高溜井粉塵擴(kuò)散特征試驗(yàn)研究*

葛連夢 汪林紅 陳宜華 陳 頌

（1.安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院；2.山東中礦集團(tuán)有限公司）

金屬礦山多采用溜井轉(zhuǎn)運(yùn)的方式進(jìn)行集中卸礦。高溜井放礦時(shí)，易誘發(fā)沖擊氣流，沖擊氣流向下做加速運(yùn)動(dòng)，攜帶的粉塵在卸礦口附近產(chǎn)生大量的高濃度礦塵，在巷道內(nèi)擴(kuò)散，與井下爆破一同成為井下重大污染源，污染礦井作業(yè)環(huán)境且影響采場工作人員的身體健康［1-3］。大量研究數(shù)據(jù)表明，礦井作業(yè)人員若長時(shí)間吸入粒徑＜5 μm 的粉塵，尤其是粒徑＜2.5 μm 的粉塵，會(huì)對(duì)身體健康造成嚴(yán)重危害［4-5］。由此可見，礦山的防塵降塵形勢迫在眉睫，掌握高溜井內(nèi)粉塵的分布特征、擴(kuò)散規(guī)律對(duì)制定和開展高效的防治措施有重大指導(dǎo)意義［6］。

溜井集中卸礦時(shí)，粉塵產(chǎn)生量大，防治難度高，與礦石質(zhì)量、粒徑、連續(xù)放礦次數(shù)及溜井放礦高度等影響因素密不可分，因此國內(nèi)學(xué)者對(duì)溜井卸礦誘發(fā)的沖擊氣流分布規(guī)律和粉塵擴(kuò)散特征開展了大量研究，但大部分依舊停留在實(shí)驗(yàn)階段，在工程應(yīng)用和產(chǎn)塵理論方面成果較少［7］。本研究采用相似實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，分析梅山礦和張莊礦中高溜井在不同中段粉塵產(chǎn)生的規(guī)律以及影響因素，為高溜井粉塵防治提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

分別選取梅山礦和張莊礦礦石樣品，將較大礦石顆粒經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎后，用篩網(wǎng)篩選出5種不同范圍的粒徑等級(jí)：①25 mm＜D≤60 mm ；②10 mm＜D≤25 mm ；③5 mm＜D≤10 mm；④1 mm＜D≤5 mm；⑤D≤1mm。根據(jù)工程現(xiàn)場高溜井的實(shí)際放礦情況，將各等級(jí)粒徑按照5%、30%、30%、30%、5%的比例配置實(shí)驗(yàn)樣品。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

基于相似準(zhǔn)則理論建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停Ｐ团c某金屬礦山高溜井實(shí)際尺寸大小按相似比1∶10 縮小，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，包括溜井模型主管、卸礦漏斗、儲(chǔ)礦彎頭、風(fēng)速儀以及粉塵采樣儀5 個(gè)部分，其中高溜井實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎肞VC 管材質(zhì)，溜井主體高10 m，直徑0.3 m，斜溜槽內(nèi)徑0.2 m，與溜井主體傾斜角度為3°。采取從溜井頂端自主放礦的方式，將粉塵采樣儀（LD-5C）和熱敏風(fēng)速儀（testo425）的采樣管分別伸入斜溜槽管徑內(nèi)，同步監(jiān)測3中段粉塵濃度及風(fēng)速變化情況。

1.3 礦石樣品性質(zhì)

1.3.1 梅山鐵礦性質(zhì)

梅山鐵礦的礦石樣品中主要化學(xué)成分為Fe、Ca、Mg、Al、S、P，以及V、Ga，其物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

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1.3.2 張莊鐵礦性質(zhì)

張莊鐵礦礦石中的有用礦物質(zhì)為磁鐵礦（25.54%）、假象赤鐵礦、赤鐵礦等；脈石礦物主要包括石英（35.7%）、輝石、石榴石等硅酸鹽類礦物（30.74%）。

分析兩種礦物含量，梅山礦巖樣品質(zhì)量較重，故樣品品位高于張莊鐵礦。

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1.4.1 礦石粒徑對(duì)風(fēng)速和粉塵濃度的影響

