基于气流动力学的溜槽粉尘逸散规律研究

贾 兰，曹兰柱

（辽宁工程技术大学 矿产资源开发利用技术及装备研究院，辽宁 阜新 123000）

煤岩石在利用溜槽运输系统转载的过程中，物料快速向下运动将带动周围空气随之运动而产生诱导气流，物料夹带的微小颗粒在诱导气流造成的负压下脱离运动轨迹而逸散、传播，导致周围环境粉尘污染严重。国内外对大空间粉尘的运动规律研究己经取得了一些成果，尤其是对矿井综采工作面、巷道带式运输系统、溜槽转载点等处粉尘的扩散规律的研究。Goniva C H、Donohue T J等[1-2]通过数值模拟等方法研究得到转载处粉尘颗粒的运动、沉降及分布规律。国内李小川等[3]通过研究圆形溜槽的倾角和直径、溜槽长度、物料的质量流量及有效诱导气流量等参数对诱导气流速度的影响，分析影响溜槽转运诱导气流的主要因素。陈晓玲等[4]运用计算流体力学多相流仿真技术对溜槽粉尘控制优化设计的有效性进行了验证。

大高差溜槽具有一定的特殊性：一是大高差溜槽与矿井综采工作面和胶带运输系统受控空间不同，溜槽本身是半封闭空间结构，且溜槽裸露于矿坑中，粉尘运动扩散的空间比较大，且受外界环境因素的影响较大；二是大高差溜槽运输物流量较大；三是物料流速快，冲击力大[5]。这些因素对粉尘运动的影响较大。露天矿大高差溜槽粉尘运动规律及污染防治方面可供借鉴的研究成果较少，且对于矿用的大高差溜槽粉尘产生和运移的机理和规律研究还不够全面和深入。为此基于诱导气流动力学理论，通过相似实验方法，对大高差溜槽的粉尘逸散规律进行分析；为控制大高差溜槽系统产生的粉尘污染提供基础数据。

1 实验装置与方法

1.1 大高差溜槽相似模型

根据推导简化后的相似准则，模型以空气为介质，其密度为ρ、黏性系数为μ，在对应点上与原型保持相等，加入粉尘颗粒后，颗粒的物质密度相等[6]。

以抚顺西露天矿为原型，设计溜槽高为50 m，断面为巨型，断面尺寸为长4 m，高3 m，倾角为38°，建立几何尺寸比为10/1的实验模型。建立的溜槽实验模型如图1，溜槽长度为5 m，断面尺寸为长0.4 m，高0.3 m。实验装置由振动给料机、料斗、流量调节旋钮、溜槽、粉尘测试仪、风速仪等组成。

图1 溜槽运输实验装置

1.2 实验参数检测

1）粉尘监测点布置。粉尘监测点分别布置在溜槽的出口处，测量时间为5 min，采用双路粉尘采样器FC－30监测全尘浓度。

2）诱导风速监测。采用希玛AS866F手持式热敏式风速仪，在溜槽出口设置监测点，每隔3 s读数1次。

3）溜放物料的来源。取抚顺东露天矿剥离物料用20目（830 μm）筛子进行筛分，将小于20目的物料作为粉岩。将筛分后大于20目的物料与小于20目的粉岩按比例进行混合作为实验所需回填物料。

2 实验结果分析

2.1 溜槽高度对诱导气流的影响

溜放物料为抚顺东露天矿剥离物，回填物料的含水率为0.67%，物料流量为0.391 kg/s，物料的粉岩质量分数为10%，考察溜槽倾角对诱导风速及粉尘浓度分布和运移规律的影响，进行溜放实验，溜放时间为3 min/次，溜槽高度变化范围为0.5～5 m，监测溜槽出口诱导风速。得到的诱导气流风速与溜槽高度的关系如图2。

图2 不同溜槽高度时诱导风速变化曲线

从图2中可以看出，随着溜放高度的增大，诱导风速随之显著增大，且与溜放高度拟合成指数函数关系。随着溜槽的高度增大而导致物料溜放速度增加，诱导风速的大小取决于物料流向下运动的速度。从能量转换的角度考虑，在落料过程中，物料下落的重力势能转换为动能，溜放高度越大转化成物料的动能就越大，即物料速度越大，对气流的曳力作用也要增大[7]。并且随着下落高度的增加，料流整体空隙率明显增加，并且物料之间的速度差增大，颗粒之间接触几率有所减小，颗粒粒度对诱导气流的影响逐渐显现出来。所最大冲击气流增加的幅度随卸矿高度的增加而不断提高。

2.2 物料粉岩质量分数对诱导气流的影响

溜放物料的含水率为0.67%，物料流量为0.391 kg/s、溜槽倾角为30°，粉岩质量分数变化范围为5%～50%，考察物料粉岩质量分数对诱导气流以及粉尘浓度分布和运移规律的影响，进行溜放实验，溜放时间为3 min/次，监测溜槽出口诱导风速。得到的诱导气流风速和物料粉岩质量分数的关系如图3。

