葛連夢 汪林紅 陳宜華 陳 頌

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

金屬礦山多采用溜井轉(zhuǎn)運的方式進行集中卸礦。高溜井放礦時，易誘發(fā)沖擊氣流，沖擊氣流向下做加速運動，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)人員若長時間吸入粒徑＜5 μm 的粉塵，尤其是粒徑＜2.5 μm 的粉塵，會對身體健康造成嚴重危害［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、擴散規(guī)律對制定和開展高效的防治措施有重大指導意義［6］。

溜井集中卸礦時，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)學者對溜井卸礦誘發(fā)的沖擊氣流分布規(guī)律和粉塵擴散特征開展了大量研究，但大部分依舊停留在實驗階段，在工程應用和產(chǎn)塵理論方面成果較少［7］。本研究采用相似實驗與數(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。

1 試驗材料與方法

1.1 實驗原料

分別選取梅山礦和張莊礦礦石樣品，將較大礦石顆粒經(jīng)顎式破碎機破碎后，用篩網(wǎng)篩選出5種不同范圍的粒徑等級：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)場高溜井的實際放礦情況，將各等級粒徑按照5%、30%、30%、30%、5%的比例配置實驗樣品。

1.2 實驗裝置

基于相似準則理論建立實驗模型，模型與某金屬礦山高溜井實際尺寸大小按相似比1∶10 縮小，實驗裝置如圖1所示，包括溜井模型主管、卸礦漏斗、儲礦彎頭、風速儀以及粉塵采樣儀5 個部分，其中高溜井實驗模型采用PVC 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成分為Fe、Ca、Mg、Al、S、P，以及V、Ga，其物理力學性質(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 實驗結(jié)果與討論

1.4.1 礦石粒徑對風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，進行單一粒徑范圍礦石的溜井放礦試驗。在放礦質(zhì)量為4 kg 的條件下，不同礦石粒徑對高落差粉塵濃度及風速的影響如圖2、圖3所示。

通過分析圖2 可得，對于兩種不同性質(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)擴散，下落過程中因碰撞產(chǎn)生的微細粉塵顆粒越多，致使溜井內(nèi)粉塵濃度越高，達到最大值的時間點基本相同，均在10 s 左右。粉塵濃度在沉降后發(fā)生波動是由于沖擊風速導致溜井底部和斜溜槽內(nèi)沉積的粉塵揚起。

從圖3可發(fā)現(xiàn)，從溜井頂端放礦誘發(fā)的沖擊風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)的風速最值相差較小，且達到峰值的時間節(jié)點相同。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，對高溜井內(nèi)氣流影響也越大［8］。

1.4.2 放礦質(zhì)量對風速和粉塵濃度的影響

對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)量下對溜井內(nèi)呼吸性粉塵濃度和風速的影響，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)懸浮時間越長。當梅山礦石放礦質(zhì)量由2 kg增至8 kg時，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，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，風速最大值隨放礦質(zhì)量增大而增加，且風速達到最大值的時間節(jié)點基本一致。當梅山礦石放礦質(zhì)量由2 kg增至8 kg時，風速值由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，風速最值由0.53 m/s增至2.74 m/s。

通過對梅山、張莊兩種礦石的最大風速和最大粉塵濃度進行線性擬合，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。張莊礦礦石風速增加幅度大，風速產(chǎn)生波動，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)運動，出現(xiàn)風速波動的現(xiàn)象。

1.4.3 連續(xù)放礦次數(shù)對風速和粉塵濃度的影響

圖7、圖8 是連續(xù)放礦次數(shù)對溜井內(nèi)粉塵擴散和風速的影響，選取質(zhì)量為4 kg 的兩種試驗樣品，從溜井頂端進行一次放礦、連續(xù)兩次放礦、連續(xù)三次放礦。當梅山鐵礦的連續(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)對風速最值的影響較顯著。隨著連續(xù)放礦次數(shù)的增加，風速波動較大，且出現(xiàn)多個峰值，是因下落過程中礦石顆粒誘發(fā)的沖擊風流發(fā)生疊加，對溜井底部的沖擊氣流影響顯著。

1.4.4 不同中段對高溜井風速和粉塵濃度的影響

溜井卸礦高度不同，對溜井內(nèi)粉塵濃度和風速影響也有所不同，分別從溜井3 個中段2.5、5、7.5m處進行放礦，來探究溜井放礦高度與最大粉塵濃度、最大風速之間的線性擬合關(guān)系，以及最大粉塵濃度和最大風速之間的擬合關(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，風速、粉塵濃度最值和線性擬合斜率也在逐漸增加。當放礦質(zhì)量為4 kg 時，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。當放礦質(zhì)量為2 kg 時，張莊礦石樣品的線性擬合度最優(yōu)，R2為0.981，當放礦質(zhì)量為8 kg 時，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)的擴散，延長降落時間，碰撞產(chǎn)生的小粒徑礦石也越多，風速越高，粉塵濃度也越大。

分析圖11可得，最大風速增加，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)風速大小來降低粉塵濃度，從而減輕對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

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

因建立的高溜井幾何模型相對簡單，故采用ICEM CFD 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對其進行劃分，對網(wǎng)格進行質(zhì)量檢查的結(jié)果為良好，符合Fluent 計算要求，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)格劃分完成后導入Fluent，選擇離散型模型（DPM）對溜井內(nèi)氣固兩相流進行模擬，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口和出口的邊界條件為Pressureinlet 和Pressure-outlet；計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，選擇標準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、從溜井頂端進行放礦的情況，將Fluent 計算的數(shù)據(jù)結(jié)果導入CFD-Post 進行分析處理，得出溜井內(nèi)不同時間點的壓力、風速以及顆粒運動云圖。

2.3.1 不同時刻的壓力云圖

不同時間點的壓力分布云圖能直觀地反應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刻的壓力云圖。在2 s時溜井整體壓力值變化范圍最廣，礦石顆粒運動至底部時壓強達到最大值，且時間越長溜井整體壓力數(shù)值越小，在5～10 s 范圍內(nèi)3 個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動，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，氣流運動劇烈，導致溜井底部壓強增大。

2.3.2 不同時刻的風速云圖

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

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，但是粉塵濃度達到最大值時間基本一致。

（2）礦石粒徑越大，誘發(fā)的粉塵濃度和風速最值就越小，是因為下落過程中因碰撞產(chǎn)生的微細顆粒物多，比表面積大，停留時間長，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，粉塵濃度和風速最大值越大，是由于礦石下落過程中風速交叉疊加，發(fā)生多峰值現(xiàn)象，對溜井底部影響較大。

（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動，越靠近溜井底部，壓強增大；時間越長，風速值波動越小，斜溜槽內(nèi)風速值較大。

（6）模擬粉塵擴散特征結(jié)果與相似實驗中粉塵濃度、風速的實驗分析結(jié)果具有良好的一致性。