露天煤矿火烧岩采装工作面粉尘逸散规律 及抑尘技术

宋子岭，郭舒鹏，回 晶，贾正昭

（1. 辽宁工程技术大学 环境科学与工程学院，辽宁 阜新 123000； 2. 辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000；3. 辽宁工程技术大学 理学院，辽宁 阜新 123000）

0 引言

装车作业是露天煤矿开采矿产资源必不可少的工艺环节之一，但是在一些露天煤矿装车过程中粉尘扩散比较严重.粉尘由装车部位扩散，初期严重影响工人工作，并造成设备损害，经过一段时间后，大量粉尘聚集在露天煤矿采场中，严重危害工人健康，并污染周围环境. 因此，减小粉尘的扩散，对露天煤矿生产具有积极作用.本文以露天煤矿装车过程中装车部位粉尘为研究对象，研究粉尘表面张力系数对粉尘扩散和浓度分布的影响，采取一定措施，抑制露天煤矿在装车过程中煤尘的产生.

由于现场粉尘实验成本较高，利用数值模拟可以大量减少对现场实验的成本投入.周刚[1]等针对粉尘采样器测尘法不能全面反映工作面作业空间粉尘质量浓度的特点，根据模拟结果指导综放液压支架喷雾降尘装置的优化设计，取得较好的降尘效果. 程卫民[2]等针对配有附壁风筒综掘工作面旋流气幕抽吸控尘流场的特点，利用Fluent软件对该流场风流及粉尘的扩散进行了数值模拟.

国内外学者对露天煤矿生产作业的粉尘逸散规律做了大量的研究，并发现了一定的逸散规律，但在露天煤矿装车作业方面的粉尘逸散研究较少，本文对露天煤矿装车作业方面的粉尘逸散规律有积极的作用.

1 气固两相流数学模型

研究露天煤矿装车过程中粉尘扩散和质量浓度分布，本质上属于气固两相流的研究范畴. Fluent提供的模拟两相流的模型可以分为两大类：欧拉-欧拉模型，包括流体体积函数（Volume of Fluid，VOF）模型、混合项（Mixture）模型、欧拉（Eulerian）模型；欧拉-拉格朗日（Eulerian-Lgrangea）模型，主要是离散型（Discrete Phase）模型.

欧拉-欧拉模型认为颗粒相是拟流体，颗粒相和流体相相互作用相互影响着流动，将颗粒相与流体相都在Euler坐标系下进行求解.

欧拉-拉格朗日模型认为气体是背景流体[3]，把颗粒相作为研究对象，将颗粒相作为离散体系，研究颗粒相在流体相中的运动情况，将流体相和颗粒相都在Lagrange坐标系下处理.

本文主要研究的是粉尘颗粒在空气中的运动情况，运用Fluent进行模拟研究采用离散型模型最为接近，而应用离散型模型要求颗粒项的体积分数较小，颗粒的局部体积分数要小于0.1[4].这些要求露天煤矿装车过程中粉尘颗粒相符合Fluent离散型模拟中颗粒相的要求，所以本文采用离散相模型进行模拟.

2 模型建立

2.1 工程背景

如图1，大南湖二号露天煤矿矿区范围内分布火烧区3处，煤层自燃导致煤层上覆岩系及围岩烧变、烘烤，使变形特性原本塑性的岩石变得性脆易碎，岩体呈碎裂结构，形貌呈片状、板状、碎块状、楔形、菱形体等.由于火烧区岩体破碎，稳固性差，装车作业将发生较为严重的粉尘扩散.

图1 大南湖二号露天煤矿采场分布及工作面现状 Fig.1 stope distribution and current situation of Dananhu No. 2 open-pit coal mine

因此，为确保大南湖二号露天煤矿的安全、绿色、高效开采，研究火烧区装车过程粉尘控制技术，是进一步提高大南湖二号露天煤矿经济效益，降低环境影响程度的主要途径之一.

2.2 模型建立

根据露天煤矿矿场实际，进行简化后建立露天矿装车部位及附近的几何模型.将整个模型设为长为160 m，宽为40 m，高为40 m；单斗卡车的容积为24 m3，长为4 m，宽为3 m，高为2 m，卡车车厢底部距离地面1.7 m；单斗铲出口的面积为4 m2，单斗铲出口距单斗卡车顶部0.5 m；用CAE前处理软件ICEM CFD进行建模并进行网格划分，见图2.

图2 露天煤矿装车部位附近几何模型和网格划分 Fig.2 geometric model and grid division near the loading part of open-pit coal mine

对模型进行网格划分，考虑到模型高度较高处和距离装车部位距离较远处对粉尘的运移轨迹影响较小，所以在模型上部和距离装车部位较远处可以采用大网格以减轻模拟运算负担，除此之外的部分采用小网格.

