皮带运输巷道粉尘质量浓度分布规律的数值模拟

D0L:10.13374/.issn1001-053x.2012.09.002 第34卷第9期 北京科技大学学报 Vol.34 No.9 2012年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep.2012 皮带运输巷道粉尘质量浓度分布规律的数值模拟 蒋仲安四陈举师牛伟王晶晶 陈梅岭 北京科技大学教育部金属矿山高效开采与安全重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:jza1963@263.com 摘要为了掌握皮带运输巷道粉尘质量浓度的分布规律，获取通风除尘设计的合理参数，以西石门铁矿提升车间系统40 皮带运输平巷为研究背景，依据气固两相流理论，运用计算流体力学的离散相模型对皮带运输巷道粉尘质量浓度进行数值模 拟，并与现场实测的粉尘质量浓度分布情况进行对比分析，模拟结果与实测数据基本吻合.研究表明，运用欧拉一拉格朗日法 对皮带运输巷道粉尘质量浓度分布规律进行模拟是可行的.在通风除尘设计中，当巷道风速为3·s·时，排尘效果最好，粉 尘质量浓度整体保持在3mg°m3以下：皮带运输速度为2.5ms时粉尘质量浓度较低：定期进行壁面酒水也能在一定程度 上实现降尘目标 关键词矿山巷道：皮带运输机：除尘；通风；两相流；数值分析：质量浓度 分类号TD714°.2 Numerical simulation of dust concentration distribution regularity in a belt con- veyer roadway JIANG Zhong-an,CHEN Ju-shi,NIU Wei,WANG Jing-jing,CHEN Mei-ing Key Laboratory of the Ministry of Education for High Efficiency Exploitation and Safety of Metal Mine,University of Science and Technology Beijing,Bei- jing 100083,China Corresponding author,E-mail:jzal963@263.com ABSTRACT In order to master the regularity of dust mass concentration distribution in a belt conveyer roadway and obtain rational parameters for the design of dust removal by ventilation,taking the 40belt conveyer drift of the hoisting system in Xishimen Iron Mine as the research background,dust mass concentration in the belt conveyer roadway was simulated using the discrete phase model for computational fluid mechanics,which is based on the theory of gas-solid two-phase flow.By contrast with field measurement of dust mass concentration distribution,the simulating results were essentially coincident with the measured data,indicating that using the Eul- er-Lagrange method to simulate dust mass concentration distribution in the belt conveyer roadway is feasible.In the design of dust re- moval by ventilation,the dust mass concentration can be kept within 3mg*mas the wind velocity is 3ms.The dust mass concen- tration is lower at the belt conveyer velocity of 2.5ms.In addition,regular wall sprinkling can decrease the dust mass concentra- tion. KEY WORDS mine roadways:belt conveyers:dust removal;ventilation;two-phase flow:numerical analysis;mass concentration 提升车间系统是大中型治金矿山井下开采的重 而且还严重影响工人的身体健康，当其浓度达到一 要环节之一，大多由板式给矿机、颚式破碎机及多级 定范围时还有粉尘爆炸的危险-.本文以现场数 皮带运输机组成，负责将井下生产的全部矿石输送 据为依托，以气固两相流理论为基础，建立皮带运输 至地表四.皮带运输机在矿石运输过程中，由于皮 巷道粉尘运动的数学模型，研究皮带运输机运行过 带自身的振动以及矿石与空气的摩擦会产生高浓度 程中逸散粉尘的运动规律，掌握粉尘浓度的分布特 的粉尘，不仅污染环境、损耗原料和加快设备磨损， 点，获取通风除尘设计的合理参数B. 收稿日期：201106-29

