于海里，侯慶亮，李敬國(guó)，希都日古，于 昕

（內(nèi)蒙古白音華蒙東露天煤業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026200）

0 引 言

雖然我國(guó)能源結(jié)構(gòu)正由煤炭為主向多元化轉(zhuǎn)變，但是資源稟賦特征決定了2050年前煤炭仍將是我國(guó)的主要消費(fèi)能源[1-3]。長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭開(kāi)采與利用總體是一個(gè)粗放的過(guò)程，尤其是煤炭開(kāi)采過(guò)程中，往往產(chǎn)生大量粉塵。高濃度粉塵不僅威脅礦井安全生產(chǎn)，而且誘發(fā)塵肺、心血管等疾病[4-6]。根據(jù)國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)公布的數(shù)據(jù)，2021年全國(guó)共報(bào)告職業(yè)病新病例15 407例，其中，職業(yè)性塵肺病11 809例，占比高達(dá)76.65%[7]，是我國(guó)危害最大和分布最廣的職業(yè)病，尤其是在煤炭行業(yè)。自有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以來(lái)，煤工塵肺累計(jì)報(bào)告病例占到職業(yè)性塵肺病總量近半數(shù)。近十幾年來(lái)，每年煤工塵肺新增病例都在60%以上。由此導(dǎo)致的死亡人數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)煤礦生產(chǎn)事故的死亡人數(shù)[8-9]，可見(jiàn)煤炭生產(chǎn)所帶來(lái)的煤塵污染問(wèn)題嚴(yán)重威脅著員工的身體健康。

快速定量裝車站是煤炭對(duì)外鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾画h(huán)，20世紀(jì)70年代起國(guó)外學(xué)者就對(duì)露天煤礦粉塵的產(chǎn)塵機(jī)理進(jìn)行了研究[10]，分析散料裝卸作業(yè)過(guò)程中車輛運(yùn)行揚(yáng)塵、風(fēng)刮起塵和散料裝卸揚(yáng)塵等因素對(duì)露天煤礦作業(yè)區(qū)域內(nèi)呼吸性粉塵和全塵濃度的影響，并確定相應(yīng)的治理措施。劉乃偉[9]針對(duì)裝車站不同作業(yè)工序，分析其產(chǎn)塵特點(diǎn)，構(gòu)建多樣化抑塵技術(shù)，將裝車站內(nèi)部粉塵量控制在2.5 mg/m3以下。荊德吉等[11]基于歐拉-歐拉模型采用數(shù)值模擬的方法分析落煤塔區(qū)域粉塵逸散過(guò)程，指出引起落煤塔噴塵的主要因素是高壓誘導(dǎo)氣流，并據(jù)此提出“內(nèi)吸外抑”的綜合防塵技術(shù)。湯萬(wàn)鈞等[12]根據(jù)不同產(chǎn)塵因素的產(chǎn)塵特點(diǎn)分析各自的起塵機(jī)理，基于流體力學(xué)采用數(shù)值模擬的方法研究了露天煤礦粉塵聚集擴(kuò)散機(jī)理，依據(jù)隨機(jī)森林模型得到影響露天煤礦粉塵運(yùn)移的主要因素。

目前裝車站作業(yè)區(qū)域煤塵污染防治工作一直無(wú)法達(dá)到理想效果，一方面是對(duì)裝車站作業(yè)區(qū)域粉塵污染運(yùn)移規(guī)律尚不清晰，另一方面目前對(duì)于防控塵措施的研究主要針對(duì)采掘面等封閉或半封閉環(huán)境，對(duì)于煤礦裝車站這種開(kāi)放性環(huán)境下粉塵污染問(wèn)題的治理研究較少。此外，煤炭裝載實(shí)際運(yùn)行過(guò)程受到氣象環(huán)境因素影響，致使沖擊產(chǎn)塵運(yùn)移過(guò)程十分復(fù)雜，而明確粉塵運(yùn)移規(guī)律對(duì)于制定有效的控塵、防塵措施具有重要意義。因此，本文以白音華三號(hào)露天煤礦裝車站為研究對(duì)象，構(gòu)建物理模型，運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究不同風(fēng)流擾動(dòng)作用下裝車站粉塵運(yùn)移規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)裝車站區(qū)域采用防風(fēng)抑塵網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，為煤炭裝載沖擊產(chǎn)塵防治與環(huán)境保護(hù)工作提供參考與借鑒。

