膠帶運(yùn)輸巷道粉塵分布規(guī)律及其控制

劉威， 支學(xué)藝， 袁明昌， 陳祖云

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

膠帶運(yùn)輸是金屬礦山井下輸送礦石的主要方式之一[1-3]。膠帶運(yùn)輸機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，在風(fēng)流的作用下，粉塵會(huì)擴(kuò)散到其他巷道和工作面，污染作業(yè)環(huán)境和損耗井下設(shè)備，危害井下工作人員的身體健康[4-5]。因此，研究井下膠帶運(yùn)輸巷道粉塵擴(kuò)散機(jī)理，采取有效的降塵措施對(duì)改善井下工作環(huán)境具有十分重要的意義。

近年來許多學(xué)者對(duì)膠帶運(yùn)輸巷道粉塵分布規(guī)律數(shù)值模擬的研究較多，而對(duì)巷道內(nèi)粉塵控制和具體降塵方案的研究相對(duì)較少。 所以，本次研究對(duì)運(yùn)輸巷道粉塵治理有一定意義。 本文依據(jù)氣固兩相流理論，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的數(shù)據(jù)， 建立粉塵運(yùn)動(dòng)的三維數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用Fluent 軟件對(duì)巷道內(nèi)粉塵分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬[6-12]。根據(jù)模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用加強(qiáng)落礦點(diǎn)密閉、 在轉(zhuǎn)載點(diǎn)處和巷道斷面設(shè)置氣-水噴霧、膠帶清洗防塵等措施對(duì)巷道內(nèi)粉塵進(jìn)行治理，并通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定驗(yàn)證降塵效果[13-15]。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定與分析

1.1 245 膠帶運(yùn)輸巷道概況

某大型金屬礦山245 膠帶運(yùn)輸巷道是重要的礦石運(yùn)輸巷道，負(fù)責(zé)將1#和2#破碎硐室破碎的礦石輸送到地面。 巷道傾斜角為14°， 寬為6 m, 高4 m，斷面面積為28 m2，形狀為三心拱。膠帶運(yùn)輸巷道總長(zhǎng)2 877 m，貫通井下-150 m 水平與地面245 m水平，全程采用水泥支護(hù)。 膠帶運(yùn)輸機(jī)位于巷道的右側(cè)，左側(cè)為人行道，供礦山工作人員日常上下班使用，膠帶寬1.2 m， 膠帶運(yùn)輸機(jī)支架高度為0.8 m。 目前245 巷道膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)由三段膠帶組成， 其中1#膠帶位于-150 m 水平，有兩個(gè)落礦點(diǎn)，三段膠帶通過斜坡道中間的兩個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)連接。 在1#膠帶兩個(gè)落礦點(diǎn)處做了簡(jiǎn)單的密閉， 并在運(yùn)輸巷道內(nèi)設(shè)有水噴霧，但是降塵效果并不好，現(xiàn)場(chǎng)粉塵明顯。

1.2 膠帶運(yùn)輸巷道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定主要包括風(fēng)速測(cè)定和粉塵濃度測(cè)定。本次風(fēng)速測(cè)定使用側(cè)身法，依據(jù)風(fēng)流流場(chǎng)的相關(guān)理論，結(jié)合膠帶運(yùn)輸巷道的空間分布，在巷道內(nèi)沿巷道走向選取共9 個(gè)待測(cè)斷面[16]，每個(gè)斷面的間距相同，在每個(gè)斷面內(nèi)各布置4×3 個(gè)風(fēng)速測(cè)點(diǎn)對(duì)風(fēng)速進(jìn)行測(cè)定。粉塵濃度的測(cè)定采用濾膜質(zhì)量濃度法結(jié)合激光粉塵測(cè)定儀進(jìn)行粉塵濃度采樣測(cè)量。根據(jù)井下245 膠帶運(yùn)輸?shù)墓に嚵鞒碳翱臻g布置情況， 將245 膠帶斜坡道劃分成3 個(gè)主要部分，第1 部分為井下-150 m 膠帶平巷處的1#和2#落礦點(diǎn)，第2 部分膠帶斜坡道上的兩個(gè)膠帶轉(zhuǎn)載點(diǎn)， 第3 部分為落礦點(diǎn)與膠帶轉(zhuǎn)載點(diǎn)之間的其他區(qū)域，結(jié)合激光粉塵測(cè)定儀進(jìn)行采樣測(cè)量。 具體測(cè)點(diǎn)布置如圖1 所示。

