高深直溜井沖擊產塵治理技術研究

鄒常富

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

溜井轉運礦石是金屬礦山地下開采常見的生產工藝之一，隨著開采深度的逐漸增加，單中段溜井轉運開始向多中段轉運發(fā)展，同時，溜井深度由十幾米逐漸增加至幾百米，高深溜井卸礦產生的沖擊風速高、穿透性強，沖擊產塵濃度大，隨風流擴散速度快、距離遠，嚴重污染溜井下部的作業(yè)巷道，對生產設備和作業(yè)人員身體健康都有較大影響[1-3]，高深溜井沖擊粉塵治理成為了金屬礦山開采過程中的一大難題。為了解決溜井沖擊產塵問題，本文圍繞沖擊產塵規(guī)律和沖擊力進行了大量的研究，并結合夏甸金礦生產實際，提出了一套適用于高深直溜井沖擊產塵的治理措施，為金屬礦山高深直溜井粉塵治理提供參考依據。

1 高深直溜井情況

夏甸金礦主溜井深240 m，溜井卸礦口位于-780 m水平，溜井底部礦倉位于-1 050 m水平，礦倉底部除放礦外均關閉，溜井下開口位于-1 020 m，溜井除上卸礦口和下開口外，其他分層均無連通口，屬于高深直溜井。溜井直徑為4 m，溜井所在巷道寬8 m，高6 m，溜井一側為運輸主巷道，另一側為獨頭巷道，巷道內正常風速為0.5 m/s。溜井卸礦作業(yè)為礦車運輸卸礦，礦車將礦石直接傾倒至溜井內，礦石受自重作用沿溜井直接落入底部礦倉，卸礦過程中產生較大的沖擊力和沖擊氣流。高深直溜井如圖1所示。

2 沖擊產塵規(guī)律

2.1 沖擊氣流運移規(guī)律

由于溜井深240 m，卸礦時沖擊風速較高，因此采用數值模擬計算分析沖擊氣流運移規(guī)律。以夏甸金礦現場條件為依據，按照相似原則建立數值模型，將礦體視為一個整體，在下落的過程中不發(fā)生分離，溜井網格劃分如圖2所示[4-6]。

將溜井口設置為壓力入口，將溜井出口支巷設置為壓力出口，其他設置為壁面。因礦體下落過程其速度隨時間變化，故選擇瞬態(tài)計算方式，通過模擬計算得出不同時刻溜井內空氣的壓力與速度分布情況如圖3所示。

由圖3可知，溜井卸礦作業(yè)后，礦石在溜井內下落過程中，礦石上方形成了一段負壓，主要是由于礦石下落時對溜井內的空氣進行壓縮，瞬間形成負壓，對比不同時間溜井內空氣壓力的變化可知，礦石運動時間越長對溜井底部產生的空氣壓力越大，隨著礦石不斷落入底部，氣壓逐漸減小。對比不同時間的風速可以看出，礦石下落壓縮空氣形成沖擊風流，

且隨礦石速度的增大而增大，并在溜井中上部，由于礦石碰撞作用產生局部渦流，待礦石到達中下部后，礦石下落分布較均勻，不產生氣流的局部循環(huán)，較大風速主要集中在溜井出口處，溜井出口處的瞬時風速如圖4所示。

圖1 高深直溜井概況Fig.1 The overview of high and deep straight well

圖2 高深直溜井網格模型Fig.2 The grid model of high-deep straight well

圖3 溜井內空氣壓力及速度分布圖Fig.3 The air pressure and velocity distribution in the chute

由圖4可知，溜井口開始卸礦時，溜井出口風速較小，還未形成沖擊風流，但經過3 s左右的時間后，沖擊風流風速增加至10 m/s以上，隨著礦石在溜井內下落速度增加，風速也急劇增大，瞬間最大風速可達30～50 m/s，在-1 020 m水平產生沖擊風暴。

現場卸礦過程中，考慮到人員安全，在-1 020 m水平出口5 m位置處通過風表進行現場測試，測試出卸礦后風速最大值達到35 m/s左右，與模擬數據相差不大，即卸礦后風速峰值較大，因此，在采取降塵措施時，應當充分考慮沖擊風暴對防塵措施的擊穿問題。

2.2 產塵規(guī)律

通過現場實測粉塵濃度來研究卸礦的產塵規(guī)律，但由于受到現場生產條件和安全條件制約，無法測試卸礦口的濃度，僅將測點均勻布置于溜井出口聯巷內1～10 m區(qū)域，每半米設置一個測點。通過現場測試，溜井卸礦產生的粉塵濃度呈λ型分布，即卸礦后粉塵濃度急劇增加，粉塵濃度達到最大值，卸礦后沖擊風流過后，巷道風速恢復正常，粉塵濃度趨于平緩。2 m位置處測點的粉塵濃度分布曲線如圖5所示。

圖4 沖擊氣流瞬時速度Fig.4 The instantaneous speed of impinging airflow

圖5 粉塵濃度分布曲線圖Fig.5 The distribution curve of dust concentration

由圖5可知，溜井卸礦形成沖擊風流，產生的沖擊粉塵濃度極大，瞬間濃度最大值高達650 mg/m3，沖擊壓力釋放后，巷道內風速恢復正常，粉塵沿溜井口向外緩慢溢出，巷道內粉塵濃度趨于平穩(wěn)，濃度維持在100 mg/m3以上。對比所有測點的粉塵濃度測試結果進行統(tǒng)計分析得出，粉塵濃度峰值出現在溜井出口聯巷內2 m范圍左右，主要是由于沖擊風流對溜井下口聯巷沉積粉塵的擾動，造成二次揚塵污染，二次揚塵與溜井內的粉塵疊加，導致粉塵濃度增加出現峰值，隨著風流向外擴散，大顆粒粉塵沉降，粉塵濃度又逐漸降低，最終趨于平穩(wěn)。通過對粉塵粒徑進行分析，其平均粒徑D50為150 μm，平均粒徑較大，主要是由于卸礦瞬間高風速風流中夾雜著較多的大顆粒粉塵，隨風流運移距離較遠難以沉降引起的。

