風流擾動下煤炭裝載沖擊粉塵運移規律與抑塵技術研究

于海里，侯慶亮，李敬國，希都日古，于 昕

（內蒙古白音華蒙東露天煤業有限公司，內蒙古 錫林郭勒 026200）

0 引 言

雖然我國能源結構正由煤炭為主向多元化轉變，但是資源稟賦特征決定了2050年前煤炭仍將是我國的主要消費能源[1-3]。長期以來，煤炭開采與利用總體是一個粗放的過程，尤其是煤炭開采過程中，往往產生大量粉塵。高濃度粉塵不僅威脅礦井安全生產，而且誘發塵肺、心血管等疾病[4-6]。根據國家衛生健康委員會公布的數據，2021年全國共報告職業病新病例15 407例，其中，職業性塵肺病11 809例，占比高達76.65%[7]，是我國危害最大和分布最廣的職業病，尤其是在煤炭行業。自有統計數據以來，煤工塵肺累計報告病例占到職業性塵肺病總量近半數。近十幾年來，每年煤工塵肺新增病例都在60%以上。由此導致的死亡人數遠遠超過煤礦生產事故的死亡人數[8-9]，可見煤炭生產所帶來的煤塵污染問題嚴重威脅著員工的身體健康。

快速定量裝車站是煤炭對外鐵路運輸的重要一環，20世紀70年代起國外學者就對露天煤礦粉塵的產塵機理進行了研究[10]，分析散料裝卸作業過程中車輛運行揚塵、風刮起塵和散料裝卸揚塵等因素對露天煤礦作業區域內呼吸性粉塵和全塵濃度的影響，并確定相應的治理措施。劉乃偉[9]針對裝車站不同作業工序，分析其產塵特點，構建多樣化抑塵技術，將裝車站內部粉塵量控制在2.5 mg/m3以下。荊德吉等[11]基于歐拉-歐拉模型采用數值模擬的方法分析落煤塔區域粉塵逸散過程，指出引起落煤塔噴塵的主要因素是高壓誘導氣流，并據此提出“內吸外抑”的綜合防塵技術。湯萬鈞等[12]根據不同產塵因素的產塵特點分析各自的起塵機理，基于流體力學采用數值模擬的方法研究了露天煤礦粉塵聚集擴散機理，依據隨機森林模型得到影響露天煤礦粉塵運移的主要因素。

目前裝車站作業區域煤塵污染防治工作一直無法達到理想效果，一方面是對裝車站作業區域粉塵污染運移規律尚不清晰，另一方面目前對于防控塵措施的研究主要針對采掘面等封閉或半封閉環境，對于煤礦裝車站這種開放性環境下粉塵污染問題的治理研究較少。此外，煤炭裝載實際運行過程受到氣象環境因素影響，致使沖擊產塵運移過程十分復雜，而明確粉塵運移規律對于制定有效的控塵、防塵措施具有重要意義。因此，本文以白音華三號露天煤礦裝車站為研究對象，構建物理模型，運用數值模擬方法研究不同風流擾動作用下裝車站粉塵運移規律，并結合現場實際情況對裝車站區域采用防風抑塵網進行優化設計與現場應用測試，為煤炭裝載沖擊產塵防治與環境保護工作提供參考與借鑒。

1 風流-粉塵運移數學模型與物理模型

1.1 氣固兩相流數學模型構建

目前氣固兩相流模擬方法有歐拉-歐拉法與歐拉-拉格朗日法，歐拉-拉格朗日法直接對離散顆粒的運動軌跡進行求解，適用于稀疏顆粒流，該方法假設少，模型簡化，同時揭示了每個顆粒的運動和反應規律，相較于顆粒相擬流體模型，該模型更為合理精確。

對于湍流流動的數值模擬，考慮計算精度與模擬實驗對計算機性能的要求，采用一種非直接數值模擬方法——雷洛平均法，將瞬態脈動量通過某種模型在時均化的方程中體現出來，引入雷諾應力的封閉模型求解時均化雷諾方程[13]。

1）連續相流動控制方程。對于不可壓縮流體流動，在不考慮熱量交換的條件下，其流動遵循質量守恒定律與動量定律。對于氣固兩相流系統，任一邊長為dx、dy和dz的微元控制體中氣相連續性方程見式（1）。

