露天矿钻孔扬尘控制方案的数值模拟及其优化.pdf

分类号X 5 0 8 U D C 6 2 2 ．8 ㈣Ⅷ㈣Ⅲ| l J I I Ⅷ删洲洲l Y 2 9 佃6 6 4 学校代码 1 0 1 4 7 密级公开 硕士学位论文 天破铺孔扬尘控制．友案．的．数值模拟 及其优化 N u m 曼￡k 亟l _ ．S 如删撕Q n 一烈．Q p t 延n 垂l 鲢i I } n ．Q ￡l h 曼．J ㈣． 触r Q l ．- c h 曼 娶金．照．鱼．] [ 撕H ．S i l 金．地．j 峨n p n ．M i 礁曼 作者姓名冯耀萱 指导教师葛少成教授 申请学位工学硕士 学科专业安全技术及工程 研究方向矿井通风与粉尘防治理论及技术 辽宁工程技术大学 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宝王翟撞盔太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽宝王翟撞本太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 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、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名一监一 导师签名 勺g 年7 ≥月知日土。哆年／ 月知日 致谢 本论文首先谨以最诚挚的敬意感谢我的导师葛少成教授，两年来，导师渊博的专业知 识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，朴实无华、平易近人 的人格魅力对我影响深远。导师不仅授我以文，而且教我做人，虽历时两载，却赋予我终 生受益无穷之道。本论文从选题到完成，几易其稿，每一步都是在导师的指导下完成的， 倾注导师大量的心血，在此我向我的导师葛少成教授表示深切的谢意与祝福 他以大家的 气度、深邃的思维、广阔的视野给我学术上无微不至的关心 没有葛少成教授悉心指导与 鼓励，本论文是不可能顺利完成的。 感谢恩师葛少成老师，论文从选题立题，实验设计到具体实践，结果分析直至文章撰 写和论文的修改都凝结导师的心血和智慧结晶。葛少成教授是一位良师益友，他严谨的治 学态度、渊博的知识、创新的思维和高尚的人格给我留下深刻的印象，并将使我受益终身。 在此，谨向恩师葛少成教授表示以深深的敬意 本论文的完成也离不开其他各位老师、同学和朋友的关心与帮助。在此也要感谢各位 答辩组老师在论文开题、初稿、预答辩期间所提出的宝贵意见，感谢同门的师兄姐妹们， 在论文撰写过程中给我以许多鼓励和帮助。回想整个论文的写作过程，虽有不易，却让我 除却浮躁，经历思考和启示，也更加深切地体会科研的精髓和意义，因此倍感珍惜。 感谢安全科学与工程学院的各位领导和老师为我们创造的宽松舒适的学习环境和提 供的良好的学习条件 感谢所有关心过和帮助过我的老师和朋友们 感谢宿舍的兄弟们，感谢两年来对我的 关心与照顾，愿友谊长存 摘要 为了掌握露天矿潜孔钻机产尘空间浓度的分布规律，获取钻孔扬尘控制方案的 合理参数，以安家岭露天煤矿为研究背景，依据流体力学的理论基础，采用气固两 相流的离散相模型 D P M 模型 ，对露天矿潜孔钻机产尘的粉尘浓度进行数值模拟， 并用旋风一脉冲滤袋二级除尘系统对钻孔产尘的沉降进行数值模拟，并对现场降尘 前实测的粉尘浓度分布情况及降尘后实测的粉尘浓度分布情况进行对比分析，实验 结果明显达到了钻孔扬尘控制方案的优化。研究结果显示钻孔扬尘的粉尘浓度较 大且呈自由扩散状态分布，对钻机及其周围环境造成严重污染和危害；在旋风一脉 冲滤袋二级除尘系统的数值模拟中捕捉壁面条件下粉尘浓度较之反弹壁面要低；利 用旋风一脉冲滤袋二级除尘系统对潜孔钻的除尘率达到9 9 ％以上。 关键词潜孔钻；粉尘浓度；数值模拟；除尘效率 A b s t r a c t I no r d e rt og r a s pm eo p e n p i tm i n eD T Hd r i l lp r o d u c t i o nP r o d u c eS p a c eo ft h ed u s t c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i 伽r u l e ．