1 風(fēng)流-粉塵運(yùn)移數(shù)學(xué)模型與物理模型

1.1 氣固兩相流數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

目前氣固兩相流模擬方法有歐拉-歐拉法與歐拉-拉格朗日法，歐拉-拉格朗日法直接對(duì)離散顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行求解，適用于稀疏顆粒流，該方法假設(shè)少，模型簡(jiǎn)化，同時(shí)揭示了每個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)和反應(yīng)規(guī)律，相較于顆粒相擬流體模型，該模型更為合理精確。

對(duì)于湍流流動(dòng)的數(shù)值模擬，考慮計(jì)算精度與模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)計(jì)算機(jī)性能的要求，采用一種非直接數(shù)值模擬方法——雷洛平均法，將瞬態(tài)脈動(dòng)量通過(guò)某種模型在時(shí)均化的方程中體現(xiàn)出來(lái)，引入雷諾應(yīng)力的封閉模型求解時(shí)均化雷諾方程[13]。

1）連續(xù)相流動(dòng)控制方程。對(duì)于不可壓縮流體流動(dòng)，在不考慮熱量交換的條件下，其流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒定律與動(dòng)量定律。對(duì)于氣固兩相流系統(tǒng)，任一邊長(zhǎng)為dx、dy和dz的微元控制體中氣相連續(xù)性方程見(jiàn)式（1）。

式中： ρg為氣體相密度，kg/m3；ux、uy、uz為流體質(zhì)點(diǎn)的速度沿三個(gè)坐標(biāo)軸的分量，m/s； αf為連續(xù)相空隙率，表示控制體中氣體所占的體積份額，計(jì)算見(jiàn)式（2）。

瞬時(shí)狀態(tài)下湍流流動(dòng)的動(dòng)量守恒方程見(jiàn)式（3）

式中：Fsf為離散顆粒相對(duì)流體的作用力，N； τij為雷諾應(yīng)力，N；g為重力加速度，m/s2。

Realizableκ-ε模型方程見(jiàn)式（4）。

2）離散項(xiàng)控制方程。根據(jù)牛頓第二定律構(gòu)建顆粒相的運(yùn)動(dòng)求解方程見(jiàn)式（6）。

1.2 物理模型

根據(jù)裝車站實(shí)際設(shè)施的布置和作業(yè)規(guī)程，建立與之1∶1對(duì)應(yīng)的物理模型，構(gòu)建的物理幾何模型由外流域、落煤塔、C70型通用敞車三大部分構(gòu)成，如圖1所示。模型尺寸為180 m×38 m×48 m，其中風(fēng)流方向與敞車運(yùn)移方向之間的夾角為45°，敞車與敞車之間的間距為1.024 m，未裝車區(qū)域有4輛敞車等待裝車，正在裝車區(qū)域有1輛敞車，4輛敞車裝車完畢駛離裝車站生產(chǎn)區(qū)域，在裝車站下風(fēng)側(cè)出口兩端設(shè)置防風(fēng)抑塵網(wǎng)。

圖1 裝車站物理模型Fig.1 Physical model of loading station

2 網(wǎng)格劃分與邊界參數(shù)設(shè)定

對(duì)物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，目前常用的判定網(wǎng)格質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)為Skewness與Element Quality，基于網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)于仿真結(jié)果的重要性，本文用Skewness與Element Quality兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，網(wǎng)格質(zhì)量見(jiàn)表1。本次模擬所采用的湍流模型為Realizableκ-ε模型，壁面函數(shù)使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

表1 網(wǎng)格質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics table of grid quality

結(jié)合白音華蒙東煤業(yè)公司裝車站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際通風(fēng)情況對(duì)邊界條件作如下設(shè)置：外流域入口邊界條件設(shè)置為Velocity Inlet，速度u與高度z的關(guān)系按實(shí)際風(fēng)廓線分布，數(shù)值分布符合式（7）。

式中：u10為10 m處的風(fēng)速，u10=2.7 m/s；z為距地面的高度，m。

基于裝車站作業(yè)空間內(nèi)的粉塵粒徑及質(zhì)量濃度的測(cè)定數(shù)據(jù)，對(duì)湍流及離散相模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，主要模擬參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 邊界條件參數(shù)Table 2 Parameters of boundary condition

