基于氣流動力學(xué)的溜槽粉塵逸散規(guī)律研究

賈 蘭，曹蘭柱

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)及裝備研究院，遼寧 阜新 123000）

煤巖石在利用溜槽運輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)載的過程中，物料快速向下運動將帶動周圍空氣隨之運動而產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流，物料夾帶的微小顆粒在誘導(dǎo)氣流造成的負(fù)壓下脫離運動軌跡而逸散、傳播，導(dǎo)致周圍環(huán)境粉塵污染嚴(yán)重。國內(nèi)外對大空間粉塵的運動規(guī)律研究己經(jīng)取得了一些成果，尤其是對礦井綜采工作面、巷道帶式運輸系統(tǒng)、溜槽轉(zhuǎn)載點等處粉塵的擴散規(guī)律的研究。Goniva C H、Donohue T J等[1-2]通過數(shù)值模擬等方法研究得到轉(zhuǎn)載處粉塵顆粒的運動、沉降及分布規(guī)律。國內(nèi)李小川等[3]通過研究圓形溜槽的傾角和直徑、溜槽長度、物料的質(zhì)量流量及有效誘導(dǎo)氣流量等參數(shù)對誘導(dǎo)氣流速度的影響，分析影響溜槽轉(zhuǎn)運誘導(dǎo)氣流的主要因素。陳曉玲等[4]運用計算流體力學(xué)多相流仿真技術(shù)對溜槽粉塵控制優(yōu)化設(shè)計的有效性進行了驗證。

大高差溜槽具有一定的特殊性：一是大高差溜槽與礦井綜采工作面和膠帶運輸系統(tǒng)受控空間不同，溜槽本身是半封閉空間結(jié)構(gòu)，且溜槽裸露于礦坑中，粉塵運動擴散的空間比較大，且受外界環(huán)境因素的影響較大；二是大高差溜槽運輸物流量較大；三是物料流速快，沖擊力大[5]。這些因素對粉塵運動的影響較大。露天礦大高差溜槽粉塵運動規(guī)律及污染防治方面可供借鑒的研究成果較少，且對于礦用的大高差溜槽粉塵產(chǎn)生和運移的機理和規(guī)律研究還不夠全面和深入。為此基于誘導(dǎo)氣流動力學(xué)理論，通過相似實驗方法，對大高差溜槽的粉塵逸散規(guī)律進行分析；為控制大高差溜槽系統(tǒng)產(chǎn)生的粉塵污染提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實驗裝置與方法

1.1 大高差溜槽相似模型

根據(jù)推導(dǎo)簡化后的相似準(zhǔn)則，模型以空氣為介質(zhì)，其密度為ρ、黏性系數(shù)為μ，在對應(yīng)點上與原型保持相等，加入粉塵顆粒后，顆粒的物質(zhì)密度相等[6]。

以撫順西露天礦為原型，設(shè)計溜槽高為50 m，斷面為巨型，斷面尺寸為長4 m，高3 m，傾角為38°，建立幾何尺寸比為10/1的實驗?zāi)Ｐ?。建立的溜槽實驗?zāi)Ｐ腿鐖D1，溜槽長度為5 m，斷面尺寸為長0.4 m，高0.3 m。實驗裝置由振動給料機、料斗、流量調(diào)節(jié)旋鈕、溜槽、粉塵測試儀、風(fēng)速儀等組成。

圖1 溜槽運輸實驗裝置

1.2 實驗參數(shù)檢測

1）粉塵監(jiān)測點布置。粉塵監(jiān)測點分別布置在溜槽的出口處，測量時間為5 min，采用雙路粉塵采樣器FC－30監(jiān)測全塵濃度。

2）誘導(dǎo)風(fēng)速監(jiān)測。采用希瑪AS866F手持式熱敏式風(fēng)速儀，在溜槽出口設(shè)置監(jiān)測點，每隔3 s讀數(shù)1次。

3）溜放物料的來源。取撫順東露天礦剝離物料用20目（830 μm）篩子進行篩分，將小于20目的物料作為粉巖。將篩分后大于20目的物料與小于20目的粉巖按比例進行混合作為實驗所需回填物料。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 溜槽高度對誘導(dǎo)氣流的影響

