高溜井因结构简单、使用方便等优点被金属矿山广泛使用。然而，溜井运输也存在一些亟待解决的问题，溜井卸矿后会形成强大的冲击气流[1]，冲击气流会携带矿仓内的粉尘从卸矿口溢出并造成卸矿硐室内的扬尘，污染了卸矿硐室内的工作环境。目前，国内外学者对溜井的研究大部分集中在溜井内矿石的运动、井壁的应力分布特征、井壁的破损等，VO T[2]、刘艳章[3]、REMENNIKOV等[4-6]通过数值模拟与实验的方法对溜井内矿石运动及井壁的破坏规律进行了研究，姚贵佳[7]以溜井放矿过程为研究对象，利用Fluent对溜井断面、放矿频率、放矿高度等因素进行数值模拟，分析了各因素对冲击气流的影响规律，但其忽略了矿石之间及矿石与溜井的碰撞，王明、陈雅等[8-9]在考虑碰撞的基础上，通过实验与数值模拟的方法研究了溜井冲击气流的影响因素，但只研究了冲击气流的影响因素，并未对由冲击气流造成的粉尘污染进行研究。邹长富等[10]针对卸矿口返尘污染问题提出了密闭抽尘的防尘措施，其效率可达97%。LI等[11]研究了半封闭式转运站内的卷吸空气量，讨论了卷吸空气量随下落物料的质量流量、下落高度、阻力系数变化的非线性特性。JALAAL等[12]利用与LI相似的实验装置研究了诱导空气量的影响因素，与LI相比，他更充分的考虑了所有因素的影响。CHEN、ZHANG等[13-14]通过数值模拟研究了封闭输送带溜槽内的诱导气流及粉尘排放情况。MA等[15]通过实验与数值模拟研究了转载点处卷吸空气的污染问题，并提出密闭除尘的方法防止卷吸空气造成的污染。ULLMAN等[16]对带式输送机输送点粉尘排放问题进行了深入的研究，对卷吸空气量不同的计算公式和目前的设计方法进行了综述、比较和分析。WANG等[17-18]对不同温度材料在自由落体过程中的特性和产尘率进行的实验研究，蒋仲安等[19]以国内某矿山卸矿站为研究对象，利用ANSYS模拟了卸矿量、巷道风速、矿石粒径、和壁面条件对巷道内粉尘质量浓度的影响。综上分析，前人对落料过程中的诱导气流及产尘研究较多，而对溜井卸矿后由冲击气流造成卸矿硐室内粉尘污染研究较少。笔者通过建立相似实验模型对不同影响因素下多中段高溜井卸矿口粉尘的分布规律进行研究，为多中段高溜井卸矿硐室内粉尘控制技术提供一定基础。
1 粉尘产生机理及影响因素分析
1.1 粉尘产生机理分析
溜井卸矿后粉尘主要来源于矿石下落过程中粒径较小的颗粒从矿石表面剥离和矿石落入矿仓后由冲击气流携带扩散至卸矿硐室。一方面，下落矿石以重力加速度在溜井内下落过程类似于活塞运动，矿石前方空气受压，矿石在绕流阻力与浮力共同作用下，粒径较小的颗粒会从矿石表面剥离进入溜井的空气中，而受压空气会携带从矿石表面剥离出的粉尘从卸矿口溢出。另一方面，溜井卸矿后，矿石与溜井内与空气相对运动，当空气绕流过矿石表面时，空气会受到绕流阻力，从矿石与空气相互作用出发，空气的绕流阻力与矿石的运动阻力大小相等，因此，空气绕流过矿石时消耗空气的能量，矿石在空气中下落时会增加空气的能量[1]，当矿石落入矿仓与矿仓内的矿石堆碰撞后，空气在溜井内所获得的能量将瞬间释放，形成一股强大的冲击气流。冲击气流不仅会携带矿仓内的粉尘从卸矿口溢出并在卸矿硐室内扩散，而且也会造成卸矿硐室内沉积的粉尘飞扬，从而污染了卸矿硐室内的工作环境，此外，矿石落入矿仓时，颗粒之间的碰撞也会使矿仓内粒径较小的粉尘随着冲击气流一起运动。为更加直观研究冲击气流作用下矿仓内粉尘产生过程，利用高速摄像仪拍摄得到矿石落到矿仓后产尘的动态的过程，如图1所示，由图1可以看出，矿石落入矿仓的瞬间，矿石之间发生剧烈的碰撞，会使空气所获得的能量释放，从而形成冲击气流，随着时间的推移，冲击气流会携带大量的粉尘从矿仓内溢出。
图1 产尘的动态过程
Fig.1 Dynamic process of dust production
1.2 卸矿口粉尘质量浓度影响因素分析
由粉尘产生机理可知，卸矿口粉尘质量浓度的高低主要由冲击风速大小决定，而冲击气流大小的影响因素可由式(1)表明[20]：
(1)
