量浓度

根据监测结果可得，三条不同道路上粒径为10.0 μm粉尘的质量浓度都远大于粒径为1.0 μm和2.5 μm的粉尘和TSP。粒径(≤10.0 μm)的粉尘可以被人体吸入，沉积在呼吸道、肺泡等部位从而引发疾病[14]。因此，本文只研究粒径10.0 μm的粉尘。

1.2 车速

露天矿内运输煤炭时，运输车辆轮胎与矿内运输路面直接接触。地面不仅受到运输车辆极大的重力还有轮胎的摩擦力，这些外力使路面变形和路面上的物料发生破裂与粉碎。当车辆快速行驶过某个空间时，由于车辆离开造成空气减少，压强低于原车辆周边空气压强，引起原空间周边空气向原来的空间流动，这就产生了空气快速流动，从而产生扬尘，污染环境。

露天矿内风速与风向一定时，随着运输车辆车速增高，空气流动速度增加，粉尘运动的平均速度增加，粉尘扬起的范围增加，最终不同粒径粉尘浓度增加。以运输车辆为中心后方20 m内形成U型范围，在这个范围内粉尘总体速度更大，扬起的范围越宽广，不同粒径粉尘质量浓度越高，具体数据如图1所示。

图1 扬尘质量浓度与车速的变化曲线

1.3 道路防尘铺装

露天矿内运输道路多且复杂，一般只有主干运煤道路进行路面铺装防尘，剩下的运输道路均不进行铺装防尘，而两种道路上粉尘量的对比相差巨大[15]。

露天矿区铺装道路上的物料量，主要来自运输煤炭时未密封车斗掉落的煤渣。随着露天矿开采强度逐年增加，运输煤炭的车辆掉落的煤渣越来越多，导致露天煤矿产区内运输道路上粉尘的浓度一直较高，从而导致矿内道路扬尘也是高浓度的，空气质量极差。车辆在露天矿内的未铺装道路上移动时，路面上的土石、煤渣等被车轮挤压粉碎，又被扬起，产生扬尘现象，严重影响环境。

1.4 车辆载重

限定运输车辆的速度、风速的大小及方向，在同一路段进行不同载重车辆经过引起的扬尘质量浓度实验。我国露天矿的自卸卡车的载重量绝大多数在30～100 t以内，经图2分析可得，扬尘质量浓度与车辆载重之间的关系呈正相关，随着车辆载重增加，扬尘质量浓度也逐步升高。

图2 扬尘质量浓度与车辆载重的变化曲线

1.5 风速、风向

露天矿与深层煤矿相比内空气中的相对湿度较小，并且一直暴露在光照下，同时由于露天矿内地形平坦无法阻拦或遮挡风。露天矿内的岩土、储煤场煤堆和废石等承受的风力更大，氧化速度更快，风化程度更高，产生粉尘也更多。露天矿再经过风吹更容易产生扬尘，并且风速越大空气中扬尘的质量浓度越高，空气质量越差。

本研究选择生产强度集中的7～9月进行监测。当六级强风及以上(风速高于10.8 m/s)时，露天矿停止作业，因此选取风速分别为3 m/s、6 m/s、10 m/s时，风向为顺风、逆风、侧风监测的分析运输扬尘规律。

风速与运输扬尘质量浓度呈正相关，且风速对运输扬尘质量浓度的影响是显著的。进一步研究单一因素下，不同风速和风向对运输扬尘的运移规律是必要的。

2 风速风向与扬尘运移规律的数学模型

2.1 风速与扬尘运移规律模型选择

运输扬尘在空中运移的时候，一方面要收到气流的作用，另一方面固体颗粒也会产生阻力曳力对气体流动产生影响。这样的情况符合流体力学中气固两相流的定义，所以针对露天矿运输扬尘选用气固两相流的解析方式进行求解计算。

在气固两相流下，气体为连续相，扬尘粒子为离散相。对气相流采用非耦合隐性求解，流体为非定常流，湍流方程选择k-ε方程[16]。用SIMPLE算法进行求解气体流场[17]。不考虑热量交换，即屏蔽掉热量方程。同时设置DPM模型，求解粒子运动情况[18]。