O b t a i nr e a S o n a b l ep a r 锄e t e r so fm U i n gd u s tc o m r o ls c h e m e ，w i t h A n G u L i n go p e n - p i tc o a lm i n ea St 1 1 er e s e a r c hb a c k g r o u l l d ，b a S e do nm e m e o r e t i c a lb a S i so f n u i d m e c h a n i c s ，u s i n g d i s c r e t ep h a s em o d e lo fg a s s o l i dt w op h a S e sf l o wm o d e l D P M ，d u s t c o n c e n 仃a t i o no fD T Hd r i l lp r o d u c i n gd u S ti n o p e n a r e n u m e r i c a l l ys i m u l a t e d ，U s i n g w t l i r l w i n d - p u l s ef i l t e rb a gs e c o n d a 盯yd u s tr e m o V a ls y S t e mf o rp r o d u c i n gd u s ts e t t l i n g f o r n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm ed r i l l i n g ，锄dd u s to ns p o tm e a s u r e m e n to fd u s tc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b - u t i o nb e f ．o r ea 1 1 da R e rm ed u s tm e a s u r e m e n to fd u s tc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o nw e r e a I l a l y z e d ，e x p e r i m e n t a l r e s u l t so b V i o u s l ya c h j e V e d d r i l l i n g d u s tc o n t r o ls c h e m eo p t i m i z a t i o o p t i m i z a t i o n ．R - e S e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t D r i l l i I l gd u s tm ed u s tc o n c e n 扛a t i o no fl a r g ed i s t r i b u t i o n a 1 1 ds p r e a di nf b es t a t e ，t od r i Ua n dt h es u r r o u n d i n ge n V i r o m e n tc 乱l S e ds e r i o u sp o l l u t i o na 1 1 d h a H n ；i nW 1 1 i r l w i n d p u l S e6 l t e rb a gd u S tr e m o V a ls y s t e mi nn u m e r i c a ls i I l l u l a t i o no ft o wc a p t u r e w a l lu 工l d e r 也ec o n d i t i o no fd u S t c o n c e I I t I a t i o ni sl o w e rt h a nt l l er e b o u n dw a l l ；U s i n g 讪越砸n d - p u l s ef i l t e r b a gd u S tr e m o v a ls y s t e mf ；ⅡD T Hd r i l lt o wc o l l e c t i o nc o e 伍c i e n tr e a c h e d m o r e t h a n9 9 ％． K e yW o r d s T h eD T Hd r i l l ；D u s tc o n c e n t r a t i o n ；N u m e r i c a ls i m u l a t i o n；D u s t r e m o V a le 筒c ie n c y I I 目录 摘 要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一I A b s t r a c t ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，⋯⋯⋯⋯⋯．．I I 。 