高溜井卸礦沖擊氣流影響因素的相似理論與實驗研究

王 明， 蔣仲安, 陳舉師， 鄧權龍

(1.北京科技大學 土木與環境工程學院，北京 100083; 2.華北科技學院 安全工程學院,河北 三河 101601)

高溜井卸礦沖擊氣流影響因素的相似理論與實驗研究

王 明1,2， 蔣仲安1, 陳舉師1， 鄧權龍1

(1.北京科技大學 土木與環境工程學院，北京 100083; 2.華北科技學院 安全工程學院,河北 三河 101601)

高溜井卸礦過程中產生的沖擊氣流是卸礦硐室及其附近巷道產塵的主要原因，通過分析沖擊氣流產生的基本方程，根據相似原理，導出了高溜井卸礦沖擊氣流的相似準則數，以李樓鐵礦24#卸礦溜井為原型，建立了高溜井的相似模型，并對不同卸礦條件下的沖擊氣流進行了實驗研究。結果表明：沖擊風速隨卸礦流量的增加而增加，但其增幅隨卸礦流量增加而減小，最大沖擊風速與卸礦流量成近似冪函數關系，且卸礦高度越大，冪指數越大，實驗得冪指數范圍為0.593～0.732；卸礦高度越高沖擊氣流越大，且隨著卸礦高度的增加，礦石顆粒分散的空間越大，顆粒間相互作用越小，對溜井內氣流的誘導作用越大，沖擊氣流增加的幅度隨卸礦高度的增加不斷提高；礦石粒徑范圍及出口阻力系數越大沖擊氣流越小；同時卸礦的中段越多，沖擊氣流會產生疊加而增大，但遠小于各中段單獨卸礦產生沖擊氣流的總和。

高溜井；卸礦；沖擊氣流；相似準則；影響因素

金屬礦山廣泛采用溜井轉運礦石集中卸礦，溜礦井卸礦過程產生大量的粉塵，特別是多中段卸礦的高溜井，因礦石沿溜井下落過程中形成強大的沖擊氣流，帶出大量的粉塵，嚴重污染卸礦硐室及其附近巷道的工作環境。高溜井卸礦時粉塵防治難度較大，與卸礦流量、礦石卸礦高度、沖擊氣流大小等因素有關，國內對此主要進行了具體防塵措施的應用研究，而對卸礦時沖擊氣流產生的規律研究較少[1]。國外對落料自由下落產生沖擊氣流的理論研究較多，而針對高溜井卸礦產生沖擊氣流的理論研究并不豐富，還需進行大量的實驗研究對相關規律進行探討[2-3]。

Hemeon[4]最早對小粒徑物料自由下落過程中產生的沖擊氣流進行了研究，并將產生的沖擊氣流看成是單個物料在靜止的空氣中自由下落產生氣流的總和。Cooper等[5]在前人研究的基礎上實驗研究了皮帶運輸轉載處物料下落過程卷吸空氣量的計算及其影響因素。Wypych等[6]認為物料下落過程中內部區域的顆粒對其周圍氣流的誘導作用較顆粒單獨下落時小。ANSART等[7-8]對小顆粒物料下落過程粉塵的產生機理進行了研究。Uchiyama等[9-10]對自由下落的顆粒流進行了數值模擬計算，得到了不同條件下誘導氣流的分布情況。劉啟覺等[11-12]根據流體力學的相關理論，推導出了物料下落過程產生誘導風量的計算公式。李小劍等[13]利用CFD數值模擬及實驗研究分析了自由下落物料與空氣的耦合機理及運動特征，求解出了自由下落微粒的誘導空氣量。上述對物料下落的研究主要集中在對物料下落過程中沖擊氣流的理論分析，忽略了顆粒間相互作用的影響，特別是在落料流量較大的有限空間內顆粒間的相互作用遠大于離散作用，造成結果與實際情況有一定差距。李小川等[14-16]通過實驗研究了物料下落過程誘導氣流及粉塵的產生機理，但實驗模型較小，且主要研究的是連續落料時沖擊氣流的產生規律。石朋波[17]針對礦車料槽處卸礦過程形成的揚塵，采用理論推導和數值模擬的方法對沖擊氣流進行了分析。王英敏等[18]通過把礦石簡化為球體，對礦石自由下落過程中前后形成的壓差進行分析，推導出了卸礦時最大沖擊氣流與其影響因素之間的關系。暨朝頌[19]從礦石與溜井內空氣能量交換的角度進行分析，建立了相關的能量方程，探討了溜井內沖擊氣流的產生過程和計算方法。前人在對溜井卸礦沖擊氣流方面的研究缺乏對礦石下落到底部之后氣流運動情況的研究。本文通過理論分析沖擊氣流的產生及流動過程，建立相似實驗模型，通過相似實驗研究卸礦時沖擊氣流的產生規律及其影響因素，為更有針對性的提出高溜井卸礦粉塵的防治措施提供理論基礎。

