多中段高溜井卸礦口粉塵質量濃度影響因素的相似實驗

王九柱，蔣仲安，王亞朋

(北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083)

高溜井因結構簡單、使用方便等優點被金屬礦山廣泛使用。然而，溜井運輸也存在一些亟待解決的問題，溜井卸礦后會形成強大的沖擊氣流[1]，沖擊氣流會攜帶礦倉內的粉塵從卸礦口溢出并造成卸礦硐室內的揚塵，污染了卸礦硐室內的工作環境。目前，國內外學者對溜井的研究大部分集中在溜井內礦石的運動、井壁的應力分布特征、井壁的破損等，VO T[2]、劉艷章[3]、REMENNIKOV等[4-6]通過數值模擬與實驗的方法對溜井內礦石運動及井壁的破壞規律進行了研究，姚貴佳[7]以溜井放礦過程為研究對象，利用Fluent對溜井斷面、放礦頻率、放礦高度等因素進行數值模擬，分析了各因素對沖擊氣流的影響規律，但其忽略了礦石之間及礦石與溜井的碰撞，王明、陳雅等[8-9]在考慮碰撞的基礎上，通過實驗與數值模擬的方法研究了溜井沖擊氣流的影響因素，但只研究了沖擊氣流的影響因素，并未對由沖擊氣流造成的粉塵污染進行研究。鄒長富等[10]針對卸礦口返塵污染問題提出了密閉抽塵的防塵措施，其效率可達97%。LI等[11]研究了半封閉式轉運站內的卷吸空氣量，討論了卷吸空氣量隨下落物料的質量流量、下落高度、阻力系數變化的非線性特性。JALAAL等[12]利用與LI相似的實驗裝置研究了誘導空氣量的影響因素，與LI相比，他更充分的考慮了所有因素的影響。CHEN、ZHANG等[13-14]通過數值模擬研究了封閉輸送帶溜槽內的誘導氣流及粉塵排放情況。MA等[15]通過實驗與數值模擬研究了轉載點處卷吸空氣的污染問題，并提出密閉除塵的方法防止卷吸空氣造成的污染。ULLMAN等[16]對帶式輸送機輸送點粉塵排放問題進行了深入的研究，對卷吸空氣量不同的計算公式和目前的設計方法進行了綜述、比較和分析。WANG等[17-18]對不同溫度材料在自由落體過程中的特性和產塵率進行的實驗研究，蔣仲安等[19]以國內某礦山卸礦站為研究對象，利用ANSYS模擬了卸礦量、巷道風速、礦石粒徑、和壁面條件對巷道內粉塵質量濃度的影響。綜上分析，前人對落料過程中的誘導氣流及產塵研究較多，而對溜井卸礦后由沖擊氣流造成卸礦硐室內粉塵污染研究較少。筆者通過建立相似實驗模型對不同影響因素下多中段高溜井卸礦口粉塵的分布規律進行研究，為多中段高溜井卸礦硐室內粉塵控制技術提供一定基礎。

1 粉塵產生機理及影響因素分析

1.1 粉塵產生機理分析

溜井卸礦后粉塵主要來源于礦石下落過程中粒徑較小的顆粒從礦石表面剝離和礦石落入礦倉后由沖擊氣流攜帶擴散至卸礦硐室。一方面，下落礦石以重力加速度在溜井內下落過程類似于活塞運動，礦石前方空氣受壓，礦石在繞流阻力與浮力共同作用下，粒徑較小的顆粒會從礦石表面剝離進入溜井的空氣中，而受壓空氣會攜帶從礦石表面剝離出的粉塵從卸礦口溢出。另一方面，溜井卸礦后，礦石與溜井內與空氣相對運動，當空氣繞流過礦石表面時，空氣會受到繞流阻力，從礦石與空氣相互作用出發，空氣的繞流阻力與礦石的運動阻力大小相等，因此，空氣繞流過礦石時消耗空氣的能量，礦石在空氣中下落時會增加空氣的能量[1]，當礦石落入礦倉與礦倉內的礦石堆碰撞后，空氣在溜井內所獲得的能量將瞬間釋放，形成一股強大的沖擊氣流。沖擊氣流不僅會攜帶礦倉內的粉塵從卸礦口溢出并在卸礦硐室內擴散，而且也會造成卸礦硐室內沉積的粉塵飛揚，從而污染了卸礦硐室內的工作環境，此外，礦石落入礦倉時，顆粒之間的碰撞也會使礦倉內粒徑較小的粉塵隨著沖擊氣流一起運動。為更加直觀研究沖擊氣流作用下礦倉內粉塵產生過程，利用高速攝像儀拍攝得到礦石落到礦倉后產塵的動態的過程，如圖1所示，由圖1可以看出，礦石落入礦倉的瞬間，礦石之間發生劇烈的碰撞，會使空氣所獲得的能量釋放，從而形成沖擊氣流，隨著時間的推移，沖擊氣流會攜帶大量的粉塵從礦倉內溢出。

