基于数字分形原理的矿区粉尘时空分布与防治技术

赵洪宝刘绍强康钦容李岳蒋冬梅吴桐

1.中国矿业大学(北京)能源与矿业学院,北京 100083;2.武汉工程大学磷资源开发利用教育部工程研究中心,湖北武汉 430205;3.武汉工程大学资源与安全工程学院,湖北武汉 430073

随着露天开采机械化程度的不断提高,露天开采工艺的各个主要环节(包括采掘、运输、排卸等)会产生大量的粉尘[1],加之煤炭本身易风化的特点,导致露天矿开采过程中更容易产生粉末状的煤炭。这些粉末状的煤炭在矿区复杂的风流作用下弥漫整个矿区,不仅造成资源浪费,也对人体、设备造成损害[2]。

许多专家学者对露天矿粉尘运移及治理开展了大量的研究。通过现场监测的手段,Ghose[3]确定了露天矿粉尘主要产尘区域及产尘环节,并分析了粉尘产生的主要原因及其机理;Silvester 等[4]对英国露天矿进行长期监测及数据分析,将粉尘粒径进行了等级划分,确定了不同粒径等级粉尘颗粒对人体及环境的影响,为后续粉尘的相关模拟研究提供了基础条件;陈举师、蒋仲安等[5～6]依据气固两相流及梯度输送基本理论,建立了粉尘扩散方程,并利用数值模拟分析了边坡钻机粉尘质量浓度的分布规律;董志文等[7]以祁连山老虎沟为工程背景,研究了粉尘颗粒对冰川融水理化性质的影响;张明浩等[8]采用流动监测的方法,分析了乌海地区不同粉尘粒径浓度的时空分布规律及其影响因素;韩桂波等[9]通过风洞试验研究了煤炭颗粒起尘的主要因子,分析了水分对粉尘起动的影响机理,并建立了粉尘起动风速模型。

近年来随着高分子新型材料的发展,采用抑尘剂是露天矿治理粉尘的主要发展趋势[10]。杨树莹等[11]通过结壳硬度衰减试验研究了吐温-20、曲拉通X-100、十二烷基硫酸钠及十二烷基苯磺酸钠4种表面活性剂对粉尘颗粒的浸润性能;Xi 等[12]利用聚乙二醇及十二烷基硫酸钠研发了一种混合化学抑尘剂,并对其进行了热特性、临界胶束浓度、润湿性及黏附性分析;Medeiros 等[13]利用酸性及碱性催化剂对甘油进行催化,研发了一种新的化学抑尘剂来防止颗粒物质的分散;罗瑞东等[14]从天然可再生、不会对环境造成二次污染的角度,利用大豆分离蛋白作为黏结剂,开发了一种新型的化学抑尘剂,并在现场煤堆表面验证了该化学抑尘剂的适用性。

可见,通过现场监测确定露天煤矿主要产尘区域,利用高分子材料制备低成本、无污染的化学抑尘剂是当下研究的重点,也是促进露天煤矿绿色开采的关键。本文以河曲露天矿为工程背景,通过现场监测的手段进一步确定露天煤矿产尘区域,同时引入分形维数基本理论,分析粉尘粒径、风速与分形维数的关系;通过高分子材料进行化学抑尘剂的制备。

1 工程背景及现场监测

1.1 工程背景

河曲露天矿地处黄土高原西北部,黄土厚度大,植被稀少,水土流失严重。根据河曲气象站气象资料,风向多为西北,风力一般3～5 级,最大可达7级。首采区位于井田北部,具备年产原煤300 Mt 的生产规模,矿区运输系统已形成并畅通,满足了采矿生产。随着近年来露天矿的发展,采掘运输设备逐渐大型化,河曲露天矿粉尘问题变得越来越严重。本文以此为工程背景,开展了露天矿粉尘浓度监测,结合传统与新型化学抑尘剂的优缺点,研制了一种高效清洁的化学抑尘剂,旨在减少露天煤矿粉尘弥散对矿区环境及人员、设备的危害。