1.3 測(cè)定結(jié)果分析

對(duì)245 膠帶斜坡道運(yùn)輸巷內(nèi)粉塵濃度進(jìn)行了定點(diǎn)測(cè)定，將濾膜烘干稱重后，計(jì)算出各點(diǎn)粉塵濃度，并結(jié)合激光粉塵測(cè)定儀連續(xù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，得出膠帶運(yùn)輸巷道內(nèi)粉塵濃度分布，見圖2。

從圖2 可以看出在落礦口處，全塵濃度最高可達(dá)60.5 mg/m3，呼吸性粉塵濃度最高可達(dá)30.4 mg/m3，超過了國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，井下巷道空氣污染嚴(yán)重。其次，在1~2#膠帶轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)和2~3#膠帶轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)粉塵也較大，全塵濃度最高為13.1 mg/m3，呼塵濃度最高為7 mg/m3；而其他區(qū)域的粉塵濃度較低， 全塵濃度基本在3~5 mg/m3，呼塵濃度在1.5~2.3 mg/m3，污染程度相對(duì)較輕。

2 膠帶運(yùn)輸粉塵分布數(shù)值模擬

2.1 建立模型

由于井下膠帶運(yùn)輸巷道內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況比較復(fù)雜，需對(duì)模型做適當(dāng)簡(jiǎn)化：①將運(yùn)輸巷道斷面看作標(biāo)準(zhǔn)三心拱，膠帶輸送機(jī)機(jī)身看作長(zhǎng)方體，落礦點(diǎn)用兩個(gè)正方體表示，其下部空間較小可忽略不計(jì)[4]；②電纜電線、水管、人行梯等設(shè)備由于體積很小，且對(duì)風(fēng)流流場(chǎng)分布及粉塵擴(kuò)散的影響較弱，故忽略不計(jì)。

基于上述簡(jiǎn)化，建立一個(gè)尺寸為50 m×6 m×4 m的三心拱巷道， 用ICEM 建立膠帶輸送巷道的三維幾何模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 膠帶輸送機(jī)建立尺寸為35 m×1 m×0.8 m，靠近巷道左側(cè)。 將巷道底板與巷道入口交界線的中心點(diǎn)設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn)，x、y、z軸正方向分別指向膠帶機(jī)機(jī)頭、 運(yùn)輸機(jī)道一側(cè)、巷道頂板。 膠帶輸送巷道三維空間幾何模型如圖3 所示。 進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)采用非結(jié)構(gòu)性的網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸取最小0.1 m，網(wǎng)格的最大面尺寸取0.5 m。 網(wǎng)格劃分如圖4 所示。

2.2 邊界條件

根據(jù)245 膠帶運(yùn)輸巷道現(xiàn)場(chǎng)情況以及相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定如表1 所列。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

本次模擬對(duì)粉塵濃度的分布規(guī)律進(jìn)行了探究，下面介紹2 種情況對(duì)粉塵濃度分布的影響。

1）將入口風(fēng)速設(shè)置為1.2 m/s，對(duì)不同膠帶運(yùn)行速度進(jìn)行模擬， 得出人行通道中間1.5 m 呼吸帶高度的粉塵濃度沿程分布， 結(jié)果如圖5 及圖6 所示。從圖5、圖6 中可以看出，不同膠帶運(yùn)行速度下巷道內(nèi)沿程粉塵濃度呈現(xiàn)出先上升再遞減的趨勢(shì)。這是因?yàn)橄锏滥Ｐ蛢?nèi)40 m 后沒有產(chǎn)塵點(diǎn)，而粉塵因重力作用不斷發(fā)生沉降， 所以巷道內(nèi)粉塵濃度會(huì)發(fā)生下降。同時(shí)隨著膠帶運(yùn)行速度的增大，巷道內(nèi)粉塵濃度整體升高， 峰值由 48 mg/m3上升到 64 mg/m3。 經(jīng)綜合考慮，得出膠帶運(yùn)行速度選定2 m/s 為宜。