1 沖擊氣流的產生及其影響因素分析

溜井卸礦時，礦石自由下落與溜井內靜止的空氣發生相對運動，根據礦井通風流體力學的相關理論可知，單個礦石顆粒受到的阻力相當于空氣在溜井內運動時礦石所引起的正面阻力，可有下式計算:

(1)

式中：hd為礦石所引起的正面阻力，Pa；Sn為礦石在巷道方向的投影面積，m2；s為溜井巷道的斷面積，m2；vn為礦石與空氣的相對速度，m/s1；ρg為空氣的密度，kg/m3；C為正面阻力系數，與礦石顆粒的雷諾數Re=ρgdpvn/μ有關(μ為空氣黏度，Pa/s1)；

由于礦石在風流方向上的投影面積Sn遠小于溜井斷面S，式(1)中S-Sn可簡化為S，當大量礦石顆粒通過溜井自由下落時，假設氣體視為不可壓縮的連續相，礦石顆粒視為密度均勻的球形且相互間不發生碰撞等作用，則單位時間內礦石受到的空氣阻力為

(2)

(3)

式中，H為卸礦高度，m。

在沖擊壓力作用下，由溜井口沖出的氣流與溜井口的風阻有關。由于沖擊氣流的形成與消失屬于非穩態流動過程，所以，其壓力損失為

(4)

風流因克服阻力而造成能量損失，所以hc=h，即：

(5)

式(5)表明影響高溜井卸礦時沖擊氣流產生的主要因素包括礦石流量Mp、礦石粒徑dp、溜井卸礦高度H、溜井的直徑D、溜井口阻力系數ξ等。

2 相似實驗模型的建立

2.1 沖擊氣流相似準則分析

(4) 由于阻力系數ξ是無量綱量，用量綱分析是不能確定其冪次，為盡量消除其影響，應取實驗模型的阻力系數與實體的阻力系數相同[20]。

2.2 實驗相似模型的設計

以李樓鐵礦24#高溜井為原型，該溜井總共服務-325、-350、-375、-400中段，每個中段高25 m，溜井高為100 m，直徑為3 m，斜溜槽直徑為2.5 m，傾角為45°，建立幾何尺寸比為Cy/Cm=10/1的實驗模型。如圖1所示為建立的溜井放礦實驗模型，共4個中段，從上到下分別編號為1中段、2中段、3中段和4中段，溜井模型主體采用直徑為0.3 m的PVC管，斜溜槽采用直徑為0.25 m的PVC管，溜井總高度為10 m。

實驗裝置由溜井模型主體、卸礦漏斗、出口斷面調

圖1 溜礦井放礦實驗相似模型Fig.1 Similarity model of unloading ore in high ore pass

節板、儲礦段、測風管及風速儀組成。卸礦漏斗可以通過調節出口斷面控制卸礦時礦石流量的大小。斜溜槽出口設置斷面積調節板，調節不同的出口阻力系數。通過儲礦管儲存和放出落入溜井模型底部的礦石。風速儀采用JFY-4型通風多參數檢測儀，把風速儀的探頭通過測風管進入斜溜槽，測定卸礦時產生沖擊氣流的大小。

