楊小彬， 孫秋迪， 慕蘭蘭， 裴艷宇， 吳佳寧， 程虹銘

(中國礦業(yè)大學(北京)應(yīng)急管理與安全工程學院， 北京 100083)

露天礦冬季鏟裝作業(yè)點易產(chǎn)生大量濃霧，霧氣長時間滯留在作業(yè)空間內(nèi)，難以短時間內(nèi)消散，這將降低露天礦作業(yè)空間的能見度，影響作業(yè)人員工作視線，導(dǎo)致嚴重的安全隱患。因此，采取相關(guān)措施驅(qū)除露天礦鏟裝作業(yè)點的濃霧具有重要的實際意義。

許多學者針對產(chǎn)霧機理以及霧氣消散進行了相關(guān)研究，取得了一些有意義的成果，秦憲禮等[1]分析了東榮二礦井霧氣成因并提出治理霧氣的措施；肖翔等[2]利用Fluent模擬分析了研究霧化室霧氣濃度分布；孫寶芝等[3]利用熱力學原理分析海水巷道內(nèi)霧氣形成機制，指出霧氣形成的主要形式，提出消霧的綜合方法并應(yīng)用于工程實際；龍久生[4]研制出紅外線與超聲波雙重控制的自動風門控制豎井中的水霧；谷正氣等[5]采用計算流體力學和優(yōu)化算法相集成的方法研究某車型前擋風玻璃除霜除霧性能的改進。但這些研究只針對礦井、地下海水巷道、汽車擋風玻璃等提出產(chǎn)霧機理以及除霧措施，現(xiàn)有的驅(qū)霧技術(shù)措施無法有效實現(xiàn)露天礦半開放空間短時濃霧驅(qū)散，考慮露天礦實際生產(chǎn)工藝及冬季濃霧產(chǎn)生特點，提出采用人工干預(yù)露天礦鏟裝作業(yè)點流場為主的濃霧驅(qū)散技術(shù)-壓風射流驅(qū)霧技術(shù)。

壓風射流驅(qū)霧技術(shù)的關(guān)鍵是合理的壓風射流風機選擇和壓風射流風機現(xiàn)場安裝控制。射流風機可用于鐵路和公路隧道的通風[6]、排煙[7]以及煤礦除塵[8]等，但鮮見用于露天礦濃霧消散方面的報道。基于此，在提出采用壓風射流驅(qū)霧技術(shù)方案基礎(chǔ)上，現(xiàn)建立露天礦鏟裝作業(yè)點壓風射流驅(qū)霧模型；在相同濃霧擴散條件下，利用流體計算軟件ANSYS Fluent模擬壓風射流風機不同出口風速、不同安裝數(shù)量及不同安裝角度對驅(qū)霧效果的影響，分析得出合理可行的壓風射流驅(qū)霧方案，現(xiàn)場安裝試驗驗證該方案的可行性。

1 露天礦鏟裝作業(yè)點壓風射流驅(qū)霧效果分析模型

1.1 數(shù)值模型及網(wǎng)格剖分

露天礦鏟裝作業(yè)點空氣流動復(fù)雜，影響因素較多，為有效模擬露天礦鏟裝作業(yè)點空氣流動以及霧氣分布情況，對露天礦鏟裝作業(yè)點的氣體流動情況進行簡化：假設(shè)露天礦鏟裝作業(yè)點內(nèi)空氣流動、壓風射流風機射流運動均為不可壓縮定常流動；壓風射流風機假定為一個圓柱體，壓風射流風機噴口假設(shè)為均勻速度[9]。

以某露天礦為背景，采用ANSYS Workbench建立露天礦鏟裝作業(yè)點壓風射流驅(qū)霧模型，模型示意圖如圖1所示。整個驅(qū)霧模型大約呈長方體型，其中露天礦鏟裝作業(yè)點的外輪廓的長、寬、高分別為30、15、20 m；壓風射流風機簡化為直徑為0.71 m、軸長1 m的圓柱，壓風射流風機距地面3 m，兩臺壓風射流風機之間的間距為10 m。