表1 計(jì)算模型參數(shù)設(shè)定Table 1 Calculation model parameter setting

2）在保持其他參數(shù)設(shè)定不變，設(shè)定膠帶運(yùn)行速度為2 m/s 的情況下，對(duì)不同進(jìn)口風(fēng)速情況下人行通道中間1.5 m 呼吸帶高度的沿程粉塵濃度分布進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖7 及圖8 所示。從圖7、圖8 中可以看出， 不同風(fēng)速條件下粉塵濃度均保持沿程先逐步上升至最大值，后緩慢下降的變化規(guī)律[17]。而粉塵濃度出現(xiàn)下降是由于巷道模型內(nèi)40 m 后沒有產(chǎn)塵點(diǎn)，而粉塵不斷發(fā)生沉降的緣故。 由此可知，當(dāng)風(fēng)速在3 m/s 時(shí)，粉塵濃度達(dá)到一個(gè)較小值， 整體保持在15 mg/m3以內(nèi)，建議膠帶輸送巷道風(fēng)速控制在3 m/s 以下為宜。

2.4 模擬得出的結(jié)論

1）以上2 種情況下巷道內(nèi)沿程粉塵濃度變化情況大致相似，都是呈現(xiàn)出先上升再遞減的趨勢(shì)。 這是由于巷道模型內(nèi)40 m 后沒有產(chǎn)塵點(diǎn)，而粉塵不斷發(fā)生沉降，所以巷道內(nèi)粉塵濃度會(huì)有下降趨勢(shì)。

2）巷道內(nèi)粉塵濃度大小分布與膠帶運(yùn)行速度成正比例關(guān)系，膠帶運(yùn)行速度越大，粉塵濃度越大。 由于井下生產(chǎn)運(yùn)輸任務(wù)較重，綜合考慮建議將膠帶運(yùn)行速度定為2 m/s 合適。

3） 當(dāng)巷道內(nèi)風(fēng)速小于3 m/s 時(shí)， 隨著風(fēng)速的增大，粉塵濃度顯著降低，說明風(fēng)速的增加具有較好的降塵效果；當(dāng)風(fēng)速大于3 m/s 時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，巷道粉塵濃度開始上升，這是因?yàn)檫^高的風(fēng)速易造成二次揚(yáng)塵。 所以應(yīng)將風(fēng)速控制在3 m/s 以下。

3 降塵方案

3.1 除塵方式的選擇

目前井下主要的除塵措施有通風(fēng)排塵、 風(fēng)幕控塵、噴霧除塵、除塵器除塵等，結(jié)合某大型金屬礦山的實(shí)際情況，若要在全礦大規(guī)模使用除塵器進(jìn)行粉塵治理，需要大量的資金投入，且除塵器安裝需要較大的空間位置。 通風(fēng)排塵需要與其他除塵方式配合，只能作為輔助除塵方式。 考慮到這些因素，選擇氣-水噴霧作為主要降塵方式。 氣-水噴霧又叫風(fēng)-水聯(lián)動(dòng)噴霧，是一種以高壓空氣為動(dòng)力，在空氣的碰撞下將水直接霧化的噴霧模式，具有霧化粒徑小、霧化粒徑均勻、水壓要求低和用水量小等優(yōu)點(diǎn)。 采用該除塵方式會(huì)產(chǎn)生一定的廢水，但由于廢水會(huì)作為選礦用水被再次利用，這使得整個(gè)污水實(shí)現(xiàn)了零排放。 本文采用霧化擴(kuò)散角為47.5°的可調(diào)廣角圓形氣-水噴嘴[18]，其規(guī)格參數(shù)如表2 所列。

表2 噴霧噴嘴規(guī)格參數(shù)Table 2 Specifications of spray nozzles

3.2 膠帶運(yùn)輸巷道除塵方案的設(shè)計(jì)

3.2.1 膠帶運(yùn)輸機(jī)除塵方案

根據(jù)膠帶運(yùn)輸巷道粉塵運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬結(jié)果，當(dāng)膠帶運(yùn)行速度固定為2 m/s 時(shí)，巷道風(fēng)速為3 m/s時(shí)巷道內(nèi)粉塵濃度較低，而經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)目前井下巷道風(fēng)速為3.6 m/s， 研究決定在巷道內(nèi)設(shè)置一道調(diào)節(jié)風(fēng)窗，將巷道內(nèi)風(fēng)速調(diào)控到3 m/s 以下，此外，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果還設(shè)計(jì)了以下降塵措施。

1）膠帶表面降塵方案。在膠帶正上方焊接支架并安裝氣-水噴嘴[18]，正對(duì)膠帶上礦石進(jìn)行噴霧，增加礦石表面濕潤(rùn)性，抑制粉塵擴(kuò)散至運(yùn)輸巷內(nèi)。 在膠帶架上焊接鋼支架，支架為半圓弧形，在支架正中間位置安裝一個(gè)氣-水噴嘴，正對(duì)膠帶進(jìn)行噴霧，增強(qiáng)礦石的濕潤(rùn)性。 如圖9 所示為噴嘴安裝位置示意圖。 噴嘴采用可調(diào)廣角圓形氣-水噴嘴。 每隔100~200 m 在膠帶上設(shè)置一道鋼支架氣-水噴霧。

