防风抑尘墙在黑岱沟露天矿中的应用研究

January　2010

　　属　　矿　　山

METALMINE

总第403期

2010年第1期

防风抑尘墙在黑岱沟露天矿中的应用研究

李晋旭　李克民　杨　明　杨　贺

(中国矿业大学)

摘　要　对于大型储煤场与原煤运输系统,目前使用的方式主要有喷水降尘和挡风抑尘2种方式防尘,而挡风抑尘最适宜于北方露天矿场使用。介绍了防风抑尘网的发展状况,研究扬尘机理并通过风洞试验结论和对现场测试数据分析,阐述了防风抑尘墙的抑尘防风原理,并对其做了分类介绍。最后论述了防风抑尘墙在黑岱沟露天矿的成功运用。

关键词　粉尘防治　防风抑尘墙　网开孔率　储煤场　破碎站ApplicationResearchofWind2proofandDustSuppressingWallinHeidaigouOpen2pitMine

LiJinxu　LiKemin　YangMing　YangHe

(ChinaUniversityofMiningTechnology)

Abstract　Forlargecoalstorageyardsandcoaltransportsystem,twowaysofdust2prooflikewatersprayandwind2proofsuppressingarecurrentlyadopted1However,thewind2proofdustsuppressingtechnologyisanoptimalchoicefortheopen2pitminefieldinnorthofChina1Thecurrentsituationofthedustandwindpreventingandcontrollingmeshworkisin2troduced1Andthenitsprincipleiselaboratedaftertestingthewindtunnelsandanalyzingtheon2sitedataandbasedonthemechanismofdustcontrollingandisintroducedinclassification1Finally,thesuccessfulapplicationofwind2proofanddustsuppressingwallinHeidaigouopen2pitmineisdiscussed1

Keywords　Dustpreventionandcontrol,Wind2proofanddustsuppressingwall,Netopeningrate,Coalstorageyard,Crusherstation

　　大规模原料堆积场发生的飞散,不但污染周边环境,影响居住环境,引起民怨,而且造成大量的原料损失,因此原料堆积场均需设立解决原料飞散的设施。在原料表面喷水和喷洒固化剂,是抑制原料飞散的各种防治对策之一,但是,抑制粉尘固化剂费用是连续长期的投入,并且效果不甚理想,如果没有降雨,只刮强风,就无法抑制原料的飞散。

日本、德国、英国等发达国家的钢铁厂到目前为止,大部分仍在采用喷水和表面固化剂喷洒的方式来抑制粉尘飞散。日本大分、鹿岛钢铁所等原料场外部设置绿化带来控制原料飞散。在韩国下洞火力煤厂周围种植了高度约7～8m的防风林。

韩国从1986年特别立项,对原料堆积场的飞散问题进行专项研究,为此设计了一个与实际环境同样环境的风洞实验室,通过风洞的变化调查,积累了许多数据,对同一工厂不同的原料,不同的环境,进行周密的调查和研究,积累了大量的各种数据,提出利用防风抑尘墙防止堆积原料飞散的可行性方案。

浦项制铁和仁川港第8区,大约30000m的原料场,建设了15m高的防风抑尘墙。安装防尘设施

后,国内很多单位对其进行了考察,给予了高度评价,并且其它火力发电厂、钢铁厂、煤炭矿场、石灰石矿场、水泥厂等都开始选择防风抑尘墙,在国内开始广泛应用起来。

随着中国环保和节约意识的加深,近年开始在中国引起关注。

2

1　扬尘原理

堆储或者散失在地面上的固体颗粒物,风导致其运动的首要决定因素是风速。在风的作用下较小的固体颗粒主要有3种运动状态:一定风速下最大的运动微粒(直径>1000μm)沿地面滚动成为螺动;微小粒子(直径<100μm)则被湍流携带随风运动称为悬浮;直径介于中间的粒子(100～1000

李晋旭(1985—),男,中国矿业大学矿业工程学院,硕士,221008江苏省徐州市中国矿业大学文昌校区矿业学院硕07资源与规划。

・159・

总第403期　　　　　　　　　　　　金　　属　　矿　　山　　　　　　　　　　　2010年第1期μm)先是跃入大气中,而后又沿规则的轨道回落地面称之为跃动。粒子的悬浮与跃动是风蚀现象的主要运动形式;而对大气环境造成危害的主要是悬浮颗粒,特别是10μm及10μm以下的颗粒悬浮在大气中是最有危害性的,该部分颗粒一旦悬浮在空中,由于在垂直方向上的速度波动,很难再落回到地面,而是随风向其他地方扩散,进而导致严重的空气污染与其他环境问题,同时也造成了原料的浪费,使生产成本提高。

