高深直溜井返塵密閉抽塵凈化技術(shù)研究

鄒常富

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

隨著金屬礦山開采中段不斷增加，高深直溜井成為金屬礦山常見的礦石轉(zhuǎn)運(yùn)方式，溜井轉(zhuǎn)運(yùn)過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，由于礦井深部氣壓原因，導(dǎo)致卸礦后粉塵沿溜井卸礦口向外返塵，返塵持續(xù)時間長、濃度大、擴(kuò)散范圍廣，對卸礦口造成極大的污染，降低了卸礦口能見度，極易導(dǎo)致安全事故，同時嚴(yán)重影響了卸礦口作業(yè)人員的身體健康［1-4］。針對溜井產(chǎn)塵問題，國內(nèi)外研究思路以分風(fēng)卸壓為主，輔以噴霧降塵技術(shù)，在各中段支岔口分別采取封堵和細(xì)水霧措施進(jìn)行治理，能夠取得較好的降塵效果［5-7］。但由于高深直溜井僅在卸礦口和底部區(qū)域開口，其它中段并未連通，無法采取分風(fēng)卸壓控塵措施，且溜井深度大，礦石含泥量高，采用噴霧降塵措施極易導(dǎo)致溜井堵塞，嚴(yán)重影響生產(chǎn)及安全［8-10］。針對高深直溜井返塵問題，國內(nèi)外開展的研究較少，成為了金屬礦山開采過程中的一大難題。針對高深直溜井生產(chǎn)工藝特征及返塵特點，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗，通過研究密閉抽塵凈化技術(shù)，計算抽塵風(fēng)量，確定密閉控塵方式，解決高深直溜井返塵污染問題，為金屬礦山高深直溜井返塵治理提供依據(jù)。

1 溜井卸礦工藝

夏甸金礦卸礦主溜井深240 m，溜井直徑為3 m，巷道高5 m，卸礦格篩規(guī)格為4 m×4 m，溜井卸礦口一側(cè)為礦車運(yùn)礦路線，另一側(cè)為獨(dú)頭巷道，高深直溜井卸礦口距離巷道盡頭50 m。巷道內(nèi)風(fēng)流沿巷道向外擴(kuò)散，不卸礦時巷道平均風(fēng)速為0.3 m/s，卸礦瞬間受礦石壓縮空氣的影響，風(fēng)速瞬間增加至3 m/s，卸礦后溜井內(nèi)風(fēng)流垂直向上運(yùn)動，平均風(fēng)速為1 m/s。溜井卸礦工藝為裝滿礦石的重車沿巷道一側(cè)運(yùn)輸至溜井口，將礦石卸載至溜井內(nèi)，礦石沿溜井垂直卸落至240 m深度的礦倉內(nèi)，卸礦后礦車空車返回，礦車運(yùn)輸路線如圖1所示。

2 密閉抽塵凈化技術(shù)研究

2.1 溜井誘導(dǎo)風(fēng)量

基于高深直溜井產(chǎn)塵規(guī)律的分析可知，高深直溜井向下卸礦時，礦石壓縮空氣向下運(yùn)動，溜井口附近的空氣被卷吸誘導(dǎo)進(jìn)入溜井內(nèi)，礦石到達(dá)溜井底部后，誘導(dǎo)氣流沿著溜井向溜井口緩慢返塵補(bǔ)充氣流量［11-14］。溜井誘導(dǎo)氣流的運(yùn)動軌跡如圖2所示。

在忽略細(xì)微損失量的情況下，返塵氣流量與壓縮氣流量相等，根據(jù)《工業(yè)防塵手冊》及類似工程經(jīng)驗，溜井的沖擊風(fēng)量為

式中，H為礦石卸落高度，m；c為沖擊風(fēng)壓修正系數(shù)，根據(jù)溜井口密閉形式確定；ζ為溜井局部阻力系數(shù)；A為溜井?dāng)嗝婷娣e，m2；A0為溜井出口斷面面積，m2；M為卸礦量，kg。