2）轉(zhuǎn)載點(diǎn)處降塵方案。目前轉(zhuǎn)載點(diǎn)處的主要問題是礦石表面較為干燥，密閉措施不夠完善。 對(duì)于轉(zhuǎn)載點(diǎn)處的粉塵治理， 在安裝密閉罩完善密閉措施的同時(shí)，要增加礦石的濕潤(rùn)度，減少礦石與空氣摩擦產(chǎn)生的粉塵。 為了增加礦石的濕潤(rùn)度，可以在裝載點(diǎn)處安裝4 個(gè)氣-水噴嘴。 為了保證噴霧霧滴均勻分布，應(yīng)將噴嘴安裝在中間位置。 板式給礦機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于機(jī)身抖動(dòng)較大，容易使礦石表面的粉塵揚(yáng)起，可以在給礦機(jī)上方安裝一個(gè)方向朝下的噴嘴，用于抑制因機(jī)身抖動(dòng)產(chǎn)生的粉塵。通過在落礦處正前方斷面上安裝一個(gè)噴嘴，以此減少礦石下落過程中產(chǎn)生的粉塵。 同時(shí)在轉(zhuǎn)載點(diǎn)處下料漏斗內(nèi)安裝2 個(gè)噴嘴，其中一個(gè)朝著上方下落的礦石，用于增加其濕潤(rùn)度，控制揚(yáng)起的粉塵；另一個(gè)噴嘴安裝方向朝下，用于潤(rùn)濕將要運(yùn)出的礦石。 具體布置如圖10 所示。

3）落礦點(diǎn)處密閉降塵。針對(duì)膠帶落礦點(diǎn)礦石比較干燥的問題，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，決定采用雙層擋簾密閉罩和氣-水噴霧相結(jié)合的辦法。 在落礦點(diǎn)采用密閉罩對(duì)膠帶上礦石周邊空間進(jìn)行密閉，同時(shí)在密閉罩內(nèi)部落礦點(diǎn)前后分別設(shè)置兩道擋簾和兩道噴霧，最后在密閉罩內(nèi)兩道擋簾之間分別安裝一道噴嘴進(jìn)行噴霧，噴嘴采用可調(diào)廣角圓形氣-水噴嘴。 具體布置如圖11 所示。

4）膠帶清洗防塵。 每條膠帶機(jī)頭滾輪處，當(dāng)膠帶空載回轉(zhuǎn)后，需要對(duì)膠帶表面附著的泥沙進(jìn)行清洗。 設(shè)計(jì)在膠帶空載回轉(zhuǎn)處，設(shè)置幾組高壓水噴嘴，正對(duì)膠帶表面進(jìn)行沖洗。 膠帶清洗模塊共設(shè)置6 個(gè)高壓水噴嘴，并且噴嘴之間通過鋼管連接，將進(jìn)水口連接高壓水管。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，若膠帶空載時(shí)，表面泥沙較多，可以安裝多個(gè)清洗模塊,具體布置如圖12 所示。

3.2.2 膠帶運(yùn)輸巷道斷面降塵方案

為了進(jìn)一步凈化膠帶運(yùn)輸巷空間氣流， 在巷道斷面上安裝一道氣-水噴霧，用于捕捉巷內(nèi)細(xì)小顆粒粉塵。 每個(gè)斷面共設(shè)置5 個(gè)氣-水噴霧，噴嘴采用可調(diào)廣角圓形氣-水噴嘴。 可根據(jù)實(shí)際情況在膠帶運(yùn)輸巷內(nèi)每隔100～200 m 在巷道斷面上設(shè)置一道氣-水噴霧，兩道氣-水噴霧之間距離可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦石干燥程度進(jìn)行調(diào)整。 具體布置如圖13 所示。

3.3 降塵方案現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

經(jīng)過一個(gè)月時(shí)間，降塵改造措施實(shí)施完畢。 膠帶運(yùn)輸巷道內(nèi)各塵源得到了有效的控制，井下作業(yè)環(huán)境有了較為明顯的改善，空氣中粉塵濃度明顯降低。 為了研究245 膠帶運(yùn)輸巷道降塵技術(shù)的具體應(yīng)用效果， 參照未整改前的粉塵濃度測(cè)定進(jìn)行布點(diǎn)位置，具體測(cè)點(diǎn)布置如圖1 所示，對(duì)降塵方案實(shí)施后的膠帶運(yùn)輸巷道內(nèi)粉塵濃度再次進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定方法與改造前測(cè)定方法保持一致。測(cè)定結(jié)果如圖14、圖15 所示，從中可以得出：

