粉塵運(yùn)動(dòng)彌散規(guī)律研究

徐占金，徐國(guó)俊

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500）

露天煤礦粉塵對(duì)人、工作壞境等都有影響，其中主要的產(chǎn)塵過(guò)程包括：穿孔、爆破、鏟裝、運(yùn)輸和排土場(chǎng)等。人們?cè)谥匾暶旱V開(kāi)采效率的同時(shí)，對(duì)露天煤礦粉塵產(chǎn)生機(jī)理和治理措施也進(jìn)行了大量的研究工作[1-13]，但是關(guān)于采掘過(guò)程的影響分析還不夠透徹，因此對(duì)煤粉塵產(chǎn)生與運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究，不僅可以一定程度改善煤礦粉塵的大氣環(huán)境污染問(wèn)題，而且具有較高的經(jīng)濟(jì)實(shí)用價(jià)值。而目前關(guān)于采掘條件下起塵規(guī)律的研究還尚不完善，因此分析不同工況條件下的粒子起塵規(guī)律，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)采取相應(yīng)的措施進(jìn)行粉塵治理有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 粉塵擴(kuò)散基本方程

1）空氣的運(yùn)動(dòng)方程。不可壓縮的黏性氣體的運(yùn)動(dòng)方程為：

2）粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)方程。由于粉塵的粒徑很小，在球形假設(shè)條件下，粉塵顆粒的計(jì)算過(guò)程可以大大簡(jiǎn)化，將粉塵顆粒假定為球形，其運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：dp為粉塵直徑，m；ρp為粉塵密度，kg/m3；Up為粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)速度矢量，m/s；Cp為阻力系數(shù)；Ur為氣體與粉塵顆粒之間的相對(duì)速度，m/s。

2 模擬擴(kuò)散分析

2.1 粉塵粒徑分布模擬分析

相同風(fēng)速不同粒徑條件下，粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1～圖4。

圖1 2.5 μm 塵粒粉塵軌跡圖

圖2 10 μm 塵粒粉塵軌跡圖

圖3 40 μm 塵粒粉塵軌跡圖

圖4 60 μm 塵粒粉塵軌跡圖

當(dāng)風(fēng)速為1.3 m/s 時(shí)，分析不同粒徑粉塵運(yùn)移軌跡：當(dāng)粒徑為2.5 μm 時(shí)，粒子隨著風(fēng)速方向進(jìn)行運(yùn)移，進(jìn)行大范圍的擴(kuò)散，一直達(dá)到計(jì)算區(qū)域邊界，此時(shí)粒子受水平風(fēng)力影響較為明顯，其運(yùn)動(dòng)其軌跡變化較??；當(dāng)粒徑為10 μm 時(shí)，粒子同樣開(kāi)始大面積擴(kuò)散，在運(yùn)移過(guò)程后期開(kāi)始出現(xiàn)部分沉降，此時(shí)粒子在重力作用下影響明顯，其運(yùn)動(dòng)軌跡開(kāi)始出現(xiàn)明顯改變并向下運(yùn)動(dòng)；粒徑為40 μm 時(shí)，此時(shí)在水平風(fēng)力和向下重力的作用下，粒子在運(yùn)移早期開(kāi)始出現(xiàn)部分沉降，沉降位置距離起塵點(diǎn)較近，沉降范圍明顯變大；當(dāng)粒徑達(dá)到60 μm 時(shí)，水平風(fēng)力和向下重力的影響更大，其沉降出現(xiàn)位置距離起塵點(diǎn)最近，沉降范圍達(dá)到最大。

從以上模擬結(jié)果可以看出，隨時(shí)間增加，粉塵所呈現(xiàn)的形狀及其運(yùn)移速度的變化情況復(fù)雜：不同尺度顆粒在重力作用下運(yùn)移軌跡有差別，2.5 μm、10 μm 粉塵顆粒自然情況下幾乎不沉降，40 μm、60 μm 顆粒隨尺度增加沉降速度逐漸遞增；開(kāi)始的瞬間，粉塵在初速度作用下迅速上升，到第0.1 s 后粉塵的平均速度開(kāi)始降低，到0.5 s 后平均速度降到4～5 m/s 之間；在第5 s 以后粉塵的速度在1～2 m/s之間，變化微小，風(fēng)流作用下開(kāi)始進(jìn)入擴(kuò)散階段，粉塵的污染范圍也主要決定于這個(gè)階段。

