风流扰动下煤炭装载冲击粉尘运移规律与抑尘技术研究

于海里，侯庆亮，李敬国，希都日古，于 昕

（内蒙古白音华蒙东露天煤业有限公司，内蒙古 锡林郭勒 026200）

0 引 言

虽然我国能源结构正由煤炭为主向多元化转变，但是资源禀赋特征决定了2050年前煤炭仍将是我国的主要消费能源[1-3]。长期以来，煤炭开采与利用总体是一个粗放的过程，尤其是煤炭开采过程中，往往产生大量粉尘。高浓度粉尘不仅威胁矿井安全生产，而且诱发尘肺、心血管等疾病[4-6]。根据国家卫生健康委员会公布的数据，2021年全国共报告职业病新病例15 407例，其中，职业性尘肺病11 809例，占比高达76.65%[7]，是我国危害最大和分布最广的职业病，尤其是在煤炭行业。自有统计数据以来，煤工尘肺累计报告病例占到职业性尘肺病总量近半数。近十几年来，每年煤工尘肺新增病例都在60%以上。由此导致的死亡人数远远超过煤矿生产事故的死亡人数[8-9]，可见煤炭生产所带来的煤尘污染问题严重威胁着员工的身体健康。

快速定量装车站是煤炭对外铁路运输的重要一环，20世纪70年代起国外学者就对露天煤矿粉尘的产尘机理进行了研究[10]，分析散料装卸作业过程中车辆运行扬尘、风刮起尘和散料装卸扬尘等因素对露天煤矿作业区域内呼吸性粉尘和全尘浓度的影响，并确定相应的治理措施。刘乃伟[9]针对装车站不同作业工序，分析其产尘特点，构建多样化抑尘技术，将装车站内部粉尘量控制在2.5 mg/m3以下。荆德吉等[11]基于欧拉-欧拉模型采用数值模拟的方法分析落煤塔区域粉尘逸散过程，指出引起落煤塔喷尘的主要因素是高压诱导气流，并据此提出“内吸外抑”的综合防尘技术。汤万钧等[12]根据不同产尘因素的产尘特点分析各自的起尘机理，基于流体力学采用数值模拟的方法研究了露天煤矿粉尘聚集扩散机理，依据随机森林模型得到影响露天煤矿粉尘运移的主要因素。

目前装车站作业区域煤尘污染防治工作一直无法达到理想效果，一方面是对装车站作业区域粉尘污染运移规律尚不清晰，另一方面目前对于防控尘措施的研究主要针对采掘面等封闭或半封闭环境，对于煤矿装车站这种开放性环境下粉尘污染问题的治理研究较少。此外，煤炭装载实际运行过程受到气象环境因素影响，致使冲击产尘运移过程十分复杂，而明确粉尘运移规律对于制定有效的控尘、防尘措施具有重要意义。因此，本文以白音华三号露天煤矿装车站为研究对象，构建物理模型，运用数值模拟方法研究不同风流扰动作用下装车站粉尘运移规律，并结合现场实际情况对装车站区域采用防风抑尘网进行优化设计与现场应用测试，为煤炭装载冲击产尘防治与环境保护工作提供参考与借鉴。

1 风流-粉尘运移数学模型与物理模型

1.1 气固两相流数学模型构建

目前气固两相流模拟方法有欧拉-欧拉法与欧拉-拉格朗日法，欧拉-拉格朗日法直接对离散颗粒的运动轨迹进行求解，适用于稀疏颗粒流，该方法假设少，模型简化，同时揭示了每个颗粒的运动和反应规律，相较于颗粒相拟流体模型，该模型更为合理精确。

对于湍流流动的数值模拟，考虑计算精度与模拟实验对计算机性能的要求，采用一种非直接数值模拟方法——雷洛平均法，将瞬态脉动量通过某种模型在时均化的方程中体现出来，引入雷诺应力的封闭模型求解时均化雷诺方程[13]。

1）连续相流动控制方程。对于不可压缩流体流动，在不考虑热量交换的条件下，其流动遵循质量守恒定律与动量定律。对于气固两相流系统，任一边长为dx、dy和dz的微元控制体中气相连续性方程见式（1）。