3 煤炭裝載沖擊產(chǎn)塵運(yùn)移規(guī)律分析

3.1 風(fēng)流擾動(dòng)下裝車站粉塵分布規(guī)律

為了探究風(fēng)流擾動(dòng)下裝車站粉塵運(yùn)移規(guī)律，運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析了在風(fēng)速為2.70 m/s、45°斜向風(fēng)作用下煤礦裝車站粉塵運(yùn)移狀況。

自然通風(fēng)條件下粉塵擴(kuò)散云圖如圖2所示。在不采取任何除塵裝置下裝車站下風(fēng)側(cè)出現(xiàn)大面積粉塵污染，粉塵顆粒運(yùn)移速度極值達(dá)到8.29 m/s，粉塵顆粒運(yùn)移除自身重力因素外，其主要受到外界風(fēng)流的影響。

圖2 自然通風(fēng)條件下粉塵擴(kuò)散云圖Fig.2 Cloud map of dust diffusion under natural ventilation

對(duì)煤礦裝車站生產(chǎn)區(qū)域速度場(chǎng)進(jìn)行定性分析，如圖3（a）所示。風(fēng)流遇到裝車站迎風(fēng)面后在建筑物前緣角點(diǎn)處發(fā)生分離，一部分風(fēng)流沿迎風(fēng)面兩側(cè)流動(dòng)，一部分進(jìn)入裝車涵洞內(nèi)向下風(fēng)側(cè)運(yùn)移，在此過(guò)程中夾帶煤塊裝車產(chǎn)生的懸浮狀粉塵顆粒向下風(fēng)側(cè)區(qū)域運(yùn)移，由圖2（a）可知，裝車涵洞出口處粉塵顆粒運(yùn)移速率超過(guò)2.25 m/s，其原因?yàn)橥ㄟ^(guò)裝車涵洞的過(guò)堂風(fēng)改變粉塵顆粒原本的受力狀態(tài)，使懸浮態(tài)的粉塵顆粒獲得一定的加速度，以較高的運(yùn)移速度向下風(fēng)側(cè)擴(kuò)散。

圖3 煤礦裝車站區(qū)域風(fēng)流流線圖Fig.3 Wind flow diagram of coal mine installation station area

由于建筑物阻礙作用使得在裝車站下風(fēng)側(cè)出現(xiàn)較大范圍風(fēng)流低速區(qū)，如圖3（a）所示。同時(shí)，在裝車站下風(fēng)側(cè)出現(xiàn)較大范圍粉塵污染區(qū)域，如圖3（b）所示。一部分風(fēng)流發(fā)生回流，風(fēng)速降低，在背風(fēng)面形成一個(gè)順時(shí)針渦旋，使得低水平處的粉塵顆粒受風(fēng)流影響向上運(yùn)移，對(duì)比圖2（b）與圖3（b）可知，低風(fēng)速渦旋區(qū)域與粉塵顆粒污染范圍大致吻合。由此可知，裝車站風(fēng)流場(chǎng)中流經(jīng)裝車涵洞的過(guò)堂風(fēng)與背風(fēng)面形成的低風(fēng)速順時(shí)針渦旋是造成下風(fēng)側(cè)粉塵顆粒運(yùn)移特性的主要原因。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝車站生產(chǎn)區(qū)域粉塵擴(kuò)散運(yùn)移的有效控制，需改善裝車站風(fēng)流場(chǎng)。

3.2 不同風(fēng)速下裝車站粉塵擴(kuò)散運(yùn)移規(guī)律

氣象風(fēng)流在裝車站粉塵擴(kuò)散運(yùn)移過(guò)程中有著重要影響，為進(jìn)一步探究自然風(fēng)速對(duì)煤炭裝載沖擊粉塵運(yùn)移規(guī)律的影響，參照不同風(fēng)級(jí)氣象特征，在0.10 m/s（無(wú) 風(fēng)）、2.70 m/s（輕 風(fēng)）、4.15 m/s（微 風(fēng)）、6.70 m/s（和風(fēng)）、9.35 m/s（清風(fēng)）、12.30 m/s（強(qiáng)風(fēng)）風(fēng)流擾動(dòng)下，開(kāi)展數(shù)值模擬工作，分析裝車站風(fēng)流場(chǎng)的速度分布規(guī)律。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，風(fēng)流經(jīng)過(guò)裝車站時(shí)速度會(huì)出現(xiàn)局部提高，裝車涵洞內(nèi)漂浮的煤塵顆粒在風(fēng)流夾帶作用下，向下風(fēng)側(cè)區(qū)域擴(kuò)散，如圖4所示。由于裝車站建筑物的影響，下風(fēng)側(cè)出現(xiàn)風(fēng)流低速區(qū)。隨著自然風(fēng)速的增加，下風(fēng)側(cè)區(qū)域內(nèi)風(fēng)速分布的不均勻性加劇，加重了裝車站附近風(fēng)流的紊亂程度，提升了該區(qū)域內(nèi)風(fēng)速的極值。