1.2 现场监测点位置选取及监测方案

结合河曲露天矿自身工艺环节,对主要产尘工艺环节进行了分析,主要包括穿孔作业、爆破作业、采装作业、运输作业及排卸作业等。为进一步确定河曲露天矿粉尘分布特点,依据现场踏勘结果,选取3 个主要的监测区域(图1)。

图1 监测布置示意图Fig.1 Schematic diagram of monitoring layout

(1) 1 号监测区域位于采掘场东北侧,采掘场作为煤炭开采的主要场所,机械、爆破等开采手段均会产生大量的粉尘,受坑内气流影响,粉尘扩散情况复杂。选取的监测线主要位于采掘带东端帮,该端帮边坡右侧是目前已经完成复垦工作的外排土场区域。因此,监测该区域的粉尘浓度对复垦效果的验收具有重要的意义。

(2) 2 号监测区域位于主要交通干道路口附近。该路口为进出煤场、采掘场等地方的主要交叉路口,是起尘的关键点。

(3) 3 号监测区域位于洗煤厂北侧。煤场作为煤炭存储、洗选、转运的关键点,背靠内排土场,工作环节中产生的粉尘,往往会逸散至内排土场附近。选取靠近内排土场一侧布置监测线,能够更有效地捕捉煤场粉尘分布情况。

在选取的3 个监测区域内,分别布置1 条监测线,每条监测线5 个监测点,主要监测内容为TSP、PM10、PM2.5 浓度,监测周期为18 d,采用循环监测,每3 d 为一个监测周期。

1.3 监测结果分析

图2为各监测区域TSP、PM10 及PM2.5 浓度变化曲线。分析图2可知,由于露天开采工艺环节的不同,各监测区域TSP、PM10 及PM2.5 浓度呈波动变化的趋势,整体上TSP 浓度要高于PM10 及PM2.5 浓度,PM10 浓度要略高于PM2.5 浓度;采掘场各监测内容浓度要高于煤场及交通干道各监测内容浓度,原因在于露天矿坑几何尺寸较大,坑底到坑口水平面的垂直高度相对较大,坑内风流情况复杂,采掘场粉尘运移情况也相对复杂,且相对其他监测区域粉尘浓度大。

图2 各监测点监测内容浓度曲线Fig.2 Concentration curve of monitoring contents at each monitoring point

2 粉尘运移分布分形维数研究

自1919年Fhausdorf 首次提出分形维数的概念后,分形维数就不断地被应用于各个领域。分形维数的出现也为定量描述露天矿粉尘运移影响因素提供了可能。无论是单一的粉尘颗粒或是凝聚后的粉尘群体,尽管在颗粒尺寸、形状上有所不同,但其仍然符合统计意义上的自相似条件,因此在经过尺度的放大或缩小后,粉尘颗粒形态都可以用一个数值即分形维数来表征。

在露天矿粉尘研究中,粉尘的物理力学性质主要是由粉尘颗粒粒度所决定的,其运移及分布则主要是取决于风力等级,因此利用分形维数来描述粉尘颗粒在不同风速条件下的分布情况,是具有可行性的。