2.3 實驗方法及各參數的測定

(1) 實驗材料的制備：實驗用礦石采用李樓鐵礦礦石，井下卸礦時礦石的實際尺寸為小于500 mm，經XPC-60×100顎式破碎機破碎至50 mm以下，采用1目(孔徑約25 mm)、2目(孔徑約10 mm)、4目(孔徑約5 mm)、16目(孔徑約1 mm)篩分網將破碎之后的礦石篩分成5個等級，分別為：25 mm

(2) 實驗模型阻力系數的測定：經現場測定溜井從卸礦口完全開口到幾乎完全密閉情況下阻力系數范圍大約為10～1 500。將溜井的最頂端開口連接到一臺小型抽出式風機的入口端，通過抽風實驗測定溜井模型在不同出口斷面情況下的阻力系數。通過調節卸礦口的斷面積，設置合理的風量，通過微差壓傳感器測定風機入口靜壓，用風速儀測定各出口的風速，計算得不同條件下模型阻力系數的大小。

(3) 沖擊風速的測定：采用JFY-4型通風多參數檢測儀，在每個中段溜槽出口設置監測點，卸礦時同時開啟各個風速監測儀，每隔1 s讀數一次，共監測120 s。

3 相似實驗結果及分析

3.1 高溜井卸礦沖擊氣流產生規律

為對比分析相似實驗和現場實測得到的高溜井卸礦時沖擊氣流，結合李樓鐵礦的現場情況，根據相似比得到的實驗條件為卸礦量6 kg/s1、卸礦高度為10 m、礦石粒徑小于50 mm、阻力系數為53，卸礦時間為2 s，通過相似實驗得到了1中段卸礦時各個中段的沖擊氣流隨時間的變化關系如圖2所示。通過相似比還原實驗測定的值，得到實驗模型4中段的實驗值與李樓鐵礦高溜井-400中段出口的實測值的對比,如圖3所示。

圖2 各中段沖擊風速隨時間的變化關系

Fig.2 The changes over time of the impact velocity in every middle section

圖3 沖擊風速的實驗值與現場實測對比圖

Fig.3 Comparison of impact velocity between experiment and field measurement

由圖2、圖3可知：①卸礦時各中段沖擊風速隨時間的變化規律一致，都是隨著礦石的下落迅速增大，且在礦石通過該中段之后達到最大值，然后逐漸減小至穩定值；沖擊風速隨中段高度的降低而增大，最大沖擊風速在4中段達到1.4 m/s1，而在1中度風速只有0.4 m/s1；②中段高度越高，沖擊風速達到峰值的時間越早，沖擊風速在1中段達到峰值的時間在卸礦后4 s，而在4中段達到峰值時間大概在8 s以后，同時可知，沖擊風速由零增加到最大值所用的時間t遠大于礦石自由落體的時間；③底部中段無論是最大沖擊風速的大小，還是保持較大風速的時間范圍都要遠大于上部中段的值，所以文中對沖擊風速影響因素的實驗研究主要針對第4中段進行研究分析；④通過相似比還原實驗得到的速度隨之間的變化曲線，對比分析現場實測值，可以發現卸礦時沖擊風速的實驗值和實測值變化規律有較好的一致性，從而驗證了相似模型的可靠性和適用性。

3.2 不同影響因素對沖擊風速的影響

根據現場調查并查閱相關文獻資料可知，卸礦流量、卸礦高度、礦石粒徑、溜井口阻力系數及同時卸礦中段數是影響高溜井卸礦時沖擊氣流產生的5個主要因素。通過改變卸礦時各參數條件，對卸礦出口沖擊風速進行連續監測，研究各因素對沖擊氣流產生的影響規律。

3.2.1 卸礦量對沖擊風速的影響

溜井放礦過程中產生沖擊氣流的動力主要來自礦石本身的重量，采場溜井一次實際的放礦量有1 t、2 t、3 t等不同情況。根據實驗的相似條件，模型實驗中一次放礦量必須控制在10 kg/s1以內。為研究不同卸礦流量對沖擊風速的影響，分別調節卸礦漏斗控制礦石流量為2 kg/s1、4 kg/s1、6 kg/s1、8 kg/s1、10 kg/s1，在1中段進行卸礦時，得到4中段沖擊風速隨時間的變化如圖4所示，卸礦高度一定條件下，得到最大沖擊風速隨卸礦流量的變化曲線,如圖5所示。