式中： ρg为气体相密度，kg/m3；ux、uy、uz为流体质点的速度沿三个坐标轴的分量，m/s； αf为连续相空隙率，表示控制体中气体所占的体积份额，计算见式（2）。

瞬时状态下湍流流动的动量守恒方程见式（3）

式中：Fsf为离散颗粒相对流体的作用力，N； τij为雷诺应力，N；g为重力加速度，m/s2。

Realizableκ-ε模型方程见式（4）。

2）离散项控制方程。根据牛顿第二定律构建颗粒相的运动求解方程见式（6）。

1.2 物理模型

根据装车站实际设施的布置和作业规程，建立与之1∶1对应的物理模型，构建的物理几何模型由外流域、落煤塔、C70型通用敞车三大部分构成，如图1所示。模型尺寸为180 m×38 m×48 m，其中风流方向与敞车运移方向之间的夹角为45°，敞车与敞车之间的间距为1.024 m，未装车区域有4辆敞车等待装车，正在装车区域有1辆敞车，4辆敞车装车完毕驶离装车站生产区域，在装车站下风侧出口两端设置防风抑尘网。

图1 装车站物理模型Fig.1 Physical model of loading station

2 网格划分与边界参数设定

对物理模型进行网格划分，目前常用的判定网格质量的标准为Skewness与Element Quality，基于网格质量对于仿真结果的重要性，本文用Skewness与Element Quality两个标准分别对网格质量进行检验，网格质量见表1。本次模拟所采用的湍流模型为Realizableκ-ε模型，壁面函数使用标准壁面函数。

表1 网格质量统计表Table 1 Statistics table of grid quality

结合白音华蒙东煤业公司装车站现场实际通风情况对边界条件作如下设置：外流域入口边界条件设置为Velocity Inlet，速度u与高度z的关系按实际风廓线分布，数值分布符合式（7）。

式中：u10为10 m处的风速，u10=2.7 m/s；z为距地面的高度，m。

基于装车站作业空间内的粉尘粒径及质量浓度的测定数据，对湍流及离散相模型进行参数设置，主要模拟参数见表2。

表2 边界条件参数Table 2 Parameters of boundary condition

3 煤炭装载冲击产尘运移规律分析

3.1 风流扰动下装车站粉尘分布规律

为了探究风流扰动下装车站粉尘运移规律，运用数值模拟方法分析了在风速为2.70 m/s、45°斜向风作用下煤矿装车站粉尘运移状况。

自然通风条件下粉尘扩散云图如图2所示。在不采取任何除尘装置下装车站下风侧出现大面积粉尘污染，粉尘颗粒运移速度极值达到8.29 m/s，粉尘颗粒运移除自身重力因素外，其主要受到外界风流的影响。

图2 自然通风条件下粉尘扩散云图Fig.2 Cloud map of dust diffusion under natural ventilation

对煤矿装车站生产区域速度场进行定性分析，如图3（a）所示。风流遇到装车站迎风面后在建筑物前缘角点处发生分离，一部分风流沿迎风面两侧流动，一部分进入装车涵洞内向下风侧运移，在此过程中夹带煤块装车产生的悬浮状粉尘颗粒向下风侧区域运移，由图2（a）可知，装车涵洞出口处粉尘颗粒运移速率超过2.25 m/s，其原因为通过装车涵洞的过堂风改变粉尘颗粒原本的受力状态，使悬浮态的粉尘颗粒获得一定的加速度，以较高的运移速度向下风侧扩散。

图3 煤矿装车站区域风流流线图Fig.3 Wind flow diagram of coal mine installation station area

由于建筑物阻碍作用使得在装车站下风侧出现较大范围风流低速区，如图3（a）所示。同时，在装车站下风侧出现较大范围粉尘污染区域，如图3（b）所示。一部分风流发生回流，风速降低，在背风面形成一个顺时针涡旋，使得低水平处的粉尘颗粒受风流影响向上运移，对比图2（b）与图3（b）可知，低风速涡旋区域与粉尘颗粒污染范围大致吻合。由此可知，装车站风流场中流经装车涵洞的过堂风与背风面形成的低风速顺时针涡旋是造成下风侧粉尘颗粒运移特性的主要原因。因此，实现对装车站生产区域粉尘扩散运移的有效控制，需改善装车站风流场。