2.1 分形维数模型的建立

本研究课题组基于Python3.8 语言,自主开发了分形维数计算软件,开展粉尘运移分布分形维数的研究工作。所建立方盒的尺寸为2n(n为1,2,…,9 的自然数)。根据两相流模型基本理论,在所建立的集合模型中添加均匀空气介质,设定流场内左端为进风口,右端为出风口,结合河曲露天矿现场实际初步确定风速条件,设定由一级到七级的多组风速,数值上风速符合相应的风力区间均匀分布函数。考虑露天矿山钻孔、爆破、采装、运输等工艺环节以及实际环境中颗粒物组成中含有大量的粗颗粒物以及细颗粒物。由于细颗粒物中包含氮、硫化合物,导致细颗粒物在空间中分布规律也不尽相同,因此在模型90～95 m 处设置为颗粒进口。设定多组粒子束粒径服从正态分布且平均值分别为50 μm、150 μm、250 μm、350 μm、450 μm、550 μm,添加流固耦合物理场,通过改变初始条件来研究不同粒径颗粒在不同风速条件下的运移和分布规律。粉尘粒径分布服从Rosin-Rammler 分布函数,考虑重力及空气曵力,建立单向风流场。粉尘粒径与分形维数的关系将数值模拟计算结果选取剖面图导入分形维数计算软件中,根据计算结果绘制不同粒径颗粒分布规律与分形维数变化的关系图(图3)。

由图3可知,同等风力等级条件下,分形维数随着粉尘粒径的增大而减小,二者之间服从一次函数分布,R2均在0.933 以上,说明二者具有显著的线性关系,且随风力等级的增加,拟合曲线明显呈上升趋势,即相同粉尘粒径其分形维数随着风力的增加而增加。分析认为:在风力作用下,粒径大小不同的粉尘颗粒逐渐向流场边界运移,其中小颗粒的粉尘不易沉降,能在较远处形成积聚,粉尘运动轨迹也较长,因此在距离进风口较远处小颗粒粉尘浓度较高,与之对应的分形维数也较大;大颗粒粉尘沉降相对较为容易,会在距离进风口较近的位置形成大量积聚,粉尘运动的轨迹相对小颗粒粉尘较短,因此在距离进风口较近距离处大颗粒粉尘浓度较高,与之所对应的分形维数较小。综上所述,选定粒子束在不同风力区间内所表现出粒径与分形维数的关系大体一致,分形维数与粉尘粒径呈负相关关系。

图3 粉尘粒径与分形维数关系Fig.3 Relationship between dust particle size and fractal dimension

2.2 风速与分形维数的关系

根据计算结果绘制颗粒受不同风速影响下的分布规律与分形维数变化的关系图(图4)。

由图4可知,同种粉尘粒径粒子束的分形维数随风力区间的增大逐渐增加,分形维数与风力等级拟合表现出明显的二次函数关系,其拟合系数均在0.951 以上。其中,当粉尘粒径为50 μm 时,由于其所形成的粒子束质量和体积都相对较小,在选定的模拟区内难以沉降,因此粉尘颗粒运动轨迹也大致相似,分形维数随着风力等级区间的增加而逐渐增大,但差值相对较小在曲线中难以观察到,故本文不考虑该组数据,仅分析粉尘粒径为150 μm、250 μm、350 μm、450 μm、550 μm 的相关数据。随着风力等级的增加,同种粒径粉尘颗粒先是在近距离积聚,随后逐渐向远处逸散,分布距离逐渐增大,分形维数与风力区间呈正相关关系。

图4 风速与分形维数关系Fig.4 Relationship between wind speed and fractal dimension

综上分析,粉尘分布的分形维数随着粉尘粒径和风速的变化而变化,分形维数不仅能够有效地描述粉尘颗粒的分布特征,同时能够有效地描述不同粒径粉尘在不同风力区间下的分布情况。

3 露天矿粉尘治理化学抑尘剂研究

3.1 试验方案

以成膜性良好的聚乙烯醇为主体材料,在与酸交联共聚后形成网状的膜结构,减小其黏度,用可溶性淀粉对膜结构进行固化,其中主要成分质量分数为:聚乙烯醇2%～6%,可溶性淀粉0.5%～0.9%,马来酸3%～9%,表面活性剂1%～3%,硫酸盐1%～3%,成膜助剂1%～2%,余量为水。

聚乙烯醇在足量催化剂作用下会与酸完全反应,所以选择聚乙烯醇A、可溶性淀粉B、表面活性剂C、成膜助剂D 作为正交试验的影响因素,每个因素根据单因素实验制定3 个水平(表1)。