2.2 粉塵粒徑與分形維數(shù)的關(guān)系

考慮到實(shí)際生產(chǎn)中粉塵粒徑存在較大的情況，將數(shù)值模擬結(jié)果取剖面圖應(yīng)用于分形維數(shù)計(jì)算軟件，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制不同粒徑顆粒分布規(guī)律與分形維數(shù)變化的關(guān)系圖，橫坐標(biāo)自變量為粉塵粒徑d，縱坐標(biāo)因變量為分形維數(shù)D，根據(jù)函數(shù)關(guān)系擬合對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)，從上至下依次對(duì)應(yīng)1 級(jí)到7 級(jí)風(fēng)力區(qū)間下不同粒徑粒子束運(yùn)移軌跡的分形維數(shù)變化曲線，數(shù)據(jù)擬合相關(guān)性系數(shù)R2均在0.934 以上。粉塵粒徑與分形維數(shù)關(guān)系如圖5。

圖5 粉塵粒徑與分形維數(shù)關(guān)系

由圖5 可知，在同等風(fēng)力區(qū)間下分形維數(shù)隨著顆粒粒徑的增大逐漸減小，擬合數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出顯著的線性關(guān)系，且隨著風(fēng)速的增加擬合曲線明顯呈上升趨勢(shì)。由于風(fēng)流的作用，大量的粉塵顆粒會(huì)在風(fēng)流場(chǎng)的作用下向流場(chǎng)邊界運(yùn)動(dòng)，小顆粒粉塵占比減少的同時(shí)大顆粒粉塵占比增加。由于大量的小顆粒粉塵不易沉降且在較遠(yuǎn)處積聚，粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡拉長(zhǎng)，所以在較遠(yuǎn)處小顆粒粉塵濃度較高且對(duì)應(yīng)分形維數(shù)較大。由于大顆粒粉塵沉降較為容易則在近距離處大量積聚，粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)于小顆粒粉塵較短，所以在近距離處大顆粒粉塵濃度較高且對(duì)應(yīng)分形維數(shù)較小，根據(jù)圖中擬合曲線分析選定粒子束在不同風(fēng)力區(qū)間內(nèi)所表現(xiàn)出粒徑與分形維數(shù)的關(guān)系大體一致，分形維數(shù)與粉塵粒徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.3 風(fēng)速與分形維數(shù)的關(guān)系

根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制顆粒受不同風(fēng)速影響下的分布規(guī)律與分形維數(shù)變化的關(guān)系圖，橫坐標(biāo)自變量為風(fēng)力等級(jí)區(qū)間，縱坐標(biāo)因變量為分形維數(shù)D，根據(jù)函數(shù)關(guān)系擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)，從上至下依次對(duì)應(yīng)粒徑由細(xì)到粗的粒子束在不同等級(jí)風(fēng)力區(qū)間下運(yùn)移軌跡的分形維數(shù)變化曲線，數(shù)據(jù)擬合相關(guān)性系數(shù)R2均在0.952以上。風(fēng)速與分形維數(shù)關(guān)系如圖6。

圖6 風(fēng)速與分形維數(shù)關(guān)系

由圖6 可知，同等粒徑粒子束的分形維數(shù)隨風(fēng)力區(qū)間的增大逐漸增加，分形維數(shù)的增加趨勢(shì)逐漸平緩，擬合數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出顯著的非線性關(guān)系。由于平均粒徑為50 μm 的粒子束質(zhì)量和體積過(guò)小在選定模擬區(qū)域內(nèi)難以沉降，所以在風(fēng)力區(qū)間變化下顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡大體相似，經(jīng)由計(jì)算軟件所得分形維數(shù)雖然隨風(fēng)力區(qū)間的增大而逐漸增加，但是由于差值較小難以在曲線圖中觀察到變化，因此不對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。其余5 組數(shù)據(jù)擬合曲線規(guī)律較為明顯，隨著風(fēng)速的增加，同種粒徑粉塵顆粒先是在近距離積聚隨后到逐漸向遠(yuǎn)處逸散，分布距離逐漸增大，分形維數(shù)與風(fēng)力區(qū)間呈正相關(guān)關(guān)系。

1）粉塵分布的分形維數(shù)隨粉塵粒徑和風(fēng)速的變化而變化，分形維數(shù)不僅可以描述粉塵顆粒的分形特征，還可以很好地描述不同粒徑粉塵在不同風(fēng)力區(qū)間下的分布情況。