2.2 风速风向与扬尘运移规律气体运动方程

在笛卡尔坐标系下，模拟中将流体(气体)看作不可压缩气体，过程为等温过程，代入连续性方程。同时不计算能量得失与传递，所以可代入动量方程。

连续性方程

(1)

离散相方程

(2)

式中，FD(u-up)为颗粒单位质量曳力。

动量方程

(3)

式中，ρ为流体的密度；t为时间；ui为流体i方向的流体分速度；p为流体的静压；μ为流体的动力粘度；gi为流体i方向上的重力加速度分量。

露天矿运输扬尘所采用的模型可以用标准的k-ε方程来进行数值模拟求解，如下：

(4)

(5)

式中，Gk表示由平均速度梯度引起的湍动能产生；Gb表示由浮力影响引起的湍流动能产生；YM表示可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响。

湍流粘性系数：

(6)

式中，C1z=1.44，C2z=1.92，C3z=0.09，湍流动能k与耗散率ε的湍流普朗特数分别为σk=1.0，σz=1.3。

3 风速与扬尘运移规律Fluent数值模拟结果及分析

Fluent经常应用在流体流动、流固耦合领域，能提供丰富的湍流和多相流模型，且经过精确验证。因此，选择Fluent进行不同风速和风向下扬尘运移规律的数值模拟。

3.1 风速与扬尘运移规律Fluent 建模

3.1.1 利用GMBIT软件创建几何模型与划分网格

此模拟实验中，截取一段露天矿卡车的运输直路为环境因素，展开在不同风速和风向下扬尘运移规律的模拟和分析。根据露天矿运输实际情况，建立长3 m、宽1.5 m、高2 m的长方体模拟卡车，车体距离地面为0.5 m。

3.1.2 模型参数及边界设置

参照实际的情况令卡车面对顺风、逆风、侧风；车速为半干支或支线道路的车辆限定车速。车辆限速规定见表2，模型参数及边界条件的具体设置见表3。

表2 露天矿车辆限速规定表

表3 模型参数及边界条件设置表

续表

3.2 风速与扬尘运移规律数值模拟结果

FLUENT扬尘浓度分布图可以模拟出卡车在运输过程中所载粉尘因风流作用起锚力大于自身重力和颗粒间曳力是产生的扬起状况以及飞扬后的运移情况。本次模拟对在相同卡车运输速度7 m/s的条件下，颗粒粒径10 μm，不同风速的几种情况进行的模拟。其风速三个梯度分别为3 m/s、6 m/s、10 m/s。

利用FLUENT进行对连续相进行迭代计算，用DPM进行离散相的模拟，经过求解得出露天矿卡车运输扬尘浓度分布图：

(1) 粉尘粒径10 μm，卡车速度7 m/s，风速3 m/s的运输扬尘浓度分布如图3所示。

图3 风速为3 m/s，扬尘浓度分布图

通过观察运输车辆在风速为3 m/s时，顺风、逆风、侧风的扬尘浓度分布图可发现：卡车在顺风行驶过程中，在卡车前方10 m内形成扬尘浓度高低混合区，在卡车周围2 m范围内形成环状的较低浓度区。在卡车的后方5 m内形成低扬尘质量浓度区，而且5～20 m内形成均匀低浓度区。在卡车上方形成扇形扬尘浓度分层区。卡车在逆风行驶过程中，在卡车周围2 m内形成扬尘浓度高区。卡车前方2 m以外浓度较低，流场较稳定。卡车后方2～25 m内形成扬尘低浓度混合区。卡车在侧风行驶过程中，卡车前后方大约3 m内形成U形的扬尘高浓度区。在卡车的背风方产生4 m2左右椭圆形的低浓度区。