式中： ρg為氣體相密度，kg/m3；ux、uy、uz為流體質點的速度沿三個坐標軸的分量，m/s； αf為連續相空隙率，表示控制體中氣體所占的體積份額，計算見式（2）。

瞬時狀態下湍流流動的動量守恒方程見式（3）

式中：Fsf為離散顆粒相對流體的作用力，N； τij為雷諾應力，N；g為重力加速度，m/s2。

Realizableκ-ε模型方程見式（4）。

2）離散項控制方程。根據牛頓第二定律構建顆粒相的運動求解方程見式（6）。

1.2 物理模型

根據裝車站實際設施的布置和作業規程，建立與之1∶1對應的物理模型，構建的物理幾何模型由外流域、落煤塔、C70型通用敞車三大部分構成，如圖1所示。模型尺寸為180 m×38 m×48 m，其中風流方向與敞車運移方向之間的夾角為45°，敞車與敞車之間的間距為1.024 m，未裝車區域有4輛敞車等待裝車，正在裝車區域有1輛敞車，4輛敞車裝車完畢駛離裝車站生產區域，在裝車站下風側出口兩端設置防風抑塵網。

圖1 裝車站物理模型Fig.1 Physical model of loading station

2 網格劃分與邊界參數設定

對物理模型進行網格劃分，目前常用的判定網格質量的標準為Skewness與Element Quality，基于網格質量對于仿真結果的重要性，本文用Skewness與Element Quality兩個標準分別對網格質量進行檢驗，網格質量見表1。本次模擬所采用的湍流模型為Realizableκ-ε模型，壁面函數使用標準壁面函數。

表1 網格質量統計表Table 1 Statistics table of grid quality

結合白音華蒙東煤業公司裝車站現場實際通風情況對邊界條件作如下設置：外流域入口邊界條件設置為Velocity Inlet，速度u與高度z的關系按實際風廓線分布，數值分布符合式（7）。

式中：u10為10 m處的風速，u10=2.7 m/s；z為距地面的高度，m。

基于裝車站作業空間內的粉塵粒徑及質量濃度的測定數據，對湍流及離散相模型進行參數設置，主要模擬參數見表2。

表2 邊界條件參數Table 2 Parameters of boundary condition

3 煤炭裝載沖擊產塵運移規律分析

3.1 風流擾動下裝車站粉塵分布規律

為了探究風流擾動下裝車站粉塵運移規律，運用數值模擬方法分析了在風速為2.70 m/s、45°斜向風作用下煤礦裝車站粉塵運移狀況。

自然通風條件下粉塵擴散云圖如圖2所示。在不采取任何除塵裝置下裝車站下風側出現大面積粉塵污染，粉塵顆粒運移速度極值達到8.29 m/s，粉塵顆粒運移除自身重力因素外，其主要受到外界風流的影響。

圖2 自然通風條件下粉塵擴散云圖Fig.2 Cloud map of dust diffusion under natural ventilation

對煤礦裝車站生產區域速度場進行定性分析，如圖3（a）所示。風流遇到裝車站迎風面后在建筑物前緣角點處發生分離，一部分風流沿迎風面兩側流動，一部分進入裝車涵洞內向下風側運移，在此過程中夾帶煤塊裝車產生的懸浮狀粉塵顆粒向下風側區域運移，由圖2（a）可知，裝車涵洞出口處粉塵顆粒運移速率超過2.25 m/s，其原因為通過裝車涵洞的過堂風改變粉塵顆粒原本的受力狀態，使懸浮態的粉塵顆粒獲得一定的加速度，以較高的運移速度向下風側擴散。

圖3 煤礦裝車站區域風流流線圖Fig.3 Wind flow diagram of coal mine installation station area

由于建筑物阻礙作用使得在裝車站下風側出現較大范圍風流低速區，如圖3（a）所示。同時，在裝車站下風側出現較大范圍粉塵污染區域，如圖3（b）所示。一部分風流發生回流，風速降低，在背風面形成一個順時針渦旋，使得低水平處的粉塵顆粒受風流影響向上運移，對比圖2（b）與圖3（b）可知，低風速渦旋區域與粉塵顆粒污染范圍大致吻合。由此可知，裝車站風流場中流經裝車涵洞的過堂風與背風面形成的低風速順時針渦旋是造成下風側粉塵顆粒運移特性的主要原因。因此，實現對裝車站生產區域粉塵擴散運移的有效控制，需改善裝車站風流場。