溜放物料為撫順東露天礦剝離物，回填物料的含水率為0.67%，物料流量為0.391 kg/s，物料的粉巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，考察溜槽傾角對誘導(dǎo)風(fēng)速及粉塵濃度分布和運移規(guī)律的影響，進行溜放實驗，溜放時間為3 min/次，溜槽高度變化范圍為0.5～5 m，監(jiān)測溜槽出口誘導(dǎo)風(fēng)速。得到的誘導(dǎo)氣流風(fēng)速與溜槽高度的關(guān)系如圖2。

圖2 不同溜槽高度時誘導(dǎo)風(fēng)速變化曲線

從圖2中可以看出，隨著溜放高度的增大，誘導(dǎo)風(fēng)速隨之顯著增大，且與溜放高度擬合成指數(shù)函數(shù)關(guān)系。隨著溜槽的高度增大而導(dǎo)致物料溜放速度增加，誘導(dǎo)風(fēng)速的大小取決于物料流向下運動的速度。從能量轉(zhuǎn)換的角度考慮，在落料過程中，物料下落的重力勢能轉(zhuǎn)換為動能，溜放高度越大轉(zhuǎn)化成物料的動能就越大，即物料速度越大，對氣流的曳力作用也要增大[7]。并且隨著下落高度的增加，料流整體空隙率明顯增加，并且物料之間的速度差增大，顆粒之間接觸幾率有所減小，顆粒粒度對誘導(dǎo)氣流的影響逐漸顯現(xiàn)出來。所最大沖擊氣流增加的幅度隨卸礦高度的增加而不斷提高。

2.2 物料粉巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)對誘導(dǎo)氣流的影響

溜放物料的含水率為0.67%，物料流量為0.391 kg/s、溜槽傾角為30°，粉巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為5%～50%，考察物料粉巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)對誘導(dǎo)氣流以及粉塵濃度分布和運移規(guī)律的影響，進行溜放實驗，溜放時間為3 min/次，監(jiān)測溜槽出口誘導(dǎo)風(fēng)速。得到的誘導(dǎo)氣流風(fēng)速和物料粉巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖3。

圖3 不同粉巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)時誘導(dǎo)風(fēng)速變化曲線

從圖3中可以看出，從擬合曲線得到，物料的粉巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)與誘導(dǎo)風(fēng)速成指數(shù)函數(shù)關(guān)系。隨著物料粉巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，誘導(dǎo)風(fēng)速隨之明顯增大。由于物料的粉巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而導(dǎo)致物料平均粒徑減少，導(dǎo)致當(dāng)物料下滑的速度相同時，細(xì)小顆粒與空氣的作用比表面積增大，因而曳力增大，產(chǎn)生的牽引風(fēng)流增大，從而逸散到空氣中導(dǎo)致粉塵濃度隨之增大。因此，物料的粉巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小，粉塵濃度越低，控制物料的粉巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以有效防治溜槽產(chǎn)生的粉塵污染。

2.3 回填物料含水率對誘導(dǎo)氣流的影響

溜放物料粉巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、物料流量為0.391 kg/s，溜槽傾角為30°，物料含水率變化范圍為0.5%～5%，考察回填物料含水率對誘導(dǎo)氣流及粉塵分布和運移規(guī)律的影響，進行溜放實驗，溜放時間為3 min/次，監(jiān)測溜槽出口誘導(dǎo)風(fēng)速。得到的誘導(dǎo)氣流風(fēng)速和回填物料含水率的關(guān)系如圖4。