2）控制風(fēng)速不變時(shí)，分形維數(shù)隨粉塵顆粒粒徑的增大而減小，呈現(xiàn)明顯的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，可見(jiàn)小粒徑粉塵相比于大粒徑粉塵受浮力作用更不易沉降且隨風(fēng)流運(yùn)動(dòng)的距離更長(zhǎng)，大顆粒粉塵多在近距離處積聚。

3）控制粉塵顆粒粒徑不變時(shí)，分形維數(shù)隨風(fēng)力區(qū)間的增大而增大，呈現(xiàn)明顯的非線性正相關(guān)關(guān)系，可見(jiàn)粉塵顆粒受風(fēng)流曵力影響下沉降的距離逐漸增加，風(fēng)速越大粉塵顆粒受風(fēng)流曵力影響越大。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)過(guò)程中對(duì)3 個(gè)主要產(chǎn)塵區(qū)域內(nèi)5 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分別為采掘場(chǎng)、交通干道和煤場(chǎng)。

監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括TSP、PM2.5、PM10；監(jiān)測(cè)作業(yè)為期18 d，即3 d 為1 個(gè)監(jiān)測(cè)循環(huán)，總共測(cè)量6 個(gè)循環(huán)，分析6 個(gè)循環(huán)過(guò)程中的數(shù)據(jù)，并繪制6 個(gè)測(cè)量循環(huán)中3 個(gè)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)各監(jiān)測(cè)內(nèi)容物濃度的折線圖。采掘場(chǎng)監(jiān)測(cè)物濃度圖如圖7，交通干道監(jiān)測(cè)物濃度圖如圖8，煤場(chǎng)監(jiān)測(cè)物濃度圖如圖9。

圖7 采掘場(chǎng)監(jiān)測(cè)物濃度圖

圖8 交通干道監(jiān)測(cè)物濃度圖

圖9 煤場(chǎng)監(jiān)測(cè)物濃度圖

從圖7～圖9 可以看出，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)探勘并進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，分析發(fā)現(xiàn)在3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均為：TSP 濃度最大，PM2.5 濃度居中，PM10 濃度最小。這主要由于露天礦天然的特點(diǎn)，礦坑內(nèi)形成了一種天然氣漩，積累的粉塵總量大無(wú)法排出，因此積累總粉塵量是最大的，根據(jù)采掘、運(yùn)輸和煤場(chǎng)過(guò)程中的產(chǎn)塵情況，而PM2.5 含量濃度大于PM10，說(shuō)明整體采場(chǎng)環(huán)境中可吸入肺泡含量還是相對(duì)較多，這主要與采掘、運(yùn)輸和煤場(chǎng)存儲(chǔ)過(guò)程中的工藝特點(diǎn)有關(guān)，因此通過(guò)研究其起塵擴(kuò)散規(guī)律并采取合適的抑塵措施來(lái)確保達(dá)到安全濃度以下，保證生產(chǎn)過(guò)程的安全、高效。

4 結(jié)語(yǔ)

基于COMSOL 的數(shù)值模擬的基本思路及試驗(yàn)設(shè)計(jì)，主要研究了風(fēng)速為1.3 m/s 的南風(fēng)在河曲舊縣露天煤礦內(nèi)的流動(dòng)特征及在該條件下的不同粉塵源、不同粒徑粉塵的分布運(yùn)移規(guī)律，得出的主要結(jié)論如下：①小顆粒粉塵由于所受自身重力較小，隨風(fēng)流運(yùn)移擴(kuò)散距離較遠(yuǎn)，大顆粒粉塵所受重力大，隨風(fēng)擴(kuò)散距離短，主要在塵源附近沉降，成為二次塵源；②不同風(fēng)速相同塵源位置粉塵運(yùn)移軌跡差別較大，綜合考量粉塵擴(kuò)散運(yùn)移影響因素，控制風(fēng)速不變時(shí)，分形維數(shù)隨粉塵顆粒粒徑的增大而減小，呈現(xiàn)明顯的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，控制粉塵顆粒粒徑不變時(shí)，分形維數(shù)隨風(fēng)力區(qū)間的增大而增大，呈現(xiàn)明顯的非線性正相關(guān)關(guān)系；③在采掘場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中，TSP 濃度最大，PM2.5濃度居中，PM10 濃度最小。