露天礦大高差溜槽粉塵分布規(guī)律研究

茍?jiān)泼?賈 蘭 周 鐸

(遼寧工業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院)

露天礦大高差溜槽粉塵分布規(guī)律研究

茍?jiān)泼?賈 蘭 周 鐸

(遼寧工業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院)

利用溜槽工藝回填深凹廢棄露天礦坑,物料從地表送輸至坑底要克服幾百米的高差，必將產(chǎn)生大量的粉塵，造成嚴(yán)重的礦山環(huán)境污染。為了實(shí)現(xiàn)露天礦坑的綠色回填，研究回填與大氣環(huán)境的協(xié)調(diào)關(guān)系，采用仿真實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)值模擬方法，得出溜槽在溜放過程中粉塵分布規(guī)律，確定溜槽系統(tǒng)粉塵的塵源，采取相應(yīng)的防治措施。結(jié)果表明，溜槽出口為產(chǎn)塵量最大的位置，建議采用濕式除塵和自我防護(hù)措施，加大力度控制粉塵污染。

大高差溜槽 粉塵 分布規(guī)律 數(shù)值模擬

撫順西露天礦開采于1901年，是一個(gè)具有百年歷史的大型煤礦。目前隨著深部資源的枯竭和上部開采到界，已進(jìn)入閉坑前期[1]。礦坑回填是廢棄露天礦坑治理的方式之一，一般礦坑深200～300 m，回填物料從地面輸送到坑下，采用常規(guī)的運(yùn)輸方式從技術(shù)上安全上是不可行的,溜槽放礦是克服高差最有效、經(jīng)濟(jì)的方法之一[2]。但溜放過程產(chǎn)生的大量粉塵會導(dǎo)致生產(chǎn)環(huán)境惡化，大顆粒粉塵在重力作用下自然沉降，加大機(jī)器磨損，降低機(jī)器設(shè)備的使用壽命；細(xì)小顆粒粉塵長期漂浮于空氣中，嚴(yán)重影響作業(yè)人員的身心健康，引發(fā)各種職業(yè)病[3-4]。目前國外有大量的針對礦井粉塵運(yùn)移規(guī)律的研究，而針對露天礦大高差溜槽運(yùn)輸產(chǎn)生的粉塵的分布規(guī)律研究甚少，本文針對溜槽中巖石粉塵擴(kuò)散和分布規(guī)律進(jìn)行研究，為大高差溜槽粉塵污染治理提供理論依據(jù)。

1 溜槽系統(tǒng)粉塵分布規(guī)律研究

測試溜槽系統(tǒng)的粉塵濃度分布是制定粉塵污染治理方案的依據(jù)，粉塵濃度大的地方要求治理技術(shù)和管理水平更高。在實(shí)驗(yàn)室建立溜槽模型(如圖1)，模擬礦坑回填溜槽溜放過程，現(xiàn)場取溜放物料樣品，測定溜槽過程主要觀測點(diǎn)粉塵濃度。

圖1 溜槽實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

1.1 回填物料來源

(1)實(shí)驗(yàn)材料。以撫順東露天礦剝離物作為回填物料。東露天礦剝離的巖種主要為第四系沖積層覆蓋物、綠色泥巖、油母頁巖貧礦等。第四系沖積層覆蓋物松散、含水，主要為回填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土、中砂、粗砂、圓礫；綠色泥巖性脆、易風(fēng)化；油母頁巖貧礦含油率鋁甑在4.7%以下，硬度在3.5以上。

(2)粒度分析。取東露天礦剝離物的物料試樣，依次進(jìn)行分檢、粗篩、細(xì)篩確定其粒度分布。在小于0.315 mm的細(xì)巖中，小于0.1 mm的占36.98%，大于0.1 mm的占63.02%。綜上分析，回填物料中大塊率在0.5%～4%，平均粒徑為500 mm，粒徑小于20 mm的粉巖含量為38.16%，粒徑小于100 μm的細(xì)小顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5630%。