(2) 粉尘粒径10 μm，卡车速度7 m/s，风速6 m/s下的运输扬尘浓度分布如图4所示。

图4 风速为6 m/s，扬尘浓度分布图

通过观察运输车辆在风速为6 m/s时，顺风、逆风、侧风的扬尘浓度分布图可发现：卡车在顺风行驶过程中，在卡车正前方大约4 m内形成扬尘高浓度区，卡车前10～20 m内形成扬尘高低浓度混合区。在汽车后方8～25 m范围扬尘浓度较低。在卡车上方形成扬尘高低浓度混合区，大致在15～20 m内。卡车在逆风行驶过程中，在卡车周围10 m内形成扬尘高浓度区，在卡车的侧前方12米左右形成两个高低浓度混合区域。卡车后方10～20 m内形成扬尘高低浓度混合区。车辆在侧风行驶过程中，卡车前4 m范围内形成U形的扬尘高浓度区，卡车后方8 m范围内形成U形的扬尘高浓度区。在卡车背风方形成大约8 m2椭圆形的扬尘低浓度区。

(3) 粉尘粒径10 μm，卡车速度7 m/s，风速10 m/s时的运输扬尘浓度如图5所示。

图5 风速为10 m/s，扬尘浓度分布图

通过观察运输车辆在风速为10 m/s时，顺风、逆风、侧风的扬尘浓度分布图可发现：卡车在顺风行驶过程中，在卡车前方25 m内形成扬尘高低浓度混合区，卡车周围6 m内形成环状的较低浓度区。在卡车的后方10 m内形成扬尘低浓度区，后方10～30 m内形成低浓度平稳区域。卡车在逆风行驶过程中，在卡车前方约15 m形成扬尘高浓度区，侧前方约20 m形成两个高低浓度混合区，前方25 m以外浓度较低，流场较稳定。卡车在侧风行驶过程中，卡车前方12 m内形成U形的扬尘高浓度区，卡车后方6 m内形成U形的高速区域。在卡车背风方形成约12 m2椭圆形的扬尘低浓度区，上方6 m内形成扇形的高低浓度混合区。

3.3 风速风向与露天矿扬尘运移规律数值模拟结果分析

车速相同，对比风速为3 m/s、6 m/s、10 m/s时，顺风扬尘浓度分布图可得：随着风速增大，卡车前方扬尘高低浓度混合区域越广；车后环状扬尘低浓度范围越大，低浓度均匀区域越广；在卡车上方形成扇形扬尘高低浓度分层区越大，且分层越明显。

车速相同，对比风速为3 m/s、6 m/s、10 m/s时，逆风扬尘浓度分布图可得：随着风速增大，卡车周围的扬尘高浓度区域越大；在卡车侧前方形成两个扬尘高低浓度混合区离汽车越远；卡车后方形成的扬尘高低浓度混合区的长度越长。

车速相同，对比风速为3 m/s、6 m/s、10 m/s时，侧风扬尘浓度分布图可得：卡车前后方形成U形的扬尘高浓度区越广；在卡车背风方形成椭圆形的扬尘混合浓度区面积越大；卡车上方扇形的扬尘高低浓度混合区域面积越大。

4 结论

(1) 露天矿运输扬尘影响因素包括：粉尘粒径、车速、道路防尘铺装、车辆载重、风速。10.0 μm粒径粉尘扬尘浓度远高于其它粒径粉尘扬尘浓度。车速和风速与其他因素相比对运输扬尘浓度运移的影响更强。

(2) 露天矿运输扬起的粉尘因其粒径大小和外界风速强度和方向不同，会有不同的运移速度和轨迹；风速相对较大的时候，扬起的粉尘分散越广，悬浮存留时间越长，扬尘浓度越高，对大气环境的危害越严重。这对于露天矿运输扬尘的防治和治理有着重要意义。

(3) 露天矿内卡车顺风行驶时，扬尘主要分布在卡车前方和上方；逆风行驶时，扬尘主要分布在卡车后方；侧风行驶时，扬尘主要分布在卡车的背风侧。

(4) 防治露天矿运输扬尘，不仅能够保护大气环境，还能够保护露天矿职工及周围居民的健康。空气质量的优差会直接影响人的身体状况，保护大气环境，就是在保护人的健康。防治措施可从控制车速、避开风力较强时段作业、使用降尘的工艺和装备(抑制扬尘的试剂)等。同时也要结合露天矿内的实际情况进行合理选择防治措施加以严格管理，由此达到减少扬尘，绿色持续生产，保障员工的职业安全健康。