图3 不同粉岩质量分数时诱导风速变化曲线

从图3中可以看出，从拟合曲线得到，物料的粉岩质量分数与诱导风速成指数函数关系。随着物料粉岩质量分数的增加，诱导风速随之明显增大。由于物料的粉岩质量分数增大而导致物料平均粒径减少，导致当物料下滑的速度相同时，细小颗粒与空气的作用比表面积增大，因而曳力增大，产生的牵引风流增大，从而逸散到空气中导致粉尘浓度随之增大。因此，物料的粉岩质量分数越小，粉尘浓度越低，控制物料的粉岩质量分数可以有效防治溜槽产生的粉尘污染。

2.3 回填物料含水率对诱导气流的影响

溜放物料粉岩质量分数为10%、物料流量为0.391 kg/s，溜槽倾角为30°，物料含水率变化范围为0.5%～5%，考察回填物料含水率对诱导气流及粉尘分布和运移规律的影响，进行溜放实验，溜放时间为3 min/次，监测溜槽出口诱导风速。得到的诱导气流风速和回填物料含水率的关系如图4。

图4 不同回填物料含水率时诱导风速变化曲线

从图4中可以看出，诱导风速与含水率成反比例函数关系。随着回填物料含水率增加，诱导风速逐渐下降，且下降趋势趋于平缓。主要原因是矿石在很干燥的情况下小颗粒矿石都分散的比较开，增加了矿石颗粒与溜井内气流的接触作用，而在矿石润湿之后，小颗粒矿石积聚在一起，在一定程度上降低了矿石下落时与空气接触的比表面积，降低了物料对空气的曳力，随着含水率的不断增加这种聚集效果就不明显了[8]。然而，当含水率增加到5%时，回填物料与溜槽表面吸附力增大，物料很难下滑，粘附在溜槽表面，监测诱导风速基本为0。所以从环保角度考虑，物料含水率越大越好，但是从溜槽物料运移角度考虑，含水率超过一定值时会影响溜槽的正常运行，在保证物料正常运行的前提下，可以通过提高含水率降低粉尘浓度。从含水率与诱导风速的拟合曲线得到，回填物料含水率与诱导风速成反比例函数关系。

2.4 回填物料质量流量对诱导气流的影响

溜放物料含水率为0.67%，溜槽倾角为30°，物料粉岩质量分数为10%，物料流量变化范围为0.2～1.5 kg/s，考察回填物料流量对诱导气流及粉尘分布和运移规律的影响，进行溜放实验，溜放时间为3 min/次，监测溜槽出口诱导风速。得到的诱导气流风速和回填物料流量的关系如图5。

图5 不同回填物料流量时诱导风速变化曲线

从图5中可以看出，从拟合曲线得到，物料流量与诱导风速成指数函数关系。随着物料流量的增加，诱导风速迅速增大。在一定物料质量流量范围内，物料质量流量增加，对气流有曳力作用的颗粒相增多，且物料质量流量越大，料流核心速度也越大，因此在一定范围内，质量流量越大诱导气流速度越大。因此，从环保角度，物料流量越小越好，控制物料流量可以有效防治溜槽产生的粉尘污染。但是物料流量的减小也伴随着工作效率的降低，所以可以从多方面考虑并确定出物料流量的最优值。

2.5 粉尘平均浓度与诱导风速的非线性关系

由各个单因素分析实验得到的大高差溜槽卸料时溜槽底部粉尘平均浓度与诱导气流的关系如图6，粉尘平均浓度整体上随诱导风速的增大而增大，且拟合成指数函数关系，即卸料时产生的诱导气流越大，溜槽内粉尘平均浓度越大。所以，冲击气流的大小是粉尘产生的主导因素。通过控制冲击气流的大小能大幅度降低溜槽系统的粉尘浓度。依据的假设和理论不同，所以结果也不尽相同，应根据不同的应用环境进行适当修正。

图6 粉尘平均浓度与诱导风速的关系图

3 结论

1）诱导气流与溜槽溜放高度成指数函数关系，随着溜槽高度的增大，诱导气流逐渐增大。

2）诱导气流与粉岩质量分数成指数函数关系，随着物料质量分数的增大，诱导气流逐渐增大。

3）诱导气流与物料含水率成反比例函数关系，含水率对溜槽粉尘浓度的影响是最显著的，随着含水率的增大，粉尘浓度显著降低。

4）诱导气流与物料质量流量成指数函数关系，随着物料质量流量的增大，诱导气流逐渐增大。

5）粉尘平均浓度与诱导风速成指数函数关系，诱导气流的大小是粉尘产生的主导因素，随着诱导风速的增大，粉尘平均浓度逐渐增大。通过控制冲击气流的大小能大幅度降低溜槽系统的粉尘浓度。