式中，Cd为矿石的正面阻力系数;ρg，ρp分别为矿石与空气的密度，kg/m3;h为卸矿高度，m;mp为卸矿流量，kg/s;dp,D分别为矿石与溜井的直径，m;ζ为溜井口局部通风阻力系数;vg为溜井冲击气流的大小，m/s。
由式(1)可知，冲击气流的大小主要与卸矿高度、卸矿流量、矿石粒径和溜井断面积等有关，此外，由粉尘产生机理可知，卸矿口粉尘质量浓度大小主要与冲击风速大小有关，因此，各因素对卸矿口粉尘质量浓度的影响具体分析如下:
(1)卸矿高度对粉尘质量浓度影响分析，从溜井卸矿产尘机理表明，空气所获得的的能量主要来源于克服阻力做功，当卸矿高度越大时，空气克服绕流阻力做功越多，空气所获得的能量越大，溜井卸矿后空气释放的能量越多，产生的冲击风速也越大，其携尘与扬尘能力越强。
(2)卸矿流量对粉尘质量浓度影响分析，卸矿流量的大小决定了单位时间溜井内矿石数量的多少，卸矿流量越大，溜井内矿石的数量越多，矿石与溜井内空气的接触面积增加，导致空气的绕流阻力增大，空气与矿石之间的能量交换增加，产生的冲击风速也随着增加，因此，溜井卸矿口粉尘质量浓度增加。
(3)矿石粒径与含水率对粉尘质量浓度影响分析，矿石粒径与含水率对粉尘质量浓度的影响与卸矿流量相同，卸矿流量一定时，矿石粒径越大，其比表面积越小，溜井内矿石与空气的接触面积减小，含水率越高，减少了溜井内矿石的分散程度，矿石与空气的接触面积也减少，接触面积的大小影响着矿石与空气之间能量的交换，接触面积越大，矿石与空气的能量交换越多，溜井卸矿产生的冲击风速也越大，携带的粉尘量越多，反之则越少。根据上述分析可知，矿石粒径与含水率越小，溜井卸矿产生的冲击风速越大，其携尘与扬尘能力越强。
2 相似准则数导出
由卸矿口粉尘产生机理得知，卸矿后粉尘产生的主要动力来源于冲击气流，因此，建立相似模型所满足的动力相似时主要考虑相似实验模型与原型的冲击气流相似。由式(1)可知，冲击气流的大小vg主要与卸矿流量mp、卸矿高度h、溜井直径D、空气的动力黏度μg、矿石的直径dp、矿石的密度ρp、空气的密度ρg、重力加速度g、局部阻力系数ζ等物理量有关，由量纲分析可知，这些物理量之间的关系可表述为
f(vg,mp,h,D,μg,dp,ρp,ρg,g,ζ)=0
(2)
选取dp,ρg,g为基本量，经计算可得，
溜井卸矿后矿石在溜井内的运动类似于活塞运动，溜井内气流场的变化主要是由于矿石在重力作用下压缩空气而造成，而弗劳德准则Fr主要用于重力对流动状态起决定性作用的场合。由于
仍为无量纲量，因此式(2)可写为
(3)
建立高溜井卸矿的相似实验模型时，实验模型与原型的几何相似比为1∶25，为了使相似实验模型内冲击气流与原型中运动规律一致，在几何相似的基础上，由式(3)表明，高溜井卸矿相似实验需要满足的准则数有
经课题组已有研究表明[21]，在所有的准则数中，
准则可以忽略，而
准则在相似实验时未能满足，所以采用局部相似的方法建立多中段高溜井卸矿相似实验模型。
3 模型建立与测点布置
3.1 相似实验模型建立
以某矿溜井为原型，该溜井共服务4个水平中段，并从上至下依次编号为一、二、三、四中段，每个中段高20 m，斜溜槽与溜井夹角为35°，在运动相似、动力相似的基础上，根据原型与相似模型的几何相似比为25∶1进行搭建，该溜井及相似实验的主要尺寸见表1。该相似实验装置主要由主溜井、斜溜槽、卸矿硐室、卸矿漏斗、矿仓和卡箍组成，实验的搭建材料为亚克力透明管，建立的相似实验装置如图2所示。
表1 原型与模型尺寸
Table 1 Prototype and model dimensions
模型溜井高度H/m溜井直径D/m斜溜槽直径D1/m矿仓直径D2/m卸矿硐室长度L/m卸矿硐室宽度W/m卸矿硐室高度H1/m各中段间距离W1/m原型90.003.503.005.0015.004.004.5020.00相似模型3.600.140.120.20.600.160.180.80
图2 实验装置示意
Fig.2 Similar experimental device
