冬季露天煤礦采場霧氣分布及除霧效果分析

智曉峰，鞠興軍，張周愛，繆衛峰，杜勇志，張 洋，楊小彬，程虹銘

（1.大雁公司（神寶能源）寶日希勒露天煤礦，內蒙古 呼倫貝爾 021008；2.中國礦業大學（北京）應急管理與安全工程學院，北京 100083）

霧是空氣中水蒸氣接近飽和時，氣象參數（溫度、濕度、氣壓等）發生變化，多余水蒸氣凝結成細小水滴析出、匯聚而成［1］。工程中，霧害主要是降低作業空間能見度，給作業空間內的人員帶來安全隱患。張清琳［2］分析了城市管廊工程中空氣霧化原因，提出一種新型的綜合管廊通風除霧系統；薛永慶等［3］采用實測和數值模擬的方法分析冬季引水隧道霧氣產生原因，提出升溫除濕的方式減小引水隧道霧氣的產生；孫寶芝等［4］基于熱力學原理分析了地下海水坑道霧氣形成機制，提出升溫、降溫、通風等幾種消霧方法并進行了現場應用；李增華等［5］、吳吉男等［6］、秦憲禮等［7］、祁學謙等［8］對井工煤礦巷道產霧原因進行了分析并提出了相應的治理措施。神寶能源寶日希勒露天煤礦冬季鏟裝作業中不同程度地發生了霧氣，加之，采場地勢低，空氣對流慢，霧氣縈繞在電鏟鏟斗與煤壁之間，消散慢，能見度低，電鏟作業司機視線受阻，既影響鏟裝效率又留下安全隱患。

為此，現場測定采場煤壁及鏟裝空間的溫度、濕度和風速，基于熱力學原理分析露天采場霧氣產生原因，采用數值模擬的方法分析采場霧氣分布情況，提出增設風機干預采場流場的方法進行除霧，并模擬分析了不同風機組合下采場流場分布及霧氣消散情況。

1 現場測試及結果分析

結合露天煤礦采場冬季霧氣形成機理，對寶日希勒露天煤礦采場在冬季12 月份鏟裝過程中形成霧氣區域的空氣溫度、濕度、風速進行現場測試。測點布置在采場煤壁及煤壁前方15 m 范圍內，測點布置間隔為5 m，其中煤壁處測點（A1、A2、A3、A4、B1、C1、D1）主要測定煤壁剛暴露時涌出空氣的溫度、濕度，但考慮到煤壁的不穩定性，可適當遠離煤壁測定，其余9 個測點測定采場空氣的溫度、濕度和風速。測定編號和布置如圖1 所示。各測點參數測5 次，取5 次測定結果的平均值作為測定的最終結果。測定的最終結果見表1～表3。

圖1 采場空間測點布置

表1 采場空間溫度測定結果 單位：℃

表3 采場空間風速測定結果 單位：m/s

霧是空氣相對濕度達到100%時空氣中的水蒸氣凝結形成細小水滴漂浮在空氣中形成的。空氣相對濕度的大小由濕空氣中水蒸氣的分壓與相同溫度下飽和水蒸氣的分壓比值決定，空氣相對濕度的增大可以是濕空氣中水蒸氣的分壓增大或空氣溫度降低所造成。從表1 中可以看出，新暴露的煤壁溫度與采場空間溫度相差較大，采場空間飽和水蒸氣分壓小于新暴露煤壁處的飽和水蒸氣分壓，煤壁瞬時涌出的濕空氣在采場空間達到飽和狀態析出細小水滴成霧；并且采場空間空氣相對濕度低于煤壁附近空氣（表2），相對濕度較大的濕空氣涌入相對濕度較小的空間，為霧氣源源不斷生產提供了條件；采場空間地勢低，兩面為煤壁，采場流場微弱（表3），亦不利于霧氣消散；同時，鏟裝過程中形成的大量煤塵作為凝結核，也為采場空間的汽-水轉化提供了依托。

表2 采場空間相對濕度測定結果 %

2 采場霧氣產生及分布數值模擬

2.1 采場霧氣分布數學模型

采用Ansys Fluent 軟件對冬季露天采場霧氣產生及分布規律進行數值計算與分析。霧氣為細小水滴的混合體，露天采場霧氣形成中又包裹著煤塵，可以用離散相模型（DPM）模擬分析細小水滴在采場空間中的分布規律，假定露天采場霧氣顆粒生成過程中滿足牛頓第二定律，進一步可運用拉格朗日法對霧氣顆粒運動方程進行積分求解，可求得外界流場作用下霧氣顆粒的分布規律，霧氣顆粒的受力方程［9］可表示為