圖4 不同通風(fēng)條件下裝車站速度場(chǎng)分布Fig.4 Velocity field distribution of installation station under different ventilation conditions

不同通風(fēng)條件下粉塵質(zhì)量濃度分布如圖5所示。由圖5可知，隨著風(fēng)速的增大，裝車站下風(fēng)側(cè)粉塵濃度分布呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)自然風(fēng)速為0.10 m/s時(shí)，裝車涵洞內(nèi)粉塵濃度達(dá)到最大值，其值為2 370.000 mg/m3，隨著與裝車涵洞距離的增加，在重力的作用下粉塵顆粒發(fā)生沉降，粉塵濃度迅速降低為0 mg/m3；當(dāng)自然風(fēng)速為2.70 m/s時(shí)，粉塵濃度沿程分布呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，在距裝車站0～52.105 m的范圍內(nèi)粉塵顆粒受到風(fēng)流的擾動(dòng)作用大于重力影響，致使粉塵顆粒在空間中彌散，在距裝車站37.218 m處粉塵濃度高達(dá)583.297 mg/m3。當(dāng)與裝車站之間的距離超過(guò)52.105 m時(shí)，在重力的作用下粉塵顆粒發(fā)生沉降，質(zhì)量濃度迅速降至為0；當(dāng)自然風(fēng)速為4.15 m/s時(shí)，粉塵濃度沿程呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，在距裝車站38.120 m處粉塵濃度達(dá)到最大值，其值為264.731 mg/m3；當(dāng)自然風(fēng)速超過(guò)6.70 m/s時(shí)，粉塵濃度沿程分布近似保持69.106 mg/m3不變。

圖5 不同通風(fēng)條件下粉塵質(zhì)量濃度分布Fig.5 Distribution of dust mass concentration under different ventilation conditions

圖6為不同通風(fēng)條件下離地面2 m處粉塵污染面積統(tǒng)計(jì)圖。由圖6可知，當(dāng)自然風(fēng)速為0.10 m/s時(shí)，重力沉降作用明顯，污染面積為298.143 m2。在自然風(fēng)速由2.70 m/s增加至6.70 m/s的過(guò)程中，重力沉降作用逐漸降低，風(fēng)流擾動(dòng)作用逐漸增強(qiáng)，粉塵污染面積由937.182 m2增加至1 311.259 m2。當(dāng)自然風(fēng)速超過(guò)9.35 m/s時(shí)，風(fēng)流擾動(dòng)作用進(jìn)一步加強(qiáng)，較大粒徑的粉塵顆粒在風(fēng)流的夾帶作用下向下風(fēng)側(cè)進(jìn)一步擴(kuò)散，粉塵的污染面積超過(guò)1 847.932 m2。

圖6 不同通風(fēng)條件下粉塵污染面積Fig.6 Dust pollution area under different ventilation conditions

綜上所述，當(dāng)自然風(fēng)速不超過(guò)2.70 m/s時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，粉塵濃度與污染面積均呈現(xiàn)出升高趨勢(shì)。隨著風(fēng)速的增大，裝車站風(fēng)流的不均勻性逐漸加劇，造成粉塵顆粒在風(fēng)流的夾帶作用下向下風(fēng)側(cè)區(qū)域擴(kuò)散。當(dāng)自然風(fēng)速超過(guò)2.70 m/s時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，粉塵濃度逐漸降低，污染范圍逐漸擴(kuò)大。自然風(fēng)速越高，風(fēng)流擾動(dòng)作用越明顯，粒徑較大的粉塵顆粒在風(fēng)流擾動(dòng)作用下不再發(fā)生沉降運(yùn)動(dòng)，向下風(fēng)側(cè)進(jìn)行擴(kuò)散。

3.3 阻隔抑塵下裝車站粉塵分布特征

為了降低裝車站粉塵濃度，縮小粉塵污染面積，提出了采用防風(fēng)抑塵網(wǎng)減輕裝車站粉塵污染程度，并進(jìn)一步探究了網(wǎng)高對(duì)于抑塵效果的影響。