1.2 建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

(1)斷面尺寸。根據(jù)《采礦設(shè)備手冊》設(shè)計(jì)溜槽斷面：

(1)

式中，dmax為物料最大塊度，m。

(2)物料最大塊度。回填物料的粒度分布取決于東露天礦的采礦設(shè)備類型以及爆破方式。爆破礦巖中大塊的最長邊尺寸b應(yīng)小于或等于采、運(yùn)和破碎設(shè)備規(guī)格的限制值。東露天采用10 m3挖掘機(jī)，據(jù)此對剝離物的塊度要求計(jì)算：

(2)

則：b≥3.54 m，h≥2.58 m，設(shè)計(jì)取b=4 m，h=3 m。

用于露天礦坑回填的溜槽高差為200 m，設(shè)計(jì)溜槽模型參數(shù)如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ土锊蹍?shù)

1.3 測點(diǎn)布置

為研究溜槽系統(tǒng)粉塵的濃度分布，應(yīng)用智能大氣檢測儀，全面、系統(tǒng)測試分析各位置的粉塵濃度?？紤]到粉塵產(chǎn)塵機(jī)理和產(chǎn)塵量的不同，選擇溜槽的入口、中部和出口處為測量點(diǎn)，測點(diǎn)高度分別為距離地面0.5,1.5,2.5 m。

1.4 測試方法與原理

采用濾膜捕集，即重量法進(jìn)行測定。抽取一定體積的空氣通過已恒重的濾膜，則空氣中的懸浮顆粒物被阻留在濾膜上，根據(jù)采樣前后濾膜質(zhì)量之差及采樣體積，即可計(jì)算粉塵的濃度。根據(jù)采樣流量不同分為大流量和中流量采樣法。

(3)

式中，W1為塵膜質(zhì)量，g；W0為空白濾膜質(zhì)量，g；Vn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的累積采樣體積，m3。

1.5 測試步驟

①采用主要儀器設(shè)備，智能大氣綜合采樣器，過氯乙烯纖維濾膜，電子天平(0.000 1 g)，計(jì)數(shù)器，干燥箱(干燥器)；②選擇合適的采樣時(shí)間與測點(diǎn)布置：連續(xù)流放物料，計(jì)時(shí)30 min，將大氣智能檢測儀分別固定在溜槽中間部位、溜槽出口處；③實(shí)驗(yàn)室模擬溜槽工作過程；④烘干及稱重，記錄整理數(shù)據(jù)；⑤測試結(jié)果分析。

1.6 測試結(jié)果分析

測試結(jié)果見表2。由表2可知采樣時(shí)間為 30 min，溜槽上部、中部、下部的粉塵濃度分別為6.5，1.3，18.5 mg/m3，溜槽出口處的粉塵濃度明顯高于上部和中部。從理論角度分析，物料在大高差溜槽中向下高速運(yùn)動(dòng)，在產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流和剪切壓縮氣流的綜合作用下，帶動(dòng)細(xì)小顆粒物料飛揚(yáng)，使溜槽內(nèi)產(chǎn)生大量粉塵,到溜槽出口，由于離心力和沖擊力的作用，再次產(chǎn)生大量粉塵污染，因此溜槽出口處是粉塵控制的重點(diǎn)區(qū)域。

表2 粉塵濃度分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 溜槽系統(tǒng)粉塵分布規(guī)律數(shù)值模擬

2.1 溜槽中粉塵運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型

粉塵在礦井和溜槽中的運(yùn)動(dòng)都是粉塵在風(fēng)流中的運(yùn)動(dòng)，屬于氣固兩相流研究的范疇[5-6]，運(yùn)用FLUENT計(jì)算流體力學(xué)軟件對溜槽系統(tǒng)粉塵運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。由于粉塵粒徑為1～1 000 μm，體積分?jǐn)?shù)小于10%，對氣體流場的影響非常小，因此采用離散相模型，計(jì)算中忽略顆粒之間的作用以及顆粒對氣相流場的影響，只考慮氣相流場對顆粒的作用。