第 34 卷 第 9 期 2012 年 9 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 9 Sep． 2012 皮带运输巷道粉尘质量浓度分布规律的数值模拟 蒋仲安 陈举师 牛 伟 王晶晶 陈梅岭 北京科技大学教育部金属矿山高效开采与安全重点实验室，北京 100083 通信作者，E-mail: jza1963@ 263． com 摘 要 为了掌握皮带运输巷道粉尘质量浓度的分布规律，获取通风除尘设计的合理参数，以西石门铁矿提升车间系统 40# 皮带运输平巷为研究背景，依据气固两相流理论，运用计算流体力学的离散相模型对皮带运输巷道粉尘质量浓度进行数值模 拟，并与现场实测的粉尘质量浓度分布情况进行对比分析，模拟结果与实测数据基本吻合． 研究表明，运用欧拉--拉格朗日法 对皮带运输巷道粉尘质量浓度分布规律进行模拟是可行的． 在通风除尘设计中，当巷道风速为 3 m·s － 1 时，排尘效果最好，粉 尘质量浓度整体保持在 3 mg·m － 3 以下; 皮带运输速度为 2. 5 m·s － 1 时粉尘质量浓度较低; 定期进行壁面洒水也能在一定程度 上实现降尘目标． 关键词 矿山巷道; 皮带运输机; 除尘; 通风; 两相流; 数值分析; 质量浓度 分类号 TD714 + ． 2 Numerical simulation of dust concentration distribution regularity in a belt con￾veyer roadway JIANG Zhong-an ，CHEN Ju-shi，NIU Wei，WANG Jing-jing，CHEN Mei-ling Key Laboratory of the Ministry of Education for High Efficiency Exploitation and Safety of Metal Mine，University of Science and Technology Beijing，Bei￾jing 100083，China Corresponding author，E-mail: jza1963@ 263． com ABSTRACT In order to master the regularity of dust mass concentration distribution in a belt conveyer roadway and obtain rational parameters for the design of dust removal by ventilation，taking the 40# belt conveyer drift of the hoisting system in Xishimen Iron Mine as the research background，dust mass concentration in the belt conveyer roadway was simulated using the discrete phase model for computational fluid mechanics，which is based on the theory of gas-solid two-phase flow． By contrast with field measurement of dust mass concentration distribution，the simulating results were essentially coincident with the measured data，indicating that using the Eul￾er-Lagrange method to simulate dust mass concentration distribution in the belt conveyer roadway is feasible． In the design of dust re￾moval by ventilation，the dust mass concentration can be kept within 3 mg·m － 3 as the wind velocity is 3 m·s － 1 ． The dust mass concen￾tration is lower at the belt conveyer velocity of 2. 5 m·s － 1 ． In addition，regular wall sprinkling can decrease the dust mass concentra￾tion． KEY WORDS mine roadways; belt conveyers; dust removal; ventilation; two-phase flow; numerical analysis; mass concentration 收稿日期: 2011--06--29 提升车间系统是大中型冶金矿山井下开采的重 要环节之一，大多由板式给矿机、颚式破碎机及多级 皮带运输机组成，负责将井下生产的全部矿石输送 至地表［1］． 皮带运输机在矿石运输过程中，由于皮 带自身的振动以及矿石与空气的摩擦会产生高浓度 的粉尘，不仅污染环境、损耗原料和加快设备磨损， 而且还严重影响工人的身体健康，当其浓度达到一 定范围时还有粉尘爆炸的危险［2--4］． 本文以现场数 据为依托，以气固两相流理论为基础，建立皮带运输 巷道粉尘运动的数学模型，研究皮带运输机运行过 程中逸散粉尘的运动规律，掌握粉尘浓度的分布特 点，获取通风除尘设计的合理参数［5--6］． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.09.002