利用ANSYS中Mesh模塊對驅(qū)霧模型進行網(wǎng)格劃分，考慮計算機性能以及網(wǎng)格劃分精度問題[10]，露天礦鏟裝作業(yè)點和壓風射流風機模型分別劃分網(wǎng)格，露天礦鏟裝作業(yè)點劃分的單元尺寸為0.8 m，壓風射流風機劃分的單元尺寸為0.2 m，劃分方法為Automatic，該方法的優(yōu)點在于會自動根據(jù)露天礦鏟裝作業(yè)點和壓風射流風機流場特點劃分為不同類型的網(wǎng)格，且在流場變形處自動加密網(wǎng)格，適當調(diào)整最大單元尺寸得到質(zhì)量較高的網(wǎng)格文件[11]。經(jīng)過查看網(wǎng)格質(zhì)量、網(wǎng)格劃分調(diào)整，并考慮計算問題，最終得到網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖1 露天礦鏟裝作業(yè)點壓風射流驅(qū)霧模型Fig.1 Fog dispersal model by compressed air jet at shovel loading operation point in open-pit mine

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.2 Meshing results

1.2 邊界條件

模型網(wǎng)格劃分完成后導(dǎo)入Fluent，根據(jù)鏟裝作業(yè)現(xiàn)場設(shè)置邊界條件以及霧源參數(shù)，進行數(shù)值模擬。

使用Fluent軟件進行數(shù)值計算時，選用SSTK-ω湍流模型。露天礦鏟裝作業(yè)點模型和壓風射流風機均設(shè)置為流體，流體介質(zhì)為空氣。露天礦鏟裝作業(yè)點壓風射流驅(qū)霧模型中，壓風射流風機出口所對的方向的壁面和右側(cè)壁面為煤體壁面，煤體壁面設(shè)為速度入口，其值為2 m/s；底面為碎煤地面，地面邊界設(shè)為wall；其余壁面邊界條件均設(shè)為開放出口，設(shè)為outflow；壓風射流風機出口均為速度入口，其值分別為39.7、35.8、28.5 m/s，湍流強度分別為2.5%、2.5%、2.6%，水力直徑均為0.71 m。打開離散相(discrete phase model，DPM)模式，DPM的邊界條件設(shè)置如下：壓風射流風機出口的DPM邊界條件設(shè)為escape，煤壁的DPM邊界條件設(shè)為reflect，地面的DPM邊界條件設(shè)為trap。相關(guān)離散相參數(shù)設(shè)定如表1所示。

2 不同參數(shù)對壓風射流驅(qū)霧效果影響數(shù)值模擬分析

2.1 射流風機出口風速對壓風射流驅(qū)霧效果影響

為確定合理壓風射流風機出口風速，保證射流流場能達到臺階煤壁，即能保證射流流場達到煤壁時具有一定的流場速度，從而實現(xiàn)從射流分級出風口到煤壁范圍內(nèi)的有效流場擾動驅(qū)霧。為此，分別設(shè)置壓風射流風機的出口速度為39.7、35.8、28.5 m/s，模擬右邊風機(風機2)單獨運行時露天礦鏟裝作業(yè)點流場情況。壓風射流風機開啟后，壓風射流風機所在平面(z=3 m)的流場圖以及壓風射流風機的射流中心線所在位置露天礦鏟裝作業(yè)點氣流速度變化曲線如圖3和圖4所示。

由圖3可以看出，大部分氣流在壓風射流風機入口處涌入風機，小部分氣流不通過壓風射流風機，在壓風射流風機出口段與高速氣流匯聚形成新的氣流[12]。壓風射流風機的射流風速呈均勻?qū)ΨQ分布，且向四周擴散，從壓風射流風機出口到壁面沿射流方向下降，出口處的速度最大，煤壁面附近速度最小。通過圖3比較不同出口速度壓風射流風機開啟時的露天礦鏟裝作業(yè)點空氣流動情況可以看出：壓風射流風機出口風速越大其射流距離越遠，射流作用于煤壁的有效范圍越大。

圖4 不同出口風速的壓風射流風機的中心線所在位置氣流速度變化曲線圖Fig.4 Flow velocity change curve at center line of compressed air jets with different outlet wind speeds

