（热能工程专业论文）工业环境深凹露天采矿飏尘防治用风障技术的研究.pdf

s t u d i e so nt h es h e l t e r e f f e c t s o fw i n d b r e a ko ni n d u s t r i a l f u g i t i v ed u s te m i s s i o ni nt h e o p e np i tm i n e d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt 0 d o n g h u au n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n t0 ft h er e q u i r e m e n tf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y j i a n l i nl i u t h e r m a le n g i n e e r i n g d i s s e r t a t i o ns u p e r v i s o r p r o f e s s o rs h e nh e n g g e n l e c t u r e rl i a n gz h e n d e c e m b e r 2 0 1 2 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 我恪守学术道德 崇尚严谨学风 所呈交的学位 论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除 文中己明确注明和引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容 论文为本人亲自撰写 我对 所写的内容负责 并完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 日期 j 衫岁年 磁一 参一d 月 a 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允 许论文被查阅或借阅 本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文 保密口 在 年解密后适用本版权书 本学位论文属于 不保密k 学位论文作者硌多 辫 日期 弓吖 年 月 目t 指导教师签名 e 跳吣聊 日期 砌年 月心日 摘要 工业环境深凹露天采矿飚尘防治用风障技术的研究宰 摘要 风障技术研究是防风抑尘研究的重要领域 对深凹露天采矿中产生的飚尘和 污染物扩散的防治具有重要意义 针对工业深凹矿坑内作业飚尘影响环境空气质 量问题 采用风障技术进行大尺度粉尘污染源控制研究 已有研究中缺乏深凹露 天矿区动态开采过程对风流状态影响的探索 尤其是开采中自然风对矿坑飚尘的 影响程度还不够明确 此外 目前采用风障技术进行露天矿区飚尘防治中 关于 风障结构因素影响其庇护效应的分析不完善 且风障形式单一 并缺少将风障用 于露天矿飚尘防治的可参照案例 针对以上问题 同时考虑到风障技术用于大尺度空间控制实验研究的困难 性 本文采用数值方法开展了以下研究工作 1 建立了适用于深凹露天矿风场飚尘分析的数值计算模型 通过c f d 软 件f l u e n t 采用 可实现 抽模型及u d f 自定义函数编程设定边界并对模型进 行可靠性验证 通过对深凹地形风场进行计算 分析了深凹露天矿飚尘的诱因和 矿区周围风场特性 指出矿坑内风速变化不同于指数律风速分布 2 对动态开采下深凹露天矿开采空间风流状态进行模拟试验研究 该试 验研究了露天矿开采深度2 堆土形式及测定高度的来流风速甜l 对矿坑开采空间 周围流场的影响 结果表明 自然风在1 0 m 以下受到地形边界影响 风速减缓 梯度与开采深度z 呈负相关 堆土具有挡风作用 使得其背风面风速迅速降低直 至远离堆土后才恢复 并当自然风流入坑内后 风速降低梯度与测定高度风速 l 呈正相关 且u 1 越高越易出现反向风 3 对风障结构参数影响其庇护效果进行了正交模拟试验分析 运用正交 试验原理对不同风障高度 风障倾角和风障厚度的2 7 组深凹露天矿飚尘用风障 模型进行试验 并选取风障后相对平均风速及风障阻力作为考察指标 结果表明 风障结构因素影响庇护效应的重要程度依次是风障厚度4 风障倾角口和风障高 度h 得到优化型风障 同时指出在相同开孔率和高度下 直立风障的庇护效果 本课题研究得到中国黄金集团2 0 l1 年科研计划项目 高寒地区采选矿通风防尘与节能技 术的研究 中金科技i 蜀 2 0 1 1 1 8 0 号 的资助 摘要 和风障阻力与风障厚度呈正相关 4 在已建立的深凹露天矿区 含风障 模型基础上 模拟7 种不同构造 形式的风障 并分析风障构造形式对露天矿区飚尘防治效果 分析得出与防风墙 开孔率s 0 相比 风障 e 4 0 和防风林 s 4 0 后的负压区更小 且 易形成速度分层 更能有效降低风障庇护区域内风速并更利于捕集矿坑内逸散出 的粉尘 明确了风障在各高度下的庇护效果变化及防风林对自然风速的削弱趋 势 确定了同时使用风障和防风林的组合是深凹露天矿区飚尘防治的合理形式 5 将所研究的风障技术用于某深凹露天矿区飚尘控制工程和某凹形卸料 槽扬尘控制工程 