2.3 参数设定

将ICEM CFD生成的网格输出为Fluent可以识别的网格（Msh）文件导入Fluent，并对其进行求解器、模型、边界条件设置及粉尘源参数设置.详细的求解器、模型、边界条件设置见表1，对粉尘源参数设置见表2.

表1 求解器、模型、边界条件 Tab.1 condition of solve,model and boundary

表2 粉尘源参数 Tab.2 parameter of dust source

大南湖二号露天煤矿位于新疆维吾尔自治区哈密市境内，通过统计哈密市2019全年风速情况可以发现，大南湖二号露天煤矿矿区周围风速常年为三四级，只有少数时间处于一二级，一二级风风速为1.6～3.3 m/s，三四级风风速为3.4～5.4 m/s，综合考虑，矿区风速取为4 m/s.

3 模拟结果分析

为了研究露天煤矿装车部位附近粉尘的逸散情况，在y方向上截取一个最中心的y=20 m平面，观察在露天矿装车部位附近粉尘的扩散情况.

粉尘实测表面张力系数设置为3×10-4N/m，10倍实测表面张力系数为3×10-3N/m，分析有风和无风时表面张力对粉尘沉降效果的影响.

3.1 有风工况

（1）流场风速

考察y=20 m截面上的风流流场工况，流场内风流流场相对较为稳定，只在单斗铲附近形成一个风流旋涡，图3是风速为4 m/s时风流速度场分布.

图3 风流速度场分布 Fig.3 velocity field distribution of airflow

（2）实测表面张力系数下粉尘运移轨迹

有风工况时，实测表面张力系数下，y=20 m平面不同时间粉尘扩散规律见图4.

图4 有风工况实测表面张力系数下粉尘轨迹 Fig.4 dust trajectory under measured surface tension coefficient under wind condition

从图4可以看出在有风工况下露天煤矿装车过程粉尘扩散规律的变化.

① 露天煤矿装车过程中矿石从单斗铲倒入单斗卡车过程（0～5 s），粉尘比较密集，主要为一定的初速度由单斗铲向单斗卡车运动的过程，粉尘扩散较少，扩散到单斗卡车外部的粉尘主要为少量随风流向前移动的粉尘.

② 单斗铲停止向单斗卡车倾倒矿石之后的1.2～3.5 s，大量的粉尘充斥在卡车车厢内部较小的空间，粉尘之间相互间距较小，粉尘质量浓度较大，粉尘主要运动为粉尘相互碰撞、聚合、破裂.而粉尘相互碰撞、聚合、破裂运动十分剧烈，粉尘开始由单斗卡车车厢内部开始向车厢外急剧扩散并且随着风流向前移动，粉尘开始占据单斗卡车车厢外部周围一定的空间.

③ 单斗铲停止向单斗卡车倾倒矿石之后的3.5～10 s，粉尘主要分布在单斗卡车外部的空间，粉尘之间相互间距不再致密，粉尘相互碰撞、聚合、破裂运动减轻，粉尘扩散不再剧烈，粉尘运动为轻微扩散和随着风流向前移动.

④ 单斗铲停止向单斗卡车倾倒矿石之后的10～30 s，粉尘主要分布在单斗卡车外部的空间，粉尘之间相互间距较大，粉尘相互碰撞、聚合、破裂运动较轻，扩散不明显，粉尘的主要运动为随风流向前移动.

（3）10倍实测表面张力系数下粉尘运移轨迹

有风工况时，10倍实测表面张力系数下，y= 20 m平面在不同时间粉尘扩散规律见图5.

图5 有风工况10倍实测表面张力系数下粉尘轨迹 Fig.5 dust trajectory under 10 times measured surface tension coefficient in windy condition

从图5可以看出，当增大粉尘的表面张力系数，停止装车后的粉尘扩散不明显，表明大量粉尘沉降到单斗卡车底部，只有少量扩散到单斗卡车外部粉尘随着风流向前移动.

当不改变粉尘的表面张力系数时，单斗卡车内部卡车底部粉尘质量浓度较小，结合图4可以发现大量的粉尘充斥在较大的流场空间内；当粉尘表面张力系数增大后，单斗卡车内部和卡车底部的粉尘质量浓度显著增大，结合图5可知只有少量粉尘随风流扩散到单斗卡车外部，但是离地表较近也易于沉降.这表明当粉尘的表面张力系数增大后相比于不改变粉尘的表面张力系数时，粉尘的沉降会更剧烈，大量的粉尘都会沉降到单斗卡车底部.

3.2 无风工况

无风工况下的建模，网格参数、求解器设置与有风工况下基本一致，只把边界条件处的入口速度修改为0 m/s，其他参数保持不变.

（1）流场风速

无风的条件下整个流场空间内是不存在风速的，所以在y=20 m截面上的风流流场速度都为0 m/s.

（2）实测表面张力系数下粉尘运移轨迹

无风工况时，实测表面张力系数下，y=20 m平面在不同时间粉尘扩散规律见图6.

