膠帶輸送巷道粉塵濃度分布的數(shù)值模擬及實驗研究

陳舉師　蔣仲安　王明

摘要：為了改善膠帶輸送巷道粉塵濃度超標的現(xiàn)狀，探索影響粉塵濃度分布的主要因素，根據(jù)相似原理，結(jié)合氣固兩相流的運動方程，導(dǎo)出了模擬膠帶輸送巷道粉塵運動的相似準則數(shù)，建立了膠帶輸送巷道相似模型，運用計算流體力學(xué)的Fluent軟件對膠帶輸送巷道相似模型粉塵濃度分布進行數(shù)值模擬，并與相似實驗數(shù)據(jù)對比分析，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)基本吻合.研究結(jié)果表明，巷道平均風(fēng)速及膠帶運行速度是影響粉塵濃度分布的兩大主要因素.巷道平均風(fēng)速為0.15～0.60 m·s-1時，風(fēng)速越大，粉塵濃度越低.膠帶運行速度為1～2.5 m·s-1時，運行速度越大，粉塵濃度越高.

關(guān)鍵詞：濃度分布；膠帶輸送巷道；粉塵；相似理論；數(shù)值模擬

中圖分類號：TD714.2 文獻標識碼：A

Abstract： In order to improve the current situation of dust concentration exceeding the limits in belt conveyer roadway，to explore the main influencing factors of dust concentration distribution， according to the similarity theory and the gassolid twophase flow equation motion， a similarity model device was designed for the specific situation in belt conveyer roadway. Fluent， which is a software of computational fluid dynamics， was used to analyze the dust concentration distribution in belt conveyor roadway of the similar model. Compared with similar experiment data analysis， the simulation result was consistent with the experimental data. The results show that the average wind speed in the roadway and the speed of the belt are the two main factors affecting the dust concentration distribution. When the average wind speed of the roadway is 0.15 m·s-1 ～ 0.60 m·s-1， the greater the wind speed， the lower the dust concentration. When the Tape speed is 1～ 2.5 m·s-1， the greater the speed， the higher the dust concentration.

Key words：concentration distribution； belt conveyer roadway； dust； similarity theory； numerical simulation

金屬礦山在井下開采過程中，礦巖的裝載與輸送是最為重要的環(huán)節(jié)之一，直接決定著礦山能否正常生產(chǎn)，影響著礦山的生產(chǎn)成本.礦巖在轉(zhuǎn)載及輸送過程中，均會產(chǎn)生大量的粉塵.金屬礦山粉塵中游離二氧化硅含量較高，長期吸入極易引發(fā)塵肺病，嚴重危害著井下工人的身體健康[1-3].

對此國內(nèi)外的專家學(xué)者進行了大量的研究，一般通過控制礦石的含水率、進行塵源密閉、加強通風(fēng)排塵效果、實施噴霧灑水、降低膠帶機高度勢能差及減小膠帶運行速度等措施來實現(xiàn)除塵目標.雖然這些措施能夠在一定程度上降低粉塵濃度，但其應(yīng)用效果遠遠達不到國家衛(wèi)生標準的要求，需要在理論上和實踐上進行更加深入的研究[4-8].

因此，研究膠帶輸送巷道的粉塵濃度分布規(guī)律，確定出影響粉塵濃度分布的主要因素，對于探索適用于膠帶輸送巷道的粉塵控制新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備、新方法具有十分重大的現(xiàn)實意義.

1粉塵產(chǎn)生機理

任何粉塵都要經(jīng)過一定的傳播途徑，才能以空氣為媒介向周邊擴散.使粉塵顆粒從靜止狀態(tài)變成懸浮狀態(tài)的過程稱作“塵化”過程，弄清塵化機理，是治理粉塵的首要問題.在膠帶輸送巷道內(nèi)，膠帶輸送機機頭及機尾轉(zhuǎn)載點處是主要塵源.此外，膠帶輸送機在運行過程中，由于膠帶自身的振動以及礦石與空氣的摩擦作用，也會產(chǎn)生少量的粉塵.根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及理論分析可知膠帶輸送巷道內(nèi)粉塵塵化機理主要有：

1）剪切作用造成的塵化.礦石在機尾轉(zhuǎn)載過程中，上游工序中的礦石由具有一定高度的漏斗口自由落下至膠帶輸送機表面，在該過程中，礦石中所攜帶的礦粉受空氣的迎面阻力作用發(fā)生了剪切效應(yīng)，導(dǎo)致空氣被卷入礦粉流中，礦粉流逐漸擴散，相互的卷吸作用使粉塵不斷地向外飛揚，并長時間懸浮在空氣中，造成膠帶機尾處粉塵飛揚.