圖4 不同回填物料含水率時誘導(dǎo)風(fēng)速變化曲線

從圖4中可以看出，誘導(dǎo)風(fēng)速與含水率成反比例函數(shù)關(guān)系。隨著回填物料含水率增加，誘導(dǎo)風(fēng)速逐漸下降，且下降趨勢趨于平緩。主要原因是礦石在很干燥的情況下小顆粒礦石都分散的比較開，增加了礦石顆粒與溜井內(nèi)氣流的接觸作用，而在礦石潤濕之后，小顆粒礦石積聚在一起，在一定程度上降低了礦石下落時與空氣接觸的比表面積，降低了物料對空氣的曳力，隨著含水率的不斷增加這種聚集效果就不明顯了[8]。然而，當(dāng)含水率增加到5%時，回填物料與溜槽表面吸附力增大，物料很難下滑，粘附在溜槽表面，監(jiān)測誘導(dǎo)風(fēng)速基本為0。所以從環(huán)保角度考慮，物料含水率越大越好，但是從溜槽物料運移角度考慮，含水率超過一定值時會影響溜槽的正常運行，在保證物料正常運行的前提下，可以通過提高含水率降低粉塵濃度。從含水率與誘導(dǎo)風(fēng)速的擬合曲線得到，回填物料含水率與誘導(dǎo)風(fēng)速成反比例函數(shù)關(guān)系。

2.4 回填物料質(zhì)量流量對誘導(dǎo)氣流的影響

溜放物料含水率為0.67%，溜槽傾角為30°，物料粉巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，物料流量變化范圍為0.2～1.5 kg/s，考察回填物料流量對誘導(dǎo)氣流及粉塵分布和運移規(guī)律的影響，進行溜放實驗，溜放時間為3 min/次，監(jiān)測溜槽出口誘導(dǎo)風(fēng)速。得到的誘導(dǎo)氣流風(fēng)速和回填物料流量的關(guān)系如圖5。

圖5 不同回填物料流量時誘導(dǎo)風(fēng)速變化曲線

從圖5中可以看出，從擬合曲線得到，物料流量與誘導(dǎo)風(fēng)速成指數(shù)函數(shù)關(guān)系。隨著物料流量的增加，誘導(dǎo)風(fēng)速迅速增大。在一定物料質(zhì)量流量范圍內(nèi)，物料質(zhì)量流量增加，對氣流有曳力作用的顆粒相增多，且物料質(zhì)量流量越大，料流核心速度也越大，因此在一定范圍內(nèi)，質(zhì)量流量越大誘導(dǎo)氣流速度越大。因此，從環(huán)保角度，物料流量越小越好，控制物料流量可以有效防治溜槽產(chǎn)生的粉塵污染。但是物料流量的減小也伴隨著工作效率的降低，所以可以從多方面考慮并確定出物料流量的最優(yōu)值。

2.5 粉塵平均濃度與誘導(dǎo)風(fēng)速的非線性關(guān)系

由各個單因素分析實驗得到的大高差溜槽卸料時溜槽底部粉塵平均濃度與誘導(dǎo)氣流的關(guān)系如圖6，粉塵平均濃度整體上隨誘導(dǎo)風(fēng)速的增大而增大，且擬合成指數(shù)函數(shù)關(guān)系，即卸料時產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流越大，溜槽內(nèi)粉塵平均濃度越大。所以，沖擊氣流的大小是粉塵產(chǎn)生的主導(dǎo)因素。通過控制沖擊氣流的大小能大幅度降低溜槽系統(tǒng)的粉塵濃度。依據(jù)的假設(shè)和理論不同，所以結(jié)果也不盡相同，應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境進行適當(dāng)修正。

圖6 粉塵平均濃度與誘導(dǎo)風(fēng)速的關(guān)系圖

3 結(jié)論

1）誘導(dǎo)氣流與溜槽溜放高度成指數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著溜槽高度的增大，誘導(dǎo)氣流逐漸增大。

2）誘導(dǎo)氣流與粉巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)成指數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，誘導(dǎo)氣流逐漸增大。

3）誘導(dǎo)氣流與物料含水率成反比例函數(shù)關(guān)系，含水率對溜槽粉塵濃度的影響是最顯著的，隨著含水率的增大，粉塵濃度顯著降低。

4）誘導(dǎo)氣流與物料質(zhì)量流量成指數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著物料質(zhì)量流量的增大，誘導(dǎo)氣流逐漸增大。

5）粉塵平均濃度與誘導(dǎo)風(fēng)速成指數(shù)函數(shù)關(guān)系，誘導(dǎo)氣流的大小是粉塵產(chǎn)生的主導(dǎo)因素，隨著誘導(dǎo)風(fēng)速的增大，粉塵平均濃度逐漸增大。通過控制沖擊氣流的大小能大幅度降低溜槽系統(tǒng)的粉塵濃度。