將礦石粒徑劃分為5 種不同的粒徑范圍：①25 mm＜D≤60 mm；②10 mm＜D≤25 mm；③5 mm＜D≤10 mm；④1 mm＜D≤5 mm；⑤D≤1 mm，進(jìn)行單一粒徑范圍礦石的溜井放礦試驗(yàn)。在放礦質(zhì)量為4 kg 的條件下，不同礦石粒徑對(duì)高落差粉塵濃度及風(fēng)速的影響如圖2、圖3所示。

通過分析圖2 可得，對(duì)于兩種不同性質(zhì)的礦石，粉塵粒徑越小，粉塵濃度最值越大，張莊鐵礦礦石樣品在溜井內(nèi)的粉塵濃度最大值高于梅山鐵礦。從溜井頂端放礦的礦石粒徑越小，越易在溜井內(nèi)擴(kuò)散，下落過程中因碰撞產(chǎn)生的微細(xì)粉塵顆粒越多，致使溜井內(nèi)粉塵濃度越高，達(dá)到最大值的時(shí)間點(diǎn)基本相同，均在10 s 左右。粉塵濃度在沉降后發(fā)生波動(dòng)是由于沖擊風(fēng)速導(dǎo)致溜井底部和斜溜槽內(nèi)沉積的粉塵揚(yáng)起。

從圖3可發(fā)現(xiàn)，從溜井頂端放礦誘發(fā)的沖擊風(fēng)速值隨著礦石粒徑的減小而增大，兩種不同類型的礦石誘發(fā)的風(fēng)速最值相差較小，且達(dá)到峰值的時(shí)間節(jié)點(diǎn)相同。是由于放礦質(zhì)量相同，礦石粒徑越小，其比表面積越大，下落的礦石顆粒投影面積在溜井橫截面積中占比較大，對(duì)高溜井內(nèi)氣流影響也越大［8］。

1.4.2 放礦質(zhì)量對(duì)風(fēng)速和粉塵濃度的影響

對(duì)比張莊礦和梅山礦兩種不同性質(zhì)的礦石，保持放礦高度、礦石粒徑相同，探討在不同放礦質(zhì)量下對(duì)溜井內(nèi)呼吸性粉塵濃度和風(fēng)速的影響，結(jié)果如圖4、圖5所示。由圖4可得，隨著不斷增大放礦質(zhì)量，粉塵濃度最大值也明顯增加，粉塵在溜井內(nèi)懸浮時(shí)間越長。當(dāng)梅山礦石放礦質(zhì)量由2 kg增至8 kg時(shí)，粉塵濃度由27.4 mg/m3增至132 mg/m3；張莊礦石放礦質(zhì)量由2 kg增至8 kg時(shí)，粉塵濃度由64.4 mg/m3增至136.6 mg/m3，梅山礦石的粉塵濃度最值變化范圍高于張莊礦石。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因是梅山礦石的品位較高，相同質(zhì)量下，梅山礦樣品體積小，所占溜井截面積投影值較小，在溜井內(nèi)碰撞產(chǎn)生的粉塵濃度小。

由圖5 可知，風(fēng)速最大值隨放礦質(zhì)量增大而增加，且風(fēng)速達(dá)到最大值的時(shí)間節(jié)點(diǎn)基本一致。當(dāng)梅山礦石放礦質(zhì)量由2 kg增至8 kg時(shí)，風(fēng)速值由1.2 m/s增至2.48 m/s；張莊礦石放礦質(zhì)量由2 kg增至8 kg時(shí)，風(fēng)速最值由0.53 m/s增至2.74 m/s。

通過對(duì)梅山、張莊兩種礦石的最大風(fēng)速和最大粉塵濃度進(jìn)行線性擬合，由圖6 可以看出，在不同放礦質(zhì)量下，張莊鐵礦最大粉塵濃度與最大風(fēng)速二者之間的線性相關(guān)度最好，擬合系數(shù)R2分別為0.999、0.930。張莊礦礦石風(fēng)速增加幅度大，風(fēng)速產(chǎn)生波動(dòng)，是由于在相同質(zhì)量下張莊礦石樣品體積大，在碰撞中產(chǎn)生的小粒徑礦石多，其粒徑本身重力小于向上的阻力，使其在溜井內(nèi)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)風(fēng)速波動(dòng)的現(xiàn)象。