2）誘導(dǎo)空氣造成的塵化.礦石在輸送過程中，由于塊度大小不均，膠帶上礦堆表面凹凸不平，當(dāng)其以一定速度在空氣中運動時，會帶動礦石表面附近區(qū)域內(nèi)的空氣一起流動，產(chǎn)生了所謂的誘導(dǎo)空氣.誘導(dǎo)空氣與礦堆表面的礦粉相互混合，將部分礦粉卷吸入空氣中，隨風(fēng)流的運動擴散開來，造成膠帶輸送機表面粉塵飛揚.

3）設(shè)備運動造成的塵化.膠帶輸送機運行過程中，由于膠帶托輥的作用，膠帶自身會劇烈振動，導(dǎo)致細小粉塵顆粒自礦石堆中脫離出來，并與礦石堆表面附近區(qū)域內(nèi)空氣發(fā)生混合，最終隨風(fēng)流飄散.

4）裝入礦石造成的塵化.礦石在機頭轉(zhuǎn)載時，受自身重力作用自由下落，會排擠出與下落礦石相同體積的空氣，這些空氣會由漏斗口向上逸出.在該過程中，下落礦石中所含的礦粉顆粒將與空氣發(fā)生混合，并隨上逸空氣排出漏斗口外，造成機頭轉(zhuǎn)載點處粉塵彌漫.

2相似模型的建立

膠帶輸送巷道粉塵濃度分布的相似實驗主要研究粉塵在氣體中的運動規(guī)律以及分布情況，因此相似準則數(shù)的導(dǎo)出要同時考慮氣體和粉塵.由于氣流是推動粉塵運動的基本動力之一，因此，應(yīng)使用氣體的運動方程和粉塵的運動方程來描述氣固兩相流動過程的全部物理現(xiàn)象[9-12].

2.1相似準則數(shù)的導(dǎo)出

根據(jù)氣固兩相流的運動方程，其中有量綱的物理量為ρg，ρp，Ug，Up，μg，dp，g，l，t和P等10個.

通過量綱分析，可導(dǎo)出包括斯托克斯準則數(shù)（Stk=d2pρp|Ug-Up|lμg）、均時性準則數(shù)（Ho=Ugtl）、弗勞德準則數(shù)（Fr=Uggl）、雷諾準則數(shù)（Re=lρgUgμg）、密度準則數(shù)（ρpρg）、運動準則數(shù)（UpUg）及歐拉準則數(shù)（Eu=PρgU2g）等7個相似準則數(shù).其中，歐拉準則數(shù)Eu是非定型相似準則數(shù)，予以排除.

根據(jù)流動的單值條件，包括幾何條件、物理條件（ρg，μg，g）、氣流進出口速度分布等，可導(dǎo)出幾何相似準則數(shù)（δl=DL）、顆粒雷諾準則數(shù)（Rep=dpρg|Ug-Up|μg）和界面的相對粗糙度（ΔD）.

因此，本次實驗中可導(dǎo)出的獨立相似準則數(shù)共有9個：Stk，Ho，F(xiàn)r，Re，ρpρg，UpUg，δl，Rep和ΔD.