防风抑尘墙能大量降低露天煤堆场的起尘量,其机理是通过降低来流风的风速,最大限度地损失来流风的动能,避免来流风的明显涡流,减少风的湍流度而达到减少起尘的目的。设置合理的防风抑尘墙,其综合防尘效果能达到85%以上。1.1　煤堆起尘量与风速的关系

煤堆场起尘的原因:当外界风速达到一定强度,风力使煤堆表面颗粒产生向上迁移的动力,该力大于颗粒自身重力和颗粒之间的摩擦力,以及其它阻碍颗粒迁移的外力时,颗粒就离开堆跺表面而扬尘。研究露天堆煤场煤尘扩散规律发现,煤堆起尘与风速关系如下:

Q=a×(V/V0),

m

尘量。

2　防风抑尘网原理

通过空气动力学实验室研究和现场实测的手段,分别分析气流通过实体墙和网墙时的压力、流向等的变化,从数据的对比中来揭示防风抑尘网的抑尘原理。

当砌筑实体墙来防风时,即墙体的开口率为零,分析如图1所示。

图1　砌筑实体防风墙原理

当Pa>Pb,Pc>Pd,在A,B区形成低压区,风

向向下偏转,在堆料的后方B区形成涡流区,引起扬尘。

当采用柔性防风墙时,即墙体选用柔性材料并有一定的开孔率,风可透过墙体材料,分析如图2所示。

式中,Q为料堆起尘量,m/s;V为风速,m/s;V0起尘风速,m/s;a为与粉尘粒度分布有关的系数;n为指数(n>1.5)。

从上式可以看出,煤堆起尘量Q和堆场实际风速与起尘风之差(V/V0)的n次方成正比。要使煤尘起尘量Q变小,主要的办法是降低V与V0的差值。设置防风抑尘网的目的是将V值变小,通过煤场喷淋加湿手段将V0变大,这样就能达到减少Q值的目的。1.2　起尘量与损失风动能的关系当风通过防风抑尘墙时,不能采取堵的办法将风引向上方,而应让一部分气流经过防风抑尘墙进入墙内的庇护区;另一部分气流向上绕过防风抑尘墙进入墙内的庇护区,这样做的目的是使风的动能损失最大,煤堆起尘量最小。即以损失风动能达到最大限度地减少煤堆起尘的目的。1.3　煤堆场起尘量与风湍流度的关系

由于气象、地形及堆场内物料情况等因素影响,堆场具有阵发性风,易形成涡流风,使堆场内的煤尘起尘量增加。而防风抑尘墙对所形成的涡流风有破碎作用,可以减少风的脉动速度,从而减少煤堆的起

・160・

3

图2　柔性防风墙原理

在A区Pa=Pb,V2≤V1/2,因此大于起尘临界风速的几率下降。

在B区气流通过网墙不会反弹,自然形不成涡流风,不会产生强湍流和垂直气流扰动,减少气流对煤场生产作业过程中粉尘颗粒的作用,从而减弱或避免扬尘发生。

从上面分析可以得出,防风抑尘网的原理为:采用适当开孔率的柔性材料,架设成网墙将料堆加以遮拦,隔离形成2个环境氛围,当自然风通过网墙时,柔性网体材料吸收部分风流的能量,有效降低风流的速度和压力,使强风变成弱风、大风变成小风、

　　　李晋旭等:防风抑尘墙在黑岱沟露天矿中的应用研究　　　　　　　　　　　　　2010年第1期小风变成无风,风流的速度低于粉尘颗粒飞扬的临界速度,从而煤料中的粉尘颗粒不能实现扩散、飞扬。通过墙体上适当的开孔将减弱的风流导出,避免产生强湍流和垂直上升气流,避免粉尘颗粒受到扰动而产生飞扬。通过防风抑尘网的设置有效解决了空气流2个方面的问题,抑制了煤尘的产生,减少了环境污染和原料煤的浪费。

柔性墙体材料的开孔率与抑尘效果的关系分析,如图3所示。

其柔性的特质决定了其优良的防风抑尘效果。

柔性防风抑尘网参数:防风网的一个重要技术参数是开孔率,即防风网上透风的孔隙在整个防风网面积上所占的比例,以ε(%)表示。孔隙度愈大,透过网的气流愈多。当ε接近100%,相当于没有防风网,也就没有了屏蔽作用。当ε接近0%,相当于无孔的实心墙,其防风效果并不好。