夏甸金礦常用的礦車卸礦量為14 t、17 t和20 t 3種，平均一次卸礦量以17 t計，卸礦高度240 m，溜井部分密閉，計算的沖擊風(fēng)量為458 m3/min，考慮返塵時的沿程損失量，返塵風(fēng)量取450 m3/min。

采用除塵器進(jìn)行抽塵凈化時，除塵系統(tǒng)中的除塵器抽塵風(fēng)量應(yīng)稍大于溜井口的返塵風(fēng)量［15-16］，即：

式中，K為備用風(fēng)量系數(shù)，一般取1.1～1.2。

由式（2）可知：采用除塵器抽塵凈化措施進(jìn)行治理時，為保障返塵治理效果，溜井口抽塵凈化的除塵器處理風(fēng)量為500 m3/min以上。

2.2 密閉控塵系統(tǒng)

由于溜井為獨(dú)立敞開空間，溜井返塵后粉塵做無規(guī)則逸散運(yùn)動，為保證抽塵效果，需對溜井進(jìn)行有效密閉。因此，根據(jù)巷道尺寸和溜井口位置，在溜井敞開的兩側(cè)采用密閉罩進(jìn)行全密閉，密閉罩規(guī)格設(shè)計為4.5 m×4.0 m，剛性密閉罩與巷道側(cè)壁及頂板構(gòu)成了一種U形密閉罩。由于溜井入口一側(cè)有礦車進(jìn)行卸料，無法進(jìn)行密閉，整個溜井空間形成了一種左、右、上、后四面密閉的U形半密閉空間。

為考察密閉控塵系統(tǒng)的效果，本研究按照相似理論原則進(jìn)行數(shù)值模擬，建立幾何模型進(jìn)行模擬分析［17-18］。由于返塵粒徑較小，在模擬過程中，將粉塵的粒徑近似于5 μm的均勻粒徑，且溜井返塵流量均勻呈穩(wěn)態(tài)，除塵器處理風(fēng)量為500 m3/min，模擬得出的粉塵運(yùn)動軌跡如圖3所示。

由圖3可知：粉塵從溜井口返出后，先是豎直向上升高，在到達(dá)密閉空間的頂部之前，方向逐漸改變，一部分被除塵器吸入凈化，另一部分沿風(fēng)流向大巷中運(yùn)動，因此，僅僅將溜井口采用U形半密閉罩進(jìn)行控塵后，溜井口右側(cè)靠近除塵器一側(cè)，降塵效果較好，但礦車卸料一側(cè)的降塵效果較差，主要是由于溜井面積較大，溜井最遠(yuǎn)點距除塵器吸塵口的距離為4 m左右，溜井邊緣不受除塵器抽塵負(fù)壓作用，溜井產(chǎn)生的粉塵無法被除塵器吸入，而是受氣流影響，向下風(fēng)流方向逸出。

2.3 抽塵風(fēng)量

根據(jù)密閉控塵系統(tǒng)的研究可知，U形半密閉條件下采用500 m3/min處理風(fēng)量的除塵器進(jìn)行抽塵凈化時，除塵器產(chǎn)生的負(fù)壓無法控制溜井口遠(yuǎn)離吸塵口一側(cè)的含塵氣流。因此，為了提高除塵效果，擬采取加大除塵器處理風(fēng)量的措施，提高吸塵口風(fēng)速，確保溜井口返塵能被除塵系統(tǒng)形成的負(fù)壓吸入。試驗過程中，分別選取處理風(fēng)量為550 m3/min、600 m3/min和650 m3/min進(jìn)行現(xiàn)場試驗?，F(xiàn)場開啟除塵器后，在不同風(fēng)量條件下，吸塵口前的流場情況如圖4所示。