不同出口風速的壓風射流風機中心線所在位置露天礦鏟裝作業(yè)點氣流速度變化曲線圖如圖4所示，不同的出口速度，速度衰減大致相同，初期流場速度衰減較快，后期衰減逐漸趨于平緩，但是出口速度為39.7 m/s的壓風射流風機中心線所在位置速度曲線明顯高于其他兩條，相同位置，開啟出口風速為39.7 m/s的壓風射流風機時，露天礦鏟裝作業(yè)點氣流速度更大，所以它的能量大，輸送能力更強，射流速度保持的距離更大[13]。由此看出射流能力強弱的順序依次為：出口風速為39.7 m/s的壓風射流風機、出口風速為35.8 m/s的壓風射流風機、出口風速為28.5 m/s的壓風射流風機。

鏟車司機距離煤壁5 m，鏟車作業(yè)時，產(chǎn)生濃霧，露天礦作業(yè)環(huán)境可見度不足3 m，取y=13 m(距離煤壁2 m)垂直面霧的濃度變化情況檢驗壓風射流風機的驅(qū)霧效果。不同出口風速的壓風射流風機驅(qū)霧效果不同，不同出口風速的壓風射流風機開啟時霧濃度變化對比圖如圖5所示。

圖5 不同出口風速的壓風射流驅(qū)霧效果對比云圖(y=13 m)Fig.5 Cloud diagram of fog dispersal effect of compressed air jet at different outlet wind speeds(y=13 m)

由圖5可知：壓風射流風機的驅(qū)霧范圍，形狀近似成圓形，與壓風射流風機的外輪廓相似。開啟壓風射流風機后，隨著壓風射流風機出口速度的增大，壓風射流風機的驅(qū)霧范圍半徑逐漸增大，驅(qū)霧范圍下限逐漸向地面靠近，司機能夠逐漸看清地面，驅(qū)霧效果逐漸提高。壓風射流風機出口速度越大，射流到達煤壁時速度越大，可以有效吹散濃霧，降低霧的濃度。綜合考慮壓風射流風機的作用范圍、射程以及驅(qū)霧效果，出口風速為39.7 m/s的壓風射流風機輸送能力最強，驅(qū)霧范圍半徑最大，可達4 m，驅(qū)霧下限可到達地面，司機能夠看清地面，所以選擇出口風速為39.7 m/s的壓風射流風機驅(qū)霧。

2.2 風機數(shù)量對壓風射流風機驅(qū)霧效果影響

為保證鏟車司機左右視線范圍，在鏟車上同時開啟兩臺壓風射流風機，數(shù)值模擬其流場狀態(tài)和驅(qū)霧效果。兩臺出口風速為39.7 m/s的壓風射流風機同時開啟后風機所在平面(z=3 m)的流場情況如圖6所示，可以看出壓風射流風機射流造成靠近煤壁氣流交匯，射流作用范圍較一臺壓風射流風機作用范圍明顯增大。

圖6 兩臺壓風射流風機平面流場云圖Fig.6 Cloud diagram of the plane flow field of two compressed air jets

風機數(shù)量對驅(qū)霧效果的影響云圖如圖7所示，位置為y=13 m和z=3 m。從圖7可以看出：兩臺壓風射流風機安裝其驅(qū)霧范圍明顯增大，但兩臺風機在煤壁處驅(qū)霧區(qū)域未能形成明顯重疊，難以達到良好的驅(qū)霧效果，甚至會在兩風機間形成流場干擾而加劇濃霧聚集。

2.3 風機安裝角度對壓風射流驅(qū)霧效果影響

從上述模擬可以看出，兩臺壓風射流風機平行安轉(zhuǎn)時，未能造成流場明顯重疊，兩風機間煤壁處驅(qū)霧效果欠佳。為此，嘗試偏轉(zhuǎn)壓風射流風機的安裝角度，即僅一臺壓風射流風機內(nèi)偏15°及兩臺壓風射流風機均內(nèi)偏15°的情況，模擬不同安裝角度對鏟裝作業(yè)點流場及驅(qū)霧效果的影響。

不同安裝角度下，壓風射流風機所在平面(z=3 m)鏟裝作業(yè)點流場對比云圖如圖8所示。由圖8可以看出：當平行安裝兩臺風機和僅內(nèi)偏一臺風機的安裝方式時，其流場在煤壁前方及一定區(qū)域方位內(nèi)難以形成流場互相覆蓋；當兩臺壓風射流風機均內(nèi)偏15°時，其流場在煤壁前方及一定區(qū)域方位內(nèi)能形成流場干擾，從而實現(xiàn)較好的驅(qū)霧效果。

