外排土场宏观尺度的区域微气象因子影响特征.pdf

外排土场宏观尺度的区域微气象因子影响特征马力1，徐甜新1，毕银丽2，彭苏萍3，薛飞1，李天翔1，刘晨东1，韩流4（1.西安科技大学能源学院,陕西西安710054；2.西安科技大学地质与环境工程学院,陕西西安710054；3.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083；4.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州221116）摘要：为了研究露天煤矿外排土场对周围微气象因子的影响关系，进而为矿区生态修复提供基础，以矿区周围气流运动及水分分布为影响因子，进一步探索外排土场尺度及形态的生态效应。以红沙泉露天煤矿为例，运用 Fluent 流体模拟软件，采用大涡模拟和组分传输模型，分别建立不同高度与角度的外排土场模型进行模拟。通过红沙泉露天煤矿所处地区气象站点，得到该地区 2020 年逐月温度与露点数据，从而得出该地区逐月凝结高度。分析不同条件下得到的气流速度云图，水分质量分数云图，获得不同外排土场尺寸对周围气流运动及水分分布的影响规律，并与该地区凝结高度进行对比。数值模拟结果表明：随着外排土场高度增加，气流爬坡速度缓慢增加，爬升最大高度也随之增长，迎风坡以及外排土场顶部的水分质量分数均增大，背风坡形成越来越明显的卡门涡街现象，涡流数量增加且影响范围变大，涡流区域内气流速度、水分质量分数均增加并达到最大值，外排土场角度增大对气流最大爬升高度影响较大，对周围微气象因子影响不大。在极限高度 360m 条件下，当外排土场角度达到 26临界值时，会使气流最大爬升高度达到该地区夏季凝结高度；或在外排土场极限角度 22条件下，当外排土场高度达到 380m 临界值时，会使气流最大爬升高度达到该地区夏季凝结高度，从而对矿区周围降水产生促进作用。关键词：露天煤矿；外排土场；微气象因子；气流运动；水分分布；卡门涡街中图分类号：TD824文献标志码：A文章编号：02532336（2023）08031311Influence characteristics of regional micrometeorology on macroscopic scale ofexternal dumpMALi1,XUTianxin1,BIYinli2,PENGSuping3,XUEFei1,LITianxiang1,LIUChendong1,HANLiu4（1.School of Energy,Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China;2.School of Geology and Environmental Engineering,Xian Uni-versity of Science and Technology,Xian 710054,China;3.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Tech-nology Beijing,Beijing 100083,China;4.School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116 China）Abstract:Tostudytherelationshipofexternaldumpofopencastcoalmineimpactingonsurroundingmicrometeorologicalfactors,andthenprovidethefoundationacknowledgefortheecologicalrestorationinminingarea,theairflowmovementandwaterdistributionaroundthemineareawereregardedastheinfluencingfactorstofurtherlyexploretheecologicaleffectsofthescaleandformoftheexternaldump.TakingHongshaquanopen-pitcoalmineasanexample,usingFluentfluidsimulationsoftware,adoptinglargeeddysimulationandcomponenttransfermodel,theexternaldumpmodelswithdifferentheightsandangleswereestablishedforsimulation.Themonthlytem-peratureanddewpointdataoftheareain2020wereobtainedthroughtheregionalmeteorologicalstationwhereHongshaquanopen-pitcoalminelocated,therebyreachingthemonthlycondensationheightofthearea.Byanalyzingtheclouddiagramsofairvelocityandmois-turemassfractionunderdifferentconditions,theinfluencelawofdifferentsizesofexternaldumponthesurroundingairflowmovementandwaterdistributionwasobtained,andcomparedwiththecondensationheightinthearea.Thenumericalsimulationresultsshowedthat:withtheincreasingdumpheight,theairclimbingspeedincreasedslowly,whilethemaximumclimbingheightincreased,aswellasthe收稿日期：20220805责任编辑：黄小雨DOI：10.13199/ki.cst.2022-0565基金项目：国家重点研发计划专项资助项目（2022YFF1303302）；国家能源集团重大先导资助项目（GJNY2030XDXM-19-03.2）作者简介：马力（1986），男，黑龙江集贤人，副教授，博士。E-mail：通讯作者：徐甜新（1997），女，陕西韩城人，硕士研究生。E-mail：第51卷第8期煤炭科学技术Vol.51No.82023年8月CoalScienceandTechnologyAug.2023马力，徐甜新，毕银丽，等.外排土场宏观尺度的区域微气象因子影响特征J.煤炭科学技术，2023，51（8）：313323.MALi，XUTianxin，BIYinli，et al.InfluencecharacteristicsofregionalmicrometeorologyonmacroscopicscaleofexternaldumpJ.CoalScienceandTechnology，2023，51（8）：313323.313moisturemassfractiononthewindwardslopeandthedumptopascended.MoreandmoreobviousKarmanvortexstreetphenomenonwasformedalongtheleewardslope.Thenumberofvorticesincreasedandtheinfluencerangebecamelarger.Bothoftheairflowvelocityandmoisturemassfractioninthevortexareaincreasedandreachedtheirmaximumvalues.Theincreaseintheangleoftheexternaldumppresentedasignificantimpactonthemaximumclimbheightoftheairflow,butshowedlittleimpactonthesurroundingmicrometeorolo-gicalfactors.Undertheconditionof360mlimitheight,whentheexternaldumpAnglereachedthecriticalvalueof26,themaximumair-flowclimbingheightwouldreachthesummercondensationheightinthisarea.Alternatively,undertheconditionof22limitAngleoftheouterdump,whentheheightoftheouterdumpreachedthecriticalvalueof380m,themaximumclimbingheightofairflowwouldreachthesummercondensationheightoftheregion,therebypromotingtheprecipitationaroundtheminingareaKey