圖1 產塵的動態過程Fig.1 Dynamic process of dust production

1.2 卸礦口粉塵質量濃度影響因素分析

由粉塵產生機理可知，卸礦口粉塵質量濃度的高低主要由沖擊風速大小決定，而沖擊氣流大小的影響因素可由式(1)表明[20]：

(1)

式中，Cd為礦石的正面阻力系數;ρg，ρp分別為礦石與空氣的密度，kg/m3;h為卸礦高度，m;mp為卸礦流量，kg/s;dp,D分別為礦石與溜井的直徑，m;ζ為溜井口局部通風阻力系數;vg為溜井沖擊氣流的大小，m/s。

由式(1)可知，沖擊氣流的大小主要與卸礦高度、卸礦流量、礦石粒徑和溜井斷面積等有關，此外，由粉塵產生機理可知，卸礦口粉塵質量濃度大小主要與沖擊風速大小有關，因此，各因素對卸礦口粉塵質量濃度的影響具體分析如下:

(1)卸礦高度對粉塵質量濃度影響分析，從溜井卸礦產塵機理表明，空氣所獲得的的能量主要來源于克服阻力做功，當卸礦高度越大時，空氣克服繞流阻力做功越多，空氣所獲得的能量越大，溜井卸礦后空氣釋放的能量越多，產生的沖擊風速也越大，其攜塵與揚塵能力越強。

(2)卸礦流量對粉塵質量濃度影響分析，卸礦流量的大小決定了單位時間溜井內礦石數量的多少，卸礦流量越大，溜井內礦石的數量越多，礦石與溜井內空氣的接觸面積增加，導致空氣的繞流阻力增大，空氣與礦石之間的能量交換增加，產生的沖擊風速也隨著增加，因此，溜井卸礦口粉塵質量濃度增加。

(3)礦石粒徑與含水率對粉塵質量濃度影響分析，礦石粒徑與含水率對粉塵質量濃度的影響與卸礦流量相同，卸礦流量一定時，礦石粒徑越大，其比表面積越小，溜井內礦石與空氣的接觸面積減小，含水率越高，減少了溜井內礦石的分散程度，礦石與空氣的接觸面積也減少，接觸面積的大小影響著礦石與空氣之間能量的交換，接觸面積越大，礦石與空氣的能量交換越多，溜井卸礦產生的沖擊風速也越大，攜帶的粉塵量越多，反之則越少。根據上述分析可知，礦石粒徑與含水率越小，溜井卸礦產生的沖擊風速越大，其攜塵與揚塵能力越強。

2 相似準則數導出

由卸礦口粉塵產生機理得知，卸礦后粉塵產生的主要動力來源于沖擊氣流，因此，建立相似模型所滿足的動力相似時主要考慮相似實驗模型與原型的沖擊氣流相似。由式(1)可知，沖擊氣流的大小vg主要與卸礦流量mp、卸礦高度h、溜井直徑D、空氣的動力黏度μg、礦石的直徑dp、礦石的密度ρp、空氣的密度ρg、重力加速度g、局部阻力系數ζ等物理量有關，由量綱分析可知，這些物理量之間的關系可表述為

f(vg,mp,h,D,μg,dp,ρp,ρg,g,ζ)=0

(2)

(3)

3 模型建立與測點布置

3.1 相似實驗模型建立

以某礦溜井為原型，該溜井共服務4個水平中段，并從上至下依次編號為一、二、三、四中段，每個中段高20 m，斜溜槽與溜井夾角為35°，在運動相似、動力相似的基礎上，根據原型與相似模型的幾何相似比為25∶1進行搭建，該溜井及相似實驗的主要尺寸見表1。該相似實驗裝置主要由主溜井、斜溜槽、卸礦硐室、卸礦漏斗、礦倉和卡箍組成，實驗的搭建材料為亞克力透明管，建立的相似實驗裝置如圖2所示。