3.2 不同風速下裝車站粉塵擴散運移規律

氣象風流在裝車站粉塵擴散運移過程中有著重要影響，為進一步探究自然風速對煤炭裝載沖擊粉塵運移規律的影響，參照不同風級氣象特征，在0.10 m/s（無 風）、2.70 m/s（輕 風）、4.15 m/s（微 風）、6.70 m/s（和風）、9.35 m/s（清風）、12.30 m/s（強風）風流擾動下，開展數值模擬工作，分析裝車站風流場的速度分布規律。

數值模擬結果表明，風流經過裝車站時速度會出現局部提高，裝車涵洞內漂浮的煤塵顆粒在風流夾帶作用下，向下風側區域擴散，如圖4所示。由于裝車站建筑物的影響，下風側出現風流低速區。隨著自然風速的增加，下風側區域內風速分布的不均勻性加劇，加重了裝車站附近風流的紊亂程度，提升了該區域內風速的極值。

圖4 不同通風條件下裝車站速度場分布Fig.4 Velocity field distribution of installation station under different ventilation conditions

不同通風條件下粉塵質量濃度分布如圖5所示。由圖5可知，隨著風速的增大，裝車站下風側粉塵濃度分布呈現出先增加后降低的趨勢。當自然風速為0.10 m/s時，裝車涵洞內粉塵濃度達到最大值，其值為2 370.000 mg/m3，隨著與裝車涵洞距離的增加，在重力的作用下粉塵顆粒發生沉降，粉塵濃度迅速降低為0 mg/m3；當自然風速為2.70 m/s時，粉塵濃度沿程分布呈現出先增加后降低的趨勢，在距裝車站0～52.105 m的范圍內粉塵顆粒受到風流的擾動作用大于重力影響，致使粉塵顆粒在空間中彌散，在距裝車站37.218 m處粉塵濃度高達583.297 mg/m3。當與裝車站之間的距離超過52.105 m時，在重力的作用下粉塵顆粒發生沉降，質量濃度迅速降至為0；當自然風速為4.15 m/s時，粉塵濃度沿程呈現降低趨勢，在距裝車站38.120 m處粉塵濃度達到最大值，其值為264.731 mg/m3；當自然風速超過6.70 m/s時，粉塵濃度沿程分布近似保持69.106 mg/m3不變。

圖5 不同通風條件下粉塵質量濃度分布Fig.5 Distribution of dust mass concentration under different ventilation conditions

圖6為不同通風條件下離地面2 m處粉塵污染面積統計圖。由圖6可知，當自然風速為0.10 m/s時，重力沉降作用明顯，污染面積為298.143 m2。在自然風速由2.70 m/s增加至6.70 m/s的過程中，重力沉降作用逐漸降低，風流擾動作用逐漸增強，粉塵污染面積由937.182 m2增加至1 311.259 m2。當自然風速超過9.35 m/s時，風流擾動作用進一步加強，較大粒徑的粉塵顆粒在風流的夾帶作用下向下風側進一步擴散，粉塵的污染面積超過1 847.932 m2。

圖6 不同通風條件下粉塵污染面積Fig.6 Dust pollution area under different ventilation conditions

綜上所述，當自然風速不超過2.70 m/s時，隨著風速的增加，粉塵濃度與污染面積均呈現出升高趨勢。隨著風速的增大，裝車站風流的不均勻性逐漸加劇，造成粉塵顆粒在風流的夾帶作用下向下風側區域擴散。當自然風速超過2.70 m/s時，隨著風速的增加，粉塵濃度逐漸降低，污染范圍逐漸擴大。自然風速越高，風流擾動作用越明顯，粒徑較大的粉塵顆粒在風流擾動作用下不再發生沉降運動，向下風側進行擴散。