words:open-cutcoalmine；externaldump；micrometeorologicalfactors；airflowmovement；waterdistribution；karmanvortexstreet0引言露天开采以土岩剥离、煤层揭露为主要作业方式，废弃土岩堆弃形成外排土场，从其形式上看如同构造山区地形。从资源角度看，外排土场作为露天开采剥离废弃物排放场地，不具备经济价值、具有一定安全风险且需要进行高成本的复垦与生态修复。另一方面，山区地形的存在对区域微气象循环有一定影响，表现为山地降水量比平地多的趋势。地形与降水有很重要的关系，它既能促进降水的形成，又能影响降水的强度和时空分布1-2。依据降水形成条件及从产生降水的主要过程来看，地形抬升是其中主要影响因素之一。暖湿气流在运行时，遇到较高端的山地阻挡后，气流在迎风坡被迫抬升，气流上升时绝热冷却而凝结成云，在一定条件下便形成降水，是地形雨形成的主要作用过程3-5。地形高度和坡度越大，动力抬升作用越强，越有利于强对流的发生6-8。其中，地形雨的降水机制主要包括 3 种类型：地形性的强迫上升运动导致凝结和降水；从先前存在的云中下落的降水物，再由局地性地形上升所形成的地层碎云冲刷的结果，在越过小山时降水出现增强；由于日射引起上坡加热造成上坡风，从而造成山峰上的对流云。究其原因，地形性强迫气流上升及暖湿空气凝结是引起地形降水的关键因子。而露天矿外排土场具有一定区域地形特征，因此基于地形与降水的耦合机制，研究外排土场宏观尺度的区域微气象因子影响特征，探究露天开采对区域环境作用机制9，对转变露天开采的开发模式及其损害生态环境的传统印象具有重要积极意义。针对地形对气候产生的影响，许多学者进行了大量观测和研究。翟朝阳等10研究微地形对大西沟野杏幼苗生境的气候和土壤温湿度的影响。得出坡向与空气湿度负相关，坡度与空气湿度相关，坡位与空气湿度无明显相关性；孟青等11以秦岭腹地为研究对象，采用 Anusplin 插值法、稳健回归方法等研究气候变化地形特征及空气温湿度变化特征，得出温度随高度上升呈现明显下降趋势，年降水呈现不同程度上升趋势；黄菊梅等12基于典型的中小尺寸地形，研究其对降雨的影响。得出地形与降雨密切相关，迎风坡由于动力强迫抬升、较其他地区降雨强度偏大；文迁等13认为相对高程的 70%80%附近出现最大降水，山坡脚的降水量反而比山顶上高。山坡坡度、坡面风速大小、风向与迎风坡交角等因素决定了气流的上升运动速度，从而影响了降水分布；孙继松14研究太行山东侧低空东风气流下不同垂直分布气流对降水落区的影响。得出当垂直于山体的气流随高度减小时，造成气旋式涡度增加，产生风场切变；当气流的垂直分布随高度增加时，迎风坡方向表现为反气旋涡度增强，而在背风坡方向产生辐合作用，同样发生风场切变；LindaSchneider15为了了解地形如何影响降水的发生和强度，对平坦的山脉和逐渐平滑的地形进行了灵敏度运行。发现低水平风收敛对于深对流的开始至关重要。其强度因模拟而异，对于具有锋面带天气的情况，降水的大规模平流与局部效应具有相互作用；范广洲16利用 NCARRegCM2 模式就地形对华北地区夏季降水的影响进行了模拟研究。发现地形高度降低，迎风坡地形抬升作用减弱，山前降水减少。低地形抑制了背风坡气旋的发展，因此也减少了山后降水；郭璇17研究川西高原地形特点对降水的影响，得出在川西高原地区，高山和山地为迎风坡，随着高度的增加，降水量由山脚向上递增。故川西地区海拔较高的高原、山地地区的降水量尤为明显，而其他海拔较低地区的降水量远不及高海拔地区。地形抬升作用与地形高度和坡度有关，而露天煤矿外排土场地形尺度由外排土场高度及外排土场边坡角度直接决定。露天煤矿外排土场由松散破碎岩石堆积而成，松散堆积体的岩体力学参数是决定外排土场高度和边坡角度的重要参数18。针对露天矿山外排土场的地形尺度影响方面，目前尚无相关2023年第8期煤炭科学技术第51卷314研究与探索。新疆准东矿区地处干旱荒漠区，受降水影响小且岩石物理力学参数较大，对外排土场边坡稳定性及提高外排土场边坡角度有利。