2.2相似準則數(shù)的簡化

在進行相似模型實驗設(shè)計時，由于受到比例尺制約關(guān)系的限制，要想使實驗?zāi)Ｐ团c原型之間各個相似準則數(shù)均相等是比較困難的，但在保證足夠準確度的情況下，運用近似模型法來進行相似模型實驗設(shè)計，以保持局部相似或近似是完全可以實現(xiàn)的.相似實驗?zāi)Ｐ团c原型的流場均處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以不考慮Ho；模型與原型中的粉塵顆粒都很細小，其重力可忽略不計，可以不考慮Fr；粉塵顆粒能在極短的時間內(nèi)充分加速到氣流速度的99%，氣固兩相之間相對速度可忽略不計，則Up/Ug可近似地取1；粘性流體在流動時具有“自模性”，只要模型和原型的雷諾數(shù)Re均位于同一自模區(qū)，即可認為Re相似；由于本次實驗過程中所使用的礦石均取自于西石門鐵礦，其產(chǎn)生的粉塵與現(xiàn)場完全相同，則ρp/ρg可以滿足.最終，相似模型實驗滿足與原型相似的相似準則數(shù)只有Stk，δl，Rep和Δ/D等4個.

2.3相似模型的建立

模型以空氣為介質(zhì)，其密度為ρ，粘性系數(shù)μ在對應(yīng)點上與實型保持相等，顆粒的物質(zhì)密度相等，即：ρp=ρ′p，ρg=ρ′g，μg=μ′g.

當(dāng)ρg=ρ′g，μg=μ′g，l=2l′時，由雷諾數(shù)Re=lρgUgμg相等得出U′g=2Ug；

當(dāng)ρg=ρ′g，l=2l′，U′g=2Ug時，由Stokes數(shù)Stk=d2pρp|Ug-Up|lμg相等得出d=2d′；由U′g=2Ug可以得出模擬實驗時的風(fēng)速應(yīng)該是實際風(fēng)速的2倍，但根據(jù)公式Re=lvυ算出Re>2 300，此時流體流動處于完全紊流狀態(tài)，位于阻力平方區(qū)或第二自模區(qū).根據(jù)尼古拉茲實驗，在阻力平方區(qū)，只要滿足動力相似，也就保證了流體運動相似.所以風(fēng)速不必滿足上述相似條件，只需按照幾何相似準則進行模型設(shè)計.

膠帶輸送巷道相似模型以西石門鐵礦11/96膠帶斜井為原型，按照幾何尺寸比為Cl=l∶l=2∶1建立而成.巷道原型高3.7 m，寬4 m，取巷道長度l=24 m，膠帶輸送機寬1.4 m，高1.4 m，膠帶寬1 m.對應(yīng)建立的巷道模型高1.85 m，寬2 m，長度為l=12 m，膠帶輸送機模型寬0.7 m，高0.7 m，膠帶寬0.5 m.

該模型為獨頭結(jié)構(gòu)，獨頭端以及頂板底板均為混凝土結(jié)構(gòu)，兩側(cè)壁面為木質(zhì)板結(jié)構(gòu).膠帶輸送機長5 m，布置在巷道中部，距前端4.5 m，后端2.5 m.將壓入式風(fēng)機及送風(fēng)管道安裝在相似實驗?zāi)Ｐ蛢?nèi)右側(cè)，管道中心位置高1.3 m，距右壁0.2 m，實現(xiàn)壓入式通風(fēng)，風(fēng)流撞擊獨頭端后返回，沿著巷道流動，將膠帶輸送機安置在風(fēng)流流場較為均勻的區(qū)域.膠帶輸送巷道相似實驗?zāi)Ｐ脱b置示意圖，如圖1所示.

3數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1幾何模型的建立及求解

3.1.1幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)相似實驗?zāi)Ｐ脱b置的實際情況，結(jié)合數(shù)值模擬的需要，對膠帶輸送巷道相似模型做出以下簡化及假設(shè)：

1）巷道模型視為長方體，送風(fēng)管道視為規(guī)則的圓柱體，放料漏斗視為規(guī)則的倒梯形臺；

2）平面、支架等簡化認為為平面邊界；

3）實驗用電機與變頻器由于體積較小，不考慮其對風(fēng)流的影響；

4）不考慮相似實驗?zāi)Ｐ蛢?nèi)部的漏風(fēng)；

5）不考慮膠帶機運行過程中的震動.

根據(jù)上述簡化及假設(shè)條件，按照相似模型的實際尺寸進行建模，并進行網(wǎng)格劃分，得膠帶輸送巷道相似模型的幾何模型建立及網(wǎng)格劃分如圖2所示.幾何模型中巷道斷面寬2.0 m，高1.85 m，長12 m；送風(fēng)管道直徑為0.4 m，出風(fēng)端中心高度1.3 m，進風(fēng)端中心高度0.3 m.網(wǎng)格的基本尺寸取0.1～0.2 m.