·978· 北京科技大学学报 第34卷 线、水管和皮带人行梯等设备由于体积很小，在计算 1 数学模型的确定 域内不予以体现；(3)计算过程中采用巷道断面乘 粉尘在空气中的运动规律本质上属于气固两相 以有效断面系数作为参与计算的有效通风断面，用 流的研究范畴.气固两相流动的数值模拟有两种方 以修正建模过程产生的误差：(4)巷道内粉尘全部 法：欧拉一欧拉法及欧拉一拉格朗日法.欧拉一欧拉 来源于皮带运输过程，皮带运输机机头及机尾转载 法有单流体和双流体两类模型：第一类模型将气固 点完全密闭，粉尘不扩散. 两相介质看作一种混合流体；第二类将气固两相看 基于上述假设，建立一个尺寸为200m×3m× 作相互独立又相互作用的两种流体.欧拉一拉格朗 2.2m的三心拱巷道计算区域，作适当简化后运用 日法将气体或液体看作背景流体，将另外一相看作 GAMBIT2.0建立皮带运输巷道粉尘运动的三维几 离散分布于背景流体中的颗粒或粒子，用欧拉方法 何模型，并对其进行网格划分.模型中左侧建立尺 研究背景流体，用拉格朗日方法跟踪颗粒相的运动. 寸为200m×1m×0.8m的长方体表示皮带运输机. 本文采用欧拉一拉格朗日法建立数学模型，将 模型的坐标原点位于巷道底板与巷道入口交界线的 皮带运输巷道内风流看作背景流体，运用欧拉法进 中心，其中，x、y和z轴正方向分别指向巷道出口、运 输机道一侧以及巷道顶板.皮带运输巷道三维几何 行求解，将逸散粉尘看作离散分布于风流中的颗粒， 运用拉格朗日法对其运动轨迹进行求解. 模型如图1所示. 1.1工程概况 西石门铁矿提升车间系统40”皮带运输平巷位 于中央区40m水平，头部与58"破碎酮室相连，尾部 与主井贯通.巷道总长200m,断面为三心拱，尺寸 为3m×2.2m,面积为8.94m2.皮带运输机位于巷 道左侧，皮带宽1m,下方支架高0.8m,传输速度为 2ms1.巷道右侧为人行道，供矿工日常通行使用. 巷道入口处风速为0.5m·s,壁面定期进行清洗， 长期保持润湿状态 图1皮带运输巷道三维几何模型图 Fig.1 3D geometric model of the belt conveyer roadway 1.2模型建立 由于皮带运输巷道内有皮带运输机、电缆电线、 1.3边界条件 水管和皮带人行梯等设备，现场情况较为复杂，建模 根据西石门铁矿提升车间系统40"皮带运输平 比较困难，因此对皮带运输巷道粉尘扩散计算域作 巷的具体情况及相关实测数据，结合数学模型和 如下假设：(1)将巷道视为标准三心拱断面巷道，皮 Fluent的模拟方法，对区域网格进行自适应等调试， 带运输机机头及机尾视为标准梯形体，机身视为标 最终求解出皮带运输巷道粉尘质量浓度分布规律 准长方体，其下部空间极小不予考虑；(2)电缆电 数值模拟参数设定如表1所示-. 表1计算模型参数设定 Table 1 Parameters defining of the calculation model 求解器 湍流模型 能量方程 移动参考坐标系 平移速度/(ms1) 入口边界类型 分离求解器 k一ε双方程模型 关闭 打开 速度入口 入口速度/(m5l) 水力直径/m 湍流强度/% 出口边界类型 压力一速度耦合 压力插值格式 0.5 3.4 3.73 自由出流 SIMPL.EC算法 标准 离散格式 收敛标准 离散相模型 阻力特征 喷射源类型 材质 二阶迎风 10-3 打开 球形颗粒 面喷射 铁矿石 密度/(kgm) 粒径分布 分布指数 质量流率/(gs) 湍流扩散模型 绝对坐标系跟踪 5000 R-R分布 1.26 0.0003 随机轨道模型 打开 相对速度/(ms) 离散相边界 剪切边界 -2(巷道壁)：0（皮带） 捕获 无滑移

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 1 数学模型的确定 粉尘在空气中的运动规律本质上属于气固两相 流的研究范畴． 气固两相流动的数值模拟有两种方 法: 欧拉--欧拉法及欧拉--拉格朗日法． 欧拉--欧拉 法有单流体和双流体两类模型: 第一类模型将气固 两相介质看作一种混合流体; 第二类将气固两相看 作相互独立又相互作用的两种流体． 欧拉--拉格朗 日法将气体或液体看作背景流体，将另外一相看作 离散分布于背景流体中的颗粒或粒子，用欧拉方法 研究背景流体，用拉格朗日方法跟踪颗粒相的运动． 本文采用欧拉--拉格朗日法建立数学模型，将 皮带运输巷道内风流看作背景流体，运用欧拉法进 行求解，将逸散粉尘看作离散分布于风流中的颗粒， 运用拉格朗日法对其运动轨迹进行求解． 1. 1 工程概况 西石门铁矿提升车间系统 40# 皮带运输平巷位 于中央区 40 m 水平，头部与 58# 破碎硐室相连，尾部 与主井贯通． 巷道总长 200 m，断面为三心拱，尺寸 为 3 m × 2. 2 m，面积为 8. 94 m2 ． 皮带运输机位于巷 道左侧，皮带宽 1 m，下方支架高 0. 8 m，传输速度为 2 m·s － 1 ． 巷道右侧为人行道，供矿工日常通行使用． 巷道入口处风速为 0. 5 m·s － 1 ，壁面定期进行清洗， 长期保持润湿状态． 1. 2 模型建立 由于皮带运输巷道内有皮带运输机、电缆电线、 水管和皮带人行梯等设备，现场情况较为复杂，建模 比较困难，因此对皮带运输巷道粉尘扩散计算域作 如下假设: ( 1) 将巷道视为标准三心拱断面巷道，皮 带运输机机头及机尾视为标准梯形体，机身视为标 准长方体，其下部空间极小不予考虑; ( 2) 电缆电 线、水管和皮带人行梯等设备由于体积很小，在计算 域内不予以体现; ( 3) 计算过程中采用巷道断面乘 以有效断面系数作为参与计算的有效通风断面，用 以修正建模过程产生的误差; ( 4) 巷道内粉尘全部 来源于皮带运输过程，皮带运输机机头及机尾转载 点完全密闭，粉尘不扩散． 基于上述假设，建立一个尺寸为 200 m × 3 m × 2. 2 m 的三心拱巷道计算区域，作适当简化后运用 GAMBIT2. 