式中：u為流體速度；up為顆粒速度；ρ為流體密度；ρp為顆粒密度；Fx為附加加速度；FD（u-up）為顆粒的單位質量曳力；gx為重力加速度。

相對雷諾數（顆粒雷諾數）

式中：dp為顆粒直徑；CD為曳力系數；α1、α2、α3根據相對雷諾數的范圍取不同的值。

2.2 采場幾何模型

依據寶日希勒露天煤礦采場布置情況及相關參數，建立三維幾何計算模型。采場空間長40 m、寬20 m、高30 m，鏟車位置在長度方向20 m 處，煤壁1、2、3 為電鏟司機可視區域，鏟車與煤壁1、2、3 間為霧氣生成區域和鏟車作業區，幾何模擬具體尺寸及布置情況如圖2 所示。

圖2 采場物理模型

2.3 采場霧氣分布規律

圖3 為Fluent 模擬得到的采場霧氣分布規律。可以看出，在近煤壁處生成的霧氣濃度相對較低，離煤壁距離增大，采場空氣溫度、濕度與煤壁涌出的濕空氣差異增大，霧氣生成濃度增加，最大濃度達17.7 g/m3。由于鏟車司機的視線高度大約在10 m，截取了采場10 m 高度處的霧氣濃度分布情況，如圖3（b）所示，可以看出，鏟車司機的視線平面內，霧氣的分布密集范圍在10 m 左右，也就是整個鏟斗的工作區域均分布著濃霧。

圖3 采場霧氣分布規律

3 風機干預下采場流場分布及除霧效果分析

霧氣的異常生成常出現在空氣流通不暢、空氣溫度、濕度急劇變化的管廊、地下空間工程等，一般可采取增溫、加大通風等方法降低空氣的相對濕度，達到除霧的目的。露天采場為半封閉空間，空間范圍大，增溫除霧達不到良好的效果，為此，提出增設風機以改變采場流場的除霧方法。

3.1 采場流場模型

露天采場空間大，要形成有效的流場風機需要較大的出口流速，并且受煤壁的影響，風流在近煤壁區域會形成渦流場，Fluent 軟件中的RNGk-ε模型是使用重整化群理論推導出來的，相比標準k-ε模型，RNGk-ε模型在模擬高速流和漩渦流方面提高了精度［10-11］，更適合模擬本文風機作用下采場流場分布情況。采場流場數學模型［12］及幾何模型如下：

1）流場連續方程：

式中：ui為速度張量；xi為位移張量。

2）流場動量方程：

式中：i=x、y、z，作為下標時代表X、Y、Z軸，否則代表位移張量；μ為動力黏度。

3）RNGk-ε湍流模型的動能方程：

4）RNGk-ε湍流模型的擴散方程：

式中：k為湍動能，m2/s2；ε為耗 散率，m2/s3；Gk為 由層流速度梯度產生的湍流動能；Gb為由浮力產生的湍流動能；αε、αk分別為ε方程和k方程的湍流普朗特數；Sk、Sε為用戶自定義；μi為湍流動力黏滯系數，Pa·s；YM為可壓縮湍流中過渡的擴散產生的波動。其中，μt為湍流黏性系數，模型常數分別為C1ε=1.42，C2ε=1.68。

5）幾何模型：根據電鏟情況，在電鏟不同位置增設3 臺風機以改變采場空間流場。如圖2 所示，在離地面3 m 處，電鏟兩側分別布置兩臺風機（風機1、2），再在風機2 上方2 m 處內錯1 m 布置風機3。

3.2 風機干預下采場流場分布情況

為探究風機作用下采場流場的分布情況，分別模擬了單臺風機、兩臺風機和3 臺風機的作用效果，風機出口風速設置為30 m/s。截取三維流場中10 m高度處平面，如圖4 所示，圖4（a）為單臺風機1 作用效果，可以看出流場流速由風機出口逐漸向煤壁衰減，煤壁處最小風速為8.5 m/s，圖4（b）、（c）、（d）分別為水平兩臺風機1 和2、垂直兩臺風機2 和3 及3 臺風機的作用效果，煤壁處的風速分別為10.4、11.0、11.6 m/s。從流場的空間分布上看（以流場流速11 m/s 等值線為例），單臺風機的作用范圍最小，3 臺風機的作用范圍最大，垂直兩臺風機減小風速的衰減，但其作用范圍小于水平布置的兩臺風機。