3 沖擊產塵治理

3.1 沖擊產塵治理措施

基于沖擊產塵規(guī)律的分析，由于沖擊風速較大，采用噴霧降塵措施時，高速含塵氣流極易穿透霧化屏障，治理效果不佳，因此，針對沖擊產塵，宜采用高效除塵器的抽塵凈化措施進行治理[7-10]。但采用除塵器進行密閉抽塵時，巷道密閉條件下不利于沖擊卸壓，且高深直溜井產生的沖擊風流風速值高達30～50 m/s，風速值遠遠大于除塵器的過濾風速，根據除塵器性能試驗研究可知，當除塵器內部過濾風速過大時，其除塵效率降低，因此，當采用除塵器抽塵凈化措施進行治理時，需先進行卸壓，降低風速，然后采用除塵器進行治理，即采取卸壓抽塵的治理技術進行治理。

1) 卸壓措施?；诋a塵規(guī)律研究結果，粉塵濃度峰值出現在溜井口聯巷內2 m位置處，因此，在溜井口2 m位置處對巷道寬度及高度進行有效擴大，當沖擊風流峰值形成后經過巷道內的擴大空間時，風流向各個方位進行擴散，沖擊壓力得到了有效釋放，沖擊風速也得到有效降低。通過現場測定，經過卸壓后，沖擊風速降低至15 m/s左右，擴大卸壓空間如圖6所示。

圖6 擴大卸壓空間示意圖Fig.6 The diagram of expanding pressure relief space

經過擴散卸壓后風流運動方向和速度逐漸趨于穩(wěn)定，但風速依然較大，因此，通過試驗研制了一種風流導流裝置布置于除塵器吸塵口位置，在不增加除塵器負載的條件下，對沖擊風流進行降速和引導，從而避免風流將除塵系統(tǒng)擊穿而無法起到除塵的作用。通過現場測試，風流經過導流裝置后，風速可降低至10 m/s以內，風流導流裝置如圖7所示。

2) 抽塵凈化措施。根據沖擊產塵規(guī)律研究結果，在溜井下口2 m區(qū)域內，沖擊風速最大，二次揚塵嚴重，為沖擊風流區(qū)；增加擴大的卸礦空間后，風流運動軌跡發(fā)生改變，在擴大空間內風流運動面增加，風流逐漸分散，風速也急劇降低，該區(qū)域為分散風流區(qū)；經過擴大卸壓空間后，風流運動方向和速度逐漸趨于穩(wěn)定，經過風流導流裝置后，風流穩(wěn)定在10 m/s以內，為風流穩(wěn)定區(qū)[11-15]。因此，在現場配套過程中將除塵器布置于風流穩(wěn)定區(qū)。根據沖擊風量計算得出除塵器的處理風量宜為550 m3/min，由于夏甸金礦溜井出口與整個運輸大巷聯通，不利于控塵，因此，在溜井出口開拓一條專用的回風繞道，并將其他聯通區(qū)域進行有效密閉，將含塵沖擊風流引至回風繞道內，采用濕式除塵器進行治理，系統(tǒng)布置如圖8所示。

圖7 風流導流裝置示意圖Fig.7 The diagram of wind flow diversion device

圖8 除塵系統(tǒng)布置示意圖Fig.8 The diagram of dust removal system layout

3.2 治理效果

在夏甸金礦高深直溜井采用卸壓除塵技術措施后，有效地解決了沖擊壓力和粉塵污染問題，溜井口巷道內作業(yè)環(huán)境得到了極大的改善。采用濾膜質量法考察卸壓式高效除塵器除塵效果，通過采樣器測試治理前后的粉塵濃度值，測點布置在除塵器尾部出風口下風側5 m巷道作業(yè)人員通行的位置，降塵效率見表1。

根據測試結果，采用卸壓除塵治理措施后，高深直溜井出口風速由30 m/s降低至6 m/s，溜井出口巷道內總粉塵濃度由600.8 mg/m3降至12.0 mg/m3，降塵效率達98%，呼吸性粉塵濃度從166.7 mg/m3降至8.0 mg/m3，降塵效率達95.2%，降塵效果較好，溜井出口巷道內環(huán)境得到了極大的提升，現場作業(yè)效率也得到了極大的提高。

表1 粉塵濃度測試結果Table 1 The results of dust concentration test

4 結 論

1) 高深直溜井卸礦作業(yè)在溜井內壓縮空氣形成沖擊風流，沖擊風速高達30～50 m/s，沖擊風流產生的沖擊粉塵濃度極大，瞬間濃度最大值高達650 mg/m3，污染極為嚴重。

2) 為避免沖擊風流擊穿除塵系統(tǒng)，在溜井出口采用擴大卸壓空間和風流導流系統(tǒng)進行卸壓，將沖擊風速由30 m/s降低至10 m/s以內。

3) 采用卸壓除塵治理措施后，溜井出口巷道內總粉塵濃度由600.8 mg/m3降至12.0 mg/m3，降塵效率達98%，呼吸性粉塵濃度從166.7 mg/m3降至8.0 mg/m3，降塵效率達95.2%，有效解決了沖擊產塵污染問題。