1.4.3 連續(xù)放礦次數(shù)對(duì)風(fēng)速和粉塵濃度的影響

圖7、圖8 是連續(xù)放礦次數(shù)對(duì)溜井內(nèi)粉塵擴(kuò)散和風(fēng)速的影響，選取質(zhì)量為4 kg 的兩種試驗(yàn)樣品，從溜井頂端進(jìn)行一次放礦、連續(xù)兩次放礦、連續(xù)三次放礦。當(dāng)梅山鐵礦的連續(xù)放礦次數(shù)由一次增至三次，即放礦質(zhì)量由4 kg 增至12 kg，粉塵濃度峰值由31.6 mg/m3增至100.1 mg/m3；張莊鐵礦連續(xù)放礦次數(shù)由一次增至三次，粉塵濃度最值由109.6 mg/m3增至261.6 mg/m3。張莊鐵礦的粉塵濃度最值和增加幅度均高于梅山鐵礦，是由于梅山礦石樣品品位高，下落過程誘發(fā)的粉塵少，產(chǎn)生的沖擊小，故粉塵濃度小。

圖8 中可發(fā)現(xiàn)，連續(xù)放礦次數(shù)對(duì)風(fēng)速最值的影響較顯著。隨著連續(xù)放礦次數(shù)的增加，風(fēng)速波動(dòng)較大，且出現(xiàn)多個(gè)峰值，是因下落過程中礦石顆粒誘發(fā)的沖擊風(fēng)流發(fā)生疊加，對(duì)溜井底部的沖擊氣流影響顯著。

1.4.4 不同中段對(duì)高溜井風(fēng)速和粉塵濃度的影響

溜井卸礦高度不同，對(duì)溜井內(nèi)粉塵濃度和風(fēng)速影響也有所不同，分別從溜井3 個(gè)中段2.5、5、7.5m處進(jìn)行放礦，來探究溜井放礦高度與最大粉塵濃度、最大風(fēng)速之間的線性擬合關(guān)系，以及最大粉塵濃度和最大風(fēng)速之間的擬合關(guān)系，如圖9、圖10、圖11 所示。

分析圖9、圖10 可知，溜井高度與溜井最大粉塵濃度、最大風(fēng)速均呈一次線性關(guān)系，隨著溜井高度增大，放礦質(zhì)量增加，風(fēng)速、粉塵濃度最值和線性擬合斜率也在逐漸增加。當(dāng)放礦質(zhì)量為4 kg 時(shí)，張莊礦石樣品和梅山礦石樣品的線性擬合度最好，R2分別為0.985 和0.999，其中梅山礦石樣品R2接近1。當(dāng)放礦質(zhì)量為2 kg 時(shí)，張莊礦石樣品的線性擬合度最優(yōu)，R2為0.981，當(dāng)放礦質(zhì)量為8 kg 時(shí)，梅山礦石樣品的線性擬合最好，R2接近1。由于溜井高度增加，有利于礦石顆粒在溜井內(nèi)的擴(kuò)散，延長降落時(shí)間，碰撞產(chǎn)生的小粒徑礦石也越多，風(fēng)速越高，粉塵濃度也越大。

分析圖11可得，最大風(fēng)速增加，其粉塵濃度最值也在逐漸增大，其中張莊礦石樣品最大風(fēng)速與最大粉塵濃度的線性擬合度最好，R2為0.957。從上圖中可以得到，通過減小溜井內(nèi)風(fēng)速大小來降低粉塵濃度，從而減輕對(duì)工作人員的身體傷害。

2 高落差粉塵的濃度模擬

2.1 幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分

為了探究放礦時(shí)高溜井內(nèi)壓力、風(fēng)速的變化過程，在Gambit軟件中建立高溜井幾何模型，模型高10 m，直徑0.3 m，每個(gè)中段長2.5 m，3 個(gè)斜溜槽長度為0.3 m，內(nèi)徑為0.2 m，傾斜角度為30°。為了方便建模，省去影響較小的儲(chǔ)料管段，如圖12所示。

因建立的高溜井幾何模型相對(duì)簡單，故采用ICEM CFD 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行劃分，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢查的結(jié)果為良好，符合Fluent 計(jì)算要求，如圖13所示。