本文以新疆准东矿区红沙泉为例，进一步结合当地微气象条件及外排土场工程条件，探索外排土场尺度的区域微气象特征效应，揭示干旱区露天煤矿开采扰动对区域微气象的影响关系，为矿山生态修复提供重要科学指导与规划。1地形对越山气流的宏观影响山脉会对水平尺度 1100km 的越山气流运动产生影响，进而对毗邻地区的天气有着重要的意义19。据此进一步探索外排土场微地形对局地气流的影响，对荒漠区微气象的影响具有重要基础意义。其中，越山气流的运动特征主要取决于：风的垂直廓线、大气稳定度结构及山脉的形状。在稳定大气条件下（位温随高度增加）与气流垂直的简单的条形山脉的作用下，可根据风速的垂直廓线将气流分为 3 种基本类型20：在风速随高度基本不变的微风情况下，空气呈平流波状平滑地越过山脊（图 1a），所以气流仅微弱地垂直上升，这称为片流。当风速比较强且随高度逐渐增加时，气流在山脉背风侧翻转而形成定常涡流（图 1b）。当风速的垂直梯度大时，由山地产生的扰动引起波列（图 1c），它可在下风侧伸展到 25km 或更远的距离（图 1d）。如果气流状态保持不变，它们就成为定常重力波。背风波通常是当深厚气流与山脊线所成交角在 30以内且风向随高度变化很小时才形成。但风速向上必须是增加的。对于低矮的山脊（1km）最小的水平风速必须为 7m/s 左右，而高度为 4km 的山脊，风速必须为15m/s 左右才能导致背风波形成。(a)片流(b)定长涡流(c)波动气流并出现波峰云和下风转子云(d)转子流图1越山气流类型与风速垂直廓线关系Fig.1Relationshipbetweenthetypeofcross-mountainairflowandtheverticalprofileofwindspeed从图 1b、图 1c、图 1d 的流线中可以看出气流与整体脱离的情况。当这种情况发生时，出现转子运动而在波峰下部形成单个涡流。转子形成激烈的乱流区，有时可达到山脉一般的尺度。在下降气流中，由于气流沿坡运动，所以气流分离出来的倾向受到了抑制。而在对流情况下（特别是在背风坡），气流分离出来的可能性得到加强。而当上层空气不能维持必要的稳定运动时，就要发生部分气流分离出来，而这种分离可减弱背风坡波动的振幅进而减小山地对高空气流的影响。当风速为 815m/s 时，则气流乱流性增强并在背风坡的低层引起连续的转子。如果风速不变，则波的振幅随高度增大。如果大气是稳定的，则波动较强。当风速大于 15m/s 时，乱流情况与风速为 815m/s 时类似。背风坡波长及其振幅和转子的发生都取决于大气稳定度和风速垂直梯度。如果层结构稳定且风速随高度有规律地增加，则转子流运动往往很弱。2地形抬升凝结高度凝结高度，是空气中的水汽在上升运动中，达到一定饱和状态时的高度，而水汽饱和是降水的必要条件之一。因此凝结高度高，山地降水带也随之增高，抬升凝结高度的计算公式21为：H=a(Tss)a=1a+d/dTddT=RvRdg2LTv（1）式中：H 为抬升凝结高度，m；Ts为抬升起始高度上的温度，；s为抬升起始高度上的露点，；Rv和 Rd分别为水汽和干空气的比气体常数，Rv/Rd1.608；g 为马力等：外排土场宏观尺度的区域微气象因子影响特征2023年第8期315d/dT重力加速度，m/s2；L 为凝结潜热，J/kg；a为干空气的绝热温度递减率；为干绝热抬升过程中的 和T 的函数。为了简化计算，令 a=124m/，可以近似计算地形抬升凝结高度22。从式（1）可以看出，凝结高度与温度和露点之差呈正相关关系，结合新疆奇台县气象站点（站点编号：51379）2020 年温度、露点数据，获得其 2020 年凝结高度变化趋势如图 2 所示。从图中可以看出，14 月，凝结高度逐渐增大至最高，主要原因为该时期内露点为负值，温度逐渐增大使温度与露点之差达到最大。57 月，露点温度逐渐增大，温度与露点两者之差降低使凝结高度逐渐减小，8 月份气温增大使凝结高度有所增加，后随温度逐渐降低，使凝结高度逐渐减小。4956701 5683 2272 9262 6852 0722 2822 0811 7631 05146505001 0001 5002 0002 5003 0003 5001凝结高度/m月份2345678910 11 12图2新疆奇台 2020 年逐月凝结高度Fig.2XinjiangQitai2020monthlycondensationheight红沙泉露天煤矿露天矿位于准噶尔盆地东南，区内地势东南高、北西低，地貌形态为残丘状的剥蚀平原，海拔+657753m，最大比高 96m，相对高差一般在 30m 左右，属大陆干旱荒漠气候，年温差和昼夜温差较大，68 月为夏季，气候炎热，白天气温常在 40 以上，绝对最高气温达 43.2。