由圖4可知：除塵器開啟后，半密閉空間內(nèi)的流場發(fā)生改變，返出的風(fēng)流受到影響會向正X方向偏轉(zhuǎn)，在卸料口上方形成了一條明顯的分界線，將流場分為兩部分：一部分受到除塵器的作用向吸塵口運(yùn)動，一部分未受到限制逆向運(yùn)動。隨著風(fēng)量的增大，分界線向左偏移，即流向吸塵口的流域增加，流出卸料口的流域減小。但隨著風(fēng)量的增加，返塵受控區(qū)域增加的幅度逐漸變小。特別是當(dāng)風(fēng)量增大至600 m3/min后，受控區(qū)域面積變化幅度不大。同時，由于溜井口一側(cè)為獨(dú)頭巷道，除塵器出風(fēng)口的風(fēng)量增大后，排向獨(dú)頭端的風(fēng)量增加，單位時間內(nèi)流向出口的風(fēng)量增大，對逸出井口區(qū)域返塵的擾動增大，加劇了返塵對巷道的污染，不利于控塵。因此，除塵器的處理風(fēng)量宜選取為600 m3/min，但溜井口仍有部分返塵區(qū)域不受除塵系統(tǒng)控制向外逸散，為控制此區(qū)域返塵，需將礦車卸料面進(jìn)行有效密閉，減少外界擾動的同時在密閉系統(tǒng)內(nèi)形成有效負(fù)壓，確保溜井口流場全部流向吸塵口。

2.4 礦車卸料面控塵

礦車卸料面為4 m×6 m的大斷面，礦車在卸料口處頻繁出入作業(yè)，全密閉方式無法布置且影響生產(chǎn)，擬采用擋塵簾等軟性材料進(jìn)行密閉［19］?；诂F(xiàn)場觀察測試，高深直溜井深240 m，礦車卸料后3 min左右開始逐漸由溜井口向外返塵。采用擋塵簾進(jìn)行密閉時，當(dāng)?shù)V車卸料時，礦車與擋塵簾形成的類似于全斷面密閉的形式，但當(dāng)返塵開始時，礦車已經(jīng)駛離，返塵的正面沒有阻擋，導(dǎo)致控塵效果不佳，粉塵仍然向外擴(kuò)散，如圖5所示。同時，擋塵簾等軟性材料容易與礦車卸料斗發(fā)生卷裹，極易發(fā)生安全事故。故在實際卸料過程中，溜井口礦車卸料一側(cè)不宜采用擋塵簾等軟性材料的密閉方式。

為了不影響礦車卸料，同時又能將卸料面進(jìn)行密封，在實驗室開展了深入研究，通過查閱資料和反復(fù)試驗后，形成了一種氣幕進(jìn)行密閉的控塵方式，將研制的送風(fēng)裝置布置于巷道頂板上，送風(fēng)裝置在渦旋風(fēng)機(jī)的作用下，形成一道向下的空氣幕，能把溜井口內(nèi)外的空氣隔開，不產(chǎn)生對流，同時形成的向內(nèi)可調(diào)角度的高速風(fēng)流，對內(nèi)側(cè)的含塵氣流有向內(nèi)引流的作用，抑制了含塵氣流向外逸散，且氣流對礦車卸料作業(yè)不產(chǎn)生影響，礦車卸料時車斗可正常通過氣幕面［20-22］。氣幕抑塵系統(tǒng)作用原理如圖6所示。

基于氣幕控塵作用機(jī)理，在溜井礦車卸料面頂部布置一套氣幕控塵系統(tǒng)，將送風(fēng)裝置布置于卸料面巷道頂部，送風(fēng)裝置在卸料面形成向下的一道氣幕屏障，阻隔并引導(dǎo)溜井內(nèi)含塵氣流向礦車卸料面逆向逸散，同時配合剛性的U形密閉罩，共同構(gòu)成了一個完整的全密閉控塵系統(tǒng)，實現(xiàn)了大斷面開放空間溜礦卸料作業(yè)面的透明密閉控塵，同時不影響礦車進(jìn)出卸礦，系統(tǒng)如圖7所示，含塵氣流運(yùn)動軌跡如圖8所示。