3.1.2邊界條件的設(shè)定及求解

通過查閱相關(guān)文獻資料，根據(jù)相似模型實驗裝置的實際情況，結(jié)合膠帶輸送巷道粉塵運動三維數(shù)學(xué)模型和Fluent數(shù)值模擬方法，并對區(qū)域網(wǎng)格進行自適應(yīng)等調(diào)試，最終求解出膠帶輸送巷道相似模型粉塵濃度分布[13-15].

3.2風(fēng)流流場分布

根據(jù)膠帶輸送巷道相似模型的實驗結(jié)果，在Fluent中進行參數(shù)設(shè)置，得出巷道平均風(fēng)速為0.3 m·s-1時模型空間風(fēng)流流場分布如圖3及圖4所示.

從圖中可以看出：

1）風(fēng)流自送風(fēng)管道口射出后，以逐漸擴大的風(fēng)流射向獨頭端，風(fēng)速沿管道軸線方向逐漸減小，導(dǎo)致到達獨頭端的風(fēng)速較低；風(fēng)流在獨頭的阻礙下發(fā)生反向回流，并受模型空間及射流卷吸作用的影響，形成渦流，最后沿模型走向經(jīng)過膠帶輸送機排出.

2）從送風(fēng)管道口到獨頭端，管道軸線上的風(fēng)速從6.5 m·s-1衰減到2 m·s-1；在靠近獨頭端的區(qū)域，風(fēng)速較大，且變化較快；距離管道口越近，風(fēng)速越大，變化也越劇烈.氣流渦旋中心的風(fēng)速較低，邊緣風(fēng)速較高；巷道模型內(nèi)膠帶輸送機所處區(qū)域平均風(fēng)速約為0.3 m·s-1.

3）風(fēng)流在流動至膠帶輸送機機尾處（距獨頭端4.5 m）基本達到穩(wěn)定，且在膠帶機所在巷道區(qū)域內(nèi)始終保持穩(wěn)定.說明相似模型實驗中管道布置參數(shù)選擇合理，用來模擬膠帶輸送巷道內(nèi)穩(wěn)定的風(fēng)流流場可行.

3.3粉塵濃度空間分布

在離散相模型中進行粉塵源相關(guān)參數(shù)設(shè)置，令膠帶輸送機機頭及機尾各隨機產(chǎn)生420個粉塵顆粒，并跟蹤其運動軌跡得到膠帶運行速度為1 m·s-1，巷道平均風(fēng)速為0.3 m·s-1時粉塵運動軌跡如圖5所示.通過大批量地進行粉塵顆粒跟蹤，并對其運動軌跡進行統(tǒng)計分析，得相似巷道模型內(nèi)粉塵濃度分布如圖6、圖7所示.從圖中可知：

1）粉塵顆粒在放料口和膠帶表面產(chǎn)生后，在風(fēng)流的作用下往巷道出口方向擴散，橫向隨機脈動.隨著擴散距離的增大，由于脈動量的累加，粉塵顆粒覆蓋范圍也逐漸增加，最終充滿整個巷道斷面.

2）在膠帶輸送機所在巷道區(qū)域內(nèi)，隨著距獨頭端距離的增加，粉塵濃度沿程先上升至最大值，然后逐步緩慢降低；

3）在巷道斷面內(nèi)，水平方向上粉塵濃度在膠帶中部達到最大值，并以膠帶中部為中心向兩側(cè)降低，膠帶左側(cè)粉塵濃度低于膠帶右側(cè)；豎直方向上粉塵濃度以上下部膠帶表面為中心向上下兩側(cè)逐步降低.

3.4不同邊界條件下粉塵濃度分布

通過現(xiàn)場調(diào)查及理論分析可知，巷道平均風(fēng)速及膠帶運行速度是膠帶輸送巷道內(nèi)影響粉塵濃度分布的兩大主要因素.因此，取人行道中央斷面（W=0.3 m）與H=1 m平面的交線作為基準線研究這兩個參數(shù)對粉塵濃度分布的影響.

