井工煤矿无轨胶轮车扬尘影响范围及其影响因素
安技中心 田昆
随着矿井机械装备水平的提高，采用防爆无轨胶轮车进行辅助运输的矿井逐渐增多，针对无轨胶轮车扬尘问题的研究越来越受到研究人员的重视。
开放环境中车辆行驶对道路扬尘影响的定性与定量研究表明路面扬尘具有非连续性，车辆的行驶可以加重路面扬尘的危害，且车辆行驶速度越大、车辆越多、路面积尘负荷、载重量越大扬尘污染越严重。在普通道路和施工工地附近道路的车辆扬尘相关研究中，认为路面积尘负荷与车流量相关性较好，且积尘负荷越大扬尘浓度越大；距离工地道路出口越近路面积尘负荷越大，且扬尘浓度越大。在煤矿中此类研究数量较少且主要集中在露天矿的运输车辆方面。以上几类问题的研究区域为非受限的开放环境，而在井工矿井中，巷道为受限空间，受限空间中车辆扬尘规律与开放空间有明显区别。井工煤矿的辅助运输巷道是进风巷，主要作用是进风、运料和行人，粉尘的来源一般是运料过程中由于车辆覆盖不严向外溢出的各类固体颗粒物，另外一种最为主要的尘源是车辆在采掘工作面等处车身和车轮上沾粘的煤泥，待其逐渐蒸发干燥后在车辆碾压作用下破碎形成底板二次尘源。有研究认为限制车辆行驶数量尤其是渣土车对降低路面积尘负荷和控制扬尘有明显作用，说明路面扬尘主要尘源是车辆行驶导致的。
对受限辅运巷车辆行驶过程中车辆后方扬尘影响范围及其受积尘负荷、车辆行驶速度、粉尘密度、直径、密度的影响作用及水平进行研究，有助于受限巷道扬尘防治，由于以上因素在现场条件下是随机变化的采用现场实测方法很难完成相关研究，所以采用数值模拟方法开展相似数值仿真实验进行研究来全面掌握以上五个因素对车尾扬尘影响范围的影响程度。
巷道宽6m、高4.8m、长100m；车辆使用运料车：车总长7.0m、车头高1.8m、宽2.2m，由于数值模拟的网格划分过程中车轮设置圆形会极大限度增加网格数量导致三维模型计算困难，因此将车轮设置为与圆形车轮尺寸相似的矩形：长0.6m、高0.6m、宽0.3m，如图1所示。
图1物理模型
网格划分基本单元为自由剖分四面体网格；序列类型采用物理场控制网格；单元尺寸为粗化；网格划分结果为：78443个域单元、11034个边界单元、826个边单元。
（1）物理场控制
数值模拟模型中的混合物采用Schiller-Naumann-Krieger方法进行控制，物理控制方法中分散相选择为固体粒子，滑动模型为Schiller-Naumann模型，湍流控制类型选用RANS。
（2）边界条件设置
①风流条件：数值模拟过程中受限巷道一端为进风口，辅运巷道为进风巷，风速在1～4m/s范围内，具体设置按照表1正交设计安排；另一端为回风口设置条件为压力控制。风流密度1.29 kg/m3,动力粘度为1.8e-5 Pa/s,压力1atm；②粉尘颗粒条件：粉尘颗粒的水分含量（质量含水率）为1.6%，颗粒含水率没有达到对应的含水率阈值，所以粉尘运移过程中一般不用考虑凝聚效应的影响，粒径、密度等见表1；气流与粉尘颗粒形成混合物的动力粘度由Krieger混合物动力粘度类型控制，由软件根据气固两相的体积分数和气相动力粘度结合湍流参数进行计算获得；底板粉尘量采用积尘负荷表示，用底板积尘范围内单位体积上的粉尘颗粒的体积分数表示底板的积尘负荷，其设置水平见表1，底板积尘无初始速度。③初始条件：初始巷道气流中无粉尘；底板存在无初始速度的粉尘颗粒；初始条件下车身无粉尘颗粒存在，仅有行驶速度，见表1；巷道顶底板及壁面为静止壁。
表1正交设计
|
编号 |
密度/kg˙m-3 |
直径/μm |
积尘负荷/1e-7 |
车速/m˙s-1 |
风速/m˙s-1 |
|
1 |
1400.00 |
10.00 |
6.00 |
6.00 |
1.00 |
|
2 |
1000.00 |
2.50 |
1.00 |
4.00 |
1.00 |
|
3 |
1600.00 |
7.50 |
6.00 |
4.00 |