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 问题的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 露天矿煤尘的危害⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．3 论题的研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 ．1 中煤平朔公司简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3 ．2 露天矿开采过程及生产工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 ．3 露天矿煤尘形成机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。．3 1 ．3 ．4 露天矿尘源分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．4 论文主要研究内容、意义和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4 ，l 论文的主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．4 ．2 论文的研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．4 ．3 论文的技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2露天矿粉尘控制的国内外研究概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 国外露天矿粉尘控制研究概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 国内露天矿粉尘控制研究概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．3 露天矿煤尘控制与治理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．3 ．1 抑制钻机穿孔扬尘⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．3 ．2 抑制爆破作业产尘⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．】1 2 ．3 ．3 抑制采装过程中产尘⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．3 ．4 抑制运输过程中扬尘⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 2 ．4 本论文采用的除尘方式和手段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 4 2 ．4 ．1 旋风一脉冲滤袋二级除尘系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．4 ．2 旋风．湿式循环除尘系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．4 ．3 除尘方式的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 平朔露天矿钻孔扬尘基本特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1 钻孑L 扬尘基本特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．2 钻孔扬尘基本特性测定与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．2 ．1 粉尘特性测试采样地点与要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．2 。2 煤尘基本特性的测试与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 3 ．2 ．3 测点布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．‘一2 9 4 钻孔扬尘运动规律的理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．