3.2 实验测定方法及测点布置
(1)材料准备。实验所用矿石来源于现场，根据几何相似比将其破碎，并利用不同孔径的筛子将其筛分，筛分后的矿石分为5种粒径分布，分别为<0.5,0.5～1.0，1.0～5.0，5.0～10.0和10～20 mm，如图3所示，此外，测得矿石原始含水率为0.37%。
图3 矿石粒径分布
Fig.3 Particle size distribution
(2)测点布置。各中段粉尘质量浓度的测点位置均在卸矿口中心。
(3)测定方法。通过CCZ-20(A)型矿用防爆粉尘采样仪对各中段卸矿口全尘与呼尘质量浓度进行测量，利用LD-5C激光粉尘仪对各中段卸矿口粉尘质量浓度随时间的变化规律进行测定。
4 实验结果及分析
4.1 各中段卸矿口粉尘质量浓度时间分布规律
通过理论分析，卸矿口粉尘质量浓度主要受卸矿流量、卸矿高度、矿石粒径分布、含水率等因素影响，为了研究各中段卸矿口粉尘质量浓度随时间的变化关系，在卸矿流量为1.0 kg/s、矿石粒径分布一定和矿石含水率为0.37%的前提下，在一中段进行人工卸矿，得到各中段卸矿口粉尘质量浓度随时间的变化规律，并与文献[20]中的现场实测结果进行对比，如图4所示。
图4 各中段卸矿口粉尘质量浓度随时间的变化趋势
Fig.4 Change trend of dust concentration with time in each middle section
由图4可知:① 文献[20]中溜井的每个中段的高度间隔为25 m，而本文溜井的每个中段高度间隔为20 m，虽然二者在间隔高度有一定的差距，但也具有一定的参考价值。相似实验结果中粉尘质量浓度随时间的变化规律与现场实测的变化规律大致相同，但是现场实测中三、四粉尘质量浓度峰值的持续时间不明显，这主要是现场与相似实验在测点位置选取存在一定差异造成;② 在卸矿流量、含水率等参数一定时，三、四中段卸矿口粉尘质量浓度随时间均先增大到峰值稳定一段时间后开始下降，而一、二中段卸矿口粉尘质量浓度随时间先增大后减小，其峰值没有持续;③ 在卸矿流量、含水率等参数不变时，三、四中段卸矿口粉尘质量浓度峰值分别可达295，345 mg/m3，而一、二中段卸矿口粉尘质量浓度峰值分别为74，15 mg/m3。可见，冲击气流主要对三、四中段卸矿口的粉尘污染严重;④ 三、四中段卸矿口粉尘质量浓度峰值持续时间分别约为50，70 s，而一、二中段粉尘质量浓度的峰值没有明显的持续，由此也可反映出，三、四中段卸矿口粉尘污染较严重。
4.2 不同影响因素下粉尘质量浓度分布规律
结合前面分析得知多中段高溜井卸矿后三、四中段卸矿口粉尘污染比较严重，因此本文主要研究不同影响因素对三、四中段卸矿口粉尘质量浓度的分布规律的影响。
4.2.1 卸矿流量
为了研究不同流量时，三、四中段卸矿口粉尘质量浓度的变化规律，利用不同直径的卸矿漏斗控制卸矿流量分别为0.4，0.6，0.8，1.0，1.2 kg/s，在卸矿高度为3.6 m、含水率为0.37%、矿石粒径分布一定的情况下，得到不同卸矿流量下三、四中段卸矿口粉尘质量浓度变化趋势，如图5所示。
图5 卸矿流量对卸矿口粉尘质量浓度的影响
Fig.5 Influence of discharge flow on dust concentration at unloading port
由5(a)，(b)表明:① 各流量下三、四中段粉尘质量浓度随着时间的增加，呈现出先增大到峰值后稳定一段时间，然后逐渐下降的趋势;② 除卸矿流量1.2 kg/s外，其他流量下三、四中段卸矿口粉尘质量浓度峰值持续的时间随着卸矿流量的增加而增大，而卸矿流量为1.2 kg/s时，三、四中段卸矿口粉尘质量浓度持续时间突然降低，并且与卸矿流量为0.8 kg/s时的持续时间大致相同;③ 卸矿流量大于0.8 kg/s时，卸矿流量对三、四中段粉尘质量浓度峰值的影响较小，差异主要表现在各流量下粉尘质量浓度峰值的持续时间。