图6 有风工况实测表面张力系数下粉尘轨迹 Fig.6 dust trajectory under measured surface tension coefficient under wind condition

从图6可以看出在无风工况下露天煤矿装车过程粉尘扩散规律的变化.

① 露天煤矿装车过程中矿石从单斗铲倒入单斗卡车过程（0～2.5 s），粉尘比较密集，主要为粉尘以一定的初速度由单斗铲向单斗卡车运动的过程.

② 露天煤矿装车过程中矿石从单斗铲倒入单斗卡车过程（2.5～5 s），大量的粉尘充斥在单斗卡车车厢内部较小的空间，并且还有大量粉尘从单斗铲出口处以一定的初速度冲入单斗卡车内部.单斗卡车内部粉尘之间相互间距较小，粉尘质量浓度较大，大量的粉尘以一定初速度冲入单斗卡车内部，使粉尘之间相互碰撞、聚合、破裂运动十分剧烈，粉尘开始由单斗卡车车厢内部开始向车厢外急剧扩散，粉尘开始占据单斗卡车车厢上部的空间.

③ 单斗铲停止向单斗卡车倾倒矿石后的0～10 s，因为在单斗铲向单斗卡车倾倒矿石的2.5～5 s内已经有大量的粉尘扩散到单斗卡车上部适当的空间，所以留在单斗卡车内部的粉尘质量浓度变小，粉尘相互之间的距离变大，粉尘之间相互碰撞、聚合、破裂运动变缓，粉尘仍然继续扩散，但扩散不太剧烈.

④ 单斗铲停止向单斗卡车倾倒矿石后的10～20 s，粉尘主要分布在单斗卡车上部的空间，粉尘之间相互间距较大，粉尘相互碰撞、聚合、破裂运动较轻，粉尘扩散不明显.

（3）10倍实测表面张力系数下粉尘运移轨迹

无风工况时，10倍实测表面张力系数下，y= 20 m平面在不同时间粉尘扩散规律见图7.

图7 无风工况10倍实测表面张力系数下粉尘轨迹 Fig7 dust trajectory under10 times measured surface tension coefficient under in unwindy condition

由图7的粉尘扩散规律可以看出，粉尘的表面张力增大后，全过程粉尘扩散相比较于图6有显著变化，粉尘扩散明显变小，全程只有少量的粉尘扩散在单斗卡车上部较小的空间.

当不改变粉尘的表面张力系数时，结合图6可知，单斗卡车内部几乎不存在粉尘颗粒，大量的粉尘都充斥在单斗卡车上部巨大的空间内；当粉尘的表面张力系数增大后，结合图7可以看出大量的粉尘沉降到单斗卡车底部，只有少量的粉尘扩散在单斗卡车上部较小的空间内.这也表明当粉尘的表面张力系数增大后相比于不改变粉尘的表面张力系数时，粉尘的沉降会变剧烈，大量的粉尘都会沉降到单斗卡车底部.

由上述分析表明：粉尘表面张力系数增大后，有风和无风两种工况下，粉尘的扩散都明显变小，粉尘的主要运动为沉降到单斗卡车底部.粉尘进行相互碰撞、聚合、破裂运动时，由于粉尘表面张力系数增大，粉尘更容易聚成大颗粒，聚合体质量比较大，更容易沉降，达到减小粉尘扩散目的.

4 实验验证

4.1 凝并剂配制

利用大南湖二号露天煤矿收集的粉尘样本，由羧甲基纤维素钠加入水中形成凝并剂，通过实验方法确定最佳配比.

4.2 实验步骤

实验步骤如下：

（1）配制凝并剂溶液.羧甲基纤维素钠体积分数分别选取为0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%和0.06%，放置在500 mL的烧杯中，将去离子水作为对照组.

（2）把配制好的溶液放在磁力搅拌器上加热至25 ℃.

（3）称取0.05 g粉尘样品置于250 mL烧杯中，加入100 mL配制好的凝并剂溶液.然后在磁力搅拌器上搅拌5 min，静置5 min后，用分光光度计在550 nm处测其透过率.实验装置见图8.

图8 实验装置 Fi.8 experimental apparatus

4.3 实验结果与分析

分光光度计测得的吸光度数值见表3.

表3 吸光度实验结果 Tab.3 experimental data of absorbance

如表3，体积分数为0.01%的凝并剂溶液吸光度最小，则通光率最大，表明使用凝并剂增大粉尘的表面张力系数会使粉尘相互聚合形成大颗粒，验证了模拟工况.

5 结论

根据以上模拟结果可以得出以下结论：

（1）粉尘的表面张力系数较小，进行相互碰撞、聚合、破裂运动时，不易聚合成为大颗粒，不易沉降，扩散比较明显.增大粉尘的表面张力系数，粉尘更易聚合为大颗粒，易于沉降，扩散不再显著.

（2）加入凝并剂、增大粉尘表面张力系数，可以抑制粉尘的扩散，达到降尘的目的.