在上述研究的基础上 结合风障本身防风特性 不仅可用于控 制深凹露天矿飚尘 也可用于控制建筑工地及港口物料堆场等易受到环境自然风 影响导致大面积扬尘的场所 并根据高寒地区某矿区卸料槽中扬尘特点一一控制 区域集中 尘粒浓度大等 将上述研究方法拓展到卸料工地中扬尘控制 建立模 型 探究其尘源结构与风障适用形式的匹配关系 本课题研究进行的深凹地形风流状态变化分析 及针对该类地形飚尘的控制 所做的风障技术研究能为研究风障庇护效果提供数据支持和模型依据 本文所采 用风障技术的形式和结果为深凹地形飚尘的控制提供了指导 同时也拓展了风障 技术在环境空气质量控制的应用领域 关键词 工业环境深凹露天矿飚尘风障风场数值模拟 a b s t r a c t s t u d i e so nt h es h e i e r e f f e c t so f w i n d b r e a ko ni n d u s t r i a lf u g i t i v ed u s t e m i s s i o ni nt h eo p e np i tm i n e a b s t r a c t w i n d b r e a kt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tf i e l do fs t u d i e so ns h e l t e r e f f e c t so fw i n da n dc o n t r o l o ff u g i t i v ed u s te m i s s i o n a si tp l a y sas i g n i f i c a n tr o l ei np r e v e n t i n gt h ed i f f u s i o no fd u s ta n d c o n t a m i n a n td u r i n gt h em i n i n gp r o c e s si nt h eq u a r r y d u et ot h ep o o ro u t d o o ra i rq u a l i t yt h a t c a u s e sb yt h ep a r t i c u l a t ee m i s s i o no fi n d u s t r i a lm i n ee x p l o i t a t i o n w et a k et h et e c h n o l o g yo f w i n d b r e a k1 0t a c k l et h i sl a r g es c a l ed u s tp o l l u t i o n h o w e v e r c u r r e n ts t u d i e so nt h ed y n a m i c e x p l o i t e ds p a c e s i n f l u e n c eo nt h ew i n df i e l dd on o te x p l a i nc l e a r l y e g t h em o v i n gm e c h a n i s mo f w i n dw i t hp a r t i c l e b e s i d e s t h ec u r r e n tu s i n gw i n d b r e a km o d e l sa r eo n l yaf e wt y p e s a n dl a c k i n g o fs u f f i c i e n ta n a l y s i so fi t ss t r u c t u r a lf a c t o r so nt h es h e l t e r i n ge f f e c t si nt h eq u a r r yw i t hl a r g e a m o u n to fc o n t a m i n a n t m e a n w h i l e t h e r ea r ef e wc o m p l e t e dp r o j e c t s e s p e c i a l l yt ot h eo p e np i t m i n ef o ru st oc o m p a r ew i t h t h eo b j e c t i v e so ft h i sd i s s e r t a t i o na r et of i n dw a y st oa n a l y z et h ew i n d b r e a k s p r o t e c t i o n e f f e c t so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fq u a r r ys u r r o u n d i n g b e c a u s eo ft h ed i f f i c u l t y f o rr e a l e x p e r i m e n t i n go rt e s t i n go nal a r g es c a l es p a c e i nt h i sp a p e r w ea r et r y i n gt om o t i v a t e dr e s e a r c h