1 粉尘扩散过程应用的基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．2 粉尘运动方程及其数值模拟方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一31 4 ．2 ．1 欧拉 E u l e r ．欧拉 E u l e r 方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 4 ．2 ．2 欧拉 E u l e r - 拉格朗日 L a g r a n g e 方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．2 ．3 拉格朗日 L a g r a n g e - 拉格朗日 L a g r a l l g e 方法⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．3 数学模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．3 ．1 煤尘运动的气固两相流模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．。3 8 4 ．3 ．2 煤尘治理模拟方案选择⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．3 ．3 系数设定及边界条件设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 3 4 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 5 钻孔扬尘的逸散规律及其控制技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．1 露天矿潜孔钻发尘机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．1 ．1 潜孔钻机扬尘建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．1 ．2 潜孔钻机扬尘治理前的逸散规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 5 ．2 钻孔扬尘治理方案的优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 5 ．2 ．1 潜孔扬尘的治理方法的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 5 ．2 ．2 钻孔旋风除尘治理方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 1 5 ．2 ．3 钻孔旋风．脉冲滤袋二级除尘方案的模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 5 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 一I V 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．1 问题的提出 当前在露天矿开采过程中，潜孔钻机的使用率占开采设备的4 0 ％～5 0 ％。特大型 露天煤矿，中型露天煤矿，小型露天煤矿，有色金属矿、非金属矿等矿山开采的钻 孔设备中大部分为高风压潜孔钻机。露天矿潜孔钻机在进行露天矿开采爆破工程过 程中会产生大规模的粉尘，开采中发尘不但对大气环境产生较为严重的污染，同时 也会对钻机设备产生不可修复性的损耗。发尘过程中产生的粉尘还会对岗位工的身 体健康造成不可估量的伤害；对企业的经济效益造成严重的影响。小于8 ”m 的粉尘 颗粒随气流排入大气，不易沉降，部分粉尘颗粒以游离态的形式漂浮在大气中。这 些细微的粉尘颗粒具有较强的吸附力，同时会吸附大量的有害气体、有害液体、非 金属、金属元素。人吸入受污染的空气后，会导致严重的呼吸系统疾病或引发更加 严重的相关病害；开采扬尘附着在设备重要部件上，会严重磨损设备，减短设备的 使用年限，还会增加产品的生产成本。为有效控制露天矿钻孔扬尘的粉尘浓度以及 降低开采成本、提高工人的工作环境，因此对露天矿潜孔钻机除尘系统的研究有重 要的意义。 1 ．2 露天矿煤尘的危害 露天矿生产过程中伴随着大量煤和岩石的破碎会产生极大浓度的粉尘颗粒，其 属于综合性混合粉尘，主要包含大量煤尘、岩尘及其少量的其他物质，产生的综合 性混合粉尘较长时间悬浮在空气中，因此混合粉尘的危害性主要体现在以下四个方 面【1 l 1 造成人身伤害；对于长时间工作在粉尘浓度高的环境中，会吸入大量的 粉尘，轻者会忠有呼吸道疾病，严重者会导致尘肺病，而国内外统计表明，由尘肺 病导致的死亡人数占据职业健康疾病较高的比例。