0 建立皮带运输巷道粉尘运动的三维几 何模型，并对其进行网格划分． 模型中左侧建立尺 寸为 200 m × 1 m × 0. 8 m 的长方体表示皮带运输机． 模型的坐标原点位于巷道底板与巷道入口交界线的 中心，其中，x、y 和 z 轴正方向分别指向巷道出口、运 输机道一侧以及巷道顶板． 皮带运输巷道三维几何 模型如图 1 所示． 图 1 皮带运输巷道三维几何模型图 Fig． 1 3D geometric model of the belt conveyer roadway 1. 3 边界条件 根据西石门铁矿提升车间系统 40# 皮带运输平 巷的具体情况及相关实测数据，结合数学模型和 Fluent 的模拟方法，对区域网格进行自适应等调试， 最终求解出皮带运输巷道粉尘质量浓度分布规律． 数值模拟参数设定如表 1 所示［7--11］． 表 1 计算模型参数设定 Table 1 Parameters defining of the calculation model 求解器 湍流模型 能量方程 移动参考坐标系 平移速度/( m·s － 1 ) 入口边界类型 分离求解器 k--ε 双方程模型 关闭 打开 2 速度入口 入口速度/( m·s － 1 ) 水力直径/m 湍流强度/% 出口边界类型 压力--速度耦合 压力插值格式 0. 5 3. 4 3. 73 自由出流 SIMPLEC 算法 标准 离散格式 收敛标准 离散相模型 阻力特征 喷射源类型 材质 二阶迎风 10 － 3 打开 球形颗粒 面喷射 铁矿石 密度/( kg·m － 3 ) 粒径分布 分布指数 质量流率/( g·s － 1 ) 湍流扩散模型 绝对坐标系跟踪 5 000 R--R 分布 1. 26 0. 000 3 随机轨道模型 打开 相对速度/( m·s － 1 ) 离散相边界 剪切边界 !2( 巷道壁) ; 0( 皮带) 捕获 无滑移 ·978·

第9期 蒋仲安等：皮带运输巷道粉尘质量浓度分布规律的数值模拟 ·979· 2数值模拟结果及分析 90 80 2.1巷道流场分布规律 70 y-0.75m 60 为研究皮带运输巷道在不同皮带运输速度下的 50 流场分布情况，模拟中对皮带运输速度：分别为2、 是40 30 2.5及3.15ms-的流场分布进行求解.图2为巷 20 道风速为0.5m·s-时的巷道断面速度场分布.从 10 1=0.75m 图2中可以看出：(1)由于皮带表面矿石与空气的 25 5075100125150175200 距离，xm 摩擦作用，与矿石接触的空气随着皮带一起运动，巷 道内风速以皮带表面为中心径向逐步降低：(2)皮 图3巷道断面呼吸带高度粉尘质量浓度沿程变化 Fig.3 Dust mass concentration variations of the cross section along 带运输速度越大，巷道断面流场受影响范围越小，皮 the roadway at breathing height 带表面空气运动速度越高 风速ms 沿程急剧上升，达到最大值后，捕捉壁面粉尘质量浓 度逐步下降至5mgm-3左右，反弹壁面粉尘质量浓 度则在一定范围内上下波动，并最终保持在25mg· m3左右.(2)在不同皮带运输速度条件下，皮带运 输速度越小，粉尘质量浓度越低.在低运行速度区 域，粉尘质量浓度受皮带运输影响较弱.皮带运输 速度为2.5ms时，人行道粉尘质量浓度最大值比 -2.00m5 =250ms =3.15m.s 3.15ms1时低70mgm-3左右，比2ms时仅高 15mg"m-3左右.在实际生产过程中，既要使皮带保 持较高的矿石输送能力，以保证完成繁重的生产任 图2巷道断面速度场分布云图 Fig.2 Velocity distribution of the section at the belt conveyer road- 务，又要将粉尘质量浓度控制在一个较低的范围，综 way 合考虑，皮带运输速度可设定为2.5m·s1.(3)当 风速小于3m·s1时，随着风速的增大，粉尘质量浓 2.2粉尘质量浓度分布规律 度逐步降低；当风速大于3m·s时，随着风速的增 图3为皮带运输巷道不同断面呼吸带高度粉尘 大，粉尘质量浓度逐步升高；当风速为3ms时，粉 质量浓度沿程变化图，其中y=0.75m和y=-0.75m 尘质量浓度达到最低值，整体保持在3mg·m3 分别表示皮带运输机道中央断面和人行道中央断面. 以内 从图3中可以看出：(1)在巷道断面内，粉尘质 35 量浓度以皮带表面为中心径向逐步降低.(2)在呼 0 吸带高度上，机道和人行道沿程粉尘质量浓度都是 3 先逐步上升，后缓慢下降，机道先于人行道达到最大 值.总体上机道粉尘质量浓度要高于人行道.(3) 15 在距巷道入口45m处，机道粉尘质量浓度达到最大 10 值80mgm-3,随后缓慢下降，在巷道出口处保持在 15mg·m-3左右；在距巷道入口90m处，人行道粉尘 255075100125150175200 质量浓度达到最大值36mg"m-3,在巷道出口处降 距离，xm 至5mgm-3 图4不同壁面条件下粉尘质量浓度沿程变化 Fig.4 Dust mass concentration variations along the roadway under 2.3不同边界条件下粉尘质量浓度变化规律 different wall conditions 图4~图6分别为在不同壁面、不同皮带运输 速度和不同巷道风速边界条件下人行道断面呼吸带 3现场实测数据及分析 高度粉尘质量浓度沿程变化图 从图4~图6中可以看出：(1)在巷道前100m 3.1粉尘粒径分析 内，捕捉壁面及反弹壁面人行道粉尘质量浓度均为 在40"皮带运输巷道现场沿程取五个样本，通