3.2 不同风速下装车站粉尘扩散运移规律

气象风流在装车站粉尘扩散运移过程中有着重要影响，为进一步探究自然风速对煤炭装载冲击粉尘运移规律的影响，参照不同风级气象特征，在0.10 m/s（无 风）、2.70 m/s（轻 风）、4.15 m/s（微 风）、6.70 m/s（和风）、9.35 m/s（清风）、12.30 m/s（强风）风流扰动下，开展数值模拟工作，分析装车站风流场的速度分布规律。

数值模拟结果表明，风流经过装车站时速度会出现局部提高，装车涵洞内漂浮的煤尘颗粒在风流夹带作用下，向下风侧区域扩散，如图4所示。由于装车站建筑物的影响，下风侧出现风流低速区。随着自然风速的增加，下风侧区域内风速分布的不均匀性加剧，加重了装车站附近风流的紊乱程度，提升了该区域内风速的极值。

图4 不同通风条件下装车站速度场分布Fig.4 Velocity field distribution of installation station under different ventilation conditions

不同通风条件下粉尘质量浓度分布如图5所示。由图5可知，随着风速的增大，装车站下风侧粉尘浓度分布呈现出先增加后降低的趋势。当自然风速为0.10 m/s时，装车涵洞内粉尘浓度达到最大值，其值为2 370.000 mg/m3，随着与装车涵洞距离的增加，在重力的作用下粉尘颗粒发生沉降，粉尘浓度迅速降低为0 mg/m3；当自然风速为2.70 m/s时，粉尘浓度沿程分布呈现出先增加后降低的趋势，在距装车站0～52.105 m的范围内粉尘颗粒受到风流的扰动作用大于重力影响，致使粉尘颗粒在空间中弥散，在距装车站37.218 m处粉尘浓度高达583.297 mg/m3。当与装车站之间的距离超过52.105 m时，在重力的作用下粉尘颗粒发生沉降，质量浓度迅速降至为0；当自然风速为4.15 m/s时，粉尘浓度沿程呈现降低趋势，在距装车站38.120 m处粉尘浓度达到最大值，其值为264.731 mg/m3；当自然风速超过6.70 m/s时，粉尘浓度沿程分布近似保持69.106 mg/m3不变。

图5 不同通风条件下粉尘质量浓度分布Fig.5 Distribution of dust mass concentration under different ventilation conditions

图6为不同通风条件下离地面2 m处粉尘污染面积统计图。由图6可知，当自然风速为0.10 m/s时，重力沉降作用明显，污染面积为298.143 m2。在自然风速由2.70 m/s增加至6.70 m/s的过程中，重力沉降作用逐渐降低，风流扰动作用逐渐增强，粉尘污染面积由937.182 m2增加至1 311.259 m2。当自然风速超过9.35 m/s时，风流扰动作用进一步加强，较大粒径的粉尘颗粒在风流的夹带作用下向下风侧进一步扩散，粉尘的污染面积超过1 847.932 m2。

图6 不同通风条件下粉尘污染面积Fig.6 Dust pollution area under different ventilation conditions

综上所述，当自然风速不超过2.70 m/s时，随着风速的增加，粉尘浓度与污染面积均呈现出升高趋势。随着风速的增大，装车站风流的不均匀性逐渐加剧，造成粉尘颗粒在风流的夹带作用下向下风侧区域扩散。当自然风速超过2.70 m/s时，随着风速的增加，粉尘浓度逐渐降低，污染范围逐渐扩大。自然风速越高，风流扰动作用越明显，粒径较大的粉尘颗粒在风流扰动作用下不再发生沉降运动，向下风侧进行扩散。