表1 原型與模型尺寸Table 1 Prototype and model dimensions

圖2 實驗裝置示意Fig.2 Similar experimental device

3.2 實驗測定方法及測點布置

(1)材料準備。實驗所用礦石來源于現場，根據幾何相似比將其破碎，并利用不同孔徑的篩子將其篩分，篩分后的礦石分為5種粒徑分布，分別為<0.5,0.5～1.0，1.0～5.0，5.0～10.0和10～20 mm，如圖3所示，此外，測得礦石原始含水率為0.37%。

(2)測點布置。各中段粉塵質量濃度的測點位置均在卸礦口中心。

(3)測定方法。通過CCZ-20(A)型礦用防爆粉塵采樣儀對各中段卸礦口全塵與呼塵質量濃度進行測量，利用LD-5C激光粉塵儀對各中段卸礦口粉塵質量濃度隨時間的變化規律進行測定。

4 實驗結果及分析

4.1 各中段卸礦口粉塵質量濃度時間分布規律

通過理論分析，卸礦口粉塵質量濃度主要受卸礦流量、卸礦高度、礦石粒徑分布、含水率等因素影響，為了研究各中段卸礦口粉塵質量濃度隨時間的變化關系，在卸礦流量為1.0 kg/s、礦石粒徑分布一定和礦石含水率為0.37%的前提下，在一中段進行人工卸礦，得到各中段卸礦口粉塵質量濃度隨時間的變化規律，并與文獻[20]中的現場實測結果進行對比，如圖4所示。

圖4 各中段卸礦口粉塵質量濃度隨時間的變化趨勢Fig.4 Change trend of dust concentration with time in each middle section

由圖4可知:① 文獻[20]中溜井的每個中段的高度間隔為25 m，而本文溜井的每個中段高度間隔為20 m，雖然二者在間隔高度有一定的差距，但也具有一定的參考價值。相似實驗結果中粉塵質量濃度隨時間的變化規律與現場實測的變化規律大致相同，但是現場實測中三、四粉塵質量濃度峰值的持續時間不明顯，這主要是現場與相似實驗在測點位置選取存在一定差異造成;② 在卸礦流量、含水率等參數一定時，三、四中段卸礦口粉塵質量濃度隨時間均先增大到峰值穩定一段時間后開始下降，而一、二中段卸礦口粉塵質量濃度隨時間先增大后減小，其峰值沒有持續;③ 在卸礦流量、含水率等參數不變時，三、四中段卸礦口粉塵質量濃度峰值分別可達295，345 mg/m3，而一、二中段卸礦口粉塵質量濃度峰值分別為74，15 mg/m3?？梢?，沖擊氣流主要對三、四中段卸礦口的粉塵污染嚴重;④ 三、四中段卸礦口粉塵質量濃度峰值持續時間分別約為50，70 s，而一、二中段粉塵質量濃度的峰值沒有明顯的持續，由此也可反映出，三、四中段卸礦口粉塵污染較嚴重。

4.2 不同影響因素下粉塵質量濃度分布規律

結合前面分析得知多中段高溜井卸礦后三、四中段卸礦口粉塵污染比較嚴重，因此本文主要研究不同影響因素對三、四中段卸礦口粉塵質量濃度的分布規律的影響。

4.2.1卸礦流量

為了研究不同流量時，三、四中段卸礦口粉塵質量濃度的變化規律，利用不同直徑的卸礦漏斗控制卸礦流量分別為0.4，0.6，0.8，1.0，1.2 kg/s，在卸礦高度為3.6 m、含水率為0.37%、礦石粒徑分布一定的情況下，得到不同卸礦流量下三、四中段卸礦口粉塵質量濃度變化趨勢，如圖5所示。

圖5 卸礦流量對卸礦口粉塵質量濃度的影響Fig.5 Influence of discharge flow on dust concentration at unloading port

由5(a)，(b)表明:① 各流量下三、四中段粉塵質量濃度隨著時間的增加，呈現出先增大到峰值后穩定一段時間，然后逐漸下降的趨勢;② 除卸礦流量1.2 kg/s外，其他流量下三、四中段卸礦口粉塵質量濃度峰值持續的時間隨著卸礦流量的增加而增大，而卸礦流量為1.2 kg/s時，三、四中段卸礦口粉塵質量濃度持續時間突然降低，并且與卸礦流量為0.8 kg/s時的持續時間大致相同;③ 卸礦流量大于0.8 kg/s時，卸礦流量對三、四中段粉塵質量濃度峰值的影響較小，差異主要表現在各流量下粉塵質量濃度峰值的持續時間。