由2 0 0 5 年的统计显示，作为职 业健康疾病之首的尘肺病，患病人数占全国职业病人数的比例为5 1 ．4 ％，截止2 0 0 5 年底，全国超过5 7 万人患有尘肺病，其中1 4 万人死亡，尚有4 3 万余尘肺病患者。 当前，在职业健康疾病预防角度来说，我国的尘肺病人数和死亡人数尚居世界前列， 严重制约了我国工业和经济的发展。 2 燃烧和爆炸；例如煤尘能够在完全没有瓦斯存在的情况下燃爆，煤尘在 空气中达到燃爆临界浓度时，会引发煤尘爆炸。通常来说，煤尘燃爆的下限浓度为 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 5 ～5 5 9 ／m 3 ，上限浓度为l0 0 0 ～20 0 0g ／m 3 ，爆炸力最强的浓度范围为3 0 0 ～5 0 0g ／m 3 。 3 降低工作场所的能见度；对于露天矿，在无外部环境因素的影响下，某 些开采面煤尘浓度极高，使得能见度极低，运输过程中容易发生事故，增加指挥和 操作失误，极易导致工伤事故的发生。 4 增加机械损耗；煤尘大量的附着在矿山机械设备上，十分容易造成机械 设备加速磨损，使得精密仪器仪表的使用年限缩短。对于露天矿开采使用的潜孔钻 的影响尤其严重，使其磨损、老化严重。 众所周知，粉尘污染一直是矿山尤其是露天矿山环保工作中一个棘手的问题。 因此为了有效的控制和治理露天矿粉尘危害，应设计简单、经济、合理的除尘方案， 采用高效率的除尘技术与除尘设备设备来控制和优化治理粉尘，并使治理效果达到 最佳。 1 ．3 论题的研究背景 1 ．3 ．1 中煤平朔公司简介 中国中煤能源集团总公司下属的平朔煤炭工业公司是我国主要的煤炭生产基 地，其矿区地理位置位于山西省北部，北端毗邻宁武煤田；地跨朔州市的平鲁、朔 城两区，南北走向长2 2 ．5k m ，东西走向2 1 ．8k m ，占地总面积3 8 0k m z ，隶属山西 省朔州市管辖的行政区域。平朔露天煤矿隶属于平朔煤炭工业公司[ 2 1 ，其地理位置 坐标为东京1 1 2 。2 3 ’5 8 ”～11 2 。2 77 5 2 ”，北纬3 9 。2 9 ’5 8 ”～3 9 。3 5 ’3 3 ”。露天矿田范围东 西长4 ．4 2 ～5 ．4 7 k m ，南北宽6 ．5 3 ～1 0 ．3 k m ，总勘探面积4 8 ．7 3 k m ，地质储量1 8 4 8 ．9 2 M t 。 本矿田交通便利，南北有同蒲铁路线，煤炭外运主要通道为大秦线 大同一秦 皇岛 ；大运高速公路 大同一运城 。矿田属于典型的黄土高原地貌，海拔标高 1 2 5 0 m ～1 4 5 0 m ，相对高差为3 2 0 m ，平朔露天煤矿模拟建设规模2 0 0 0 t ／a ，并配套选 煤厂和铁路线，项目建设以经济效益为主体，以市场为导向，以做大做强企业为目 标，采用先进的开采工艺、技术、设备，建设新型露天煤矿。 1 ．3 ．2 露天矿开采过程及生产工艺 露天开采是在敞露的空间的特殊范围内内， 及上部的表土同时开采出矿石的过程‘3 1 。 露天矿的开采过程主要分为以下几个过程 剥除掉掩盖在矿体周围部分的岩石 穿孔一爆破一采装一运输一排卸。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 穿孔穿孔作业工程中采用牙轮钻机或者潜孔钻机。在台阶型大爆破的 穿孔作业过程中主要应用牙轮钻机；潜孔钻机主要适用于复杂区段的矿石开采作 业。穿孔作业时容易产生大量粉尘，对潜孔钻机造成严重损伤。 2 爆破爆破作业工程主要采用炸药混装车把适量的炸药装入预先制定好 的炮孔，从而实施对岩体的爆破。其过程中会导致粉尘高速飞扬，飞扬高度可达 2 0 ．2 5 m ，瞬时产生极大浓度的粉尘。 3 采装用电铲对爆破后所产生的矿石、岩石装载，采用公路运载方式； 在转载站卸载矿石，岩石则运至排岩场。在装运及运输过程中会引起大量煤尘、岩 尘。 4 运输用电铲将矿石转载站里的矿石装入自卸汽车或者火车进行外运。 5 排泄废弃的岩石直接用汽车或者火车运至排岩场，在排岩场边缘卸至 排岩场边缘。在排岩的过程中同样会产生大量的粉尘。 露天矿的生产方式分为间断式生产方式，连续化生产方式，版连续化生产方 式。通过以上生产方式的不断完善、紧密配合，从而综合提高露天矿整体的生产能 力。 1 ．3 ．3 露天矿煤尘形成机理 近年来，露天矿山煤尘治理技术的研究工作正在逐步发展，然而对粉尘在风速、 湿度、土体结构、地貌等诸多环境因素综合影响下的形成机理、多种粉尘控制方案 优化确定方面还缺乏系统综合研究。 露天矿煤尘产生原因主要包括露天开采、运输过程产尘和自然环境影响【5 】。 