风速对露天矿采装工作面粉尘聚并效应的影响分析_宋子岭.pdf

文章编号:1009-6094(2023)02-0538-09风速对露天矿采装工作面粉尘聚并效应的影响分析*宋子岭，许璇，赵晓亮，贾兰，贾正昭，张凯(辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁阜新，123000)摘要:风速对露天矿采装工作面的可吸入颗粒物的聚并效应有显著影响，为了探究不同风速下 PM10聚并效果，分析质量浓度变化机理，构建采装机械与外流域三维模型，利用Fluent 软件针对新疆某露天采装面实际情况，模拟不同风速下外流场以及粉尘分布规律。结果表明:流经工作面的风流因采装设备的遮挡，在采装车厢内部与下风侧附近形成低速旋涡，使得此范围粉尘质量浓度较高;外界风速越大，高浓度粉尘区域越随风沿下风侧向后运移;随着扩散时间增加，外界风速越大，车厢附近的浓度降低得越多，沿程扩散距离越远，在采装车厢下风侧 1 2 m 是粉尘重点防护区域;外界风速越大，车厢附近涡流结构越复杂，PM10的聚并效应增强，颗粒数量减小从而导致质量浓度大幅下降。关键词:环境工程学;可吸入颗粒物;采装工作面;聚并过程;气固两相流;数值模拟中图分类号:X936文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2021.1826*收稿日期:20211117作者简介:宋子岭，教授，博士，从事矿业工程、环境科学与资源利用、地质学等研究;赵晓亮(通信作者)，副 教 授，从 事 粉 尘 污 染 控 制 研 究，。基金项目:国家自然科学基金项目(51474119)0引言露天矿采装工作主要在开放式通风条件下进行，产生的粉尘颗粒物瞬时浓度高，扩散过程受外界风流影响大，高强度作业模式导致粉尘污染问题日益严重，其中 10 m 以下的可吸入颗粒物(后面均简称为 PM10)是诱发矿工尘肺病的主要因素1。长期暴露于高浓度粉尘的工作环境会对矿工身心产生巨大的危害2 3。本文研究的露天矿首采区采掘场+405 m 水平剥离台阶均进入火烧区，其中采装工作面是露天煤矿主要产尘源之一，采装卡车司机所处的位置为高浓度呼吸性粉尘污染区域，因此，深入研究呼尘的治理问题是重中之重。国内外许多学者基于气固两相流理论研究粉尘运移和分布规律，1964 年，Fuchs4 首先研究了颗粒在风流中的运动方式以及随风流的迁移特性，为颗粒动力学奠定了基础。1996 年，杨胜来等5 在国内最先运用数值模拟的方法，将综采工作面的含尘气流看作气固两相流，模拟出粉尘质量浓度分布情况，建立了粉尘运动的数学模型。2002 年，Witt 等6 利用 Fluent 软件对胶带运输机粉尘 颗粒运动规律进行模拟。2006 年，杨丹7 采用数值模拟的方法，研究了露天矿堆煤场中扬尘扩散的规律。蒋仲安等8 基于气固两相流原理，利用 Fluent 软件模拟风速、转速对露天矿潜孔打钻粉尘质量浓度分布的影响。赵平等9 通过控制风速对土方施工过程中颗粒物的扩散进行数值模拟，得到实际工程中局部扬尘的分布特征。姜婉10、李晓芳11 等采用数值模拟与试验数据相结合方法，对综掘工作面风流场和粉尘场进行模拟，确定了高效除尘的通风方式。张辛亥等12 借助 Fluent 软件，模拟了大采高综采工作面呼吸带高度风流以及粉尘分布规律，确定了有效除尘范围。以往采用数值模拟研究煤矿风流对粉尘的影响主要针对全尘，而对于露天矿采装面对人健康存在潜在风险的 PM10粉尘质量浓度变化机理研究甚少，PM10在流场中聚并过程是因粒径变大导致颗粒数量改变，从而最终引起质量浓度巨变的根本。由于采装卡车与外流场的组合属于方柱绕流13(方柱绕流是指气流绕过方柱后形成尺度大小不规则的旋涡)，导致较细颗粒在湍流中涡聚并成较大颗粒14。因此，本文主要结合外流场的变化来研究露天矿采装工作面 PM10颗粒物质量浓度的分布和聚并过程，研究不同的外界风速对颗粒物聚并效果的影响，在Fluent 软件中改变入口风速进行数值模拟，分析采装面流场分布、质量浓度分布和采装车厢附近截面粒度变化规律，以期为采装面可吸入颗粒物的治理提供一定的理论参考。