3.3 阻隔抑尘下装车站粉尘分布特征

为了降低装车站粉尘浓度，缩小粉尘污染面积，提出了采用防风抑尘网减轻装车站粉尘污染程度，并进一步探究了网高对于抑尘效果的影响。

提高抑尘效率首要是改善装车站内风流场分布，防风抑尘网通过网状结构改变其表面风速和湍流强度，从而实现改变风流场特性的目的。相对于其他降尘工艺，防风抑尘网具有一次性投资低、维护工作量小、操作容易等特点。防风抑尘网控尘效果影响因素众多，其中防风抑尘网的安装高度是一个重要的影响因素，相关研究表明，在一定安装范围内随着网高的增加可以降低粉尘扩散范围。

为了有效解决煤炭装载粉尘运移污染问题，基于白音华三号露天煤矿所处的自然条件，在风速为2.70 m/s、45°斜向风作用下对煤矿装车站抑尘技术进行探究。本文以抑尘网安装高度为自变量，探究其对煤矿装车站风流场与控尘效果的影响，为现场控尘措施的制定提供参考。抑尘网的模拟参数见表3。风流场分布云图如图7所示。风流通过抑尘网后动能降低，风速减小，在装车站下风侧与两抑尘网之间的区域内形成低速区，随着网高的增加，低速区的范围逐渐扩大，且风速值趋于稳定，两抑尘网之间的区域风速低于0.80 m/s。同时，随着网高的增加，风速极值呈现出先降低后增加的趋势，当网高为7 m时，风速极值最小，其数值低于0.70 m/s。

表3 抑尘网参数设置Table 3 Parameter setting of dust suppression net

图7 不同高度抑尘网条件下水平面z=3.5 m风流场分布云图（俯视图）Fig.7 Cloud diagram of wind flow field distribution in horizontal plane z=3.5 m under different height of dust suppression net conditions（top view）

不同高度抑尘网条件下装车站下风侧风速分布如图8所示。由图8可知，在未安装抑尘网时生产区域内风速值波动范围大，风速最大值可达到2.44 m/s。当网高小于7 m时，网高的增加对下风侧区域风速值的降低效果明显，但在距离25～30 m附近对风速值没有抑制作用，出现风速峰值；当网高为7 m时，在任意距离作用效果显著；当网高大于7 m时，随着网高的增加，风速改变量不大，其值在0～0.90 m/s范围内波动，风速极值略微上调。当抑尘网安装高度不超过7 m时，作用范围集中于下风侧，作用效果明显；当安装高度超过7 m时与7 m相较，下风侧风速值变化接近，且距离较近处风速极值略微上调。由此可知，抑尘网对区域风速值的降低效果存在阈值，最佳安装高度为7 m。

图8 不同高度抑尘网条件下装车站下风侧风速分布Fig.8 Wind speed distribution on the downwind side of the installation station under different height dust suppression net conditions

不同网高条件下粉尘运移范围分布如图9所示。由图9可知，随着抑尘网安装高度的增加，在装车站下风侧区域内粉尘的污染范围逐渐缩小。当抑尘网安装高度为5 m时，粉尘的污染范围主要集中在靠近装车站的下风侧区域与两抑尘网之间的区域。随着网高的不断增加，下风侧粉尘污染逐渐缩小，当网高超过7 m时，粉尘的污染范围主要集中在两抑尘网之间的区域。随着网高的不断增加，粉尘颗粒的逃逸速度不断降低，当网高超过7 m时粉尘颗粒的逃逸速度低于0.80 m/s，粉尘污染范围主要集中在两抑尘网之间的区域内。

图9 不同高度抑尘网条件下粉尘运移范围分布Fig.9 Distribution of dust migration range under different height of dust suppression net conditions

为了更好地量化抑尘网网高对装车站下风侧粉尘浓度的影响，选取抑尘网外侧区域内一点作为监测点，该点距装车涵洞出口10 m，数值高度为1.5 m，该点处粉尘浓度随网高的变化如图10所示。由图10可知，随着抑尘网安装高度的增加，装车站下风侧粉尘浓度呈现出下降趋势，当网高超过7 m时，粉尘浓度略微上升，但整体浓度水平低于60 mg/m3。根据模拟数据在现场应用中选用网高为7 m的防风抑尘网。

图10 下风侧粉尘浓度与抑尘网高度曲线图Fig.10 Graph of dust concentration and height of dust suppression net on downwind side