1 露天矿开采、运输过程中产尘 潜孔钻机钻孔扬尘作为露天矿穿孔作业的主要的设备，潜孔钻机用于地表岩 层及浅煤层的穿孔作业，其产尘强度仅次于装载、运输设备，因此会对潜孔钻机产生严重 的磨损1 6 J 。 爆破过程扬尘爆破时，露天矿地表矿岩在爆破的巨大压力作用下形成粉尘。 爆破瞬时间内会产生维持时间很短的高浓度粉尘颗粒。 采装作业产尘电铲采装过程中，一部分粉尘在矿岩表面上沉降，另一部分则 是由于磨擦、碰撞而振动扬起形成二次扬尘；由于落差，在电铲装卸工程中也会造 成大量扬尘。 运输作业产尘进行运输作业时，露天矿区另一主要污染源是路面行车扬尘， 其产生3 0 ％一4 5 ％采区总尘量。沉降下来的由粉尘外界环境的影响，无规则地进行自 辽宁工程技术大学硕士学位论文 由运动，从而造成二次扬尘。 排卸作业产尘因自卸汽车在卸载煤岩时，造成煤岩的相互摩擦碰撞而产生扬 尘，同时在煤岩滑落过程中会产生二次扬尘。 2 露天矿自然环境影响产尘 露天矿粉尘含量的多少与矿山周围的气象条件，矿山的地址特征等因素有关。 综合风速、大气、湿度、降水、土质等多环境要素影响下分析露天矿粉尘形成机理。 1 ．3 ．4 露天矿尘源分布 在露天矿生产、开采过程中能够产生大规模煤尘扩散的源发点即为露天矿尘分 布点，是煤尘颗粒集中爆发点。煤尘以此点为中心向四周空间扩散，在中心附近煤 尘强度大而集中，且煤尘浓度极高，随着扩散半径逐步增加，煤尘浓度将逐渐降低。 通过某些生产工艺还会造成二次扬尘。煤尘控制的主要对象就是尘源点，控制尘源 点的产尘的范围，就抓住了煤尘治理的根本问题【7 J 。 本论文借助辽宁工程技术大学粉尘治理研究所对露天矿生产、开采等工艺环节 过程中各尘源点产尘情况进行了跟踪观察和现场测试，并对各产尘点产尘量的大小 进行了实验检测，并对露天矿尘源分布进行了分析。通过实验检测，发现穿孔过程 中钻孔扬尘的平均浓度在1 2 4 ．8m g ／m ，，最高可达8 2 6 。4m g ／m ，，经过分析对比发现 钻孔扬尘是露天矿三大尘源之一，仅次于爆破扬尘量和采装扬尘量。因此对于露天 矿钻孔扬尘的产尘机理和控制技术的研究至关重要[ 9 1 。 1 ．4 论文主要研究内容、意义和技术路线 1 ．4 ．1 论文的主要研究内容 本文根据露天矿钻孔扬尘的控制研究现状，围绕平朔露天煤矿除尘的具体方 案，本文欲做如下研究‘1 0 】 1 收集有关露天矿产尘、粉尘防治的相关资料及其粉尘治理研究的成果； 2 对露天矿钻机作业的发尘原理与发尘源的实测与现场数据进行分析研究； 3 通过对现场数据的理论分析及数值模拟相对比，确定适合于山西平朔煤 矿露天矿钻机作业的除尘方案； 4 露天煤矿钻机作业的粉尘治理方案的确定及其治理效果与现场实测数据 比较。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．4 ．2 论文的研究意义 1 根据现场的实测数据结合数值模拟，利用数值模拟的结果分析粉尘的产 尘机理以及逸散规律，通过实验室模拟与现场试验相结合研究风速、湿度、土壤颗 粒等因素对起尘的控制阈值与作用程度，建立起尘数学模型，深入研究起尘及运移 扩散规律，探索粉尘形成机理，为研究粉尘控制提供理论基础。 2 钻孔扬尘粉尘控制方案的优化确定。钻孔扬尘是平朔露天煤矿的主要尘 源之一。目前，已成功研制钻孔防尘三种方案旋风一脉冲滤袋二级除尘系统、旋 风一湿式循环除尘净化系统和单一式车载旋风除尘器。旋风一脉冲滤袋二级除尘系统 无需用水且不存在解冻问题，但除尘效率稍低旋风一湿式循环除尘净化系统除尘 效率较高，由于采用水循环净化系统，用水量大大降低，但需要设计可靠的防冻系 统⋯】；相比于旋风一脉冲滤袋二级除尘系统和旋风一湿式循环除尘净化系统，传统的 露天矿潜孔钻机扬尘治理的方案为单一式旋风除尘器，其运用旋风除尘器的作用对 钻孔扬尘进行有效的治理。其特点属于干式除尘，无需用水且操作维护简便易行， 但除尘效率较低，对于粉尘浓度较大的发尘源不能起到很好的抑制作用。 基于上述三种技术，着重研究①钻孑L 扬尘强度、分散度的测定分析；②钻孔 密封方式；③旋风除尘器种类、工况和型号的选择；④基于技术上可行、经济上合 理的最佳钻孑L 除尘方式以及可靠运行保障系统确定；⑤滤袋除尘器或湿式除尘器种 类和工况的选择。通过以上研究分析确定钻孔扬尘的控制方案。 3 针对适于平朔露天矿钻机作业的除尘方式的优化的确定。基于上述两种 除尘方式，综合多方面因素的影响，针对适于平朔露天矿钻机作业的除尘，结合现 场的实际研究和数据的模拟，选择适合平朔露天煤矿钻机作业的最佳除尘方式。从 而进一步有效的控制和优化煤矿粉尘治理效果；减小作业空间粉尘浓度，改善工人 工作的基础环境，保障人员的劳动效率，使经济效益最大化。 1 ．4 ．3 论文的技术路线 根据本论文的主要研究内容，将本论文的研究技术路线确定为如图1 ．