提高抑塵效率首要是改善裝車站內(nèi)風(fēng)流場(chǎng)分布，防風(fēng)抑塵網(wǎng)通過(guò)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)改變其表面風(fēng)速和湍流強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)改變風(fēng)流場(chǎng)特性的目的。相對(duì)于其他降塵工藝，防風(fēng)抑塵網(wǎng)具有一次性投資低、維護(hù)工作量小、操作容易等特點(diǎn)。防風(fēng)抑塵網(wǎng)控塵效果影響因素眾多，其中防風(fēng)抑塵網(wǎng)的安裝高度是一個(gè)重要的影響因素，相關(guān)研究表明，在一定安裝范圍內(nèi)隨著網(wǎng)高的增加可以降低粉塵擴(kuò)散范圍。

為了有效解決煤炭裝載粉塵運(yùn)移污染問(wèn)題，基于白音華三號(hào)露天煤礦所處的自然條件，在風(fēng)速為2.70 m/s、45°斜向風(fēng)作用下對(duì)煤礦裝車站抑塵技術(shù)進(jìn)行探究。本文以抑塵網(wǎng)安裝高度為自變量，探究其對(duì)煤礦裝車站風(fēng)流場(chǎng)與控塵效果的影響，為現(xiàn)場(chǎng)控塵措施的制定提供參考。抑塵網(wǎng)的模擬參數(shù)見(jiàn)表3。風(fēng)流場(chǎng)分布云圖如圖7所示。風(fēng)流通過(guò)抑塵網(wǎng)后動(dòng)能降低，風(fēng)速減小，在裝車站下風(fēng)側(cè)與兩抑塵網(wǎng)之間的區(qū)域內(nèi)形成低速區(qū)，隨著網(wǎng)高的增加，低速區(qū)的范圍逐漸擴(kuò)大，且風(fēng)速值趨于穩(wěn)定，兩抑塵網(wǎng)之間的區(qū)域風(fēng)速低于0.80 m/s。同時(shí)，隨著網(wǎng)高的增加，風(fēng)速極值呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢(shì)，當(dāng)網(wǎng)高為7 m時(shí)，風(fēng)速極值最小，其數(shù)值低于0.70 m/s。

表3 抑塵網(wǎng)參數(shù)設(shè)置Table 3 Parameter setting of dust suppression net

圖7 不同高度抑塵網(wǎng)條件下水平面z=3.5 m風(fēng)流場(chǎng)分布云圖（俯視圖）Fig.7 Cloud diagram of wind flow field distribution in horizontal plane z=3.5 m under different height of dust suppression net conditions（top view）

不同高度抑塵網(wǎng)條件下裝車站下風(fēng)側(cè)風(fēng)速分布如圖8所示。由圖8可知，在未安裝抑塵網(wǎng)時(shí)生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)風(fēng)速值波動(dòng)范圍大，風(fēng)速最大值可達(dá)到2.44 m/s。當(dāng)網(wǎng)高小于7 m時(shí)，網(wǎng)高的增加對(duì)下風(fēng)側(cè)區(qū)域風(fēng)速值的降低效果明顯，但在距離25～30 m附近對(duì)風(fēng)速值沒(méi)有抑制作用，出現(xiàn)風(fēng)速峰值；當(dāng)網(wǎng)高為7 m時(shí)，在任意距離作用效果顯著；當(dāng)網(wǎng)高大于7 m時(shí)，隨著網(wǎng)高的增加，風(fēng)速改變量不大，其值在0～0.90 m/s范圍內(nèi)波動(dòng)，風(fēng)速極值略微上調(diào)。當(dāng)抑塵網(wǎng)安裝高度不超過(guò)7 m時(shí)，作用范圍集中于下風(fēng)側(cè)，作用效果明顯；當(dāng)安裝高度超過(guò)7 m時(shí)與7 m相較，下風(fēng)側(cè)風(fēng)速值變化接近，且距離較近處風(fēng)速極值略微上調(diào)。由此可知，抑塵網(wǎng)對(duì)區(qū)域風(fēng)速值的降低效果存在閾值，最佳安裝高度為7 m。

圖8 不同高度抑塵網(wǎng)條件下裝車站下風(fēng)側(cè)風(fēng)速分布Fig.8 Wind speed distribution on the downwind side of the installation station under different height dust suppression net conditions