3.3 阻隔抑塵下裝車站粉塵分布特征

為了降低裝車站粉塵濃度，縮小粉塵污染面積，提出了采用防風抑塵網減輕裝車站粉塵污染程度，并進一步探究了網高對于抑塵效果的影響。

提高抑塵效率首要是改善裝車站內風流場分布，防風抑塵網通過網狀結構改變其表面風速和湍流強度，從而實現改變風流場特性的目的。相對于其他降塵工藝，防風抑塵網具有一次性投資低、維護工作量小、操作容易等特點。防風抑塵網控塵效果影響因素眾多，其中防風抑塵網的安裝高度是一個重要的影響因素，相關研究表明，在一定安裝范圍內隨著網高的增加可以降低粉塵擴散范圍。

為了有效解決煤炭裝載粉塵運移污染問題，基于白音華三號露天煤礦所處的自然條件，在風速為2.70 m/s、45°斜向風作用下對煤礦裝車站抑塵技術進行探究。本文以抑塵網安裝高度為自變量，探究其對煤礦裝車站風流場與控塵效果的影響，為現場控塵措施的制定提供參考。抑塵網的模擬參數見表3。風流場分布云圖如圖7所示。風流通過抑塵網后動能降低，風速減小，在裝車站下風側與兩抑塵網之間的區域內形成低速區，隨著網高的增加，低速區的范圍逐漸擴大，且風速值趨于穩定，兩抑塵網之間的區域風速低于0.80 m/s。同時，隨著網高的增加，風速極值呈現出先降低后增加的趨勢，當網高為7 m時，風速極值最小，其數值低于0.70 m/s。

表3 抑塵網參數設置Table 3 Parameter setting of dust suppression net

圖7 不同高度抑塵網條件下水平面z=3.5 m風流場分布云圖（俯視圖）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）

不同高度抑塵網條件下裝車站下風側風速分布如圖8所示。由圖8可知，在未安裝抑塵網時生產區域內風速值波動范圍大，風速最大值可達到2.44 m/s。當網高小于7 m時，網高的增加對下風側區域風速值的降低效果明顯，但在距離25～30 m附近對風速值沒有抑制作用，出現風速峰值；當網高為7 m時，在任意距離作用效果顯著；當網高大于7 m時，隨著網高的增加，風速改變量不大，其值在0～0.90 m/s范圍內波動，風速極值略微上調。當抑塵網安裝高度不超過7 m時，作用范圍集中于下風側，作用效果明顯；當安裝高度超過7 m時與7 m相較，下風側風速值變化接近，且距離較近處風速極值略微上調。由此可知，抑塵網對區域風速值的降低效果存在閾值，最佳安裝高度為7 m。

圖8 不同高度抑塵網條件下裝車站下風側風速分布Fig.8 Wind speed distribution on the downwind side of the installation station under different height dust suppression net conditions

不同網高條件下粉塵運移范圍分布如圖9所示。由圖9可知，隨著抑塵網安裝高度的增加，在裝車站下風側區域內粉塵的污染范圍逐漸縮小。當抑塵網安裝高度為5 m時，粉塵的污染范圍主要集中在靠近裝車站的下風側區域與兩抑塵網之間的區域。隨著網高的不斷增加，下風側粉塵污染逐漸縮小，當網高超過7 m時，粉塵的污染范圍主要集中在兩抑塵網之間的區域。隨著網高的不斷增加，粉塵顆粒的逃逸速度不斷降低，當網高超過7 m時粉塵顆粒的逃逸速度低于0.80 m/s，粉塵污染范圍主要集中在兩抑塵網之間的區域內。

圖9 不同高度抑塵網條件下粉塵運移范圍分布Fig.9 Distribution of dust migration range under different height of dust suppression net conditions

為了更好地量化抑塵網網高對裝車站下風側粉塵濃度的影響，選取抑塵網外側區域內一點作為監測點，該點距裝車涵洞出口10 m，數值高度為1.5 m，該點處粉塵濃度隨網高的變化如圖10所示。由圖10可知，隨著抑塵網安裝高度的增加，裝車站下風側粉塵濃度呈現出下降趨勢，當網高超過7 m時，粉塵濃度略微上升，但整體濃度水平低于60 mg/m3。根據模擬數據在現場應用中選用網高為7 m的防風抑塵網。

圖10 下風側粉塵濃度與抑塵網高度曲線圖Fig.10 Graph of dust concentration and height of dust suppression net on downwind side