b yu s i n go ft h em e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h i sr e s e a r c hi n c l u d e st h ef o l l o w i n g 1 w i t ht h eh e l p i n go ff l u e n ts o f t w a r e i tw a sc o n v e n i e n tt o e s t a b l i s hab a s i cs i m u l a t e d m o d e lo ft h es t u d yo nf l o wf i e l di nt h eo p e np i t t h i sm o d e lw a sb a n k e do nt h e r e a l i z a b l e 妇 m o d e l a n du s e r d e f i n e df u n c t i o n sw e r eu t i l i z e dt oc h a n g et h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s t h er e l i a b i l i t y w a sc o n f i r m e da sw e l l f u r t h e r m o r e ac a s es t u d yw a sc h o s e nt op r a c t i c et h i ss i m u l a t e dm e t h o d i t i ss h o w nt h a tt h ea b s o r p t i o nf a c t o r so nd u s te m i s s i o na n dt h ec h a r a c t e r so fn e a r b yw i n df i e l d i n t h i sq u a r r y a sar e s u l t st h a tt h ed i f f e r e n tc h a n g i n gt e n d e n c ya r eb e t w e e nt h ep o w e rl a wp r o f i l ea n d t h e s ei nt h ep i t 2 t h ec f ds i m u l a t i o n sr e s e a r c h e do nt h ed y n a m i ce x p l o i t e di n f l u e n c eo fw i n ds y s t e mi n t h eo p e np i tq u a r r y w eh a dp i c k e du p3n o r m a le x p l o i t a t i o np a r a m e t e r s e g t h ee x p l o i t e dd e p t hz t h i sr e s e a r c hw a ss u p p o r t e db yt h es c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c to fc n g g c c h i n a n a t i o n a lg o l d g r o u pc o r p o r a t i o n r e s e a r c ho nv e n t i l a t i o n d u s t c o n t r o la n de n e r g yc o n s e r v a t i o no fm i n i n g p r o c e s sa ta l p i n er e g i o n r 2 01l n o 8 0 i i i a b s t r a c t 一一 一 t h et y p eo fs m a l lh i l l sa n dt h em e a s u r e dv e l o c i t y l 7s i m u l a t e de x p e r i m e n t sh a db e e nd o n ea s w e l l i no u re x p e r i m e n t s t h ef e a t u r e so fw i n dv e l o c i t ya r o u n dt h em i n ea r es h o w n i t st e n d e n c y b e c o m e sd i f f e r e n tf r o mt h ev e l o c i t yp r o f i l eb e l o w10md u et ot h ei n f l u e n c eo ft o p o g m p h y a n di t s d e c r e a s i n gg r a t i t u d eh a sn e g a t i v ec o r r e l a t i o n w i t ht h ee x p l o i t e dd e p t h m e a n w h i l e t h es m a l lh i l h a sw i n ds h e