胶带输送巷道粉尘分布及其影响因素的实验研究

陈举师，蒋仲安，姜 兰

(北京科技大学 教育部金属矿山高效开采与安全重点实验室，北京 100083)

胶带输送巷道粉尘分布及其影响因素的实验研究

陈举师，蒋仲安，姜 兰

(北京科技大学 教育部金属矿山高效开采与安全重点实验室，北京 100083)

根据相似原理，结合气固两相流的运动方程，导出了模拟胶带输送巷道粉尘运动的相似准则数，以西石门铁矿11/96胶带斜井为原型，建立了胶带输送巷道相似模型，并对粉尘分布进行了实验研究。研究结果表明：巷道模型内粉尘浓度沿程先逐步上升至一个最大值，后逐步缓慢降低。巷道风流方向、巷道平均风速、胶带运行速度、矿石含水率、放料速度及放料高度等是影响胶带输送巷道粉尘浓度分布的6个主要因素。巷道平均风速越大，带式输送机顺风运行且运行速度越小，粉尘浓度越低；矿石含水率越高，粉尘浓度越低，且矿石含水率达到3.09%后，粉尘浓度基本不再降低；放料速度越快，放料高度越高，粉尘浓度越大。

胶带输送巷道；粉尘分布；影响因素；相似准则；气固两相流

矿石输送过程中，由于上下游胶带间存在一定的高度势能差，且胶带自身一般具备一定的运行速度，受高度落差及运动惯性的影响，会产生大量的粉尘。粉尘的危害是多方面的，但最普通且最严重的是引发尘肺病，严重威胁着井下工人的身体健康[1-3]。

对此国内外的专家学者进行了大量的研究[4-8]，一般通过控制矿石的含水率、进行尘源密闭、加强通风排尘效果、实施喷雾洒水、降低带式输送机高度势能差及减小胶带运行速度等措施来实现除尘目标。虽然这些措施能够在一定程度上降低粉尘浓度，但其应用效果远远达不到国家卫生标准的要求，需要在理论上和实践上进行更加深入的研究。

笔者通过研究胶带输送巷道粉尘分布规律，确定出影响粉尘浓度分布的主要因素，可以用于探索适用于胶带输送巷道的粉尘控制新工艺、新技术、新设备、新方法。

1 相似准则数的导出及简化

1.1 气固两相流动的运动方程

胶带输送巷道粉尘分布的相似实验主要研究粉尘在气体中的运动规律以及分布情况，因此相似准则数的导出要同时考虑气体和粉尘。由于气流是推动粉尘运动的基本动力之一，因此，应使用气体的运动方程和粉尘的运动方程来描述气固两相流动过程的全部物理现象[9-11]。

1.1.1气体运动方程

胶带输送巷道中气体流动可视为不可压缩黏性定常流，采用三维稳态不可压缩N-S方程进行描述，即

(1)

式中，ρg，Ug，t，F，P，μg及Δ分别表示气体密度(kg/m3)、速度矢量(m/s)、运动时间(s)、气体的单位质量力(N/m2)、气压(Pa)、动力黏度(Pa·s)及拉普拉斯算子。

1.1.2粉尘在气体中的运动方程

对胶带输送巷道内粉尘颗粒的受力情况进行量级分析，发现除重力、浮力、气动阻力外，其他作用力的数量级都很小，可以忽略不计，则胶带输送巷道内粉尘在气体中的运动方程为

(2)

式中，dp，ρp，Cd，Up及g分别表示粉尘颗粒直径(m)、粉尘颗粒密度(kg/m3)、气动阻力系数、粉尘颗粒的运动速度(m/s)及重力加速度(m/s2)。

1.2 相似准则数的导出

式(1)和式(2)中分别分析了胶带输送巷道内气体和粉尘的运动方程，其中有量纲的物理量有ρg，ρp，Ug，Up，μg，dp，g，l，t，P等10个。其中,l为巷道长度，m。

1.3 相似准则数的简化

2 胶带输送巷道相似模型的建立

以西石门铁矿11/96胶带斜井为原型，建立几何尺寸比为Cl=l∶l′=2∶1的实验模型。巷道原型高3.7 m，宽4m，取巷道长度l=24m，带式输送机宽1.4m，高1.4m，胶带宽1m。因此，对应建立的巷道模型高1.85m，宽2m，长度为l=12m，带式输送机模型宽0.7 m，高0.7 m，胶带宽0.5m。