4 現場應用與效果分析

防風抑塵網使氣流從外側通過墻體時，在墻體內側形成上下干擾的氣流以達到外側強風內側弱風的效果，從而防止粉塵的飛揚。為了解決裝車站無組織排放的粉塵顆粒隨自然風逃逸對周邊環境造成嚴重污染這一問題，在裝車涵洞出口處兩側安裝防風抑塵網，如圖11所示，以期減少了粉塵顆粒因受風流場影響在裝車站下風側造成的大面積污染。

圖11 抑塵網現場應用Fig.11 Field application of dust suppression net

防風抑塵網選用單峰型抑塵網，成型寬度為500 mm。表面經過靜電粉末噴涂處理，不易生銹。安裝長度為5.4 m，避免因安裝長度過大使得抗風效果較差。抑塵網設置在主流風面上，根據模擬結果網高選為7 m。

為了考察抑塵網現場控塵效果，在裝車站下風側每隔10 m選取一個監測點，其中，A點、B點、C點、D點、E點五個點位于抑塵網外側區域內，F點、G點、H點、I點、J點位于抑塵網內側，如圖12所示。各測點豎直高度為1.5 m，其現場監測數據見表4。由表4可知，在裝車站安裝抑塵網控塵措施后，相比于抑塵網內側區域內的粉塵濃度，在抑塵網外側區域內粉塵濃度得到明顯降低，降塵效率最高可以達到86.57%，整體降塵效率不低于82.51%，可見安裝抑塵網后裝車站粉塵擴散范圍得到了有效降低，對礦區周邊的環境保護具有重要意義

表4 抑塵網控塵效果監測數據Table 4 Monitor data of dust control effect of dust suppression net

圖12 測點布置示意圖Fig.12 Schematic diagram of the arrangement of measuring points

為了驗證所獲得模擬結果的準確性，將現場測量數據與模擬數據進行比對，如圖13所示。由圖13可知，抑塵網外側粉塵濃度相對誤差控制在18.18%以內，最小誤差為6.89%，抑塵網外側粉塵濃度相對誤差小于11.07%，最小誤差為9.63%，考慮到現場生產環境的復雜性、煤炭裝載產塵的波動性及人為誤差，可認為模擬產生的誤差在可接受的范圍內，所獲得的模擬結果相對可靠。

圖13 抑塵網內外側粉塵濃度結果對比Fig.13 Comparison of dust concentration results inside and outside the dust suppression net

綜上所述，受裝車站建筑物的影響，風流在經過裝車站時風速會出現局部增加，高速的風流在經過裝車站涵洞時對粉塵顆粒會產生卷吸，在距離裝車站較近的區域內風流較為紊亂，風流紊亂程度愈大，粉塵顆粒運移軌跡越無規則化，故通過設置防風抑塵網，可以改善裝車站生產區域風速的分布狀況，降低來流風的動能，減少物料的揚塵。

5 結 論

本文采用數值模擬的方法探究了抑塵網安裝高度對煤礦裝車站粉塵污染的影響規律，研究了自然通風風向與敞車運移同向情況下裝車站周圍風流、粉塵運移規律，探討了抑塵網安裝高度對于裝車站產塵污染規律的影響，主要結論如下所述。

1）流經裝車涵洞的過堂風與背風面形成的低風速順時針渦旋是造成下風側粉塵顆粒運移特性的主要原因。

2）當自然風速不超過2.70 m/s，粉塵濃度與污染范圍隨著風速的升高呈現出增加趨勢；自然風速由4.15 m/s增加至12.30 m/s時，風流的不均勻性不斷加劇，擾動作用明顯增強，粉塵濃度雖然呈現降低趨勢，但粉塵顆粒在風流的夾帶作用下向下風側區域擴散，污染面積進一步擴大。

3）隨著網高的增加可以有效地降低裝車站下風側區域風速值，并在裝車涵洞出口處形成一條風速值分布均勻的低速帶，有利于減小粉塵顆粒逃逸速度，促使粉塵顆粒沉降，縮小粉塵顆粒擴散范圍，降低下風側區域內粉塵濃度值。但網高對于風流場與粉塵運移的影響存在閾值，當網高超過7 m時流域內風速值變化不大，下風側區域內粉塵濃度略微增加。在進行現場應用后，降塵效率最高可以達到86.57%，整體降塵效率不低于82.51%。