由圖5(c)，(d)表明:① 卸礦流量小于1.0 kg/s時，三、四中段全塵與呼塵質量濃度隨著卸礦流量的增加而增大，而卸礦流量為1.2 kg/s時，三、四中段卸礦口全塵與呼塵質量濃度出現突然降低的現象，造成該現象的原因可能為卸礦流量增大到一定程度時，礦石在溜井內的分散程度降低，導致礦石與空氣的接觸面積減少，從而降低了沖擊風速，因此粉塵質量濃度也隨之下降;② 三、四中段全塵和呼塵質量濃度整體上與卸礦流量近似呈冪函數關系，此外，三中段全塵與呼塵質量濃度的冪函數指數比四中段的指數大，四中段全塵與呼塵質量濃度的函數指數約為0.2，而三中段全塵與呼塵質量濃度的函數指數為0.4左右;③ 不同卸礦流量時，三、四中段呼塵質量濃度為全塵質量濃度的31.6%～37.5%。

4.2.2卸礦高度

為了研究不同卸礦高度時，三、四中段卸礦口粉塵質量濃度的分布規律，在卸礦流量為1.0 kg/s、礦石粒徑分布一定、含水率為0.37%時，分別在一中段(h=3.6 m)、二中段(h=2.8 m)、三中段(h=2.0 m)、四中段(h=1.2 m)進行人工卸礦，測得三、四中段卸礦口粉塵質量濃度的變化規律，如圖6所示。

由圖6(a)，(b)表明:① 隨著時間的增加，三、四中段卸礦口粉塵質量濃度增大到峰值穩定一段時間后開始下降;② 隨著卸礦高度的增加，三、四中段粉塵質量濃度的峰值逐漸增大，并且峰值穩定的時間逐漸增加。卸礦高度小于2.0 m時，三、四中段卸礦口粉塵質量濃度的持續時間分別在30，50 s左右。當卸礦高度增大到3.6 m時，四中段粉塵質量濃度峰值持續時間可達70 s左右，三中段粉塵質量濃度持續時間約40 s;③ 卸礦高度由2.8 m增加到3.6 m時，四中段粉塵質量濃度峰值變化較弱，而三中段粉塵質量濃度峰值變化較為明顯。

圖6 卸礦高度對卸礦口粉塵質量濃度的影響Fig.6 Influence of discharging height on dust concentration at unloading port

由圖6(c)，(d)表明:① 三、四中段卸礦口呼塵與全塵質量濃度均隨著卸礦高度的增加而增大，原因為卸礦高度的增加，礦石下落過程中產生的勢能增加，空氣獲得的能量增多，從而增加了沖擊風速，所以導致了卸礦高度越大，粉塵質量濃度愈高;② 當卸礦高度下降到1.2 m時，三、四中段卸礦口全塵的質量濃度分別為135,224 mg/m3，與卸礦高度3.6 m相比，三、四中段粉塵質量濃度分別下降了54.2%，35.0%;③ 三、四中段全塵和呼塵質量濃度與卸礦高度近似呈冪函數關系，與卸礦流量相同，三中段全塵與呼塵的冪函數指數大于四中段指數;④ 不同卸礦高度下，三、四中段呼塵質量濃度約占全塵質量濃度的31.2%～35.0%。

4.2.3礦石粒徑

為研究不同礦石粒徑下，三、四中段卸礦口粉塵質量濃度的分布規律，在卸礦流量為1.0 kg/s、卸礦高度為3.6 m、含水率為0.37%的情況下，得到不同粒徑分布時三、四中段卸礦口粉塵質量濃度的變化規律，如圖7所示。

圖7 礦石粒徑對卸礦口粉塵質量濃度的影響Fig.7 Effect of ore particle size on dust concentration at unloading port

由圖7(a)，(b)可知:① 隨著時間的增加，各粒徑分布下三、四中段卸礦口粉塵質量濃度先增大到峰值穩定一段時間后逐漸下降，并且隨著礦石粒徑分布的增大，三、四中段卸礦口粉塵質量濃度峰值下降，峰值持續時間逐漸減小;② 當粒徑分布為在1.0～5.0 mm以上時，三、四中段卸礦口粉塵質量濃度峰值的持續時間分別在30，50 s左右，而礦石粒徑分布在0.5～1.0 mm時，三、四中段卸礦口粉塵質量濃度的持續時間分別可達50，70 s。