l t e re f f e c t v e l o c i t y t u r n sb a c kt or i s ew h e nt h ef l o wl e a v e so f ft h eh i l l f a ra w a y w i n ds p e e db e c o m e ss l o wd o w na n dt h e r ei sr e s e r v ef l o ww h e nt h ew i n dg o e si n t ot h eq u a r r y a n d i t sd e c r e a s i n gh a sp o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t ht h em e a s u r e dv e l o c i t y d 1 3 w i t ht h ep r i n c i p l eo fo r t h o g o n a lt e s t s w eh a de s t a b l i s h e dap h y s i c a lm o d e la sw e l la sa n u m e r i c a is i m u l a t i o nf o rt h ew i n d b r e a k ss t r u c t u r es oa st oa n a l y z et h es h e l t e re f f e c t st h r o u g ht h e s t u d yo ft h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sc o n c e r n e d t ob e g i nw i t h w eh a dp i c k e du pt h r e e n o r m a l s t r u c t u r a lp a r a m e t e r s i e t h eh e i g h t t h et h i c k n e s sa n dt h et r i a n g l e a n dt h e nw eh a dd o n e2 7 s i m u l a t e de x p e r i m e n t s t h ea v e r a g er e l a t i v es p e e da f t e rt h ew i n d b r e a k u u 0 a n di t sp r e s s u r ed r o p 俨 w e r et a k e na st h e t e s t e di n d e x e s a sar e s u l t t h es i g n i f i c a n c eo ft h es t r u c t u r a l f a c t o r s i n f l u e n c et h es h e l t e r i n ge f f e c ti nt h r e ew a y s a ss h o w ni nt h i c k n e s s t r i a n g l ea n dh e i g h t f r o m w h i c hw ec a nd e d u c et h eo p t i m i z e dw i n d b r e a kd a t ai nt h ef o r mo fa 2 8 1 c 2 u n d e rt h es a m e p o r o s i t ya n dh e i g h to f w i n d b r e a k t h ei n c r e a s eo f t h e w i n d b r e a kt h i c k n e s sh e l p st or e d u c et h ew i n d v e l o c i t y t h o u g ht h ep r e s s u r ed r o pa r o u n dt h ew i n d b r e a ki sl i k e l yt or i s e 4 b a s e do nt h ee s t a b l i s h e dw i n d b r e a ka n ds h e l t e rm o d e l so ft h eq u a r r y t h i sp a p e rh a d s i m u l a t e d7d i f f e r e n tm o d e l so fd i f f e r e n ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r s e g p o r o s i t y s f i no r d e rt o a n a l y z et h es h e l t e r i n ge f f e c tt h a ti n f l u e n c e db yt h ew i n d b r e a k s s t r u c t u r e s f i r s t l y t h er e s u l t d e m o n s t r a t e st h ep r e s s u r ed r o p w h i c hb