11 月至次年 2 月为冬季，气候严寒，绝对最低气温达49.8。45 月份是该地区植物种植的最佳时期，9 月份之后植物进入休眠期，因此 48 月是该地区生态修复的最佳时期，研究该时间范围内的外排土场微气象因子影响规律对植物修复具有重要意义。剥离物料堆弃形成的外排土场造就了区域微地形，从地形降水形成机理角度来看，为了研究外排土场尺度对区域降水产生影响，由外排土场地形尺度引起的气流抬升高度应达到该区域的凝结高度。故以 48 月凝结高度均值 2638m 为红沙泉露天煤矿区域凝结高度，进一步探索红沙泉露天煤矿外排土场地形尺度对降水影响及区域微气象特征。3外排土场表层区域气流运动规律为了得到红沙泉露天煤矿外排土场下垫面 2m高度范围内对微气象因子的影响，综合该区域西北风特点，采用图 3a 所示外排土场平台测点布置（图中+666 为+666m 水平），分别在外排土场西、北两侧平台各布置一条测线。通过 Davis 气象站分别对红沙泉露天煤矿外排土场地表及外排土场平盘上布置测点，对风向、风速进行了监测，如图 3b 所示。西、北两条测线均为迎风坡，从图 4 获得的风速监测数据结果可以看出，随外排土场高度增加，风速逐渐增大，均反映出外排土场高度对风速产生一定影响。外排土场表层低平盘地形对周围风速、风向产生了一定影响。+666+686+706+726+746N风向北部平台测线西部平台测线(a)外排土场平台测点(b)外排土场测线布置图3外排土场不同位置布点Fig.3Layoutofdifferentlocationsoftheexternaldump4基于组分传输与大涡模拟的外排土场高层气流运动规律4.1外排土场稳定临界高度红沙泉露天煤矿外排土场排弃混合物料密度1.99g/cm3，混合物料再生黏聚力取 14.15kPa，内摩擦角 24。按照红沙泉露天煤矿初步设计排土台阶高度 20m，外排土场高度 80m，外排土场边坡角度22，排土平盘宽度 20m。以此参数为依据进一步探索外排土场临界高度，外排土场高度从 80m 开始模拟，以 40m 为步长增加外排土场高度至 400m，探索外排土场高度变化对外排土场边坡稳定性影响，确定其计算结果见表 1，表 1 中 Ordinary 为瑞典条分法，Bishop 为简化毕肖普法，Janbu 为简布法。根据上表绘制外排土场稳定系数与高度关系曲线，如图 5 所示。外排土场高度从 80m 增加到 120m2023年第8期煤炭科学技术第51卷316时，外排土场边坡角度从 24边为 23，稳定系数稍有增大；而增加至 160m 时，外排土场整体边坡角度变为 22，稳定系数降低至 1.21，随着继续增加外排土场高度至 360m 后，外排土场边坡稳定性维持在1.201.23 范围内，而当外排土场高度增加至 400m时，稳定系数降至 1.20。由此可见，外排土场高度从 160m 增至 360m范围内，外排土场边坡角度始终在 22，稳定系数变化不大。红沙泉地处干旱区，外排土场边坡稳定储备系数取为 1.2 时，外排土场极限高度可以达到 360m，边坡角 22。4.2大涡模拟与组分传输原理4.2.1大涡模拟湍流的大涡结构强烈依赖于流场的边界形状和边界条件，其受流场影响较大，小尺度涡则可以认为是各向同性的，可以将大涡计算与小涡计算分开处理，并用统一的模型计算小涡。大涡模拟（LES）方法即对湍流脉动部分直接模拟，将 N-S 方程在一个小空间域内进行滤波，以便从流场中去掉小尺度涡，导出大涡模拟所满足的方程。小涡对大涡的影响会出现在大涡方程中，再通过建立亚格子尺度模型来模拟小涡的影响。大涡模拟采用过滤方法消除湍流中中小尺度脉动，积分过滤过程23为:ui(x,t)=13w/2/2w/2/2w/2/2ui(,t)G(x)d1d2d3（2）G(x)式中，为过滤函数，因此得到大涡数值模拟的控制方程24如下：uit+uiujxj=1pxi+2uixjxj+fiuixi=0（3）uipuiujuiuj不可压缩牛顿流体湍流大涡模拟的未知量是和，而方程左边还有新的未知量。需要对构造模型，以封闭大涡数值模拟方程。