第 9 期 蒋仲安等: 皮带运输巷道粉尘质量浓度分布规律的数值模拟 2 数值模拟结果及分析 2. 1 巷道流场分布规律 为研究皮带运输巷道在不同皮带运输速度下的 流场分布情况，模拟中对皮带运输速度 v 分别为 2、 2. 5 及 3. 15 m·s － 1 的流场分布进行求解． 图 2 为巷 道风速为 0. 5 m·s － 1 时的巷道断面速度场分布． 从 图 2 中可以看出: ( 1) 由于皮带表面矿石与空气的 摩擦作用，与矿石接触的空气随着皮带一起运动，巷 道内风速以皮带表面为中心径向逐步降低; ( 2) 皮 带运输速度越大，巷道断面流场受影响范围越小，皮 带表面空气运动速度越高． 图 2 巷道断面速度场分布云图 Fig． 2 Velocity distribution of the section at the belt conveyer road￾way 2. 2 粉尘质量浓度分布规律 图 3 为皮带运输巷道不同断面呼吸带高度粉尘 质量浓度沿程变化图，其中 y = 0. 75 m 和 y = － 0. 75 m 分别表示皮带运输机道中央断面和人行道中央断面． 从图 3 中可以看出: ( 1) 在巷道断面内，粉尘质 量浓度以皮带表面为中心径向逐步降低． ( 2) 在呼 吸带高度上，机道和人行道沿程粉尘质量浓度都是 先逐步上升，后缓慢下降，机道先于人行道达到最大 值． 总体上机道粉尘质量浓度要高于人行道． ( 3) 在距巷道入口 45 m 处，机道粉尘质量浓度达到最大 值 80 mg·m － 3 ，随后缓慢下降，在巷道出口处保持在 15 mg·m － 3 左右; 在距巷道入口 90 m 处，人行道粉尘 质量浓度达到最大值 36 mg·m － 3 ，在巷道出口处降 至 5 mg·m － 3 ． 2. 3 不同边界条件下粉尘质量浓度变化规律 图 4 ～ 图 6 分别为在不同壁面、不同皮带运输 速度和不同巷道风速边界条件下人行道断面呼吸带 高度粉尘质量浓度沿程变化图． 从图 4 ～ 图 6 中可以看出: ( 1) 在巷道前 100 m 内，捕捉壁面及反弹壁面人行道粉尘质量浓度均为 图 3 巷道断面呼吸带高度粉尘质量浓度沿程变化 Fig． 3 Dust mass concentration variations of the cross section along the roadway at breathing height 沿程急剧上升，达到最大值后，捕捉壁面粉尘质量浓 度逐步下降至 5 mg·m － 3 左右，反弹壁面粉尘质量浓 度则在一定范围内上下波动，并最终保持在 25 mg· m － 3 左右． ( 2) 在不同皮带运输速度条件下，皮带运 输速度越小，粉尘质量浓度越低． 在低运行速度区 域，粉尘质量浓度受皮带运输影响较弱． 皮带运输 速度为 2. 5 m·s － 1 时，人行道粉尘质量浓度最大值比 3. 15 m·s － 1 时低 70 mg·m － 3 左右，比 2 m·s － 1 时仅高 15 mg·m － 3 左右． 在实际生产过程中，既要使皮带保 持较高的矿石输送能力，以保证完成繁重的生产任 务，又要将粉尘质量浓度控制在一个较低的范围，综 合考虑，皮带运输速度可设定为 2. 5 m·s － 1 ． ( 3) 当 风速小于 3 m·s － 1 时，随着风速的增大，粉尘质量浓 度逐步降低; 当风速大于 3 m·s － 1 时，随着风速的增 大，粉尘质量浓度逐步升高; 当风速为 3 m·s － 1 时，粉 尘质量浓度达到最低值，整 体 保 持 在 3 mg·m － 3 以内． 图 4 不同壁面条件下粉尘质量浓度沿程变化 Fig． 4 Dust mass concentration variations along the roadway under different wall conditions 3 现场实测数据及分析 3. 1 粉尘粒径分析 在 40# 皮带运输巷道现场沿程取五个样本，通 ·979·

·980· 北京科技大学学报 第34卷 140 方法》以及相关文献中的采样点布置方法，在40”皮 120 带运输平巷内人行道呼吸带高度沿程布置11个测 点，采用滤膜采样器对粉尘质量浓度进行测量，每个 =3.15ms 测尘点均进行至少三次的数据测定取其平均值，整 60 =2.50m+sl 理后与数值模拟结果进行对比如图8所示 40r 20 t=2.00m+s1 25 50 75100125150175200 30 距离，xm 实穗 图5不同皮带运输速度下粉尘质量浓度沿程变化 20 模拟 Fig.5 Dust mass concentration variations along the roadway at differ- 10 ent belt conveyer velocities 黎 40 30 80120160200 -0.5m8 距离，xm 图8实测与模拟质量浓度对比图 Fig.8 Comparison of dust mass concentration between field measure- -2ms lm.s ment and the simulated model =4 m.s-! 2550751001251501752003ms 从图8可以看出，模拟结果中人行道呼吸带高 距离，m 度粉尘质量浓度分布曲线基本符合现场实际情况， 图6不同巷道风速条件下粉尘质量浓度沿程变化图 变化趋势和规律基本一致，均为先急剧上升，达到最 Fig.6 Dust mass concentration variations along the roadway at differ- 大值后缓慢下降.通过对比，验证了模拟结果的准 ent wind velocities 确性，说明数学模型的选择合理，模拟方法可行. 过SEISHIN LMS--30型激光衍射散射式粒度分布测 4结论 定仪测得粉尘的粒径分布如图7所示.