圖4 風機干預下采場流場分布

3.3 風機干預下除霧效果

DPM 模型中顆粒的運移分布受曳力的影響，見式（1），外在流場作用下可以增大顆粒的單位質量曳力，促進顆粒的運移。通過增設風機改變采場流場分布，進而促進霧氣顆粒運移，達到除霧效果。不同風機組合下流場分布及影響范圍不同，本節模擬分析不同風機組合下除霧效果，如圖5 所示。

圖5（a）為單臺風機1 作用下霧氣顆粒濃度分布情況。可以看出，單臺風機作用下，采場霧氣濃度開始下降，但是采場拐角處霧氣濃度依然很高，最大霧氣濃度約為15.2 g/m3。圖5（b）為兩臺水平風機1、2 作用下霧氣顆粒濃度分布情況，兩臺水平風機流場作用范圍大，采場霧氣濃度顯著下降，采場拐角處積聚的最大霧氣濃度為4.53 g/m3。圖5（c）為兩臺垂直風機2、3 作用下霧氣顆粒濃度分布情況，兩臺垂直風機減小了流場流速的衰減，但是影響范圍小于兩臺水平風機，采場霧氣消散情況劣于兩臺水平風機作用效果，采場大部分區域仍然遍布霧氣，霧氣最大濃度為9.94 g/m3。圖5（d）為模擬試驗3 臺風機作用下霧氣顆粒濃度分布情況，3 臺風機作用下流場影響范圍大，流速衰減小，除霧效果顯著，只在采場拐角處有殘霧存在，最大濃度在3.5 g/m3左右。

圖5 風機干預下采場霧氣濃度分布

以上數值模擬試驗表明：露天采場增設風機改變流場的方法可有效消除采場霧氣，且不同的風機組合下除霧效果不同。實際運用中，可根據現場霧氣分布情況選擇不同的風機組合形式，例如：霧氣濃度較小時，可開設一臺風機，既可達到除霧效果又減小電能消耗；霧氣濃度較大時，初期開設3 臺風機，可快速消除鏟車司機前方霧氣，隨著鏟車司機視野的開闊可減少風機數量，通過水平兩臺或垂直兩臺風機進一步消除采場霧氣。

4 結論

通過對神寶能源寶日希勒露天煤礦冬季采場霧氣進行現場實測，結合理論分析和數值模擬，對該露天礦冬季采場霧氣形成機理及風機干預除霧效果進行分析，得到以下結論：

1）該露天礦冬季采場空間內以電鏟鏟裝過程中形成的大量煤塵作為凝結核依托，煤中濕空氣與采場中低溫、低濕空氣混合，降溫增濕及混合增濕兩種方式下，采場空間局部空氣相對濕度達到100%后形成霧氣，霧氣形成過程中關鍵參數是空氣溫度和濕度。

2）煤中濕空氣與采場中低溫、低濕空氣混合后，電鏟與煤壁中間是霧氣形成的主要區域，數值模擬顯示霧氣生成的范圍在10 m 左右，生成的霧氣最大濃度為17.7 g/m3，已嚴重阻擋鏟車司機的作業視線。

3）增設風機的方法可有效改善采場空間的流場，數值模擬得到：單臺風機作用下，煤壁拐角處風速為8.5 m/s；兩臺風機作用下，煤壁拐角處風速有所增加，相比兩臺風機水平布置，垂直布置的兩臺風機作用范圍相對較小；3 臺風機同時布置，作用范圍最大。

4）流場的作用改變了霧氣顆粒的運移，可有效地消散霧氣。數值模擬得出：當增設1 臺風機時，煤壁拐角處的霧氣的最大濃度約為15.2 g/m3；增設兩臺水平風機時，煤壁拐角處的霧氣的最大濃度約為4.53 g/m3；增設垂直兩臺水平風機時，煤壁拐角處的霧氣的最大濃度約為9.94 g/m3；增設3 臺風機時，煤壁拐角處的霧氣幾乎全部消散。