e h i n dw i n d b r e a k s b 4 0 a n ds h e l t e r b e l t sq k 4 0 i s l o w e rt h a ni tb e h i n dw i n d b r e a kp k 0 m o r e o v e r i ti sl i k e l yt ob e c o m et h ev e l o c i t ys t r a t i f i c a t i o n s oa st od e c r e a s et h ew i n d s p e e db e h i n dt h ew i n d b r e a ka n db em o r eb e n e f i c i a l t oc o l l e c tt h e f u g i t i v ed u s t b e s i d e s w em a k es u r en o to n l yt h ec h a n g eo fw i n d b r e a k ss h e l t e r i n ge f f e c to n d i f f e r e n th e i g h t s b u ta l s ot h er e d u c i n gt e n d e n c yo fs h e l t e r b e l t sf o rn a t u r a lw i n d l a s tb u tn o tl e a s t i ti sr e a s o n a b l et h a tt h ec o m b i n e du s e do fu p w a r dw i n d b r e a ka n dl e e w a r ds h e l t e r b e l t sf o r t h ed u s t c o l l e c t i o n 5 c o m b i n i n gt h es i m u l a t e de x p e r i m e n t sr e s u l t sa b o v ew i t hr e l a t e dt h e o r i e si nt h ef i e l d so f w i n d b r e a ki nt h eo p e np i tm i n e i t st e c h n o l o g yi su s e dt oc o n t r o lt h ef u g i t i v ed u s te m i s s i o nb o t hi n aq u a r r ye x p l o i t e dp r o j e c ta n dao r ec h u t ep r o j e c t i tp o i n t so u tt h i ss h e l t e rt e c h n o l o g ys u i t sf o rt h e a r e a w h i c hl o c a t e si nh i g hp a r t i c u l a t ec o n c e n t r a t i o n e g t a k i n ga b o v em e t h o d st o c o n t r o lt h e c o n t a m i n a n td i s p e r s i o n s oa st oa n a l y z et h ec o o p e r a t i o nb e t w e e nt h ed u s ts o u r c ea n dw i n d b r e a k c o n s t r u c t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ec h a n g ep r o c e s so fw i n df i e l d i na no p e np i tm i n ea n dt h es u i t e d w i n d b r e a kt e c h n o l o g i e s w h i c hw a sr e p o r t e dt h a tl e dt os o m ei m p r o v e m e n tp r o p o s a l sf o rt h e i v a b s t r a c t s i m u l a t i o nm o d e l t h e yc o u l dc o n t r i b u t et oc o n t r o lt h ed u s te m i s s i o ni na no p e np i ts t y l er e g i o n a n dp r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt h ed e s i g no f w i n d b r e a ko ne n v i r o n m e n t a la i rq u a l i t yc o n t r 0 1 c a n d i d a t e j i a n l i nl i u t h e r m a le n g i n e e r i n g s u p e r v i s e db yp r o f