3 溜井返塵治理效果分析

夏甸金礦高深直溜井返塵治理過程中，采用U形密閉罩與氣幕控塵裝置組合形成控塵系統(tǒng)，并將氣幕控塵的引射作用力與除塵器的吸風(fēng)作用力串聯(lián)形成一種吹吸式抽塵凈化系統(tǒng)，對高深直溜井返塵進(jìn)行治理?，F(xiàn)場布置時，除塵器吸風(fēng)口通過連接裝置與吸塵罩連接，除塵器布置于溜井右側(cè)，采用側(cè)吸式的布置方式，系統(tǒng)布置方式如圖9所示。

返塵治理效果考察時，采用濾膜質(zhì)量法進(jìn)行濃度測試，測點選取以作業(yè)人員活動區(qū)域為依據(jù)，測點布置在卡車司機(jī)停留的區(qū)域，即在溜井卸料口設(shè)置一個測點，在除塵器尾部設(shè)置一個測點，采樣點位分布如圖10所示。

現(xiàn)場分別測試除塵器抽塵凈化系統(tǒng)未開啟時的粉塵濃度C2和除塵器抽塵凈化系統(tǒng)開啟后的粉塵濃度C1，并按照下式計算降塵效率η：

現(xiàn)場粉塵濃度測試結(jié)果如表1所示。

通過測試數(shù)據(jù)可知，采用密閉抽塵凈化技術(shù)治理后，溜井口總粉塵濃度由378.3 mg/m3降至5 mg/m3，降塵效率為98.7%，呼吸性粉塵濃度從133.3 mg/m3降至3 mg/m3，降塵效率達(dá)97.7%，降塵效果較好。除塵器尾部經(jīng)過除塵器凈化后，總粉塵濃度和呼吸性粉塵降塵效率分別達(dá)98%以上。治理后溜井口返塵得到了有效地控制和治理。

治理前后溜井口巷道內(nèi)環(huán)境概況如圖11所示。

通過現(xiàn)場環(huán)境對比可知，治理前巷道內(nèi)粉塵彌漫，環(huán)境污染較為嚴(yán)重，對作業(yè)人員身體健康影響較大，同時巷道內(nèi)視線不清晰，易發(fā)生安全事故。治理后，巷道內(nèi)環(huán)境清晰，治理效果較好。

4 結(jié)論

基于夏甸金礦高深直溜井卸礦口的返塵特點和卸礦作業(yè)工藝現(xiàn)狀，分析了溜井卸礦后返塵產(chǎn)生的誘導(dǎo)風(fēng)量，提出了密閉抽塵凈化的治理措施，并研究了密閉控塵技術(shù)，實現(xiàn)了卸料作業(yè)面的有效控塵和溜井返塵的有效治理。得出如下結(jié)論：

（1）高深直溜井卸礦時壓縮空氣向下運(yùn)動，溜井口附近的空氣被卷吸誘導(dǎo)進(jìn)入溜井內(nèi)，卸礦后誘導(dǎo)氣流沿著溜井向上緩慢返塵補(bǔ)充氣流量，返塵風(fēng)量高達(dá)450 m3/min。

（2）基于數(shù)值模擬分析，溜井口各面均需進(jìn)行有效密閉才能保證治理效果，通過試驗研究形成了一種氣幕進(jìn)行密閉的控塵方式，在卸料面形成向下的一道氣幕屏障，實現(xiàn)了大斷面開放空間溜礦卸料作業(yè)面的透明密閉控塵，同時不影響礦車進(jìn)出卸礦。

（3）采用密閉抽塵凈化技術(shù)治理后，溜井口總粉塵濃度由378.3 mg/m3降至5 mg/m3，降塵效率為98.7%，呼吸性粉塵濃度從133.3 mg/m3降至3 mg/m3，降塵效率達(dá)97.7%，降塵效果較好。