由圖7(c)，(d)可知:① 當礦石粒徑分布從0.5～1.0 mm增加到10.0～20.0 mm時，三、四中段卸礦口全塵質量濃度逐漸降低，其主要原因是相同質量的礦石，粒徑分布越小，其比表面積越大，與空氣接觸越充分，轉化的能量越多，導致產生的沖擊氣流越大，從而粒徑越小，相應的粉塵質量濃度越高;② 當礦石粒徑為0.5～1.0 mm時，三、四中段全塵質量濃度分別為301，364 mg/m3，當礦石粒徑分布為10.0～20.0 mm時，三、四中段全塵密度分別下降到168，287 mg/m3，與礦石粒徑分布0.5～1.0 mm相比，三、四中段全塵密度分別下降了44.2%,21.2%，由此可見，礦石粒徑分布的變化對三中段粉塵質量濃度影響更為明顯;③ 三、四中段呼塵質量濃度的變化趨勢與全塵一致，并且在各粒徑分布中，三、四中段卸礦口呼塵質量濃度最大分別可達105，127 mg/m3，在各粒徑分布中，呼塵質量濃度占全塵密度的31.0%～35.0%;④ 三、四中段全塵和呼塵質量濃度與礦石粒徑近似呈冪函數關系，對應的指數分別約為-0.3，-0.2。

4.2.4含水率

為了研究不同含水率時，三、四中段卸礦口粉塵質量濃度的分布規律，對原始礦石噴灑不同量的水并進行烘干，最后計算得到4種不同的含水率，分別為1.92%，3.56%，5.28%，6.50%。在卸礦流量為1.0 kg/s、卸礦高度為3.6 m、礦石粒徑分布一定的情況下，測得三、四中段卸礦口粉塵質量濃度的變化規律，如圖8所示。

由圖8(a)，(b)表明，含水率小于1.92%時，三、四中段卸礦口粉塵質量濃度隨時間的變化規律為先增大到峰值穩定一段時間后開始下降，并且含水率越小，三、四中段卸礦口粉塵質量濃度峰值越大，峰值持續時間越長，當含水率大于1.92%時，三、四中段卸礦口粉塵質量濃度達到峰值時沒有明顯的持續，與時間近似呈先增加后減小的趨勢。

圖8 含水率對卸礦口粉塵質量濃度的影響Fig.8 Effect of moisture content on dust concentration at unloading port

由圖8(c)，(d)表明:① 隨著含水率的增加，三、四中段卸礦口全塵與呼塵質量濃度逐漸降低，其原因為含水率的增加，下落礦石的離散程度下降，從而使礦石與空氣接觸面積減少，減少了礦石與空氣的能量交換，導致形成的沖擊風速下降，從而造成三、四中段卸礦口質量濃度降低;② 當含水率為0.37%時，三、四中段卸礦口呼塵質量濃度分別為92，109 mg/m3，當含水率增加到6.5%時，三、四中段卸礦口呼塵質量濃度均小于10 mg/m3;③ 三、四中段卸礦口全塵、呼塵質量濃度與含水率近似呈冪函數，其指數分別約為-0.83，-0.68;④ 當含水率達到3.56%后，卸礦口全塵、呼塵的質量濃度基本不再下降，三、四中段卸礦口呼塵約占全塵的31.3%～31.7%。

5 結 論

(2)多中段高溜井卸礦產生的沖擊氣流對三、四中段卸礦口粉塵污染嚴重，在卸礦流量為1.0 kg/s、礦石粒徑分布一定、礦石含水率為0.37%的前提下，三、四中段卸礦口峰值質量濃度分別可達295，345 mg/m3。

(3)不同卸礦流量、卸礦高度、礦石粒徑分布下，卸礦口粉塵質量濃度隨著時間的增加呈先增大到峰值后穩定一段時間然后開始下降。含水率大于1.92%時，卸礦口粉塵質量濃度隨時間的變化趨勢與卸礦流量等因素相同，而當含水率大于1.92%時，粉塵質量濃度隨時間的變化趨勢近似為先增大后減小。此外，不同影響因素下粉塵質量濃度峰值的持續時間有所差異，最長可達70 s。

(4)卸礦口全塵與呼塵質量濃度整體上與卸礦流量呈正比關系，但流量過大時也會出現質量濃度突然降低的現象;卸礦口全塵、呼塵質量濃度與卸礦高度呈正相關，而與礦石粒徑分布、含水率呈負相關，當礦石含水率達到3.56%時，卸礦口全塵與呼塵的質量濃度基本趨于穩定，不再降低;不同影響因素下，呼塵質量濃度約為全塵質量濃度的31.0%～37.5%。