经过实验室的风洞试验和现场实测得到下列结论。

(1)采用2层叠加的防风网,使其开孔率最接近27%,可取得明显防风效果,其特殊编织方式,使网后方不后形成涡旋。其柔性结构,在阻风时能更好地吸收风能。

(2)采用四面围护的矩形防风网,其效果好于单列的防风网,围护内减风比大于60%。同时,矩形防风网对各个风向都具备防护作用。

(3)无孔或开孔率很低或很高的防风网,会在背风面生成涡旋和强湍流,容易产生扬尘和风蚀。

(4)防风抑尘网设置高度达到堆放物1.3～1.5倍时,防风抑尘效果最佳。3.2　钢性挡风抑尘墙钢性防风抑尘墙是利用空气动力学原理,按照

(100～500))风洞试验结果加实施现场环境(按1∶

工成一定几何形状的防风板,并根据现场条件将防风板组成“防风抑尘墙”使通过它的空气(强风)从外通过墙体时,在墙体内侧形成上下干扰的气流以达到外侧强风、内侧弱风;外侧小风,内侧无风的效果,从而防止粉尘飞扬。

通过试验和检测,碟形防风板在一定的开孔率下具有明显降低风速和风力的的作用。防风抑尘板可以有效降低来流风的风速,改变一部分来流风通过防风抑尘网后的风向,最大限度地降低来流风的动能,避免来流风的明显涡流,减少风的湍流度,从而达到减少起尘的目的。

刚性防风抑尘板的材质及规格防风板网采用高分子无机非金属复合材料,或者钢板、不锈钢板。板网形状为碟形,常规规格为0.38m×3m。3.3　防风板特性

防风板采用新型的高分子无机非金属复合材料或者镀锌喷塑钢板、不锈钢板等材料。它应具有科学的板结构,高强度和韧性,承受弯曲挠变形的优良机械性能,防风抑尘效果好,合理工程设计将获得80%以上的抑尘效果

・161・

图3　柔性墙体材料的开孔率与抑尘效果的关系柔性挡风墙抑尘网的开孔率ε=ε0;无遮挡时的开孔率ε=100%由上图可以看出,当开孔率ε=0时,即采用实体墙防尘,实体墙对抑制堆场煤尘有一定作用,但没有达到最佳效果;当开孔率ε=100%时,即堆场周围未采取任何措施,抑尘效果为零,粉尘可以无遮无拦的自由扩散、飞扬;当开孔率ε=ε0时,即选择最佳开孔的材料来围场抑尘,会收到最理想的防风抑尘效果,最佳开孔率数据是通过试验分析和现场实测来确定。

利用空气动力学原理进行风洞试验和现场实测分析比较得出,当采用开孔率为40%的双层柔性网体时,防风抑尘网能最有效地降低风压和风速,抑尘效果最佳,风速降低80%～90%,扬尘浓度分布降低85%以上。所以,通常储煤场的防风抑尘网均选用开孔率为40%的网体材料来建造。试验还测得,开孔率为40%的双层柔性防风抑尘网的有效遮护水平距离为高度的30倍,网高一般应控制在煤堆高度的1～1.3倍的范围内。在粉尘治理的实际工作中,可根据储煤场的大小、储量、堆煤高度、现场自然情况等因素合理设计防风抑尘墙的形式、走向和高度,以达到最佳的粉尘治理效果。

3　防风点

3.1　柔性防风抑尘墙

柔性防风抑尘墙是在钢结构架上挂装防风抑尘网。防风网是高密度聚乙烯(HDPE)编织的,开孔率50%左右。2层叠加使用,开孔率在27%左右。

总第403期　　　　　　　　　　　　金　　属　　矿　　山　　　　　　　　　　　2010年第1期

4　黑岱沟露天矿防风抑尘网的应用实例

4.1　储煤场基本情况

(1)储煤场场地情况。储煤场是浅槽重介洗选

钢结构支架主受力柱选用I25a工字钢,钢架高17m,每榀钢架间距为8.4m,钢架与钢架顶端采用<121mm普通钢管连接,中部和下部采用HZ1水平行架连接,钢架与混凝土基础上的预埋钢板焊接,从而使钢架与钢架之间形成一个稳定的空间结构。