表1 正交试验因素水平设计Table 1 Orthogonal experimental factor level design%

根据表1确定了4 因素3 水平的正交试验,通过试验分析聚乙烯醇、可溶性淀粉、表面活性剂及成膜助剂对化学抑尘剂性能的影响,主要考核指标是失水率、抑尘率、表面张力、渗透性及黏度5 个指标。本文选取了9 种具有代表性的组合(表2)。

表2 正交试验设计Table 2 Orthogonal experimental design %

3.2 测定内容与测试结果分析

3.2.1 测定内容

根据表2中的9 种试验方案进行抑尘剂指标考核。

(1) 失水率测定。取9 组50 g 煤粉分别放入编号为1-k(k=1、2、3、4、5、6、7、8、9)的培养皿中,分别喷洒9 种方案所配置的化学抑尘剂10 g,使用恒温培养箱,排出外界因素干扰,设置温度为25 ℃,使化学抑尘剂在恒温培养箱中自然发挥,每隔30 s 取出样品进行称重,计算其与上一时段的质量差,差值除以初始总重即为对应时间内失水率,最终结果取180 min 时失水率。

(2) 抑尘率测定。取9 组50 g 煤粉分别放入培养皿并按2-k(k=1、2、3、4、5、6、7、8、9)编号,在相同风速条件下分别进行粉尘逸散模拟,使用空气质量变送器对粉尘浓度进行实时监测,随后喷洒9 种方案所配置的化学抑尘剂,对6 s 内粉尘浓度数据进行记录,并计算化学抑尘剂抑尘率。

(3) 表面张力测定。将9 组试验方案化学抑尘剂分别装入9 个烧杯中,编号为3-k(k=1、2、3、4、5、6、7、8、9)。由于化学抑尘剂对于玻璃是浸润的,当毛细管插入化学抑尘剂中会导致管内液面压力小于管外液面压力,毛细管内液面会逐渐升高直至与管外液面压力平衡,保证每组试验烧杯内液面高度相同、毛细管插入深度相同,记录每组试验中液面最终上升高度,结合毛细管半径和近似为0 的接触角,可计算出表面张力。

(4) 渗透性测定。将底端带出水口的塑料桶分为9 组,并标号1～9,分别加入等量的饱和煤粉,随后按编号4-k(k=1、2、3、4、5、6、7、8、9)对应加入等量的化学抑尘剂;整个试验中保证每组水头不变,即水头差相同,待化学抑尘剂全部沿出水口流出后,记录时间,结合水头差及流量通过达西定律计算出其渗透性。

(5) 黏度测定。使用毛细管黏度计进行测量试验,将化学抑尘剂沿毛细管黏度计粗管倒入至充满储液球,使用胶皮管沿细管抽气直至液面没过测量球上刻度线,停止抽气,液面逐渐下降至上刻度线处开始计时,直至液面下降至下刻度线时停止计时。对空测量球和装满抑尘剂后测量球分别进行称重,得出质量差计算质量流量,代入泊肃叶公式得出动力黏度数值,按编号5-k(k=1、2、3、4、5、6、7、8、9)分别进行试验并将数据记录。最终测定数据见表3。

表3 化学抑尘剂考核指标测定结果Table 3 Test results of assessment indicators of chemical dust inhibitor

根据表3中所测出的化学抑尘剂失水率、抑尘率、表面张力、渗透性及黏度,分别计算4 种因素在3 种水平下对应的极差Kn-m值及方差Rn值(表4)。各指标的影响可以通过Kn-m的大小来反映,其中n=1,2,3,4,5;m=1,2,3。

表4 4 种因素在3 种水平下对应的K 值及R 值Table 4 Corresponding K value and R value of 4 factors at the level of 3

3.2.2 测定结果分析

由表3的试验测定结果及表4的K值、R值可知:

(1) 化学抑尘剂失水率在相同时间内越低越好,说明该化学抑尘剂的保水性更好,抑尘时间更长。由表3可知,9 种化学抑尘剂在180 min 内具有较好的保水性,在聚乙烯醇A、可溶性淀粉B 及表面活性剂C 三种因素中K1-3明显最小,成膜助剂因素D 中K1-2最小,因此化学抑尘剂各因素最优水平为依次为A3、B3、C3、D2,即在失水率试验结果中最优配比为A3B3C3D2;RA的值明显要大于RB、RC、RD,表明聚乙烯醇A 对化学抑尘剂考核指标失水率起着最主要的作用,其次是可溶性淀粉B,而表面活性剂C 与成膜助剂D 对失水率影响较小。

(2) 化学抑尘剂抑尘率相同时间内越高越好,说明其具有更好的使用效果。在各因素中,聚乙烯醇A 及可溶性淀粉B 中K2-2值最大,表面活性剂C 和成膜助剂D 中K2-3最大,因此根据抑尘率测定结果来看,A2、B2、C3、D3分别为因素A、B、C、D的最优水平,即在抑尘率试验结果中最优配比为A2B2C3D3,由于RA远高于其他值,且RB、RC、RD相近,说明聚乙烯醇A 对试验指标抑尘率起主要影响,可溶性淀粉B、表面活性剂C 和成膜助剂D 对其影响效果相近。

(3) 化学抑尘剂表面张力越低,其与粉尘颗粒的融合性越好,捕捉粉尘的能力更强。由表3可知,9 种方案的化学抑尘剂均具有较低的表面张力,能够对粉尘起到抑制作用;在各因素中,聚乙烯醇A、可溶性淀粉B 及成膜助剂D 中K3-1最小,表面活性剂C 中K3-2最小,因此在表面张力测定中,A1、B1、C2、D1分别为因素A、B、C、D 的最优水平,即在表面张力试验结果中最优配比为A1B1C2D1;由于RA与RB近似,稍大于RC且远大于RD,所以聚乙烯醇A、可溶性淀粉B 和表面活性剂C 对表面张力指标起主要影响,成膜助剂D 对其影响较小。

(4) 化学抑尘剂的渗透性越好,粉尘被浸润的速度也越快,其降尘效果也越好。表3中9 种方案的化学抑尘剂均具有较高的渗透性;在各因素中,聚乙烯醇A、可溶性淀粉B 及成膜助剂D 中K4-1最大,表面活性剂C 中K4-3最大,因此化学抑尘剂的最优配比为A1B1C3D1;由于RA近似于RB且远大于RC和RD,所以聚乙烯醇A 和可溶性淀粉B对渗透性指标起主要影响,表面活性剂C 和成膜助剂D 对其影响较小。

(5) 化学抑尘剂的黏度越高,其对粉尘的黏结能力越强,降尘效果也越好,但高黏结度的化学抑尘剂在喷洒时会造成一定的困难,因此应当选取黏结度适中的化学抑尘剂。在各因素中,聚乙烯醇A、可溶性淀粉B 及表面活性剂C 中符合要求的为K5-2,成膜助剂D 中符合要求的为K5-3,因此在化学抑尘剂黏度测定试验中,化学抑尘剂的最优配比为A2B2C2D3;由于RA最高,RB次之,RC与RD相近,所以聚乙烯醇A 对黏度指标起主要影响,可溶性淀粉B 次之,表面活性剂C 和成膜助剂D 对其影响最小。

3.3 化学抑尘剂方案对比分析

根据正交试验结果对化学抑尘剂的失水率、抑尘率、表面张力、渗透性及黏度5 个指标考核的结果,对应的最优配比方案见表5。

表5 化学抑尘剂各考核指标最优方案Table 5 Optimal scheme for each assessment index of chemical dust inhibitor

为进一步从各考核指标中选取最优化学抑尘剂配比及方案,绘制图5所示的曲线,对5 种化学抑尘剂进行对比分析:

(1) 由图5(a)可知,在0～180 min 内,化学抑尘剂的失水率均低于水的失水率,当水分完全挥发后,化学抑尘剂还有余量,5 种化学抑尘剂均具有较好的保水性,其内部水分更不易流失。其中,方案1 失水率相对较高,方案5 失水率最低。其原因在于,聚乙烯醇与可溶性淀粉含量的增加使得化学抑尘剂生成了更多的网状结构,这些网状结构能更好地锁住水分,从而减少化学抑尘剂的失水率。

(2) 由图5(b)可知,5 种方案化学抑尘剂均具有较好的抑尘效果,在记录时间内最高沉降率达到93%,最低沉降率在86%,而水的降尘率仅为63%。可见化学抑尘剂的沉降率远高于水的沉降率,为水的1.36～1.47 倍,其中方案3 沉降率最高,方案1 沉降率最低。

图5 5 种化学抑尘剂考核指标对比Fig.5 Comparison of assessment indexes of five chemical dust inhibitors

(3) 由5(c)可知,方案5 表面张力最高,方案2表面张力最低;方案2 渗透性最高,方案5 渗透性最低。同时,表面张力与渗透性之间存在相互影响的关系,随着表面张力的逐渐升高渗透性逐渐减小,原因在于表面张力的升高导致分子间作用力增大、分子之间分散度更小更容易聚集,使渗透性降低。

综上所述,化学抑尘剂的选择应依据中等黏度、低表面张力、高渗透性、高沉降率、低失水率的原则,对比5 种化学抑尘剂,应选择第3 种方案,即A1B1C2D1为最优方案。

3.4 最优配比化学抑尘剂抑尘效果分析

通过失水率、抑尘率、表面张力、渗透性及黏度5 个考核指标,分析得到了最优化学抑尘剂配比为A1B1C2D1。为进一步检测所研究化学抑尘剂的抑尘效果及成膜效果,对河曲露天矿进行了现场取样,分别收集了河曲露天矿煤样及土样,在实验室内破碎、烘干后,筛选粒径小于0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1 mm、1～10 mm 4 种试样粒径,按照20.34% 、37.31% 、36.68% 及5.67% 的质量比,称取煤样及土样各1 000 g,并将其充分混合均匀后,放置于条形器皿中,分别均匀喷洒最优配比化学抑尘剂100 mL 于表面,观察喷淋前后的效果。

由于地表温度、地表碾压程度等因素对于化学抑尘剂的使用效果具有很大影响,因此室内试验开始时,控制室内温度为27 ℃,保证试验温度一致;试样放置于条形器皿中,不对其碾压,平铺即可。喷淋前后及其成膜后效果如图6所示。

由图6可知,化学抑尘剂喷淋于沙土或煤粉表面时,能够在沙土或煤粉的表面形成一层有效的抑尘膜,抑尘膜能够有效防止二次起尘,具有较好的成膜固结效果及抑尘效果。

图6 化学抑尘剂喷淋前后及固结成膜效果对比Fig.6 Comparison of effects of chemical dust inhibitor before and after spraying and consolidation film formation

4 结 论

为研究露天煤矿开采过程中各工作环节产生的粉尘污染问题,本文以河曲露天矿为工程背景,以现场各主要产尘环节为研究对象,开展了露天矿粉尘治理研究,主要得出以下结论:

(1) 结合河曲露天矿自身的生产工艺,对河曲露天矿进行了现场监测,获取了3 个监测区域内PM2.5、PM10 及TSP 的粉尘浓度变化数据,分析了不同区域粉尘浓度的变化情况及规律。

(2) 将分形维数引入到粉尘运移和分布中,研究了粉尘颗粒的分形特征以及不同粒径粉尘在不同风力区间下的分布情况。

(3) 通过化学抑尘的配比试验,得到了一种以高分子材料为主体、清洁高效的成膜型化学抑尘剂,并检验了该化学抑尘剂的效果。