e s s o rh e n g g e ns h e n l e c t u r e r z h e nl i a n g k e yw o r d s i n d u s t r i a le n v i r o n m e n t o p e np i tm i n e f u g i t i v ed u s te m i s s i o n w i n d b r e a k w i n df l o wf i e l d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n v 目录 目录 摘要 i a 日i s t r a c t i i i 目录 v i 主要符号对照表 x 第1 章绪论 l 1 1 研究背景 1 1 2 深凹露天矿坑飚尘研究现状 3 1 2 1 深凹露天矿尘源分析 3 1 2 2 深凹露天矿风场飚尘的实验研究 4 1 3 风障技术的研究现状 5 1 3 1 风障技术的理论研究 5 1 3 2 风障技术的数值模拟研究 7 1 3 3 风障结构因素影响其庇护效应的研究 9 1 3 4 风障庇护效应的环境影响因素的研究 1 1 1 3 5 工程应用现状 1 2 1 4 课题拟解决的问题和研究内容 1 3 1 4 1 研究拟解决的问题 1 3 1 4 2 研究内容 1 3 1 5 课题技术路线和研究方法 1 4 第2 章深凹露天矿风场飓尘的基本模型建立 15 2 1 引言 1 5 2 2 物理模型建立及网格划分 1 5 2 3 数学模型 1 6 2 3 1 计算模型的选择 16 2 3 2 边界条件 18 v i 目录 2 3 3 求解方案 2 2 2 4 网格的独立性验证 2 3 2 5 深凹露天矿风场预测结果与讨论 2 3 2 5 1 飚尘诱因分析 2 3 2 5 2 深凹露天矿坑飚尘预测方法 2 4 2 5 3 深凹露天矿风场模拟结果分析 2 5 2 6 本章小结 2 6 第3 章动态开采下深凹露天矿开采空间风流状态模拟预测 2 7 3 1 引言 2 7 3 2 模拟控制试验 2 7 3 2 1 试验设计 2 7 3 2 2 试验方法 2 8 3 3 模型建立 2 8 3 3 1 物理模型建立及网格划分 2 8 3 3 2 数学模型与边界条件 3 0 3 4 结果分析 3 l 3 4 1 不同开采坑深度对风流状态的影响 3 l 3 4 2 不同堆土形式影响风速分布的分析 3 2 3 4 3 测定高度风速 l 对流场的影响分析 3 4 3 5 本章小结 3 5 第4 章风障结构参数影响性能的正交模拟试验分析 3 6 4 1 引言 3 6 4 2 模型建立 3 6 4 2 1 物理模型及网格划分 3 6 4 2 2 数学模型及边界条件 3 7 4 2 3 模型可靠性验证 3 9 4 3 模拟试验设计 4 0 4 3 1 正交试验设计原理 4 0 v i i 目录 4 3 2 影响因子确定 4 0 4 3 3 试验方案 4 0 4 4 试验结果分析 4 l 4 4 1 试验数据的处理方法 4 1 4 4 2 试验结果的直观分析 4 2 4 4 3 试验结果的方差分析 4 3 4 5 分析结果讨论 4 4 4 5 1 优化型风障庇护效应的分析 4 4 4 5 2 主导结构因素对风障庇护效应的影响分析 4 5 4 6 本章小结 4 6 第5 章不同构造形式风障在气流通过下流场分布预测 4 7 5 1 引言 4 7 5 2 技术路线 4 7 5 2 1 风障构造形式试验方案设计 4 7 5 2 2 试验方法 4 7 5 3 模型建立 4 8 5 3 1 物理模型及网格划分 4 8 5 3 2 数学模型与边界条件 4 9 5 4 结果分析 5 0 5 4 1 单侧迎风方案后流场分析 5 0 5 4 2 双侧风障后的流场分析 5 3 5 4 3 人工风障及防风林后流场分析 5 5 5 s 本章小结 一 5 7 第6 章工程应用 5 9 6 1 引言 一 5 9 6 2 深凹露天矿坑飓尘控制双侧风障方案 5 9 6 2 1 工程背景 5 9 6 2 2 技术措施 6 0 目录 6 2 3 数值模拟分析 6 0 6 3 凹形卸料槽扬尘控制风障方案 6 1 6 3 1 工程背景 6 1 6 3 2 技术措施 6 2 6 3 3 数值模拟分析 6 3 6 4 本章小结 6 5 第7 章结论 6 7 7 1 本文结论 6 7 7 2 本文创新点 6 8 参考文献 6 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文与研究成果 7 5 致谢 7 7 i x 主要符号对照表 正文 主要符号对照表 p流体密度 k g m 3 尼 风障的阻力系数 风障的开孔率 眈颗粒物捕集效率 u o z uf 高为胃或z 时的风速 r e d s h 风障高度 m h l风障上孔洞的深度 t u t t i c d 风障上风向的颗粒物浓度 a 风障下风向与上风向颗粒物浓度之比 咖广义变量 乃 对应的扩散系数 i 对应的源项 r f 整体里查森数 p 大气压力 p a 空气动力粘度 p a s k 湍动能 j 高度z 处的湍动能 j s 湍动能耗散率 高度z 处的湍动能耗散率 西 k r o n e e k e rd e l t a 张量 v 运动糙度 m 2 s 摩擦速度 m s 初地面粗糙度 c m 