网体材料选用开孔率为40%的高密度聚乙烯螺旋编织网,单层网面厚度4～6mm,规格4.3m×50m,使用寿命15a以上。

工艺的配套项目,浅槽重介洗选工艺设计洗选能力为800万t/a,煤场储煤堆容量30万t。储煤厂位于洗选二车间正南方,与主厂房相距480m,储煤场场地平整后标高1220.09m。场地周围东南面较高,挖掘后南面形成高24m的土崖,东西两侧土崖逐渐降低,形成自然屏障,煤场正北面、西北面周围较低、没有山岗或建筑物。储煤场主体形状接近于矩形,场地北边宽236m,东边长617.5m,西边长604.6m,南边两侧收缩后宽162.9m。

(2)自然气候情况。储煤场海拔1220.09m,

网体从钢支架的最顶端跨过,每片网材之间互相缝合,由上至下沿水平方向每间隔1m设置2道钢绞线,钢绞线与钢架通过专用卡具固定,用2道钢绞线将网片夹于中间,水平方向每30cm用铅丝将网片与钢绞线固定。形成了支架与钢绞线、支架与网体、网体与钢绞线的多重固定,提高了防风墙的强度和稳定性。4.3　用于破碎站煤尘治理自然风向以西北风为主,年最大风速24m/s,平均

风速2.3m/s,一年大风日6～57d。

(3)储煤场设备布置情况。储煤场内布置2条胶带输送机横贯煤场南北,将煤场自西向东分成西条区、中条区、东条区3个储煤区,在胶带机上布置2台大连重工集团生产的DQL2500/2500.45型斗轮堆取料机。

(4)储煤场煤尘产生机理。胶带输送机、斗轮堆取料机、推土机、工程自卸车等设备运行时,搅动煤料,使煤料松散,煤料中的微小颗粒受到外力作用,获得能量后由作业点向周围空间移动、扩散。自然刮风时,将煤料中较小颗粒的煤带入大气中,在空气中悬浮、跃动形成煤尘。设备运行的搅动和自然刮风共同作用使煤尘产生扩散、飞扬,形成污染。4.2　用于储煤场煤尘治理工程

储煤场煤尘治理采取主体设置防风抑尘网与局部利用自然地形屏障相结合、钢结构支架上固定防风抑尘网与底部砌筑砖墙(1m)相结合的方式进行。

根据储煤场场地实际情况,充分利用场地土建时南边和东南边形成的24m高边坡土崖作为自然屏障,南边不设计抑尘网,仅在北边和东西两边的局部设计抑尘网,抑尘网对煤场区形成一个半包围结构,与煤场南段的自然屏障结合构成一个完整的防风抑尘体系。具体为北面100%进行网围,计236m,西边80.9%进行网围,计4m,东边33%进行网围,计204m,网围总长度929m。根据平时煤场储煤高度,设计防风抑尘网高度为17m。沿防风抑尘网的下端砌筑1m高的砖墙,防止储煤场内的工程机械在作业时损坏抑尘网。

・162・

选煤厂来煤系统共有1,2,33套大型半移动式破碎站,每套破碎站均选用英国MMD公司的2500t/h双齿辊破碎机,1,3破碎站各设置1台破

#

#

###

碎机,2破碎站设置2台破碎机,每台破碎机下设计有配套的皮带系统。破碎站为坑式建筑,破碎机和配套胶带设置在重型自卸卡车作业面旁边的坑下。破碎站的煤尘主要由重型自卸卡车卸煤、破碎机工作转动、配套胶带运转引起。破碎站的粉尘治理采取防风抑尘网和洒水相结合的方法,防风抑尘网设计成全包围结构,网高17m,双层敷设,施工技术措施与储煤场相同,气温在零度以上时洒水配合降尘。

#

5　结　论

储煤场与破碎站采用挡风抑尘墙,解决了原料场与破碎站的粉尘污染问题,目前挡风抑尘墙被广泛的应用在煤炭、矿石、灰沙等开采、堆放、装卸等作业场所,可以有效地抑制粉尘散发,抑尘效率达到75%～90%。挡风抑尘网使用寿命长,建成后,不需

要任何维护,节省了大量的人力、物力,非常适合露天矿场。对周边环境改善起到决定作用,有明显的环境效益;同时达到了节能减排的目的,随着挡风抑尘墙技术的进一步改进,工程造价的进一步降低,该技术将大有前途。