从图7可以 看出，在皮带运输巷道中漂浮不易沉降的粉尘平均 (1)运用欧拉-拉格朗日法对皮带运输巷道粉 粒径约为10~14μm,最小粒径为1um,最大粒径约 尘质量浓度分布规律进行模拟是可行的，模拟结果 为120μm.多数生产过程中粉碎产生的粉尘符合 与实测数据具有较好的一致性.但是，由于建立模 Rosin-Rammler(R-R)分布，通过最小二乘法回归 型和测量数据时均存在一定误差，所以两者结果不 分析和显著性检验发现，皮带运输逸散粉尘也较好 完全相同. 地遵从Rosin--Rammler分布，分布率为 (2)壁面能否吸附粉尘是影响皮带运输巷道粉 R(d)=100exp(-0.00982d.26). 尘质量浓度分布的一个重要因素，因此可以加强定 (1) 期进行壁面洒水等措施来实现降尘目标 100 10 (3)粉尘质量浓度随着皮带运输速度的增加逐 步升高.在低速区域，粉尘质量浓度受皮带运输影 60 6 响较弱.当皮带运输速度为2.5m's1时比较合适， 粉尘质量浓度较低. 40 (4)较大的风速有利于粉尘的稀释及排出，同 时能增加壁面对粉尘的捕捉几率：但是风速过大会 导致沉降粉尘重新混入巷道风流，造成二次污染. 10 1 1010 模拟结果显示3ms1的风速降尘效果较好. 粉尘粒径dum 图740皮带运输平巷粉尘粒径分布 参考文献 Fig.7 Particle size distribution of dust in the 40*belt conveyer drift Zhou J.Study on Numerical Simulation of Dust Movement La and 3.2现场实测与模拟结果对比分析 Dust Control of Belt Conreyers in Xishimen Iron Mine [Disserta- 根据GB5748一85《作业场所空气中粉尘测定 tion].Beijing:University of Science and Technology Beijing

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 5 不同皮带运输速度下粉尘质量浓度沿程变化 Fig． 5 Dust mass concentration variations along the roadway at differ￾ent belt conveyer velocities 图 6 不同巷道风速条件下粉尘质量浓度沿程变化图 Fig． 6 Dust mass concentration variations along the roadway at differ￾ent wind velocities 过 SEISHIN LMS--30 型激光衍射散射式粒度分布测 定仪测得粉尘的粒径分布如图 7 所示． 从图 7 可以 看出，在皮带运输巷道中漂浮不易沉降的粉尘平均 粒径约为 10 ～ 14 μm，最小粒径为 1 μm，最大粒径约 为 120 μm． 多数生产过程中粉碎产生的粉尘符合 Rosin--Rammler( R--R) 分布，通过最小二乘法回归 分析和显著性检验发现，皮带运输逸散粉尘也较好 地遵从 Rosin--Rammler 分布，分布率为［12］ R( d) = 100exp ( － 0. 009 82d1. 26 ) ． ( 1) 图 7 40# 皮带运输平巷粉尘粒径分布 Fig． 7 Particle size distribution of dust in the 40# belt conveyer drift 3. 2 现场实测与模拟结果对比分析 根据 GB5748—85《作业场所空气中粉尘测定 方法》以及相关文献中的采样点布置方法，在 40# 皮 带运输平巷内人行道呼吸带高度沿程布置 11 个测 点，采用滤膜采样器对粉尘质量浓度进行测量，每个 测尘点均进行至少三次的数据测定取其平均值，整 理后与数值模拟结果进行对比如图 8 所示． 图 8 实测与模拟质量浓度对比图 Fig． 8 Comparison of dust mass concentration between field measure￾ment and the simulated model 从图 8 可以看出，模拟结果中人行道呼吸带高 度粉尘质量浓度分布曲线基本符合现场实际情况， 变化趋势和规律基本一致，均为先急剧上升，达到最 大值后缓慢下降． 通过对比，验证了模拟结果的准 确性，说明数学模型的选择合理，模拟方法可行． 4 结论 ( 1) 运用欧拉--拉格朗日法对皮带运输巷道粉 尘质量浓度分布规律进行模拟是可行的，模拟结果 与实测数据具有较好的一致性． 但是，由于建立模 型和测量数据时均存在一定误差，所以两者结果不 完全相同． ( 2) 壁面能否吸附粉尘是影响皮带运输巷道粉 尘质量浓度分布的一个重要因素，因此可以加强定 期进行壁面洒水等措施来实现降尘目标． ( 3) 粉尘质量浓度随着皮带运输速度的增加逐 步升高． 在低速区域，粉尘质量浓度受皮带运输影 响较弱． 当皮带运输速度为 2. 5 m·s － 1 时比较合适， 粉尘质量浓度较低． ( 4) 较大的风速有利于粉尘的稀释及排出，同 时能增加壁面对粉尘的捕捉几率; 但是风速过大会 导致沉降粉尘重新混入巷道风流，造成二次污染． 模拟结果显示 3 m·s － 1 的风速降尘效果较好． 参 考 文 献 ［1］ Zhou J． Study on Numerical Simulation of Dust Movement Law and Dust Control of Belt Conveyers in Xishimen Iron Mine ［Disserta￾tion］． Beijing: University of Science and Technology Beijing， ·980·