溜槽傾角45°，計(jì)算域?yàn)?00 m×4 m×5 m，流體連續(xù)相為空氣，其密度為1.225 kg/m3，溫度為300 K，黏性系數(shù)為1.789 4×10-5kg/(m·s)，離散相為巖石粉塵顆粒，密度為2 300 kg/m3。根據(jù)粉塵產(chǎn)生機(jī)理，假設(shè)在溜槽底板鋪設(shè)粉塵粒子，剪切氣流從溜槽底部出口進(jìn)入(方向與物流方向相反)，物流入口速度擬定為2 m/s，根據(jù)物料在溜槽中的運(yùn)動(dòng)方程，計(jì)算溜槽出口物料速度約28 m/s，則剪切氣流速度取物料在溜槽中運(yùn)行的平均速度為15 m/s，模型如圖2所示。

圖2 溜槽物理模型

2.2 粉塵顆粒在溜槽內(nèi)運(yùn)移的數(shù)值模擬結(jié)果分析

假設(shè)溜槽底板鋪設(shè)1～1 000 μm的粉塵粒子(粒徑服從泊松分布，粒徑種類分布為10種，平均粒徑10 μm)，計(jì)算域?yàn)?00 m×4 m×3 m，溜槽出口處模擬空間為50 m×50 m×50 m，粉塵顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡模擬結(jié)果見圖3、圖4。

由以上模擬結(jié)果可得知，溜槽系統(tǒng)粉塵顆粒濃度分布為自上而下逐漸增大，在溜槽出口處達(dá)到最大值，與實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果基本吻合。溜槽出口處由于物料高速運(yùn)行與底面產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，從而產(chǎn)生大量粉塵。由于數(shù)值模擬過程在溜槽入口沒有考慮沖擊力的作用，因此，溜槽入口的粉塵濃度比溜槽中部略低，這一點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所不同。

圖3 計(jì)算域?yàn)?00 m×4 m×3 m粉塵顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

圖4 溜槽出口計(jì)算域?yàn)?0 m×50 m×50 m

3 結(jié) 論

以撫順西露天礦回填為研究背景，通過對礦用大高差溜槽溜放過程產(chǎn)生的粉塵運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試分析和數(shù)值模擬分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)實(shí)驗(yàn)測試分析證明,巖石在溜槽運(yùn)行過程中將產(chǎn)生大量粉塵，在溜槽上部入口處、溜槽中部、溜槽出口處測得粉塵濃度為溜槽出口最大，入口次

之，而在中間運(yùn)行階段相對較小。

(2)數(shù)值模擬運(yùn)行結(jié)果表明，溜槽系統(tǒng)粉塵濃度分布為自上而下逐漸增大，在溜槽出口處達(dá)到最大值。

(3)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果對比分析表明，溜槽系統(tǒng)出口轉(zhuǎn)載點(diǎn)處是產(chǎn)塵量最大、濃度最高的塵源。若不采取一定的措施，這些粉塵長期停留在空氣中不沉降，將造成大面積礦坑空氣污染。建議采取濕式降塵和個(gè)體防護(hù)等措施進(jìn)行治理。

[1] 宋子嶺，賈 蘭，范軍富，等.深凹露天礦坑回填工藝[J].科技導(dǎo)報(bào)，2012,30(4)：51-54.

[2] 賈 蘭.撫順西露天礦坑回填關(guān)鍵技術(shù)研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2013.

[3] 羅根華.轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵擴(kuò)散模式與綜合治理方案研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2005.

[4] Ma Yundong,Jia Huiyan,Zhang Daming.Airtight negative pressure dust-control technology and application of transpersite in the coal conveyer belt system[J].Journal of coal science & engineering,2008(14):4-5.

[5] 張小艷，郭 強(qiáng).李微細(xì)水霧除塵技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[J].環(huán)境污染與防治，2003(8):88-89.

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2014-07-25)

茍?jiān)泼?1993—)，女，121000 遼寧省錦州市古塔區(qū)士英街169號。