3.4.1巷道平均風(fēng)速

在膠帶運行速度為1 m·s-1，巷道平均風(fēng)速分別為0.15 m·s-1，0.3 m·s-1，0.45 m·s-1及0.6 m·s-1條件下粉塵濃度沿程分布如圖8所示.

從圖8中可以看出：

1）在巷道平均風(fēng)速為0.15～0.6 m·s-1的范圍內(nèi)，風(fēng)速越大，巷道空間內(nèi)粉塵濃度整體越低.隨著風(fēng)速的增大，粉塵濃度達到最大值的位置距獨頭端越遠.

2）較大的風(fēng)速有利于粉塵顆粒的稀釋及排出，但同時也會造成已沉降粉塵的二次飛揚，在本次模擬過程中，所選擇的風(fēng)速均未達到揚塵風(fēng)速，風(fēng)流對粉塵顆粒主要起著稀釋及排出的效果.

3）在現(xiàn)場應(yīng)用中，在滿足規(guī)程要求的情況下，為達到一個較好的排塵效果，應(yīng)將巷道風(fēng)速保持在一個比較合理的數(shù)值范圍，這樣能實現(xiàn)風(fēng)流的排塵效果，也能保證已沉降粉塵不被風(fēng)流揚起.

3.4.2膠帶運行速度

在巷道平均風(fēng)速為0.3 m·s-1，膠帶運行速度分別為1 m·s-1，1.5 m·s-1，2 m·s-1及2.5 m·s-1條件下粉塵濃度沿程分布如圖9所示.從圖9中可以看出：

1）膠帶運行速度對巷道內(nèi)粉塵濃度分布規(guī)律的影響較弱，其變化趨勢基本保持一致.在膠帶運行速度為1～2.5 m·s-1的范圍內(nèi)，隨著膠帶運行速度的增大，巷道內(nèi)粉塵濃度整體升高.

2）膠帶運行速度越大，所引起的膠帶自身的振動就越強烈，且礦石與空氣的摩擦效應(yīng)也更強，導(dǎo)致膠帶表面所產(chǎn)生的粉塵顆粒逃脫束縛的能力越強，模型空間粉塵濃度相應(yīng)升高.

3）實際生產(chǎn)過程中，在保證完成生產(chǎn)任務(wù)的前提下，應(yīng)盡量減小膠帶輸送機的運行速度，以降低膠帶輸送巷道內(nèi)粉塵的濃度.

2）粉塵濃度測點布置

在巷道模型內(nèi)部選取6個待測斷面，每個斷面布置3×4個粉塵濃度測點，測點布置參照風(fēng)速測點布置圖.沿著膠帶輸送機運料方向在輸送機左側(cè)人行道中心線、右側(cè)送風(fēng)管道中心線及輸送機中軸線上布置測點，從機尾放料口處開始，每隔0.8 m布置1個測點，直至機頭處.相似實驗?zāi)Ｐ头蹓m濃度測點布置如圖11所示.

4.2風(fēng)流流場分布

取巷道平均風(fēng)速為0.3 m·s-1研究巷道模型內(nèi)風(fēng)流流場分布情況.由于篇幅有限，此處只選取H= 1.0 m平面作為代表進行風(fēng)流流場分析.圖12所示為H=1.0 m平面分別與W=0.3 m，W=0.9 m，W=1.6 m斷面的交線上風(fēng)速的沿程變化規(guī)律，從圖12中可看出：

在H=1.0 m平面內(nèi)，W=0.9 m，W=1.6 m斷面上風(fēng)速沿著回風(fēng)方向先急劇下降，在距獨頭端約3.5 m處趨于穩(wěn)定；W=0.3 m斷面風(fēng)速沿程先減小，后增大，隨后又迅速減小，在距獨頭端約3.5 m處也趨于穩(wěn)定.在距獨頭端3.5 m以外區(qū)域內(nèi)，風(fēng)速基本保持在0.32 m·s-1左右.