3.00 |
|
4 |
1000.00 |
15.00 |
6.00 |
10.00 |
4.00 |
|
5 |
1400.00 |
2.50 |
2.00 |
10.00 |
3.00 |
|
6 |
1400.00 |
15.00 |
4.00 |
4.00 |
2.00 |
|
7 |
1600.00 |
10.00 |
1.00 |
10.00 |
2.00 |
|
8 |
1200.00 |
2.50 |
6.00 |
8.00 |
2.00 |
|
9 |
1400.00 |
7.50 |
1.00 |
8.00 |
4.00 |
|
10 |
1000.00 |
7.50 |
2.00 |
6.00 |
2.00 |
|
11 |
1600.00 |
15.00 |
2.00 |
8.00 |
1.00 |
|
12 |
1600.00 |
2.50 |
4.00 |
6.00 |
4.00 |
|
13 |
1200.00 |
10.00 |
2.00 |
4.00 |
4.00 |
|
14 |
1200.00 |
15.00 |
1.00 |
6.00 |
3.00 |
|
15 |
1000.00 |
10.00 |
4.00 |
8.00 |
3.00 |
|
16 |
1200.00 |
7.50 |
4.00 |
10.00 |
1.00 |
为了验证所建数值模拟模型的可靠性，依据GBZ159-2004、GB5748-85、GBZ/T192.1-2007等工作场所有毒有害物质及粉尘采样和测定标准，在同忻矿辅运巷内无车辆形式干扰时于呼吸带高度（距离底板1.5m）平均间距1.2m布置3个测点组成一个测试断面，测试断面分别布置在距离进风口10、25、40、60、80、100m处，共计6个测试断面；使用CCZ-1000型矿用粉尘浓度测定仪进行现场测试，该仪器的量程为0.1～1000mg/m3，相对误差小于10%，测试过程中采样流量15L/min，采样时间20min。根据现场测定同忻矿辅运巷粉尘颗粒的中位粒径为10μm，单位面积的粉尘浓度约为50 mg/m3，测试时风流速度为3.2m/s,风压为985HPa；依据以上条件，建立无车辆行驶时的扬尘模拟，验证模型的可靠性。测试结果及其与数值模拟中和测点对应的模拟结果，绘制于图3，相对误差列于表2中。
图2测试与模拟结果对比
表2误差分析
|
断面 |
测点1 |
测点2 |
测点3 |
|
10m |
5.05% |
2.18% |
5.24% |
|
25m |
3.89% |
3.17% |
5.67% |
|
40m |
4.28% |
3.41% |
4.71% |
|
60m |
6.38% |
0.95% |
4.42% |
|
80m |
7.12% |
9.11% |
9.74% |
|
100m |
-1.64% |
-3.57% |
-0.35% |
|
平均相对误差 |
4.18% |
2.54% |
4.91% |
图2显示，数值模拟结果与实测结果在反应扬尘规律上是一致的，符合开始扬尘到扬尘稳定的“增长-饱和-降低-稳定”变化规律。根据表2，测点1、2、3的相对误差全部在10%以下，其中低于5%为主，三种测点的平均相对误差分别为4.18%、2.54%、4.91%，均低于5%，说明数值模拟结果相对可靠，所建模型合理。
为准确描述巷道断面不同高度和巷帮不同距离车辆后方扬尘影响范围，确定在巷道断面内均匀布置36个测点进行相关研究和分析。测点高度分别为Z1～Z6，测点距右侧巷帮距离分别为Y1～Y6（Y1～3位于行车侧，Y4～6位于行人侧），详细位置见图3。对于每个模拟实验分别对25个测点绘制扬尘浓度沿程分布曲线，在扬尘浓度分布曲线上取车辆后方粉尘浓度变化趋势明显变化的点作为该实验编号当前测点车辆尾部扬尘的影响范围。
图3 取样点布置