4 现场应用与效果分析

防风抑尘网使气流从外侧通过墙体时，在墙体内侧形成上下干扰的气流以达到外侧强风内侧弱风的效果，从而防止粉尘的飞扬。为了解决装车站无组织排放的粉尘颗粒随自然风逃逸对周边环境造成严重污染这一问题，在装车涵洞出口处两侧安装防风抑尘网，如图11所示，以期减少了粉尘颗粒因受风流场影响在装车站下风侧造成的大面积污染。

图11 抑尘网现场应用Fig.11 Field application of dust suppression net

防风抑尘网选用单峰型抑尘网，成型宽度为500 mm。表面经过静电粉末喷涂处理，不易生锈。安装长度为5.4 m，避免因安装长度过大使得抗风效果较差。抑尘网设置在主流风面上，根据模拟结果网高选为7 m。

为了考察抑尘网现场控尘效果，在装车站下风侧每隔10 m选取一个监测点，其中，A点、B点、C点、D点、E点五个点位于抑尘网外侧区域内，F点、G点、H点、I点、J点位于抑尘网内侧，如图12所示。各测点竖直高度为1.5 m，其现场监测数据见表4。由表4可知，在装车站安装抑尘网控尘措施后，相比于抑尘网内侧区域内的粉尘浓度，在抑尘网外侧区域内粉尘浓度得到明显降低，降尘效率最高可以达到86.57%，整体降尘效率不低于82.51%，可见安装抑尘网后装车站粉尘扩散范围得到了有效降低，对矿区周边的环境保护具有重要意义

表4 抑尘网控尘效果监测数据Table 4 Monitor data of dust control effect of dust suppression net

图12 测点布置示意图Fig.12 Schematic diagram of the arrangement of measuring points

为了验证所获得模拟结果的准确性，将现场测量数据与模拟数据进行比对，如图13所示。由图13可知，抑尘网外侧粉尘浓度相对误差控制在18.18%以内，最小误差为6.89%，抑尘网外侧粉尘浓度相对误差小于11.07%，最小误差为9.63%，考虑到现场生产环境的复杂性、煤炭装载产尘的波动性及人为误差，可认为模拟产生的误差在可接受的范围内，所获得的模拟结果相对可靠。

图13 抑尘网内外侧粉尘浓度结果对比Fig.13 Comparison of dust concentration results inside and outside the dust suppression net

综上所述，受装车站建筑物的影响，风流在经过装车站时风速会出现局部增加，高速的风流在经过装车站涵洞时对粉尘颗粒会产生卷吸，在距离装车站较近的区域内风流较为紊乱，风流紊乱程度愈大，粉尘颗粒运移轨迹越无规则化，故通过设置防风抑尘网，可以改善装车站生产区域风速的分布状况，降低来流风的动能，减少物料的扬尘。

5 结 论

本文采用数值模拟的方法探究了抑尘网安装高度对煤矿装车站粉尘污染的影响规律，研究了自然通风风向与敞车运移同向情况下装车站周围风流、粉尘运移规律，探讨了抑尘网安装高度对于装车站产尘污染规律的影响，主要结论如下所述。

1）流经装车涵洞的过堂风与背风面形成的低风速顺时针涡旋是造成下风侧粉尘颗粒运移特性的主要原因。

2）当自然风速不超过2.70 m/s，粉尘浓度与污染范围随着风速的升高呈现出增加趋势；自然风速由4.15 m/s增加至12.30 m/s时，风流的不均匀性不断加剧，扰动作用明显增强，粉尘浓度虽然呈现降低趋势，但粉尘颗粒在风流的夹带作用下向下风侧区域扩散，污染面积进一步扩大。

3）随着网高的增加可以有效地降低装车站下风侧区域风速值，并在装车涵洞出口处形成一条风速值分布均匀的低速带，有利于减小粉尘颗粒逃逸速度，促使粉尘颗粒沉降，缩小粉尘颗粒扩散范围，降低下风侧区域内粉尘浓度值。但网高对于风流场与粉尘运移的影响存在阈值，当网高超过7 m时流域内风速值变化不大，下风侧区域内粉尘浓度略微增加。在进行现场应用后，降尘效率最高可以达到86.57%，整体降尘效率不低于82.51%。