利用过滤运算，将湍流样本流动分解为大尺度运动和小尺度运动的关系为ui(x,t)=ui(x,t)+ui(x,t)（4）uiui(x,t)uiuj式中，已由式（2）定义，它是湍流样本流动中的大尺度部分；式中为样本流动中的小尺度脉动成分。由式（4）可得的表达式为00.51.01.52.02.53.03.54.04.5746726706686666风速/(ms1)测点水平/m(a)外排土场西部平台测线00.51.01.52.02.53.03.54.04.5746726706686666风速/(ms1)测点水平/m(b)外排土场北部平台测线图4不同水平平台风速Fig.4Windspeedofdifferenthorizontalplatform表 1 外排土场高度变化的边坡稳定系数Table 1 Slope stability coefficient of external dumpingYard Height Variation高度/m 角度/()各计算方法下外排土场稳定系数稳定系数均值OrdinaryBishopJanbu80241.391.441.391.41120231.451.531.451.48160221.241.261.141.21200221.221.241.221.23240221.211.241.211.22280221.211.221.201.21320221.201.211.201.20360221.191.211.191.20400221.191.201.191.191.01.11.21.31.41.51.680120160200240280320360400JanbuBishopOrdinary高度/m稳定系数图5外排土场稳定系数与高度关系Fig.5Relationshipbetweenstabilityfactorofexternaldumpwithdumpheight马力等：外排土场宏观尺度的区域微气象因子影响特征2023年第8期317uiuj=ui(x,t)+ui(x,t)uj(x,t)+uj(x,t)=ui(x,t)uj(x,t)+ui(x,t)uj(x,t)+uj(x,t)ui(x,t)+ui(x,t)uj(x,t)（5）uiujuiujuiujuiujuiujujuiuiuj式中：为总的动量输运的低通过滤；为可解尺度的动量输运；为的低通过滤；和为由可解尺度和不可解尺度脉动相互作用产生的动量输运；为亚格子脉动间的动量输运。4.2.2组分传输Fluent 可以通过求解描述每种组成物质的对流，扩散和反应源的守恒方程来模拟混合和输运，基于第 i 种物质的对流扩散方程预估每种物质的质量分数 Yi。守恒方程采用以下的通用形式25:t(Yi)+(vYi)=Ji+Ri+Si（6）式中，Ri为化学反应的净产生速率；Si为离散相及用户定义的源项导致的额外产生速率。当系统中出现 N 种物质时，需要解 N-1 个这种形式方程。由于质量分数和必须为 1，第 N 种物质的分数通过 1 减去 N-1 个已解得的质量分数得到。为了使数值误差最小，第 N 种物质必须选择质量分数最大的物质，如组分是空气时第 N 种物质设置为 N2。Fluent 提供了 4 种模拟反应的模型26：通用有限速率模型，非预混燃烧模型，预混燃烧模型和部分预混燃烧模型。在本模拟中，选用的是通用有限速率模型，即基于组分质量分数的输运方程解，根据所定义的化学反应机制，对化学反应进行模拟。本试验中设置了 2 种流体，分别是空气和水蒸汽，根据模拟结果中水分质量分数的大小来判断外排土场对矿区周围空气湿度的影响。4.3外排土场高度对区域气流运动影响规律以外排土场高度 360m，角度 22为例，构建10000m3500m 的二维网格模型，在底中部构建如上参数尺寸的外排土场轮廓边界以及长度 500m的水分源。并利用 ICEMCFD 划分网格模型，设置Maximum Size=20，划 分 后 网 格 尺 寸 为 NODES=95808，QUADS=95118，如图 6 所示。水分入口排土场空气入口出口图6网格模型Fig.6Gridmodeldiagram将模型导入 FLUENT 中，启动 LES-2D 大涡模式以及组分传输模型，依据现场检测情况如图 4 所示，边界条件设置为左侧速度 10m/s 流入，底部水分源速度 0.75m/s 流入，右侧自由流出，并设定内部 K-湍流运动模型，记录迭代 5000 步的内部气流速度，水分运动趋势。