参　考　文　献

[1]　田武双1挡风抑尘技术在工业企业原料场节能减排中的应用

[J]1河北省科学院学报,2008,25(3):672681

(下转第166页)

总第403期　　　　　　　　　　　　金　　属　　矿　　山　　　　　　　　　　　2010年第1期

v

w

w

=-

σvx2Ebh

3

(x-2lx+l),

223

(4)

式中,v为重力作用下的挠度;E为“梁”的弹性模量;J为与梁的截面尺寸有关的常数,当截面在Z方

3

向的高度为h,在Y方向的宽度为b时,J=bh/12,称为截面对Y轴的惯性矩。

对于本研究而言,煤层顶板岩层所承受的重力、采空区长度以及梁尺寸均可认为是相同的,各模型不同的地方在于“梁”的弹性模量E。

在RFPA中,假设离散后的微元体的力学性质是符合Weibull统计分布函数的,即

m-1m

φ(α)=m・(α/αα・exp[-(α/],0)0)α0

区上覆岩层的下弯幅度(即挠度)随着均质度的增

大而减小,岩体发生微破裂释放弹性波能量逐渐减小,范围逐渐缩小。但当均质度达到一定程度时,覆岩所能承受的采空区顶板最大临空长度可能小于本研究中的长度值,因此发生了均质度为20时的大面积声发射现象。

对于均质度与节理密度之间的函数关系,可以认为类似于倒数的关系,则岩体的节理发育密度正比于其下弯幅度(即挠度)。

5　结　论

(1)随着节理密度的减小(即均质度增大),覆

(5)

式中,α为岩石介质微元体力学性质参数;α0为微元体力学性质的平均值;m为分布函数的形状参数,其物理意义反映了岩石性质的均质性,即所提及的均质度。不同均质度时,岩石介质的强度分布如图4所示。

岩中声发射的能量和范围均呈减小之势。

(2)拉破坏主要出现在黄土层中,呈“M”状,随着节理密度的减小,其分布范围逐渐减小;采空区顶板基岩的垮落尺寸逐渐增大,而充填程度则有所减小。(3)均质度影响着岩石力学性质参数的分布情况,随着节理密度的减小(均质度的增大),煤层覆岩整体的抗变形能力提高了,地表的最大下沉值相应地减小。

(4)节理的发育密度表征了岩体的破碎程度,但并非节理密度愈小愈好,此时亦应考虑到采空区顶板所能承受的最大临空长度,避免大面积、突然性的顶板冒落现象的发生。

参　考　文　献

图4　不同均质时微元体力学性质分布形式

本研究的数值试验模型所建立的各岩层的力学

参数的平均值是相同的,但均质度不同时,岩体中各个微元体力学性质是有所差异的,均质度越大,这种差异就越小。随着均质度增大,弹性模量等力学参数的变化区间减小,因此从煤层覆岩整体的抗变形能力而言,可以近似地认为均质度为3时的弹性模量是小于均质度为20时的情况的,因此导致了采空(上接第162页)

[2]　金向阳1防(挡)风抑尘网在露天储煤场的应用[J]1煤炭工

[1]　郭文兵,邓喀中,白云峰.受断层影响地表移动规律的研究

[J].辽宁工程技术大学学报.2002,21(6):7132715.

[2]　于广明,谢和平,张玉卓,等.节理对开采沉陷的影响规律研究

[J].岩土工程学报.1998,20(6):96298.

[3]　夏玉成.煤矿区地质环境承载能力研究[M].西安科技大学.

2004.

[4]　唐春安,王述红,傅宇方.岩石破裂过程数值试验[M].科学出

版社,2003.

(收稿日期　2009211210)

[6]　聂启胜.挡风抑尘网在露天储煤场的应用[J].煤,2008,99:652

681

[7]　李明水,陈　立,王奇志.秦皇岛港煤堆场防风网风洞试验报

程,2008(6):372391

[3]　赵庆久1煤场挡风抑尘墙的应用[J]1华北电力技术,2004

(10):302321

[4]　李　强,宋存义,陈凯华,等电厂露天堆料场挡风抑尘墙效果

告[R].绵阳:中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所,2002.

[8]　StevenB.Windreaks[M]1Melbourne:Reedinternationalbookspty

ltdasintakapress,19981

的数值模拟[J].中国电力,2008(3):582611

[5]　丛晓春,詹水芬1防风网多孔动力效应的应用研究[J]1中国

(收稿日期　2009211210)

矿业大学学报,2009,32(2):19321961

・166・