1数值模型1.1几何模型的建立通过对露天矿采装工作面进行实测，利用 ICEMCFD 建立如图 1 的露天矿装车部位及附近外流域的几何模型并划分网格，模型包括采装车厢、单斗铲出尘面、外流域。为了保证计算效果，数值仿真选取矩形大计算域，外流场尺寸设置为长 160 m、宽 40 m、高 40 m，设定单斗卡车的容积为24 m3，即长4 m、宽3 m、高 2 m，卡车底部距离地面 2 m，单斗铲出口的面积为 4 m2，出尘面与车厢相距 0.5 m，采装车厢位于 X=19 23 m 的位置。835第 23 卷第 2 期2023 年 2 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 2Feb，2023为了便于几何建模和提高网格质量，对模型进行以下的简化处理。1)本文主要研究风速对 PM10颗粒物在露天矿采装过程中的迁移变化的影响，对于单斗铲、采装卡车等非重点区域的结构进行合理简化，单斗铲近似为正方形、运输卡车近似于立方体等规则几何体。2)PM10颗粒物粒径较小，对于网格精度要求较高，在计算域采用结构化网格，将外流场整体分为近场区与远场区，对于靠近采装机械处进行近场网格的加密处理，模型总网格数为 461.6 万，最小体积为1.52 102m3、最大体积为 2.80 101m3。图 1外流域与采装设备的几何模型Fig 1Geometric model of outer basin and miningand installation equipment1.2数学模型外流场的空气在基于满足流体力学 NS 方程组中质量守恒的连续性方程和动量守恒方程的条件下，为便于研究，假定:1)外流场气流视为不可压缩流动。2)流场中所有的颗粒均为直径 dp小于 10 m和相同颗粒密度 p的球体。3)颗粒密度大于流体密度。采装工作面的气体流动为典型的湍流流动，在目前应用最广泛的两方程湍流模型中，标准 模型只适合完全湍流的模拟。考虑到车厢绕流的旋涡的形成与脱落的问题，RNG 模型在预测近壁面流动相较于标准 模型更有优势，因此采用RNG 模型模拟车厢附近外流场的扰动。因本文主要研究风速对颗粒聚并的影响，对颗粒间的作用力(范德华力、静电力)以及流场曳力等不可忽略。颗粒随涡团的气动响应与颗粒的惯性有关，由颗粒的时间常数来估计:p=pd2p/18，其中 为空气黏度，本文取值 =1.79 106kg/(ms)，=D/U0为气流的特征流动时间，其中，D 为方柱横截面的边长，U0为外界风速。引入 Stokes 数来衡量方柱绕流过程中对颗粒相行为的影响:S=p/。把颗粒分为 3 类:零惯性颗粒(S 远小于 1)、有限惯性颗粒(S 约等于 1)和极大惯性颗粒(S 远大于1)15。1.3边界条件及主要求解参数设定采装工作面主要尘源为单斗铲产尘，在 Fluent软件中将单斗铲设置为面尘源，参数设定依据现场多次测量结果的均值。本次现场实测仪器选用AKFC92A 型矿用仪器粉尘。采集粉尘样本时在现场用三角支架将粉尘采样器固定在单斗铲测点位置，装车第3 s 时，此时粉尘较多且稳定运移，采样流量设定为 15 L/min，测点每组预置采样时间 5 min，收集 3 组数据，在相应测点取得粉尘样品后，采用滤膜称重法测得样品的浓度和分散度，粉尘的质量浓度换算成质量流率，采取 Rosin-Rammler 分布方式对PM10粒子做模拟分析。相关参数设置见表 1。2数值模拟结果与分析2.1采装工作面风流场分布模拟为了探究 PM10颗粒物在露天矿采装面外流场的实际迁移变化的过程，掌握粉尘质量浓度分布情况，分析采装过程中风流场速度结构分布是首要前提，通过现场测试以及与矿上人员核实后确定外流场入口的三种特征风速，分别为 3.3 m/s、3.9 m/s、4.5 m/s，对外界通风工况进行模拟，在 3 种风速下外流场中心(Y=20 m)处的流场分布如图 2 所示，为分析采装车厢附近的流场特征，通过模拟得出工作面风流迹线如图 3、4 所示。