2.2 邊界條件設(shè)定及求解

高溜井幾何模型網(wǎng)格劃分完成后導(dǎo)入Fluent，選擇離散型模型（DPM）對(duì)溜井內(nèi)氣固兩相流進(jìn)行模擬，并設(shè)定材料屬性、邊界條件、求解參數(shù)等。設(shè)置高溜井幾何模型進(jìn)口和出口的邊界條件為Pressureinlet 和Pressure-outlet；計(jì)算域中選擇空氣類型為Continuous fluid，礦石顆粒為Particle transport solid，密度4 900 kg/m3，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型；3D 求解器設(shè)定為基于壓力的SIMPLE算法［9］。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

模擬放礦質(zhì)量、連續(xù)放礦次數(shù)相同、從溜井頂端進(jìn)行放礦的情況，將Fluent 計(jì)算的數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)入CFD-Post 進(jìn)行分析處理，得出溜井內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)的壓力、風(fēng)速以及顆粒運(yùn)動(dòng)云圖。

2.3.1 不同時(shí)刻的壓力云圖

不同時(shí)間點(diǎn)的壓力分布云圖能直觀地反應(yīng)礦石顆粒在下降過程中不同中段的壓力變化情況，圖14為從溜井頂端放礦在不同時(shí)刻的壓力云圖。在2 s時(shí)溜井整體壓力值變化范圍最廣，礦石顆粒運(yùn)動(dòng)至底部時(shí)壓強(qiáng)達(dá)到最大值，且時(shí)間越長溜井整體壓力數(shù)值越小，在5～10 s 范圍內(nèi)3 個(gè)中段壓力值基本保持穩(wěn)定。隨著礦石顆粒從溜井頂端向下做加速運(yùn)動(dòng)，越靠近溜井底部，云圖顏色和數(shù)值越大，溜井下方的空氣受到礦石顆粒的擠壓，氣流運(yùn)動(dòng)劇烈，導(dǎo)致溜井底部壓強(qiáng)增大。

2.3.2 不同時(shí)刻的風(fēng)速云圖

為了介紹不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的風(fēng)速變化情況，合理選取并分析具有代表性的時(shí)間節(jié)點(diǎn)1、2、3、5、7、10 s 的風(fēng)速值，如圖15 所示。風(fēng)速矢量云圖可以形象地展示高溜井內(nèi)部不同時(shí)刻、不同中段的相對(duì)風(fēng)速大小。從圖中可以看出，第1 s時(shí)溜井一中段風(fēng)速值最大，在下落過程中風(fēng)速值在逐漸減小，整體變化幅度較小；第2 s時(shí)溜井整體風(fēng)速值最大，風(fēng)速波動(dòng)區(qū)域較長，氣流運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)烈；時(shí)間越長，風(fēng)速值波動(dòng)越小，氣流逐漸消失；斜溜槽內(nèi)風(fēng)速值較大，是由于管道之間氣壓減小，且與外界大氣壓相連，導(dǎo)致風(fēng)速值較大。

3 結(jié) 論

（1）高溜井隨著放礦量的增大粉塵產(chǎn)生量也增大，礦石密度大而粉塵量小，原因是溜井放礦量增大，內(nèi)沖擊氣流增大，攜帶粉塵從溜井的各中段溢出，但是粉塵濃度達(dá)到最大值時(shí)間基本一致。

（2）礦石粒徑越大，誘發(fā)的粉塵濃度和風(fēng)速最值就越小，是因?yàn)橄侣溥^程中因碰撞產(chǎn)生的微細(xì)顆粒物多，比表面積大，停留時(shí)間長，密度小的礦石誘發(fā)的粉塵濃度峰值高于密度大的。

（3）連續(xù)放礦次數(shù)越多，粉塵濃度和風(fēng)速最大值越大，是由于礦石下落過程中風(fēng)速交叉疊加，發(fā)生多峰值現(xiàn)象，對(duì)溜井底部影響較大。

（4）溜井高度與溜井最大粉塵濃度、最大風(fēng)速均呈一次線性關(guān)系，隨著溜井高度增大，放礦質(zhì)量增加，風(fēng)速、粉塵濃度最值和線性擬合斜率也在逐漸增加。

（5）隨著礦石顆粒從溜井頂端向下做加速運(yùn)動(dòng)，越靠近溜井底部，壓強(qiáng)增大；時(shí)間越長，風(fēng)速值波動(dòng)越小，斜溜槽內(nèi)風(fēng)速值較大。

（6）模擬粉塵擴(kuò)散特征結(jié)果與相似實(shí)驗(yàn)中粉塵濃度、風(fēng)速的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果具有良好的一致性。