圖4 不同卸礦流量時沖擊風速隨時間的變化關系

Fig.4 The changes over time of the impact velocity in different unloading ore flow

圖5 最大沖擊風速隨卸礦流量的變化關系

Fig.5 Relationship between the biggest impact velocity and unloading ore flow

由圖4可知：①1中段卸礦時，4中段的沖擊風速隨礦石流量的增大而增大，當礦石重量為10 kg/s1時，最大沖擊風速達到2.1 m/s1以上，而當礦石重量為2 kg/s1時，最大沖擊風速只有0.7 m/s1左右。②不論礦石重量多大，沖擊風速達到最大值的時間基本相同，但卸礦量越高，風速下降到最低值的時間越長。

由圖5可知，卸礦高度相同時，最大沖擊風速隨著卸礦流量的增大而不斷增大，但最大沖擊風速隨卸礦流量增大而增加的幅度減小。沖擊風速與卸礦流量成近似冪函數關系，不同卸礦高度，沖擊風速隨卸礦流量變化的冪指數不同，卸礦高度越大冪指數越大，實驗得冪指數范圍為0.593～0.732。導致卸礦流量增大而沖擊風速增加幅度減緩的主要原因是礦石下落過程中不斷互相作用影響了礦石顆粒與空氣的接觸，卸礦流量越大，同時下落的礦石越多，處于礦石流內部的顆粒與空氣接觸的幾率越小，從而降低了礦石對溜井內氣流的作用力。由于卸礦高度的增加，在下落的過程中有更多的空間讓礦石顆粒充分散開，增加了礦石與空氣接觸的范圍，所以卸礦高度越大，卸礦流量的增加對沖擊氣流的影響越大。

3.2.2 卸礦高度對沖擊風速的影響

由能量守恒定律可知，礦石顆粒下落的過程中將勢能轉換為空氣動能、礦石自身的動能和碰撞及摩擦損失的能量，高度是溜井內空氣獲得能量多少的最直接因素。為研究不同卸礦高度對溜井沖擊風速的影響，分別在1中段(H=10 m)、2中段(H=7.5 m)、3中段(H=5 m)、4中段進行倒礦(H=2.5 m)，監測到4中段的沖擊風速隨時間的變化曲線,如圖6所示。

圖6 不同卸礦高度時沖擊風速隨時間的變化關系

Fig.6 The changes over time of the impact velocity in different unloading height

由圖6可知：①4中段的沖擊風流隨卸礦高度的增加而增大，且卸礦高度越高，沖擊風速持續的時間越長，而沖擊風速達到峰值的時間隨卸礦高度的增加而增大；②1中段卸礦時，沖擊風速最大值能達到1.4 m/s1左右，達到峰值的時間為10 s，沖擊風流持續時間約為20 s，而在4中段卸礦時，最大沖擊風速只有0.3 m/s1，達到沖擊風速的峰值時間為7 s左右，沖擊氣流持續時間不超過15 s。

在礦石粒徑一定的情況下，得最大沖擊風速隨卸礦高度的關系曲線如圖7所示，由圖可知：①礦石粒徑一定時，卸礦產生的最大沖擊風速隨卸礦高度的增加而顯著增大，且與卸礦高度擬合成指數函數，說明在一定范圍內，最大沖擊風速增加的趨勢隨卸礦高度的增加而變大。在卸礦高差范圍內，礦石還處于較大的加速階段，由于卸礦高度的增加，礦石分散的空間越大，對溜井內氣流的誘導作用越大，所以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對于不同粒徑范圍的礦石，最大沖擊風速隨高度變化函數的指數不一樣，函數的指數隨粒徑的減小，先增大再變小，說明在一定粒徑范圍內，粒徑越小，最大沖擊風速隨卸礦高度變化越明顯；由于空氣阻力的作用，粒徑小于一定范圍的礦石顆粒在卸礦高度范圍內很快達到了勻速運動，所以導致最大沖擊風速隨高度變化的趨勢減小。