由图5(c)，(d)表明:① 卸矿流量小于1.0 kg/s时，三、四中段全尘与呼尘质量浓度随着卸矿流量的增加而增大，而卸矿流量为1.2 kg/s时，三、四中段卸矿口全尘与呼尘质量浓度出现突然降低的现象，造成该现象的原因可能为卸矿流量增大到一定程度时，矿石在溜井内的分散程度降低，导致矿石与空气的接触面积减少，从而降低了冲击风速，因此粉尘质量浓度也随之下降;② 三、四中段全尘和呼尘质量浓度整体上与卸矿流量近似呈幂函数关系，此外，三中段全尘与呼尘质量浓度的幂函数指数比四中段的指数大，四中段全尘与呼尘质量浓度的函数指数约为0.2，而三中段全尘与呼尘质量浓度的函数指数为0.4左右;③ 不同卸矿流量时，三、四中段呼尘质量浓度为全尘质量浓度的31.6%～37.5%。
4.2.2 卸矿高度
为了研究不同卸矿高度时，三、四中段卸矿口粉尘质量浓度的分布规律，在卸矿流量为1.0 kg/s、矿石粒径分布一定、含水率为0.37%时，分别在一中段(h=3.6 m)、二中段(h=2.8 m)、三中段(h=2.0 m)、四中段(h=1.2 m)进行人工卸矿，测得三、四中段卸矿口粉尘质量浓度的变化规律，如图6所示。
由图6(a)，(b)表明:① 随着时间的增加，三、四中段卸矿口粉尘质量浓度增大到峰值稳定一段时间后开始下降;② 随着卸矿高度的增加，三、四中段粉尘质量浓度的峰值逐渐增大，并且峰值稳定的时间逐渐增加。卸矿高度小于2.0 m时，三、四中段卸矿口粉尘质量浓度的持续时间分别在30，50 s左右。当卸矿高度增大到3.6 m时，四中段粉尘质量浓度峰值持续时间可达70 s左右，三中段粉尘质量浓度持续时间约40 s;③ 卸矿高度由2.8 m增加到3.6 m时，四中段粉尘质量浓度峰值变化较弱，而三中段粉尘质量浓度峰值变化较为明显。
图6 卸矿高度对卸矿口粉尘质量浓度的影响
Fig.6 Influence of discharging height on dust concentration at unloading port
由图6(c)，(d)表明:① 三、四中段卸矿口呼尘与全尘质量浓度均随着卸矿高度的增加而增大，原因为卸矿高度的增加，矿石下落过程中产生的势能增加，空气获得的能量增多，从而增加了冲击风速，所以导致了卸矿高度越大，粉尘质量浓度愈高;② 当卸矿高度下降到1.2 m时，三、四中段卸矿口全尘的质量浓度分别为135,224 mg/m3，与卸矿高度3.6 m相比，三、四中段粉尘质量浓度分别下降了54.2%，35.0%;③ 三、四中段全尘和呼尘质量浓度与卸矿高度近似呈幂函数关系，与卸矿流量相同，三中段全尘与呼尘的幂函数指数大于四中段指数;④ 不同卸矿高度下，三、四中段呼尘质量浓度约占全尘质量浓度的31.2%～35.0%。
4.2.3 矿石粒径
为研究不同矿石粒径下，三、四中段卸矿口粉尘质量浓度的分布规律，在卸矿流量为1.0 kg/s、卸矿高度为3.6 m、含水率为0.37%的情况下，得到不同粒径分布时三、四中段卸矿口粉尘质量浓度的变化规律，如图7所示。
图7 矿石粒径对卸矿口粉尘质量浓度的影响
Fig.7 Effect of ore particle size on dust concentration at unloading port
由图7(a)，(b)可知:① 随着时间的增加，各粒径分布下三、四中段卸矿口粉尘质量浓度先增大到峰值稳定一段时间后逐渐下降，并且随着矿石粒径分布的增大，三、四中段卸矿口粉尘质量浓度峰值下降，峰值持续时间逐渐减小;② 当粒径分布为在1.0～5.0 mm以上时，三、四中段卸矿口粉尘质量浓度峰值的持续时间分别在30，50 s左右，而矿石粒径分布在0.5～1.0 mm时，三、四中段卸矿口粉尘质量浓度的持续时间分别可达50，70 s。