不同網(wǎng)高條件下粉塵運(yùn)移范圍分布如圖9所示。由圖9可知，隨著抑塵網(wǎng)安裝高度的增加，在裝車站下風(fēng)側(cè)區(qū)域內(nèi)粉塵的污染范圍逐漸縮小。當(dāng)抑塵網(wǎng)安裝高度為5 m時(shí)，粉塵的污染范圍主要集中在靠近裝車站的下風(fēng)側(cè)區(qū)域與兩抑塵網(wǎng)之間的區(qū)域。隨著網(wǎng)高的不斷增加，下風(fēng)側(cè)粉塵污染逐漸縮小，當(dāng)網(wǎng)高超過(guò)7 m時(shí)，粉塵的污染范圍主要集中在兩抑塵網(wǎng)之間的區(qū)域。隨著網(wǎng)高的不斷增加，粉塵顆粒的逃逸速度不斷降低，當(dāng)網(wǎng)高超過(guò)7 m時(shí)粉塵顆粒的逃逸速度低于0.80 m/s，粉塵污染范圍主要集中在兩抑塵網(wǎng)之間的區(qū)域內(nèi)。

圖9 不同高度抑塵網(wǎng)條件下粉塵運(yùn)移范圍分布Fig.9 Distribution of dust migration range under different height of dust suppression net conditions

為了更好地量化抑塵網(wǎng)網(wǎng)高對(duì)裝車站下風(fēng)側(cè)粉塵濃度的影響，選取抑塵網(wǎng)外側(cè)區(qū)域內(nèi)一點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，該點(diǎn)距裝車涵洞出口10 m，數(shù)值高度為1.5 m，該點(diǎn)處粉塵濃度隨網(wǎng)高的變化如圖10所示。由圖10可知，隨著抑塵網(wǎng)安裝高度的增加，裝車站下風(fēng)側(cè)粉塵濃度呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，當(dāng)網(wǎng)高超過(guò)7 m時(shí)，粉塵濃度略微上升，但整體濃度水平低于60 mg/m3。根據(jù)模擬數(shù)據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中選用網(wǎng)高為7 m的防風(fēng)抑塵網(wǎng)。

圖10 下風(fēng)側(cè)粉塵濃度與抑塵網(wǎng)高度曲線圖Fig.10 Graph of dust concentration and height of dust suppression net on downwind side

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與效果分析

防風(fēng)抑塵網(wǎng)使氣流從外側(cè)通過(guò)墻體時(shí)，在墻體內(nèi)側(cè)形成上下干擾的氣流以達(dá)到外側(cè)強(qiáng)風(fēng)內(nèi)側(cè)弱風(fēng)的效果，從而防止粉塵的飛揚(yáng)。為了解決裝車站無(wú)組織排放的粉塵顆粒隨自然風(fēng)逃逸對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染這一問(wèn)題，在裝車涵洞出口處兩側(cè)安裝防風(fēng)抑塵網(wǎng)，如圖11所示，以期減少了粉塵顆粒因受風(fēng)流場(chǎng)影響在裝車站下風(fēng)側(cè)造成的大面積污染。

圖11 抑塵網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用Fig.11 Field application of dust suppression net

防風(fēng)抑塵網(wǎng)選用單峰型抑塵網(wǎng)，成型寬度為500 mm。表面經(jīng)過(guò)靜電粉末噴涂處理，不易生銹。安裝長(zhǎng)度為5.4 m，避免因安裝長(zhǎng)度過(guò)大使得抗風(fēng)效果較差。抑塵網(wǎng)設(shè)置在主流風(fēng)面上，根據(jù)模擬結(jié)果網(wǎng)高選為7 m。

為了考察抑塵網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)控塵效果，在裝車站下風(fēng)側(cè)每隔10 m選取一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中，A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)、E點(diǎn)五個(gè)點(diǎn)位于抑塵網(wǎng)外側(cè)區(qū)域內(nèi)，F(xiàn)點(diǎn)、G點(diǎn)、H點(diǎn)、I點(diǎn)、J點(diǎn)位于抑塵網(wǎng)內(nèi)側(cè)，如圖12所示。各測(cè)點(diǎn)豎直高度為1.5 m，其現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。由表4可知，在裝車站安裝抑塵網(wǎng)控塵措施后，相比于抑塵網(wǎng)內(nèi)側(cè)區(qū)域內(nèi)的粉塵濃度，在抑塵網(wǎng)外側(cè)區(qū)域內(nèi)粉塵濃度得到明顯降低，降塵效率最高可以達(dá)到86.57%，整體降塵效率不低于82.51%，可見(jiàn)安裝抑塵網(wǎng)后裝車站粉塵擴(kuò)散范圍得到了有效降低，對(duì)礦區(qū)周邊的環(huán)境保護(hù)具有重要意義