珥颗粒物排放量 g b 粒径大小因子 n 堆料每年受扰动的次数 次 p 第i 次扰动中观察的最大风速的风蚀潜势 g 各表面风蚀比例因子 煤尘暴露面积 m 2 a p风障前后压力损失 p a x 主要符号对照表 正交表代号 正交表行数 总试验次数 正交表列数 最多安排因素个数 因素水平数 正交表中任一列水平号为i 时所对应的考察指标结果之和 正交表中任一列上各水平出现的次数 极差 试验结果 试验重复次数 总自由度 各因素自由度 偏差平方和 平均偏差平方和 因素平均偏差平方和与误差的平均偏差平方和之比 缩略语 p m l o空气动力学直径5 1 0 扯m 的颗粒物 p a r t i c u l a t em a t t e r p m l 0 p m 2 5空气动力学直径s 2 5 1 a m 的颗粒物 p a r t i c u l a t em a t t e r p m 2 5 t s p 总悬浮颗粒物 t o t a ls u s p e n d e dp a r t i c u l a t e c f d 计算流体动力学 c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s n h t 数值传热学 n u m e r i c a lh e a tt r a n s f e r s i m p l e s e m i i m p l i c i tm e t h o df o rp r e s s u r e l i n k e de q u a t i o n s s i m p l e r s i m p l er e v i s e d s i m p l e cs i m p l ec o n s i s t e n t p i s op r e s s u r ei m p l i c i tw i t hs p i t t i n go fo p e r a t o r s a b l 大气边界层 a t m o s p h e r i cb o u n d a r yl a y e r d n s直接数值模拟 d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n d v s 离散涡模拟 d i s c r e t ev o r t e xs i m u l a t i o n l e s 大涡模拟 l a r g ee d d ys i m u l a t i o n p d f s 概率密度函数模拟 p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o ns i m u l a t i o n x i l 疗七 珩 厨 s r 砌r疗厂s矿f 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 工业矿坑多为深凹露天矿坑 其开采过程中 由于坑内矿石破碎和矿料输运 中产生气流诱导形成一次扬尘 这些矿尘在开采区积聚使得采场内环境恶劣 如 图1 1 所示 同时 已经飚起的粉尘极易被环境自然风携带进行二次扩散 蔓延 到采场下风向 污染下游地区环境 一旦下游地区属于人员活动密集区域 被环 境自然风携带来的粉尘将严重影响人员活动区域的空气质量 以某市钢铁企业大型露天采矿区 见图1 2 飚尘的防治工程为例 该露天 采场目前飚尘严重 特别是遇干旱少雨天 矿石破碎或运料车辆运动等产生诱导 气流极易将粉尘扬起 同时 在自然气流卷携作用下 已扬起的粉尘扩散至下游 市区混入城市空气 如图1 3 所示 城市空气质量一般是由城市污染源 周围环 境污染源及主导风向等综合决定 lj 有研究表明 2 3 1 室外空气污染程度与人的 健康相关 人长期生活在污染严重环境中易引发呼吸类疾病 图1 1 露天采场飚尘 f i g 1 1f u g i t i v ed u s te m i s s i o na tq u a r r y 图1 2 大型露天矿区 f i g 卜2o p e np i tm i n e 室外采集的新风作为建筑空调系统送风的重要组成 来源于室外新风口周围 的环境空气 4 因此 新风的洁净程度和建筑内人员的健康密切相关 一旦引入 的新风受到污染 将影响建筑室内空气品质 危害人体健康 诱发哮喘等疾病 5 6 1 长期以来 暖通空调的研究设计人员通过设置空气过滤器来净化新风 但由 于使用者的疏忽 未能对新风机组过滤器及时更换等原因 仍使得外界环境空气 未经处理直接进入建筑内部 引发各类病态建筑综合症 然追本溯源 仍是城区 空气质量问题 一般而言 影响城区空气污染物浓度的因素主要包括 室外污染 物浓度 城市主导风向 木材加工 附近的柴油车辆 建筑工地 开窗以及地理 1 第l 章绪论 位置等 7 1 因此 营造良好的室内新风品质可从其源头一一室外空气质量治理入 手 图1 3 采矿场与市区布局图 f i g 1 3m 印o f t h ec i t ya n dq u a r r y 近年来 随着国家对环境大气质量的控制要求提高 对环境中颗粒物浓度所 列指标也从1 9 9 6 年将p m l o 列入控制标准 大气污染物综合排放标准 g b 1 6 2 9 7 1 9 9 6 1 8 和 环境空气质量标准 g b3 0 9 5 1 9 9 6 t 9 到2 0 1 1 年环保部发布的 