第9期 蒋仲安等：皮带运输巷道粉尘质量浓度分布规律的数值模拟 ·981· 2010:14 [8]Shi C H,Ou S N,Jin L Z.Study and analysis on the law of mo- (周江.西石门铁矿皮带运输粉尘运动规律数值模拟及控制 tion of the coal dust.J Unir Sci Technol Beijing,2007,29 (Suppl 的研究[学位论文].北京：北京科技大学，2010：14) 2):1 2]Zhong X M.Feasibility analysis of the dusting project transporta- (施春红，欧盛南，金龙哲.矿井粉尘运移规律性的试验研究 tion system in logistics.Gansu Metall,2010,32(6):154 北京科技大学学报，2007,29（增刊2）：1) (钟新民。物流公司皮带运输系统除尘方案的可行性分析.甘 9] Wang X Z,Jiang Z A,Wang S W,et al.Numerical simulation of 肃治金，2010,32(6)：154) distribution regularities of dust concentration during the ventilation 3]Zhu H,Chang L W,Jiang H.Dust controlling of belt conveyers in process of coal roadway driving.J China Coal Soc,2007,32(4): concentrating mills.Non Ferrous Min Metall,2009,25 (4):57 386 (朱虹，常立伟，姜欢.关于选矿厂皮带运输机粉尘控制的探 (王晓珍，蒋仲安，王善文，等.煤巷掘进过程中粉尘浓度分布 讨.有色矿治，2009,25(4)：57) 规律的数值模拟.煤炭学报，2007,32(4)：386) [4]Jia H Y,Ma Y D.Generation control techniques of coal dust of [10]Niu W,Jiang ZA,Liu Y.Numerical simulation on dust move- transferring points of the coal transportation system in the coal se- ment regularities at fully-mechanized coal faces and its utiliza- lection plant.Environ Pollut Control,2007,29(10):767 tion.J Liaoning Tech Unie Nat Sci,2010,29(3):357 (贾惠艳，马云东.选煤厂输煤系统转载点粉尘产出控制技 (牛伟，蒋仲安，刘毅.综采工作面粉尘运动规律数值模拟及 术.环境污染与防治，2007,29(10)：767) 应用.辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2010,29(3)： [5]Jia H Y.Study on the Regularity of Dust Precipitation and Dissipa- 357) tion and Numerical Simulation of Transpersite in the Coal Conveyer [11]Du C F,Wang H,Jiang Z A,et al.Numerical simulations of Belt System [Dissertation].Liaoning:Liaoning Engineering Tech- dust distribution in a fully mechanized excavation face with far- nology University,2007:18 pressing-near-absorption ventilation.J Unir Sci Technol Beijing, (贾惠艳.皮带输煤系统转载点粉尘析出逸散规律及数值模 2010,32(8):957 拟研究[学位论文].辽宁：辽宁工程技术大学，2007：18) (杜翠凤，王辉，蒋仲安，等.长压短抽式通风综掘工作面粉 6]Liu S H,Xu Z L.Numerical simulation of diffusion of coal dust in 尘分布规律的数值模拟.北京科技大学学报，2010,32(8)： haulage roadway.Sci Technol Eng,2007,7(21):5672 957） (刘少虹，许振良。输煤巷道煤尘扩散的数值模拟.科学技术 [12]Liu Y,Jiang Z A,Cai W,et al.Numerical simulation of the 与工程，2007,7(21)：5672) dust movement rule in fully-mechanized coal faces.I Unir Sci 7]Niu W,Jiang Z A,Tian D M.Numerical simulation of the factors Technol Beijing,2007,29(4):351 influencing dust in drilling tunnels:its application.Min Sci Techn- (刘毅，蒋仲安，蔡卫，等.综采工作面粉尘运动规律的数值 ol,2011,21(1):11 模拟.北京科技大学学报，2007,29(4)：351)