1 所示 主要技术路线如下 1 首先查阅露天煤矿开采、钻机作业及钻机作业发尘机理的文献资料，了 解本文研究领域的已有成果和进展； 2 本文在前人研究的基础上，结合流体力学基础知识，计算流体力学、环 境工程污染控制、多相流理论等相关知识，运用F L u E N T 对钻机作业发尘分布进行 辽宁工程技术大学硕士学位论文 数值模拟； 3 利用钻机作业发尘数据的数值模拟结果，然后结合平朔露天煤矿现场的 实测，在以确定的两种除尘方式的基础上选择适合平朔露天煤矿除尘方式的最优化 方案； 4 在确定露天煤矿钻机作业的抑尘方案后，通过现场试验获取抑尘方案中 所需的技术参数； _ 一粉尘检测L一仿真模拟厂_ 『粉尘综合治理L一发尘机理研究 - 一 分析验证 一一 检测验证 一粉尘控制方法研剥一叫 确定方案 卜_ 1 ．5 小结 图1 ．1技术路线图 F i g ．1 ．1 S c h e m eo fR e s e a r c hA p p r o a c h 本章主要通过对煤尘危害性的阐述，依托平朔露天煤矿，对露天矿的开采过程 及工艺、露天矿煤尘形成的机理、露天矿产尘的产尘源进行介绍及分析，提出了本 论文的研究内容与研究意义，结合实际以及现场具体情况确定本论文的技术研究路 线，为本论文要研究的课题提供基础知识，也为后续章节的阐述做铺垫。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 露天矿粉尘控制的国内外研究概况 2 ．1 国外露天矿粉尘控制研究概况 研究表明，呼吸性粉尘的主要尘源是露天矿【l ”。美国矿山安全管理局 M s H A 的调查结果表明，基于在生产规模、生产工艺等方面所具有的优势．露天开采在世 界固态矿产开采中占主导地位。据不完全统计，在全世界包括建材在内的固态矿产 年开采约1 6 0 亿吨的总量中，露天开采的比例能达到8 0 ％l l ⋯。因此，对露天矿山的 粉尘污染控制进行深入研究，意义重大。 根据国外对员工的职业健康安全的重视，露天矿产尘源中一个非常重要的点即 为钻孔扬尘。有资料显示钻机司机及其助手接收的尘量最大，严重的影响到员工的 身体健康，甚至导致尘肺病””。因此．国外很多露天矿的钻孔作业规定了较严格的 粉尘标准 01 ～05 m g ，m 3 。 根据美国矿山安全与健康管理局 M s H A 的资料显示，露天矿钻机的粉尘控 制方法有干式旋流集尘器．过滤式收尘器。湿式除尘器等，以上控尘方法的效率都 能达到大约9 0 ％。然而，在控尘效率和钻孔效率方面，这些方法都存在一些问题。 针对这些问题，矿业局研究了一种新方案，用以改进所有干式集尘系统的效果。此 外。为提高湿式钻孔效率和粉尘控制效率，矿业局也研究了一种新方案【1 ”。例如图 2l 是美国矿业局 u s B M 研制的旋转湿润层除尘器，这种除尘器滤层是旋转型的而 不是固定型．其他结构均类似湿式过滤除尘器。旋转湿润层除尘器的过滤层由聚丙 烯和金属丝网组成，这种结构既可以提高除尘效率，同时还能实现有效除雾。但是 旋转湿润层除尘器也存在某些缺点即运转维护较复杂。 图2 l 旋转湿润层除尘器 F 1 92l R 0 诅t ew 甜l n gl a y e rp 砰c l p l 协t o r 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 ．2 国内露天矿粉尘控制研究概况 针对于我国露天矿粉尘控制治理的研究，早在2 0 世纪6 0 年代．我国就已经开 始研究并应用湿式除尘器【I ”。例如，1 9 6 7 年，前冶金部安全技术研究所研制出的湿 式旋流除尘器，对中粒径为5 u m 的粉尘的除尘效率能够达到5 44 ％2 0 世纪7 0 年 代中期马鞍山矿山研究院研制的湿式旋流除尘风机，其基本结构如图22 所示。这 种风机包括湿润凝聚、旋流、脱水及整流四部份．除耷效率高，能达到9 0 ～9 5 ％， 耗水量在3 L ／m i n 左右，曾在许多露天矿固定产尘点被广泛应用㈣。但此设各也存 在一些问题，比如冲突网易堵塞、腐蚀及体积大、移动不便等。 图22 湿式旋流除尘风机 F 1 922w e tc y c l O n ed u s tr e m o v a lf h 随着粉尘防治技术的进一步成熟，更多的技术被应用到矿山粉尘治理中。在9 0 年代，煤科总院重庆分院研制了J T c ．1 型通风除尘器，其对呼吸性粉尘的除尘效率 可以高达9 0 ％东北大学研制的K s L c 型矿用湿式纤维层过滤除尘器．通过向过滤 层连续不断地喷射水雾，综合纤维层过滤和水膜除尘两种作用，达到了提高除尘效 率、防止粉尘二次飞扬和清洗拥集粉尘的目的1 ”】。 如图23 ～24 所示的为冶金安全环保研究院研制的s x w 型湿式纤维栅除尘器及 其原理图，纤维栅板被经特殊编制的钢丝均匀、平行排列的固定在框架上，形成多 层平行纤维栅幕。