1）在降塵措施實(shí)施前，膠帶運(yùn)輸巷道內(nèi)落礦點(diǎn)處全塵濃度最高可達(dá)60.5 mg/m3， 在安裝氣-水噴霧等降塵措施后，巷道內(nèi)粉塵濃度大幅降低，在粉塵濃度最大的落礦點(diǎn)處全塵濃度為9.5 mg/m3， 降塵效率達(dá)到84.2%； 轉(zhuǎn)載點(diǎn)處全塵濃度由11.4 mg/m3降為2.35 mg/m3，降塵效率為79.4%；在落礦點(diǎn)和轉(zhuǎn)載點(diǎn)之間的其他區(qū)域全塵濃度基本在5 mg/m3以下，全塵降塵效率基本在80%以上。

2）降塵措施對(duì)呼吸性粉塵也有較好的治理效果，落礦口和轉(zhuǎn)載點(diǎn)處的呼吸性粉塵濃度由30.4 mg/m3和7 mg/m3各降為 4.5 mg/m3和 1 mg/m3，降塵效率分別為85.1%和85.7%；落礦點(diǎn)和轉(zhuǎn)載點(diǎn)之間的其他區(qū)域呼吸性粉塵濃度基本在2 mg/m3以下。

3） 降塵方案實(shí)施后， 膠帶運(yùn)輸巷道內(nèi)粉塵濃度大幅度降低[19]，巷道內(nèi)作業(yè)環(huán)境得到較大改善，這充分說明降塵方案切實(shí)可行。

4 結(jié) 論

1）分析現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定數(shù)據(jù)可知，膠帶運(yùn)輸巷道轉(zhuǎn)載點(diǎn)和落礦點(diǎn)是最主要的產(chǎn)塵源， 落礦口全塵濃度高達(dá)60.5 mg/m3，呼塵濃度高達(dá)30.4 mg/m3；轉(zhuǎn)載點(diǎn)全塵濃度高達(dá)13.1 mg/m3，呼塵濃度高達(dá)7 mg/m3；粉塵濃度超過國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，井下空氣污染嚴(yán)重。

2）模擬規(guī)律表明：當(dāng)巷道內(nèi)風(fēng)速小于3 m/s 時(shí)，巷道內(nèi)風(fēng)速越大，粉塵濃度越小；當(dāng)風(fēng)速為3 m/s 時(shí)，粉塵濃度最高為14.5 mg/m3； 當(dāng)巷道內(nèi)風(fēng)速大于3 m/s 時(shí)，巷道內(nèi)風(fēng)流造成的二次揚(yáng)塵大于排塵效果， 風(fēng)速越大，粉塵濃度越大。 巷道內(nèi)粉塵濃度大小分布與膠帶運(yùn)行速度成正比例關(guān)系，膠帶運(yùn)行速度越大，巷道內(nèi)粉塵濃度越大。 當(dāng)膠帶運(yùn)行速度為1 m/s 時(shí)，巷道內(nèi)粉塵濃度峰值為48 mg/m3；當(dāng)膠帶運(yùn)行速度為3 m/s時(shí)，粉塵濃度峰值上升到64 mg/m3。

3）根據(jù)模擬結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研測(cè)定的情況制訂了一套適用于膠帶運(yùn)輸巷道的降塵方案：通過加強(qiáng)落礦點(diǎn)和轉(zhuǎn)載點(diǎn)處的密閉，以防止粉塵逸散到巷道內(nèi)； 并在膠帶運(yùn)輸機(jī)上與巷道斷面處安裝氣-水噴霧以加強(qiáng)礦石的濕潤(rùn)度，減少粉塵的產(chǎn)生并且凈化巷道內(nèi)的空氣。 降塵方案實(shí)施后，落礦點(diǎn)處全塵濃度由60.5 mg/m3降為9.5 mg/m3， 呼吸性粉塵濃度由30.4 mg/m3降為4.5 mg/m3； 膠帶運(yùn)輸巷道內(nèi)全塵和呼塵濃度均有較大降低，降塵效果顯著，巷道內(nèi)作業(yè)環(huán)境得到較大改善。