该模型为独头结构，独头端以及顶板底板均为混凝土结构，两侧壁面为木质板结构。带式输送机长5m，布置在巷道中部，距前端4.5m，后端2.5m。将压入式风机及风筒安装在相似实验模型内右侧，风筒出口中心位置高1.3 m，距右壁0.2m，实现压入式通风，风流撞击独头端后返回，沿着巷道流动，将带式输送机安置在风流流场较为均匀的区域。胶带输送巷道相似实验模型装置示意及效果如图1，2所示。

图1 相似实验模型装置示意Fig.1 Diagrammatic sketch of similarity model in belt conveyer roadway

图2 相似实验模型装置效果Fig.2 Similarity model of belt conveyer roadway

3 实验参数的测定方法及测点布置

3.1 实验参数测定方法

本次实验中所使用的矿石均取自西石门铁矿，品位为29.97%左右，矿石原始含水率为1.97%。所需测定的参数主要包括风速及粉尘质量浓度。其中，风速的测定采用Testo 410-2型多功能风速仪，测定过程中将热敏探头正对风流方向，待数显面板上数值稳定后，读取风速值。粉尘浓度采用滤膜质量浓度法进行测定，使用FC-4型粉尘采样仪进行采样，最后由滤膜的增量和采气量计算出空气中的总粉尘浓度。

3.2 实验参数测点布置

根据胶带输送巷道相似模型布置情况，在空间内布置风速测点及粉尘浓度测点，对巷道模型空间风流流场分布及粉尘浓度分布进行测定。

3.2.1风速测点布置

根据巷道模型的长度，结合射流通风流场的理论基础，在巷道模型内部选取17个待测面，每个断面布置3×4个风速测点对风速进行测定。各风速测点的具体布置如图3所示。巷道模型中，待测断面在前端设置较密，后端设置间隔较大。

图3 风速测点布置Fig.3 Disposition of velocity measuring points

3.2.2粉尘浓度测点布置

在巷道模型内部选取6个待测断面，每个断面布置3×4个粉尘浓度测点，测点布置参照风速测点布置图。沿着带式输送机运料方向在输送机左侧人行道中心线、右侧风筒道中心线及输送机中轴线上布置测点，从机尾放料口处开始，每隔0.8m布置1个测点，直至机头处。相似实验模型粉尘浓度测点布置如图4所示。

图4 粉尘浓度测点布置Fig.4 Disposition of dust concentration measuring points

4 实验结果及分析

4.1 风流流场分布

实验过程中取风筒出口风速为7 m/s，研究巷道模型内风流流场分布情况。由于篇幅有限，此处只选取H=1.0m平面及H=1.6 m平面作为代表进行风流流场分析。如图5所示分别为H=1.0m平面、H=1.6 m平面与W=0.3 m、W=0.9m、W=1.6 m断面的交线上风速的沿程变化，从图5可以看出：

图5 H=1.0,1.6 m平面风速的沿程变化Fig.5 Velocity variations in H=1.0,1.6 m plane

(1)在H=1.0m平面内，W=0.9m,W=1.6 m断面上风速沿着回风方向先急剧下降，在距独头端约3.5m处趋于稳定；W=0.3 m断面风速沿程先减小，后增大，随后又迅速减小，在距独头端约3.5m处也趋于稳定。在距独头端3.5m以外区域内，风速基本保持在0.32m/s左右。

(2)在H=1.6 m平面内，风速从独头端开始，沿回风方向先急剧下降，在距离独头端3～4m处达到最小值；随后风速又缓慢增大，在距离独头端约5m处逐渐趋于稳定，风速基本维持在0.40m/s左右；在距离独头端9～10m处，风速又略微减小，随后趋于稳定。

(3)带式输送机处于距独头端4.5～9.5m区域内，该区域内风流流场较为稳定，这与现场11/96胶带斜井内风流流场分布规律基本吻合，对于开展带式输送巷道粉尘分布的相似实验具有可行性。

4.2 粉尘浓度分布

为了研究巷道模型内粉尘浓度空间分布情况，取风筒出口风速为7 m/s对巷道模型空间粉尘浓度分布进行详细测定，实验过程中带式输送机顺风运行且速度为1.5m/s、矿石含水率为1.97%、放料速度为1.5kg/s，放料高度为34cm。如图6～7所示分别为H=1.0m平面内不同巷道断面、左侧人行道不同高度平面内粉尘浓度沿程分布，从图中可以看出：

图6 不同巷道断面内粉尘浓度的沿程变化Fig.6 Dust concentration variations in different cross sections in roadway