表4 抑塵網(wǎng)控塵效果監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table 4 Monitor data of dust control effect of dust suppression net

圖12 測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.12 Schematic diagram of the arrangement of measuring points

為了驗(yàn)證所獲得模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，如圖13所示。由圖13可知，抑塵網(wǎng)外側(cè)粉塵濃度相對(duì)誤差控制在18.18%以內(nèi)，最小誤差為6.89%，抑塵網(wǎng)外側(cè)粉塵濃度相對(duì)誤差小于11.07%，最小誤差為9.63%，考慮到現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境的復(fù)雜性、煤炭裝載產(chǎn)塵的波動(dòng)性及人為誤差，可認(rèn)為模擬產(chǎn)生的誤差在可接受的范圍內(nèi)，所獲得的模擬結(jié)果相對(duì)可靠。

圖13 抑塵網(wǎng)內(nèi)外側(cè)粉塵濃度結(jié)果對(duì)比Fig.13 Comparison of dust concentration results inside and outside the dust suppression net

綜上所述，受裝車站建筑物的影響，風(fēng)流在經(jīng)過(guò)裝車站時(shí)風(fēng)速會(huì)出現(xiàn)局部增加，高速的風(fēng)流在經(jīng)過(guò)裝車站涵洞時(shí)對(duì)粉塵顆粒會(huì)產(chǎn)生卷吸，在距離裝車站較近的區(qū)域內(nèi)風(fēng)流較為紊亂，風(fēng)流紊亂程度愈大，粉塵顆粒運(yùn)移軌跡越無(wú)規(guī)則化，故通過(guò)設(shè)置防風(fēng)抑塵網(wǎng)，可以改善裝車站生產(chǎn)區(qū)域風(fēng)速的分布狀況，降低來(lái)流風(fēng)的動(dòng)能，減少物料的揚(yáng)塵。

5 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬的方法探究了抑塵網(wǎng)安裝高度對(duì)煤礦裝車站粉塵污染的影響規(guī)律，研究了自然通風(fēng)風(fēng)向與敞車運(yùn)移同向情況下裝車站周圍風(fēng)流、粉塵運(yùn)移規(guī)律，探討了抑塵網(wǎng)安裝高度對(duì)于裝車站產(chǎn)塵污染規(guī)律的影響，主要結(jié)論如下所述。

1）流經(jīng)裝車涵洞的過(guò)堂風(fēng)與背風(fēng)面形成的低風(fēng)速順時(shí)針渦旋是造成下風(fēng)側(cè)粉塵顆粒運(yùn)移特性的主要原因。

2）當(dāng)自然風(fēng)速不超過(guò)2.70 m/s，粉塵濃度與污染范圍隨著風(fēng)速的升高呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)；自然風(fēng)速由4.15 m/s增加至12.30 m/s時(shí)，風(fēng)流的不均勻性不斷加劇，擾動(dòng)作用明顯增強(qiáng)，粉塵濃度雖然呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，但粉塵顆粒在風(fēng)流的夾帶作用下向下風(fēng)側(cè)區(qū)域擴(kuò)散，污染面積進(jìn)一步擴(kuò)大。

3）隨著網(wǎng)高的增加可以有效地降低裝車站下風(fēng)側(cè)區(qū)域風(fēng)速值，并在裝車涵洞出口處形成一條風(fēng)速值分布均勻的低速帶，有利于減小粉塵顆粒逃逸速度，促使粉塵顆粒沉降，縮小粉塵顆粒擴(kuò)散范圍，降低下風(fēng)側(cè)區(qū)域內(nèi)粉塵濃度值。但網(wǎng)高對(duì)于風(fēng)流場(chǎng)與粉塵運(yùn)移的影響存在閾值，當(dāng)網(wǎng)高超過(guò)7 m時(shí)流域內(nèi)風(fēng)速值變化不大，下風(fēng)側(cè)區(qū)域內(nèi)粉塵濃度略微增加。在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，降塵效率最高可以達(dá)到86.57%，整體降塵效率不低于82.51%。