由于纤维充填均匀，且单根纤维由于气流的冲击可产生振动，因 此有利于除尘口⋯。此种除尘器在白银露天矿潜孔钻机应用试验中除尘效率为 9 21 ％～9 57 ％；在露天矿粉尘防治中取得了比较好的效果。 从2 0 世纪9 0 年代后期，国内矿山煤尘治理方案，矿山除尘技术，和除尘设备 的研制都有了飞速发展。在矿山煤尘治理中，露天矿煤尘控制及治理显得尤为重要。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 针对露天采矿场粉尘分散度高，产尘点多的特点，有必要在粉尘防治时采取多点、 多方式的综合防治措施1 2 ”。 囤23s x w 型湿式纤维栅除尘器 F I g23S X Wt y p ew e t 抽e rg r a t l n gn j t e r 图24s x w 型湿式纤维栅除尘器原理图 F 1 924 S X W t y p e w e t f l b e rg r a t m g 在I t e r p r l n c l p I ed l a g r a m 国内露天矿煤尘治理与控制主要分为抑制钻机穿孔作业时扬尘、抑制爆破作 业时产尘、抑制采装过程中产尘、控制运输过程中产尘。由于露天矿的产尘点多， 因此主要的除尘方式有干式除尘、湿式除尘以及综合性除尘，具体的又可分为机械 式除尘、过滤式除尘、湿式降尘和电除尘四大类口”。 1 机械式除尘的原理是利用重力、惯性力、离心力、切向力的作用除掉尘 粒，有重力沉降室、惯性除尘器、旋风除尘器等几种类型。 2 过滤式除尘的原理是是使含尘气流通过过滤材料从而将粉尘分离进行捕 集。过滤式除尘器大致分为三类一是以纤维编织物作为过滤介质的袋式除尘器 二是以砂、砾、焦炭等颗粒物作为过滤介质的颗粒层除尘器；三是以陶瓷质微f L 滤 管为核心的陶瓷微管过滤除尘器。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 湿式除尘的原理是通过液体捕集与含尘气体接触的方式分离出含尘气流 中的粉尘，从而达到较好的降尘效果。 4 电除尘的原理是是利用高压电场使尘粒荷电，使粉尘在电场力的作用下 定向流动并对粉尘进行捕集，使得粉尘从气体中分离并在电极上沉积‘2 ”。 2 ．3 露天矿煤尘控翩与治理 2 ．3 ．1 抑制钻机穿孔扬尘 防治露天矿钻机穿孔扬尘的方法包括干式捕尘、湿式捕尘和干湿结合捕尘三大 类。 1 干式捕尘对钻孔扬尘的干式捕尘一般采用孔口捕尘装置，这种装置由 捕尘罩、除尘器、抽尘软管、风管及风机组成。露天矿干式捕尘除尘设备主要为布 袋除尘器和旋风除尘器。袋式除尘器是一种高效除尘器，它利用纤维织物的过滤作 用进行除尘。袋式除尘器主要用于过滤5 u m 以下的粉尘，除尘效率可达9 0 ％，但不 适用于处理含有凝结水、油雾、粉尘粘性大的含尘气体。旋风除尘器靠离心力、重 力、切向力的作用捕集粉尘。如图25 所示为潜孔钻旋风除尘系统，其总除尘效率 约为6 5 ％- 6 8 ‰，刘』柏} t 为l0 【 m 以J 的粉。k e 。k 做牛n _ 1 18 5 。。以‘ 图25 潜孔钻旋风除尘系统 F 1 925 D T Hd n l lc y c l o n ed u n 衄o v a ls y s 协m 2 湿式捕尘湿式捕尘方法主要有两种，一种是将高压水送入主钻杆内． 通过冲击器进入孔底，把穿孔底部岩粉变成泥浆后排出孔外；一种是通过钻杆将风 水混合物送入至孔底，冲洗岩粉变成泥浆后由孔口排出。 3 干湿结合综合类捕尘根据露天矿自然条件、环境因素的影响，选取干 辽宁工程技术大学硕士学位论文 式和湿式相结合的捕尘设备对钻孔扬尘进行捕集，其总的除尘滤一般在8 5 ％．9 0 ％， 可以有效的控制钻孔扬尘。 我国露天矿整体除尘设备中钻机除尘设备的型号、作业方式及其除尘效率见表 2 ．1 。 表2 ．1露天矿钻机除尘方式及其除尘效率 垒垒呈￡i 垒 i L 璺翌垡曼坚 竺￡ 生 垒坚 皇堕Q 璺 皇￡旦 i 望 Y 型号和作业方式除尘方式及设备 排放浓度m g ／m 3 除尘效率％ 2 ．3 ．2 抑制爆破作业产尘 露天矿进行爆破作业时，会产生高强度的粉尘，一般情况下瞬间会产生数米甚 至数十米高的粉尘，产生的粉尘以爆破点为中心迅速向四周空间逸散，其爆破瞬间 的产尘量可达每立方米数千甚至数万毫克，给露天矿的开采工作、职工健康、设备 损耗带来不可预想的后果，严重的影响到矿区的工作环境和人体健康。 对于露天矿爆破作业粉尘的抑制，除采用微差爆破、合理的炮孔网度以及空气 间隔装药等方法以减少煤尘产生量外，还可以采用增加爆破区域湿度、水炮泥爆破、 钻孔注水等方法，人为地提高爆破区域矿岩湿度，以达到抑制爆破作业产尘的目的。 此外对于露天矿爆破产尘还可以使用射雾气等设备和多种通风