分析巷道底板不同高度车辆后方扬尘影响范围时，取高度Z处不同Y值的6个测点影响范围的均值作为车辆后方高度Z下的影响范围。分析巷帮不同距离车辆后方扬尘影响范围时，取距离Y处不同Z值的6个测点影响范围的均值作为车辆后方与右侧巷帮距离Y下的影响范围。分析整个断面车辆后方扬尘影响范围时，取36个测点影响范围的均值作为车辆后方扬尘影响范围。
为了分析不同高度断面内扬尘影响范围的波动性与其距巷道底板高度的关系，取同一模拟实验高度Z下6个测点扬尘影响范围的标准差作为波动性指标。标准差越大说明所在高度断面内扬尘影响范围波动性越大。绘制波动性指标与距底板高度变化曲线，如图4。
图4 不同高度扬尘影响范围波动性
图4显示，①0.4 m和1.2 m高度上由于受车辆运行和巷道底板的影响扬尘影响范围波动性最大；②不同高度断面内扬尘影响范围的波动性在2.8 m高度上最小；③随着距底板高度的增加，3.6 m、4.4 m高度上扬尘影响范围受到巷道上部涡流和巷道顶板的影响，其波动性有上升趋势；④ 随着距巷道底板高度的增加，不同高度断面内扬尘影响范围的波动性呈现“最大—最小—较小”的变化趋势。
图5 不同高度车辆扬尘影响范围
距底板不同高度车辆后方扬尘影响范围如图5所示，可以看出①车辆后方扬尘影响范围为-5.08～11.25m，平均为-0.20～7.05m，随着距巷道底板高度的增加，车辆后方扬尘影响范围有“平稳—缓慢减小—极速下降”的趋势；②扬尘影响范围最大点出现在距巷道底板1.2m或0.4m、2.0m处，最小值出现在距巷道底板4.4m处。靠近巷道底板（0.4～2.0m）的扬尘影响范围约为靠近巷道顶板（2.8～4.4m）的影响范围的3倍，说明车辆后方扬尘在车辆所在高度影响范围大；③部分结果中在2.8～4.8m处扬尘影响范围为负数，说明一定条件下车辆后方扬尘可越过车尾影响巷道上方部分区域。
车辆尾部扬尘影响范围随高度的变化趋势不尽相同，因此有比要对车辆后方6个高度扬尘影响范围的影响因素进行分别研究。在SPSS中对所有结果进行状态检验，结果显示25组数据均为近似正态
分布，因此可以开展方差分析，方差分析结果列于表3中。
表3巷道底板不同高度处扬尘影响范围的影响因素分析
|
高度 |
密度 |
直径 |
积尘负荷 |
车速 |
风速 |
|
Z1(0.4m) |
- |
0.05* |
0.007** |
0.001** |
0.001** |
|
Z2(1.2m) |
- |
- |
- |
0.005** |
0.001** |
|
Z3(2.0m) |
- |
- |
- |
0.010** |
0.007** |
|
Z4(2.8m) |
- |
- |
- |
0.05* |
- |
|
Z5(3.6m) |
- |
- |
- |
- |
- |
|
Z6(4.4m) |
- |
- |
- |
- |
- |
表中数值为显著性水平α值，“*”、“**”分别代表在0.05、0.01水平下显著，“-”代表没有显著影响。
表3显示，①车速和风速对0.4、1.2、2.0m高度上扬尘影响范围均具有0.01水平下的极显著影响，其中车速在2.8高度上还有0.05水平下的显著影响；②粉尘直径和积尘负荷只在0.4m高度上对扬尘影响范围有影响，其中积尘负荷有极显著影响，粉尘直径有显著影响；③在3.6m和4.4m高度上，巷道顶板和车辆引起的涡流使影响范围趋于一致，5个因素均对扬尘影响范围无影响；④各影响因素对扬尘影响程度都随着距底板高度的增加而减小，例如车速在不同高度的显著性水平α值变化趋势为：0.4 m＜1.2 m＜2.0 m＜2.8 m；⑤除粉尘密度外的4个因素均在0.4 m高度对扬尘影响范围有显著影响或极显著影响，影响显著区域位于车辆所在的巷道底板一侧。
为了分析巷帮不同距离断面内扬尘影响范围的波动性与其距巷帮距离的关系，取同一模拟实验巷帮距离Y下６个测点扬尘影响范围的标准差作为波动性指标。绘制波动性指标与巷帮距离变化曲线，如图6。