第 9 期 蒋仲安等: 皮带运输巷道粉尘质量浓度分布规律的数值模拟 2010: 14 ( 周江． 西石门铁矿皮带运输粉尘运动规律数值模拟及控制 的研究［学位论文］． 北京: 北京科技大学，2010: 14) ［2］ Zhong X M． Feasibility analysis of the dusting project transporta￾tion system in logistics． Gansu Metall，2010，32( 6) : 154 ( 钟新民． 物流公司皮带运输系统除尘方案的可行性分析． 甘 肃冶金，2010，32( 6) : 154) ［3］ Zhu H，Chang L W，Jiang H． Dust controlling of belt conveyers in concentrating mills． Non Ferrous Min Metall，2009，25( 4) : 57 ( 朱虹，常立伟，姜欢． 关于选矿厂皮带运输机粉尘控制的探 讨． 有色矿冶，2009，25( 4) : 57) ［4］ Jia H Y，Ma Y D． Generation control techniques of coal dust of transferring points of the coal transportation system in the coal se￾lection plant． Environ Pollut Control，2007，29( 10) : 767 ( 贾惠艳，马云东． 选煤厂输煤系统转载点粉尘产出控制技 术． 环境污染与防治，2007，29( 10) : 767) ［5］ Jia H Y． Study on the Regularity of Dust Precipitation and Dissipa￾tion and Numerical Simulation of Transpersite in the Coal Conveyer Belt System［Dissertation］． Liaoning: Liaoning Engineering Tech￾nology University，2007: 18 ( 贾惠艳． 皮带输煤系统转载点粉尘析出逸散规律及数值模 拟研究［学位论文］． 辽宁: 辽宁工程技术大学，2007: 18) ［6］ Liu S H，Xu Z L． Numerical simulation of diffusion of coal dust in haulage roadway． Sci Technol Eng，2007，7( 21) : 5672 ( 刘少虹，许振良． 输煤巷道煤尘扩散的数值模拟． 科学技术 与工程，2007，7( 21) : 5672) ［7］ Niu W，Jiang Z A，Tian D M． Numerical simulation of the factors influencing dust in drilling tunnels: its application． Min Sci Techn￾ol，2011，21( 1) : 11 ［8］ Shi C H，Ou S N，Jin L Z． Study and analysis on the law of mo￾tion of the coal dust． J Univ Sci Technol Beijing，2007，29( Suppl 2) : 1 ( 施春红，欧盛南，金龙哲． 矿井粉尘运移规律性的试验研究． 北京科技大学学报，2007，29( 增刊 2) : 1) ［9］ Wang X Z，Jiang Z A，Wang S W，et al． Numerical simulation of distribution regularities of dust concentration during the ventilation process of coal roadway driving． J China Coal Soc，2007，32( 4) : 386 ( 王晓珍，蒋仲安，王善文，等． 煤巷掘进过程中粉尘浓度分布 规律的数值模拟． 煤炭学报，2007，32( 4) : 386) ［10］ Niu W，Jiang Z A，Liu Y． Numerical simulation on dust move￾ment regularities at fully-mechanized coal faces and its utiliza￾tion． J Liaoning Tech Univ Nat Sci，2010，29( 3) : 357 ( 牛伟，蒋仲安，刘毅． 综采工作面粉尘运动规律数值模拟及 应用． 辽宁工程技术大学学报: 自然科学版，2010，29 ( 3) : 357) ［11］ Du C F，Wang H，Jiang Z A，et al． Numerical simulations of dust distribution in a fully mechanized excavation face with far￾pressing-near-absorption ventilation． J Univ Sci Technol Beijing， 2010，32( 8) : 957 ( 杜翠凤，王辉，蒋仲安，等． 长压短抽式通风综掘工作面粉 尘分布规律的数值模拟． 北京科技大学学报，2010，32( 8) : 957) ［12］ Liu Y，Jiang Z A，Cai W，et al． Numerical simulation of the dust movement rule in fully-mechanized coal faces． J Univ Sci Technol Beijing，2007，29( 4) : 351 ( 刘毅，蒋仲安，蔡卫，等． 综采工作面粉尘运动规律的数值 模拟． 北京科技大学学报，2007，29( 4) : 351) ·981·