图7 不同高度平面内粉尘浓度的沿程变化Fig.7 Dust concentration variations in different height planes

(1)粉尘自放料口处和上胶带表面产生后，随风流沿上胶带运行方向运动，横向随机扩散。随着距带式输送机放料口距离的增加，粉尘浓度沿程先逐步上升至一个最大值，后逐步缓慢降低。

(2)在水平方向上，粉尘浓度在胶带中部分布最高，胶带右侧次之，胶带左侧最低。各断面粉尘浓度最大值出现的位置也有所不同，胶带中部、胶带左侧及胶带右侧分别在距下料口1.7,2.5,3.3 m处达到最大值。

(3)在高度方向上，粉尘浓度在H=1.0m高度平面内达到最大值，并以该平面为中心向上下两侧逐步降低。

4.3 不同参数条件下粉尘浓度分布

根据现场调查并查阅相关文献资料可知，巷道风流方向、巷道平均风速、胶带运行速度、矿石含水率、放料速度及放料高度等是影响胶带输送巷道粉尘浓度分布的6个主要因素。通过改变各粉尘影响因素的参数条件，对人行道中央断面(W=0.3 m)与H=1m平面交线上粉尘浓度沿程分布进行详细测定并对比分析，研究各因素对粉尘浓度分布的影响规律。

(1)不同巷道风流方向条件下粉尘浓度分布。

为了研究胶带输送巷道内风流方向对粉尘浓度分布的影响，对带式输送机顺风运行及逆风运行条件下粉尘浓度分布进行测定，如图8(a)所示，可以看出：带式输送机逆风运行时粉尘浓度沿程逐步缓慢降低，且降低速率基本保持稳定，粉尘浓度在放料口处达到最大值，在带式输送机机头处达到最小值。整体来看，带式输送机逆风运行时粉尘浓度较之顺风运行要高。

(2)不同巷道平均风速条件下粉尘浓度分布。

风筒出口风速分别为3.5，7，10.5,14m/s时，巷道断面内平均风速分别为0.15，0.30，0.45，0.60m/s。对不同巷道平均风速条件下粉尘浓度沿程分布进行详细测定，如图8(b)所示。从图8(b)中可以看出：

① 巷道平均风速在0.15～0.60m/s范围内，风速越大，沿着人行道在H=1.0m平面上粉尘浓度越低，且人行道上粉尘浓度最大值出现的位置距下料口越远。

② 巷道平均风速越大，对粉尘颗粒的稀释及排出效果越明显，导致人行道内粉尘浓度越低，粉尘运动轨迹较之小风速时也较长，出现粉尘浓度最大值的位置距放料口自然更远一些。

图8 不同参数条件下粉尘浓度的沿程变化Fig.8 Dust concentration variations in different condition

(3)不同胶带运行速度条件下粉尘浓度分布。

对胶带运行速度为1.0,1.5,2.0，2.5m/s条件下粉尘浓度沿程分布进行详细测定,如图8(c)所示。从图8(c)可以看出：

① 胶带运行速度在1.0～2.5m/s范围内，随着胶带运行速度的加快，粉尘浓度整体分布也相应升高，且最大值出现的位置距放料口越近。

② 胶带运行速度越快，所产生的诱导空气量也就越大，随诱导空气析出的粉尘量也就越多。此外，带式输送机自身的振动频率加快，振动幅度增大，这也在一定程度上引起粉尘浓度升高。

③ 较快的胶带运行速度使得粉尘颗粒的产生速率远远超出了巷道风流的排尘能力，导致粉尘颗粒不能及时排出，故而其最大值出现的位置距放料口要近一些。

(4)不同矿石含水率条件下粉尘浓度分布。

通过晒干实验用铁矿石及添加定量的水等方式来改变铁矿石的含水率，并取样对铁矿石含水率进行测定，研究不同含水率条件下粉尘浓度分布规律。本次实验共选取6个不同铁矿石含水率，分别为1.65%，1.97%，2.17%，2.36%，3.09%,3.85%，对粉尘浓度分布进行测定，整理如图8(d)所示。从图8(d)可以看出：随着矿石含水率的增大，粉尘浓度整体分布呈现出下降的趋势。当含水率从1.65%逐渐增大至3.09%时，粉尘浓度整体由80～120mg/m3下降至20mg/m3以内。当含水率超过3.09%时，随着含水率的增大，粉尘浓度下降的趋势趋于平缓，基本保持不变，维持在5～15mg/m3。