4.3粉塵濃度分布

取巷道平均風(fēng)速為0.3 m·s-1對巷道模型空間粉塵濃度分布進行詳細測定，實驗過程中膠帶機運行速度為1.5 m·s-1.圖13、圖14分別為不同巷道斷面、不同高度平面內(nèi)粉塵濃度沿程分布，從圖13、圖14中可以看出：

隨著距膠帶機放料口距離的增加，粉塵濃度沿程先逐步上升至一個最大值，后逐步緩慢降低.在水平方向上，粉塵濃度在膠帶中部分布最高，膠帶右側(cè)居中，膠帶左側(cè)最低.在高度方向上，粉塵濃度在H=1.0 m高度平面內(nèi)達到最大值，并以該平面為中心向上下兩側(cè)逐步降低.

①膠帶運行速度在1.0～2.5 m·s-1范圍內(nèi)，隨著膠帶運行速度的增加，粉塵濃度在人行道中央斷面與H=1.0 m平面大交線上整體分布也相應(yīng)升高，且最大值出現(xiàn)的位置距放料口越近.

②膠帶運行速度越大，膠帶機自身的振動頻率也就越快，振動幅度隨之增大，導(dǎo)致產(chǎn)生的粉塵顆粒越多，粉塵濃度越高.

③較大的膠帶運行速度使得粉塵顆粒的產(chǎn)生速率大大超出了巷道風(fēng)流的排塵能力，導(dǎo)致粉塵顆粒不能及時排出，故其最大值出現(xiàn)的位置距放料口要近一些.

4.5模擬結(jié)果的驗證

為了驗證模擬結(jié)果的準確性，使數(shù)值模擬與相似實驗過程中所有參數(shù)及邊界條件設(shè)置均保持一致，取膠帶運行速度為1 m·s-1，巷道平均風(fēng)速為0.3 m·s-1時人行道中央斷面與H=1 m平面的交線作為基準線，將沿程風(fēng)速及粉塵濃度分布作為比較對象，對模擬結(jié)果及實驗數(shù)據(jù)進行對比分析結(jié)果如圖17，圖18所示.

從圖17及圖18中可以看出，在進行比較的基準線上，風(fēng)速及粉塵濃度的模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)基本吻合，分布及變化規(guī)律基本保持一致.但相比較之下兩者數(shù)值上還是略微有所偏差，其中，風(fēng)速模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)相比其相對誤差在所有測點的平均值為17%，粉塵濃度模擬結(jié)果相對誤差的平均值為25%.這是由于在實驗數(shù)據(jù)測定、模型建立及參數(shù)設(shè)置過程中均會存在一定誤差所造成的.通過對比分析，說明采用離散相模型對膠帶輸送巷道相似模型粉塵運動進行模擬是可行的，模擬結(jié)果可信.

5結(jié)論

1）膠帶輸送巷道風(fēng)速及粉塵濃度的模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)基本吻合，分布及變化規(guī)律基本保持一致.說明采用離散相模型對膠帶輸送巷道相似模型粉塵濃度分布及其影響因素進行模擬是可行的，模擬結(jié)果可信.

2）風(fēng)流自送風(fēng)管道口射出后，以逐漸擴大的風(fēng)流射向獨頭端，風(fēng)速沿管道軸線方向逐漸減小，在獨頭的阻礙下發(fā)生反向回流，并在膠帶輸送機所處區(qū)域保持穩(wěn)定.說明相似模型實驗中送風(fēng)管道布置參數(shù)選擇合理，用來模擬膠帶輸送巷道內(nèi)穩(wěn)定的風(fēng)流流場可行.

3）隨著距獨頭端距離的增加，巷道區(qū)域內(nèi)粉塵濃度沿程先上升至最大值，然后逐步緩慢降低；水平方向上，粉塵濃度在膠帶中部達到最大值，并以膠帶中部為中心向兩側(cè)逐步降低；豎直方向上，粉塵濃度以上下部膠帶表面為中心向上下兩側(cè)逐步降低.

4）巷道平均風(fēng)速及膠帶運行速度是膠帶輸送巷道相似模型內(nèi)影響粉塵濃度分布的兩大主要因素.在巷道平均風(fēng)速為0.15～0.6 m·s-1的范圍內(nèi)，風(fēng)速越大，巷道空間內(nèi)粉塵濃度整體越低.在膠帶運行速度為1～2.5 m·s-1的范圍內(nèi)，隨著膠帶運行速度的增大，巷道內(nèi)粉塵濃度整體升高.

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