在外排土场极限角度 22前提下，分析得出不同外排土场高度对周围气流分布以及水分质量分数的影响，分别以 160，240，360，370，380，390，400m 外排土场高度变化进行建模分析，确定气流分布云图及水分质量分数分布云图如图 7 所示。根据以上模拟结果，获得外排土场高度变化对过山气流速度影响及对周围水分质量分数影响关系，如图 8a、图 8b 所示，外排土场高度与气流最大爬升高度关系如图 9 所示。(a)外排土场高度 160 m 时气流分布(b)外排土场高度 160 m 时水分质量分数分布(c)外排土场高度 240 m 时气流分布(d)外排土场高度 240 m 时水分质量分数分布(e)外排土场高度 360 m 时气流分布(f)外排土场高度 360 m 时水分质量分数分布(g)外排土场高度 370 m 时气流分布(h)外排土场高度 370 m 时水分质量分数分布(i)外排土场高度 380 m 时气流分布(j)外排土场高度 380 m 时水分质量分数分布(k)外排土场高度 390 m 时气流分布(l)外排土场高度 390 m 时水分质量分数分布(m)外排土场高度 400 m 时气流分布(n)外排土场高度 400 m 时水分质量分数分布123气流速度/(ms1)456789 10 11 12123气流速度/(ms1)456789 10 11 12气流速度/(ms1)气流速度/(ms1)气流速度/(ms1)气流速度/(ms1)气流速度/(ms1)水分质量分数0.050.250.150.350.550.750.950.450.650.85水分质量分数0.050.250.150.350.550.750.950.450.650.85水分质量分数水分质量分数水分质量分数水分质量分数水分质量分数111199101011109910511111010111111101012512111110111111101210121010910101182023年第8期煤炭科学技术第51卷318(a)外排土场高度 160 m 时气流分布(b)外排土场高度 160 m 时水分质量分数分布(c)外排土场高度 240 m 时气流分布(d)外排土场高度 240 m 时水分质量分数分布(e)外排土场高度 360 m 时气流分布(f)外排土场高度 360 m 时水分质量分数分布(g)外排土场高度 370 m 时气流分布(h)外排土场高度 370 m 时水分质量分数分布(i)外排土场高度 380 m 时气流分布(j)外排土场高度 380 m 时水分质量分数分布(k)外排土场高度 390 m 时气流分布(l)外排土场高度 390 m 时水分质量分数分布(m)外排土场高度 400 m 时气流分布(n)外排土场高度 400 m 时水分质量分数分布气流速度/(ms1)气流速度/(ms1)123气流速度/(ms1)456789 10 11 121 2 3气流速度/(ms1)4 5 6 7 8 9 10 11 121314151 2 3气流速度/(ms1)4 5 6 7 8 9 10 11 121314151 2 3气流速度/(ms1)4 5 6 7 8 9 10 111412 131 2 3气流速度/(ms1)4 5 6 7 8 9 10 111412 13水分质量分数水分质量分数水分质量分数0.050.250.150.350.550.750.950.450.650.85水分质量分数0.050.250.150.350.550.750.950.450.650.85水分质量分数0.050.250.150.350.550.750.950.450.650.85水分质量分数0.050.250.150.350.550.750.950.450.650.85水分质量分数0.050.250.150.350.550.750.950.450.650.851 2146891013101011111112101212101 09811141 351 210109911101 11291112121112271212121311691 01091011101210101 51 3512121211101010910610111110111111891011101513136611109111011111291 11010104101011图7不同外排土场高度对气流以及水分质量分数影响模拟云图Fig.7Simulatedcloudmapoftheinfluenceofdifferentexternaldumpheightsonairflowandmoisturecontent从图 8 和图 9 可以看出，随着高度增加，气流经过外排土场最大爬坡速度为 15m/s，外排土场顶部最大速度值为 13m/s，在背风坡涡流区域上方最大速度达到 14m/s，背风区涡流区域影响范围大、卡门涡街现象显著。