圖7 最大沖擊風速隨卸礦高度的變化關系Fig.7 Relationship between the biggest impact velocity and unloading height

3.2.3 礦石粒徑對沖擊風速的影響

為研究卸礦時不同粒徑的礦石對沖擊風速的影響，在1中段斜溜槽口進行不同粒徑范圍的礦石進行倒礦，卸礦流量為6 kg/s1，對4中段的沖擊風速進行連續監測得到沖擊氣流隨時間的變化曲線,如圖8所示。

圖8 不同礦石粒徑時沖擊風速隨時間的變化關系

Fig.8 The changes over time of the impact velocity in different ore particle size

從圖8中可以看出，在1中段卸礦時，4中段的沖擊風速隨著粒徑的減小而增大，當礦石粒徑小于1 mm時，最大沖擊風速達到1.7 m/s1左右，而當礦石粒徑大于25 mm時，最大沖擊氣流只有0.6 m/s1左右，主要原因是在礦石重量相同的情況下，礦石粒徑越小，礦石的比表面積越大，對溜井內氣流的影響越大。

由式(1)可知，卸礦時礦石顆粒對溜井內空氣的作用力與礦石在垂直于風流方向上的投影面積直接相關，單位質量的礦石粒徑越小，礦石顆粒數越多，礦石總投影面積越大，對溜井內氣流的作用力越大。由于礦石顆粒下落過程中不斷互相碰撞、摩擦等接觸作用，投影面積與礦石粒徑不完全成線性變化關系。實驗得到的不同礦石粒徑與最大沖擊氣流的關系如圖9所示，從圖中可以看出，卸礦流量一定情況下，最大沖擊氣流隨礦石粒徑范圍的增大而減小，粒徑越大最大沖擊氣流的降低的趨勢也增加。礦石粒徑范圍一定時，最大沖擊氣流隨卸礦流量的增加而增加，增加的趨勢隨卸礦流量的增加而減小，且粒徑越小時趨勢減小的越明顯。分析礦石顆粒的下落過程可知，卸礦流量越大，粒徑范圍越小，礦石顆粒間接觸的幾率也越大，從而導致最大沖擊風速增加的趨勢減小。

圖9 最大沖擊風速隨礦石粒徑的變化關系

Fig.9 Relationship between the biggest impact velocity and ore particle size

3.2.4 溜井口阻力系數對沖擊風速的影響

溜井卸礦過程中溜井內空氣獲得能量后主要用于克服溜井及與其進出口兩端并聯的外部巷道所產生的阻力，在溜井口設置井蓋等增阻措施時，井蓋的密閉性對沖擊氣流的大小產生直接的影響。實驗過程中，通過改變溜井口的斷面積，來改變整個溜井模型的阻力系數，測得阻力系數ξ分別為21、53、215、533、1 260情況下沖擊氣流的分布情況,如圖10所示。

由圖10可知：①沖擊氣流隨溜井阻力系數的增大顯著減小，當阻力系數較小時，沖擊風速隨阻力系數的變化幅度較大，隨著阻力系數的不斷增大，沖擊風速的下降幅度也不斷減小。②溜井出口阻力系數越小，沖擊氣流達到最大值的時間越短，沖擊氣流下降到較小值的速度也越快。③從圖中各曲線與X軸所圍成的面積大小可知，出口阻力系數越大，從溜井口流出的風量越小，根據能量守恒定律，大部分沖擊氣流在溜井內部循環，克服巷道阻力而損失能量。

圖10 不同溜井阻力系數時沖擊風速隨時間的變化關系

Fig.10 The changes over time of the impact velocity in different high ore pass drag coefficient