由图7(c)，(d)可知:① 当矿石粒径分布从0.5～1.0 mm增加到10.0～20.0 mm时，三、四中段卸矿口全尘质量浓度逐渐降低，其主要原因是相同质量的矿石，粒径分布越小，其比表面积越大，与空气接触越充分，转化的能量越多，导致产生的冲击气流越大，从而粒径越小，相应的粉尘质量浓度越高;② 当矿石粒径为0.5～1.0 mm时，三、四中段全尘质量浓度分别为301，364 mg/m3，当矿石粒径分布为10.0～20.0 mm时，三、四中段全尘密度分别下降到168，287 mg/m3，与矿石粒径分布0.5～1.0 mm相比，三、四中段全尘密度分别下降了44.2%,21.2%，由此可见，矿石粒径分布的变化对三中段粉尘质量浓度影响更为明显;③ 三、四中段呼尘质量浓度的变化趋势与全尘一致，并且在各粒径分布中，三、四中段卸矿口呼尘质量浓度最大分别可达105，127 mg/m3，在各粒径分布中，呼尘质量浓度占全尘密度的31.0%～35.0%;④ 三、四中段全尘和呼尘质量浓度与矿石粒径近似呈幂函数关系，对应的指数分别约为-0.3，-0.2。
4.2.4 含水率
为了研究不同含水率时，三、四中段卸矿口粉尘质量浓度的分布规律，对原始矿石喷洒不同量的水并进行烘干，最后计算得到4种不同的含水率，分别为1.92%，3.56%，5.28%，6.50%。在卸矿流量为1.0 kg/s、卸矿高度为3.6 m、矿石粒径分布一定的情况下，测得三、四中段卸矿口粉尘质量浓度的变化规律，如图8所示。
由图8(a)，(b)表明，含水率小于1.92%时，三、四中段卸矿口粉尘质量浓度随时间的变化规律为先增大到峰值稳定一段时间后开始下降，并且含水率越小，三、四中段卸矿口粉尘质量浓度峰值越大，峰值持续时间越长，当含水率大于1.92%时，三、四中段卸矿口粉尘质量浓度达到峰值时没有明显的持续，与时间近似呈先增加后减小的趋势。
图8 含水率对卸矿口粉尘质量浓度的影响
Fig.8 Effect of moisture content on dust concentration at unloading port
由图8(c)，(d)表明:① 随着含水率的增加，三、四中段卸矿口全尘与呼尘质量浓度逐渐降低，其原因为含水率的增加，下落矿石的离散程度下降，从而使矿石与空气接触面积减少，减少了矿石与空气的能量交换，导致形成的冲击风速下降，从而造成三、四中段卸矿口质量浓度降低;② 当含水率为0.37%时，三、四中段卸矿口呼尘质量浓度分别为92，109 mg/m3，当含水率增加到6.5%时，三、四中段卸矿口呼尘质量浓度均小于10 mg/m3;③ 三、四中段卸矿口全尘、呼尘质量浓度与含水率近似呈幂函数，其指数分别约为-0.83，-0.68;④ 当含水率达到3.56%后，卸矿口全尘、呼尘的质量浓度基本不再下降，三、四中段卸矿口呼尘约占全尘的31.3%～31.7%。
5 结 论
(1)利用高速摄像仪及能量交换相结合的方法分析了卸矿口的产尘机理，理论分析了卸矿流量、卸矿高度等影响因素对卸矿口粉尘质量浓度的影响机理，并通过量纲分析推导出相似实验需满足的准则数
(2)多中段高溜井卸矿产生的冲击气流对三、四中段卸矿口粉尘污染严重，在卸矿流量为1.0 kg/s、矿石粒径分布一定、矿石含水率为0.37%的前提下，三、四中段卸矿口峰值质量浓度分别可达295，345 mg/m3。
(3)不同卸矿流量、卸矿高度、矿石粒径分布下，卸矿口粉尘质量浓度随着时间的增加呈先增大到峰值后稳定一段时间然后开始下降。含水率大于1.92%时，卸矿口粉尘质量浓度随时间的变化趋势与卸矿流量等因素相同，而当含水率大于1.92%时，粉尘质量浓度随时间的变化趋势近似为先增大后减小。此外，不同影响因素下粉尘质量浓度峰值的持续时间有所差异，最长可达70 s。
(4)卸矿口全尘与呼尘质量浓度整体上与卸矿流量呈正比关系，但流量过大时也会出现质量浓度突然降低的现象;卸矿口全尘、呼尘质量浓度与卸矿高度呈正相关，而与矿石粒径分布、含水率呈负相关，当矿石含水率达到3.56%时，卸矿口全尘与呼尘的质量浓度基本趋于稳定，不再降低;不同影响因素下，呼尘质量浓度约为全尘质量浓度的31.0%～37.5%。
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