壓風射流風機不同安裝角度下，y=13 m(距離煤壁2 m)垂直面和z=3 m(風機所在平面)的驅(qū)霧效果對比云圖如圖9所示。由圖9可以看出，兩臺壓風射流風機平行安裝時，壓風射流風機射流水平射向煤壁，y=13 m垂直面上以射流中心為中心附近4 m左右的霧被驅(qū)散，但是兩風機之間還有濃霧存在，且局部造成濃霧聚集加重現(xiàn)象；僅一臺壓風射流風機偏轉(zhuǎn)時，y=13 m垂直面上兩臺壓風射流風機之間的霧仍不能完全被驅(qū)散，但相比兩臺沒有偏角的壓風射流風機，兩臺壓風射流風機之間有霧的范圍縮??；當兩臺壓風射流風機均內(nèi)偏15°時，兩臺壓風射流風機產(chǎn)生的射流交匯疊加，送風動能增加，加速霧的驅(qū)散，y=13 m垂直面上兩風機之間區(qū)域的霧都被驅(qū)散，鏟車司機視線在很大程度上得到提高。對此，當兩臺壓風射流風機均內(nèi)偏15°時，驅(qū)霧效果最佳，能夠提高鏟車司機的視線。

圖7 兩臺壓風射流風機驅(qū)霧效果對比云圖Fig.7 Cloud diagram of fog dispersal effect comparison between single and two compressed air jets

圖8 不同安裝角度下壓風射流風機所在平面(z=3m)流場對比云圖Fig.8 Cloud diagram of the plane flow field(z=3m)of the compressed air jet at different installation angles

2.4 現(xiàn)場效果檢驗

通過上述射流風機出口速度的確定選擇了相應(yīng)的壓風射流風機，根據(jù)流場和驅(qū)霧效果確定了風機數(shù)量和安裝方式。利用數(shù)值模擬結(jié)果(風機出口風速39.7 m/s，兩臺射流風機各內(nèi)偏15°安裝)在某露天鏟裝作業(yè)點進行了壓風射流消霧方式的風機安裝調(diào)試并進行了工業(yè)試驗，未開啟壓風射流驅(qū)霧和開啟壓風射流驅(qū)霧后的效果對比圖如圖10所示。從圖中可以看出，壓風射流風機安裝開啟后，鏟車前方霧氣明顯減少，鏟車司機視線與風機所在平面相交區(qū)域霧被驅(qū)散，鏟車司機能夠較為清晰地看到鏟斗以及地面，作業(yè)環(huán)境良好。這也說明，采用壓風射流的驅(qū)霧方式能在現(xiàn)場起到良好的驅(qū)霧作用，提高了鏟裝作業(yè)電鏟司機的作業(yè)視線，保證了鏟裝作業(yè)點鏟裝作業(yè)效率，實現(xiàn)了露天礦鏟裝作業(yè)點冬季安全高效鏟裝作業(yè)。

圖9 壓風射流風機不同安裝角度下驅(qū)霧效果對比云圖Fig.9 Cloud diagram of fog dispersal effect comparison at different installation angles

圖10 現(xiàn)場壓風射流風機啟動前后霧氣分布圖Fig.10 Fog distribution diagram before and after the compressed air jet is started

3 結(jié)論

(1)考慮露天礦鏟裝作業(yè)點冬季產(chǎn)霧及流場特點，提出采用壓風射流形成人工流場干預(yù)的驅(qū)霧方式。

(2)建立露天礦鏟裝作業(yè)點壓風射流驅(qū)霧模型，利用ANSYS Fluent軟件，模擬不同壓風射流風機出口速度、風機數(shù)量及安裝角度對鏟裝作業(yè)點流場及驅(qū)霧效果的影響，分析得到：壓風射流風機出口風速為39.7 m/s，安裝數(shù)量為兩臺且安裝角度均內(nèi)偏15°時能起到良好的驅(qū)霧效果。

(3)將模擬得到的壓風射流驅(qū)霧方案應(yīng)用到露天礦實際鏟裝作業(yè)中，進行現(xiàn)場驅(qū)霧效果檢驗，結(jié)果表明分析確定的壓風射流驅(qū)霧方式及技術(shù)參數(shù)能夠有效解決鏟裝作業(yè)點的濃霧聚集問題。