图6 巷帮不同距离扬尘影响范围波动性
由图6可知，①扬尘影响范围波动性最大区域出现在距右侧巷帮0.5m或1.5m，即车辆所在一侧，这表明此区域受模型影响因素程度最大；②扬尘影响范围波动性最小区域出现在距右侧巷帮4.5m和5.5m断面，即行人侧，这表明此区域受模型影响因素的影响最小；③随着断面与巷帮距离的增加，断面内扬尘影响范围的波动性呈“曲线下降”的趋势。
图7 巷帮不同距离处扬尘影响范围
车辆后方巷帮不同距离处扬尘影响范围变化趋势如图7所示，车辆靠右行驶，位于距巷帮0.5～2.5m位置处。①车辆尾部扬尘影响范围为-2.1～11.4m，平均为1.9 m～7.3 m，车辆后方距巷帮不同距离扬尘影响范围随距离增加有“平稳—缓慢减小—平稳”的趋势；②车辆尾部扬尘最大影响距离均出现在距巷帮0.5m和1.5m位置上，且处于1.5m位置处的最大影响距离居多。总体来看，巷道右侧（0.5～2.5m）扬尘影响范围是巷道左侧（3.5～5.5m）影响范围的2倍，说明车辆行驶一侧扬尘影响范围大；③部分结果中，在距巷帮3.5～5.5m处扬尘影响范围为负值，说明一定条件下车辆后方扬尘可越过车尾影响巷道左侧部分区域。
对影响巷帮不同距离处车辆后方扬尘影响范围的5个因素进行方差分析，具体分析结果见表4。
表4巷帮不同距离处扬尘影响范围的影响因素分析
|
距离 |
密度 |
直径 |
积尘负荷 |
车速 |
风速 |
|
Y1(0.5m) |
- |
- |
- |
0.05* |
0.014* |
|
Y2(1.5m) |
- |
- |
- |
- |
- |
|
Y3(2.5m) |
- |
- |
- |
0.048* |
0.115 |
|
Y4(3.5m) |
- |
- |
- |
0.046* |
0.05* |
|
Y5(4.5m) |
- |
- |
- |
0.044* |
0.027* |
|
Y6(5.5m) |
- |
- |
- |
0.010** |
0.005** |
表4显示，①粉尘密度、直径和积尘负荷对巷帮不同距离处扬尘影响范围均无显著影响；②车速对0.5、2.5、3.5、4.5m断面扬尘影响范围有显著影响，对5.5m断面扬尘影响范围有极显著影响；③风速对0.5、3.5、4.5m断面扬尘影响范围有显著影响，对5.5m断面扬尘影响范围有极显著影响。
对于同一模拟实验，取断面内36个点的影响范围均值作为该模拟实验车辆后方扬尘的影响范围，为0.4～10.3m不同条件下车尾扬尘整个断面的影响范围见图8。
图8 整个断面扬尘影响范围
对影响整个断面扬尘影响范围的5个因素进行方差分析，结果表明风速和车速均对整个断面扬尘影响范围有显著影响。
表5 整个断面扬尘影响范围的影响因素分析
|
密度 |
直径 |
积尘负荷 |
车速 |
风速 |
|
0.886 |
0.623 |
0.837 |
0.035* |
0.022* |
（1）无轨胶轮车在顺风行过程中，车辆后方扬尘影响范围为0.4～10.3m。车辆所在的巷道下部和行车侧是车辆后方扬尘影响范围波动性和数值大的区域。
（2）随着距巷道底板高度的增加和巷帮距离的增加，扬尘影响范围的波动性出现呈现“最大—最小—较小”和“曲线下降”的变化趋势，扬尘影响范围呈现“平稳—缓慢减小—极速下降”和“平稳—缓慢减小—平稳”的趋势。在一定条件下车尾扬尘可越过车尾影响车辆上方和车辆左侧的部分区域。
（3）车速和风速是影响车辆后方扬尘影响范围的主要因素。车速对扬尘影响范围的影响显著性随着与车距离的增加而减小，风速对扬尘影响范围的影响显著性变化趋势比较复杂。粉尘粒径和积尘负荷只在贴近巷道底板处对扬尘影响范围有显著影响。粉尘密度对车辆后方扬尘影响范围无明显影响。
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