环境空气p m l o 和p m 2 5 的测定重量法 h j6 1 8 2 0 1 1 1 0 中规范了p m 2 5 的测定 方法 再到2 0 1 2 年新的 环境空气质量标准 g b 3 0 9 5 2 0 1 2 1 1 1 j 颁布 由图1 3 中的主导风向 并经环境监测发现 从矿区随风扩散到城区的粉尘 主要集中于 t s p t o t a ls u s p e n d e dp a r t i c u l a t e 到p m l o 之间 作为城区空气污染源之一 进行 飚尘控制的对营造良好空气质量的非常重要 针对如何控制深凹露天采矿飚尘 营造良好的开采作业环境及下游环境 首 先应从深凹露天矿飚尘现状 尘源结构 现有防治措施及存在的问题入手 其次 由调研知该露天采场目前的抑尘措施是使用喷淋降尘法 其原理是喷洒的水雾能 润湿细小的干燥粉尘 使其相对密度增大 凝结成较大的颗粒 在一定外力作用 下不能飞扬 1 2 由2 0 0 5 年某矿区喷淋抑尘统计数据i l3 知 纯水的喷洒量为 5 6 l m 2 有效抑尘时间为0 5 h 左右 故设水完全蒸发的时间为1 h 左右 通过 计算得年耗水量如表1 1 所示如下 考虑到国家 节能环保 政策 大水量喷淋 有欠环保 同时 喷淋降尘法在该采矿区使用效果并不明显 且耗水量大 输配 喷淋用水的设备及耗能另计 由此可见 该采矿区亟待解决的问题是采用新的技 术降低采矿飚尘量及对已飚粉尘的捕集 2 第1 章绪论 表1 1 喷淋降尘耗水量 t a b l el 1w a t e rc o n s u m p t i o no fs p r a y i n gi nd u s tc o n t r o l 注 1 矿区面积为中钢矿山院提供数据 2 设l h 为一次喷淋周期 日平均喷淋8 次 年均喷淋8 个月 3 城镇每户月耗水量以lo t 计 目前 风障 w i n d b r e a k 作为降低风蚀飚尘的有效措施 也称防风网或挡 风网 近年来在国内外减少自然风危害的工程中广泛使用 它是由具有一定开孔 率的金属网板或由非金属材料经编织 粘接 挤压成型的非金属网片 支撑钢结 构 地下基础组成的工程装置 l4 1 风障作为防风抑尘措施在国内外的港口 煤 堆场和建筑工地中得到较多应用 证明其防风性能优越 但风障应用于露天采矿 飚尘防治的案例和文献较少 其可靠性还有待验证 故针对深凹露天采矿飚尘防 治用风障技术值得进一步研究 1 2 深凹露天矿坑飑尘研究现状 1 2 1 深凹露天矿尘源分析 防风抑尘研究者最初多为大气物理学 地质学及风沙物理学等方向的研究人 员 其研究侧重 系统观 即从大环境下考虑风飚粉尘的来源及其扩散过程 甚至是搬运粉尘的风系统及各种粉尘风蚀问题 这一时期可追溯到2 0 世纪初 大量的观察及实测表明 粉尘的侵蚀 搬运和沉积会给环境和经济带来严重的后 剿1 5 1 到上世纪中叶 研究侧重点由大环境上的观测调查逐渐转向用流体力学或气 溶胶力学理论分析粉尘运动的基本形式 运动特点和起尘规律 从最初将 p r a n d t l v o r lk a r m a n 公式 吲入分析风蚀粉尘的 拖曳速度 到1 9 4 1 年b a g n o l d 1 6 j 提出 起动风速 流体门限 的概念 他们认为流体的起动风速及含沙的起动风 速是两个不同概念 前者是指来流中不含尘粒 颗粒起动完全出自于风对颗粒的 直接作用下的临界风速 后者则是来流中所含尘粒撞击堆料表面所引起堆料上表 面颗粒的蠕动或跳跃 然而 起动风速这一临界值如何确定 其标准是什么还不 明确 这之后 k r a m e r 提出了弱动 中动 普遍动得标准 y a l i n 给出起动强度 标准 窦国仁起动概率标准及韩其为的相对输移率标准也相继问世 l 7 1 9 基于对风飚粉尘理论的研究 研究者们开始运用基本力学定律对矿山粉尘进 行受力分析 赵星光和谭卓英 2 0 1 对矿山采场路面尘源建立受力模型 得出路面 粉尘在车轮转动 压力梯度而产生的诱导气流 车辆颠簸振动的综合作用下飞扬 3 第l 章绪论 状况 尘粒在h 高度处具有的最大速度 1 9 9 8 年 g h o s e 和m a j e e 确定了某露天 煤矿扬尘的来源 2 l 如表1 2 所示 杨玉新 2 2 调研了多个深凹露天矿 其结果表 明露天矿山粉尘来源包括钻孔作业粉尘 爆破作业粉尘 采装作业粉尘和运输扬 尘 s a s i l v e s t e r 和i s l o w n d e s 等 2 3 2 4 学者则通过对英国某矿区多年调查得出 该采场扬尘来源按粉尘尺度分为4 级 分别由2 5 1 a m l o i t m 3 0 9 m 和7 5 9 m 组 成 这都为后续研究中风洞试验及模拟试验打下了坚实基础 表1 2 颗粒物来源对扬尘的贡献f 2 l j t a b l e1 2c o n t r i b u t i o nt od u s te m i s s i o nb yt h es o u r c eo fp a r t i c l e 2 l 1 2 2 深凹露天矿风场飚尘的实验研究 由于深凹地形边界占地区域广 对其风场进行实测比较困难 研究者们借助 流体相似理论 走上用风洞实验研究深凹露天矿风场的道路 c l i v eg r a i n g e r 和 r o b e r tn m e r o n e y l 2