由图 2 可知，不同风速的风流进入外流场后呈现出大致相同的趋势，由于车厢的阻挡使其后方的风速减小，风流在此形成低速湍流区，随着风流向后流动，湍流带在高度方向上的距离减小，整体风流趋表 1边界条件及离散相模型参数设置Table 1Boundary conditions and parameter settingof discrete phase model项目名称设置情况边界条件入口风速3.3 m/s、3.9 m/s、4.5 m/s湍流强度2.89%水力直径4.17 m离散相尘源参数质量流率0.01 kg/s最大直径10 m中位直径4.63 m最小直径1 m分布指数3.74产尘时间3 s9352023 年 2 月宋子岭，等:风速对露天矿采装工作面粉尘聚并效应的影响分析Feb，2023图 2外流场中心(Y=20 m)风流速度分布Fig 2Airflow velocity distribution in the centerof outflow field(Y=20 m)图 3采装车厢附近的风流迹线图Fig 3Airflow trace diagram near the loading car于稳定，且外界风速越大，低速湍流带长度越短，沿程风速增大的越快。结合图 3 可以看出，其中矢量箭头表示气流方向，气流在运移至采装车厢时，由于车厢内空间狭小，导致风流聚积在车厢内部，被壁面不断反弹形成涡旋，入口风速越大，涡旋线越多。并且由于车厢的阻挡，在车厢背风侧没有流线，此处速度为 0，随着下风侧的距离增加，风流绕过采装车厢形成低速涡旋线，同时上下两侧风流在车厢后方汇聚，入口风速越大，涡旋线的速度梯度越明显，表明车厢附近涡流结构越复杂。由图 4 可知，随着风速增加，流线在车厢内沿着中心线逐渐形成一对左右对称、旋转方向相反的旋图 4Z=2.5 m 截面采装车厢附近涡流流线图Fig 4Vortex current diagram near the loading truckbox at Z=2.5 m section涡，流体绕过车厢后，在风速为 4.5 m/s 时，方柱后面的扰动情况比风速 3.3 m/s 时更强烈，车厢后壁面有两侧对称的马蹄状旋涡出现，此涡系称为卡门涡街16，车厢的边角逆压梯度的存在导致旋涡从最前面的角处发生脱落，使得在该区域内速度波动较大，随着沿程距离增加，旋涡之间发生相互混合，速度变化逐渐归于平稳，3 种风速下的流线绕过方体汇聚后沿流动的方向基本保持直线运动，在外流场的尾迹能得到充分的发展。2.2风速对采装工作面粉尘质量浓度分布影响分析采装车厢属于在流场中加入方柱绕流装置，由于来流方向绕流钝体阻挡，流体质点在钝体背风侧速度基本为 0，在压力差的作用下流体发生回流形成低速旋涡，为直观了解风流场分布对粉尘运移的影响，选取扩散时间为 20 s、50 s 时的粉尘浓度分布图，与 2.1 节 风流场截面进行对比，结果如图 5所示。由图5 可知，扩散时间为 20 s 时，PM10颗粒物自采装工作面脱离后随风扩散，无论风速多大，在采装车厢附近浓度较高。采装车厢处是产尘源，并且在045Vol 23No 2安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 2 期图 5外流场中心(Y=20 m)沿程粉尘质量浓度分布Fig 5Dust mass concentration distribution along the center of outflow field(Y=20 m)车厢下风侧附近的涡流结构复杂，空气流速低，不利于粉尘的扩散，因此粉尘受湍流影响容易在此区域发生局部聚集导致浓度较高。随着下风侧距离增加，粉尘随风沿程向后扩散，在迁移的过程中一部分粉尘聚并成大颗粒逐渐向地面沉降，越靠近地面粉尘质量浓度越高，外界风速越大，沿程风速增加的越快，高浓度粉尘区域越随风向后运移。扩散时间为50 s 时，随着粉尘逐步沉降，质量浓度降低，风速越大，浓度降低得越明显，沿程扩