外排土场高度为 160m 时，气流爬升速度最高为 725m，外排土场高度为 360m 时达到 2270m，低于计算凝结高度。外排土场高度达到380m 时，凝结高度高于该地区 48 月凝结高度均值；高度达到 400m 时，凝结高度高于该地区 48月凝结高度最大值。爬坡时水分质量分数降低，在下坡时质量分数增大，且随外排土场高度的增大，外排土场顶部的水分质量分数增大，涡流区水分质量分数达到最大，背风坡形成了明显的卡门涡街现象，涡流区内湍流漩涡显著。显然，随着外排土场高度马力等：外排土场宏观尺度的区域微气象因子影响特征2023年第8期319的增大，其气流爬升最大高度也随之增加。5讨论气流抬升产生的垂直运动除与地形高度密切相关以外，还受爬坡角度影响。进一步对比研究相同外排土场极限高度 360m 条件下，角度因素对气流影响特征。分别以外排土场角度为 24、26、27、28变化进行建模分析，确定气流分布云图及水分质量分数分布如图 10 所示。根据以上模拟结果，获得外排土场角度变化对过山气流速度影响及对周围水分质量分数影响关系，如图 11a、图 11b 所示，外排土场角度与气流最大爬升高度关系如图 12 所示。从图 11、图 12 可以看出，角度为 24时，最大爬坡速度为 13m/s，背风坡涡流区最大速度为 13m/s，气流爬升最大高度为 2476m，角度增加到 26时，迎风坡最大爬坡速度增至 14m/s，背风坡涡流区最大速度仍为 13m/s。角度为 24时，水分爬坡时最大质量分数为 0.45，背风坡涡流区域内最大质量分数为0.75，角度增至 26时，爬坡时最大质量分数为 0.35，背风坡涡流区域数量变大，影响范围变大，涡流区内最大质量分数为 0.85，气流最大爬升高度为 2817m，超过该地区 48 月凝结高度均值。角度为 27时，气流运动各参数变化不明显，随着外排土场角度增大到 28，涡流区最大水分质量分数降至 0.35，气流最大爬升高度为 3222m。因此随着外排土场角度增加，周围气流爬升速度变化微弱，但角度增大对气流的垂直运动影响较大。(a)外排土场角度为 24 时气流分布(b)外排土场角度为 24 时水分质量分数分布(c)外排土场角度为 26 时气流分布(d)外排土场角度为 26 时水分质量分数分布(e)外排土场角度为 27 时气流分布(f)外排土场角度为 27 时水分质量分数分布(g)外排土场角度为 28 时气流分布(h)外排土场角度为 28 时水分质量分数分布123气流速度/(ms1)456789 10 11 12 131 2 3气流速度/(ms1)4 5 6 7 8 9 10 111412 13气流速度/(ms1)气流速度/(ms1)水分质量分数0.050.250.150.350.550.750.950.450.650.85水分质量分数0.050.250.150.350.550.750.950.450.650.85水分质量分数水分质量分数13131310797711101010101010111010986111112121 4121378771 21110111110101012101 0111291010111111111111(a)气流速度11101214141515111214131312135565656111213121313130246810121416160240360370380390400速度/(ms1)高度/m爬坡速度涡流区速度最大值涡流区速度最小值排土场上方速度最大值(b)水分质量分数0.450.550.650.450.450.450.450.550.950.850.550.550.550.650.450.550.550.350.350.450.3500.20.40.60.81.0160240360370380390400高度/m水分质量分数爬坡水蒸气体积分数涡流区质量分数最大值涡流区质量分数最小值图8不同外排土场高度下气流速度与水分质量分数关系Fig.8Relationshipbetweenairvelocityandmoisturemassfractionatdifferentexte