3.2.5 多中段同時卸礦對沖擊風速的影響

由于井下經常出現多中段同時生產的情況，所以研究不同中段同時卸礦對溜井沖擊風速的影響非常有必要。實驗時，每中段采用6 kg礦石分別井下單一中段(1中段)，兩個中段(1、2中段)同時倒礦、三個中段同時倒礦(1、2、3中段)，對4中段的沖擊風速進行監測，對比分析不同卸礦中段數對沖擊風速的影響如圖11所示，由圖可知：卸礦中段數越多，4中段處的沖擊風速越大，由于卸礦中段數的增加導致卸礦量增加，沖擊風流疊加，但產生的沖擊氣流遠小于各中段單獨卸礦產生沖擊氣流的總和。多中段同時卸礦時，由于下部中段礦石在其后方溜井內形成的補充氣流抵消了部分上部中段在其前方產生的沖擊氣流，從而導致沖擊氣流強度降低，補充氣流會隨時間延長而逐漸減弱，最終還是會有沖擊氣流的疊加，所以控制各個中段卸礦的時間差，對降低多中段卸礦沖擊氣流疊加有所幫助。

圖11 不同中段同時卸礦時沖擊風速隨時間的變化關系

Fig.11 The changes over time of the impact velocity when different middle section unloading together

4 結 論

(2) 卸礦時底部中段最大沖擊風速的大小及其持續時間都要遠大于上部中段，沖擊氣流的實驗值和實測值變化規律都有較好的一致性，證明了實驗結果以及相似理論的正確性，表明高溜井卸礦模型能夠很好地模擬沖擊氣流的產生過程；

(3) 最大沖擊風速隨卸礦流量的增加而增加，在量值上與卸礦流量成近似冪函數關系，且卸礦高度越大，冪指數越大，實驗得冪指數范圍為0.593～0.732；卸礦高度越高，沖擊氣流越大，且沖擊氣流增加的幅度隨卸礦高度的增加不斷提高；礦石粒徑范圍及出口阻力系數越大沖擊氣流越小；同時卸礦的中段越多，沖擊氣流會產生疊加而增大，但遠小于各中段單獨卸礦產生沖擊氣流的總和；

(4) 建立的高溜井卸礦模型及實驗得到影響沖擊氣流產生的因素為深入研究高溜井卸礦粉塵的產生及提出更有針對性的粉塵控制措施提供理論參考。

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Similaritytheoryandtestsforimpactingairflowinfluencefactorsduringunloadingoreinahighorepass

WANG Ming1,2, JIANG Zhongan1, CHEN Jushi1, DENG Quanlong1

(1. School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2. School of safety engineering, North China Institute of Science and Technology, Sanhe, 101601, China)

Impacting air flow producedin ore drawing througha high ore pass is the main reason why ore dumping chamber and adjacent tunnel produce dust. Here, according to the similarity principle, the similarity criteriaof impacting air flow produced during unloading ore in a high ore pass were derived by analyzing the basic equation. Taking 24# ore pass in Li Lou iron mine as the original model, the similarity model of the high ore pass was built, tests were conducted for impacting air flows under different unloading ore conditions. The results showed that the impact wind speed increases but its amplitude growth rate decreases with increase in the unloading ore flow rate, the maximum impact wind speed and the unloading ore flow rate form approximately a power function relation, the higher the unloading ore height, the larger the power exponent, the range of power exponent measured with tests is 0.593-0.732; the higher the unloading ore height, then the bigger the impacting air flow, the larger the space for ore particles dispersion, the smaller the interaction between particles, the bigger the induction effect on the air flow in the ore pass; the growth rate of the impacting air flow increase with increase in the unloading ore height; the greater the ore particle size range and drag coefficient at the exit, the smaller the impacting air flow; impacting air flow increases due to superposition effect with increases in segments of unloading ore， but it is far less than the sum ofimpacting air flows generated due to the separate unloading ore in each segment.

high ore pass; unloading ore; impacting air flow; similarity criterion; influence factors

國家自然科學基金(51574016)；北京市自然科學基金青年科學基金(8164060)；中央高校基本科研業務費專項資金(FRF-TP-15-038A2)

2016-10-26 修改稿收到日期：2017-03-27

王明 男，博士，1988年9月

蔣仲安 男，教授，博士生導師，1963年10月

TD714.2

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.23.040