(5)不同放料速度条件下粉尘浓度分布。

为研究不同放料速度条件下粉尘浓度的变化情况，通过调整放料口大小来改变放料速度，本次实验中共选取3个放料速度，分别为0.5，1.0与1.5kg/s，对不同放料速度条件下粉尘浓度分布进行详细测定，得粉尘浓度分布如图8(e)所示。从图8(e)可看出：放料速度在0.5～1.5kg/s，随着放料速度的加快，粉尘浓度整体逐渐升高。放料速度越快，矿石输送的基数越大，胶带运行过程中产生的诱导空气量增加，导致粉尘析出量增加；另一方面带式输送机工作负荷增大，导致其运行过程中自身的振动等状况更为猛烈，这也是粉尘浓度升高的又一个原因。

(6)不同放料高度条件下粉尘浓度分布。

为了研究转载点高度落差对胶带输送巷道粉尘浓度分布的影响，本实验通过调整放料漏斗的高度来改变放料高度，即改变放料口与胶带机上胶带表面间的高差，并选取了4个放料高度，分别为10，18，26，34cm，得巷道模型内粉尘浓度沿程分布如图8(f)所示。从图8(f)可以看出：放料高度在h=12～34cm范围内，放料高度越高，粉尘浓度整体越大。放料高度越高，矿石自由下落过程中与空气发生剪切作用所经历的时间越久，其剪切作用尘化效应越强烈，导致尘源处所产生的粉尘量越大，随风流扩散后增大了巷道空间粉尘浓度分布。

5 结 论

(1)巷道模型内风速从独头端开始，沿着回风方向急剧下降，在距独头端约3.5m处趋于稳定；风流流场分布规律与现场基本吻合，对于开展相似实验具有可行性。

(2)巷道模型内粉尘浓度沿程先逐步上升至一个最大值，后逐步缓慢降低；在水平方向，胶带中部粉尘浓度最高，胶带左侧最低；在高度方向，粉尘浓度在H=1.0m平面达到最大值，并以该平面为中心向上下两侧逐步降低。

(3)巷道风流方向、巷道平均风速、胶带运行速度、矿石含水率、放料速度及放料高度等是影响胶带输送巷道粉尘浓度分布的6个主要因素。

(4)巷道平均风速越大，带式输送机顺风运行且运行速度越小，粉尘浓度越低；矿石含水率越高，粉尘浓度越低，且矿石含水率达到3.09%后，粉尘浓度基本不再降低；放料速度越快，放料高度越高，粉尘浓度越大。

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Experimentalresearchondustdistributionanditsinfluencingfactorsinbeltconveyerroadway

CHEN Ju-shi,JIANG Zhong-an,JIANG Lan

(TheKeyLaboratoryofMinistryofEducationforHighEfficiencyExploitationandSafetyofMetalMine,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

Due to the similarity theory and the gas-solid two-phase flow equation motion,taking 11/96 belt conveyer inclined shaft in Xishimen Iron Ore as the research background,author educed the similarity index and designed a parallel model device for the specific situation in the belt convey roadway.Meanwhile,the dust distribution was experimentally studied.The results indicat that dust concentration along the first rises gradually to a maximum value in the roadway model,then gradually slowed down.Airflow direction,the average velocity of wind,the operating speed of the belt,ore moisture,feeding rate and feeding height are main influencing factors of dust distribution in the belt conveyer roadway.When the belt run along the wind direction in a low speed,the higher the velocity of wind,the smaller dust concentration will be.In the same way,the higher ore moisture,the lower the dust concentration.In addition,when ore moisture reaches the value of 3.09%,the dust concentration no longer reduces;What is more,the faster the feeding rate and the higher the feeding height,the greater dust concentration will be.

belt conveyer roadway;dust distribution;influencing factors;similarity criterion;gas-solid two-phase flow

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1755

国家自然科学基金资助项目(51274024)

陈举师(1987—)，男，贵州毕节人，博士研究生。E-mail：chenjushi@163.com。通讯作者：蒋仲安(1963—)，男，浙江诸暨人，教授，博士生导师。E-mail：jza1963@263.net

TD714

A

0253-9993(2014)01-0135-06

陈举师，蒋仲安，姜 兰.胶带输送巷道粉尘分布及其影响因素的实验研究[J].煤炭学报,2014,39(1):135-140.

Chen Jushi,Jiang Zhongan,Jiang Lan.Experimental research on dust distribution and its influencing factors in belt conveyer roadway[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):135-140.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1755