礦山溜井口粉塵分布特征及治理技術(shù)研究*

李 剛

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山，243000；2.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山，243000；3.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山，243000)

0 引言

隨著地下礦山開采深度的不斷增加，礦井開采一般采用多中段、多采場同時生產(chǎn)方式。溜井具有運(yùn)輸能力大、轉(zhuǎn)運(yùn)效率高、運(yùn)行管理方便、簡單可靠等優(yōu)點(diǎn)，在地下礦山開采過程中占據(jù)了重要地位，是采場內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)礦石的重要通道。由于溜井放礦高差較大，礦山在降落過程中急劇壓縮溜井內(nèi)空氣，產(chǎn)生強(qiáng)大的含塵沖擊氣流[1-3]，是金屬礦山井下典型的粉塵污染源之一[4-6]。含塵氣流通過支岔溜井口排出，致使井下采場工作面和通風(fēng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重粉塵污染，尤其是粒徑小于5 μm的呼吸性粉塵，極大危害作業(yè)人員的身心健康[7-10]。

礦山溜井除塵一直是國內(nèi)外井下粉塵治理的一大難題。目前主要采用通風(fēng)稀釋[11]、溜井口密閉[12]、噴霧降塵[13]、負(fù)壓抽風(fēng)排塵和卸壓防塵[14]等單一技術(shù)措施，上述措施在實(shí)際應(yīng)用時起到了一定的控塵降塵作用，但由于溜井放礦時產(chǎn)生的含塵氣流主要為高濃度微細(xì)粉塵，粉塵治理效果并不理想，仍需在粉塵控制措施方面開展深入的研究。通過調(diào)研實(shí)測，分析出礦山溜井放礦產(chǎn)塵特點(diǎn)及溜井口粉塵分布特征，在此基礎(chǔ)上，研究開發(fā)1種溜井口粉塵復(fù)合除塵凈化系統(tǒng)，有效降低溜井卸礦口和采場工作面粉塵濃度，較好地解決溜井除塵技術(shù)難題。

1 溜井粉塵產(chǎn)生機(jī)理

弄清溜井粉塵產(chǎn)生機(jī)理，能夠?yàn)榱锞蹓m凈化系統(tǒng)的開發(fā)提供理論依據(jù)。溜井結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，根據(jù)現(xiàn)場觀察和理論分析，研究得出溜井粉塵的產(chǎn)生機(jī)理主要與沖擊氣流產(chǎn)塵、剪切壓縮氣流產(chǎn)塵、誘導(dǎo)氣流產(chǎn)塵和各種氣流綜合作用產(chǎn)塵等機(jī)理有關(guān)。

1-主溜井；2-支岔溜井；3-卸礦口；4-中段巷道圖1 溜井結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural sketch of ore pass

1)沖擊氣流產(chǎn)塵。礦石由鏟運(yùn)機(jī)倒入溜井，自溜井口下落過程中，礦石本身的重力勢能向動力勢能轉(zhuǎn)化。礦石下落過程中碰撞溜井壁面或溜井內(nèi)礦石產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊氣流，氣流在反沖擊力作用下夾帶著粉塵顆粒向上運(yùn)動產(chǎn)生揚(yáng)塵。礦石放礦距溜井底部落差越大，沖擊氣流產(chǎn)塵越為嚴(yán)重。

2)剪切壓縮氣流產(chǎn)塵。礦石從溜井卸礦口經(jīng)支岔溜井向豎直的主溜井卸礦過程中，由于迎面氣流阻力，溜井的封閉空間會形成壓縮空氣區(qū)并產(chǎn)生了氣流的剪切作用，封閉空間中的空氣受到擾動，產(chǎn)生運(yùn)動，礦石和氣流的相對速度增大，礦石表面的粉塵顆粒被剪切壓縮造成塵化。大量含塵氣流由溜井側(cè)面向上運(yùn)動，經(jīng)支岔溜井逸出產(chǎn)生揚(yáng)塵。礦石下落高度越大，下落速度就越大，礦石表面粉塵顆粒受到的擠壓作用、形成的剪切氣流和向支岔溜井逸出的速度也越大。

3)誘導(dǎo)氣流產(chǎn)塵。礦石在支岔溜井和主溜井內(nèi)下落時有一定的速度，使得礦石周圍空氣隨著一起流動，形成的這部分氣流就叫做誘導(dǎo)氣流。誘導(dǎo)氣流會卷吸一部分附著在溜井壁面和礦石表面的粉塵顆粒，隨氣流一起運(yùn)動，產(chǎn)生誘導(dǎo)塵化作用。誘導(dǎo)氣流的大小主要取決于溜井卸礦量和礦石在溜井內(nèi)的下落速度等因素。

4)氣流綜合作用產(chǎn)塵。礦石在溜井內(nèi)向下運(yùn)動過程中，由于剪切氣流和誘導(dǎo)氣流的聯(lián)合作用，細(xì)小的礦石顆粒、附著在礦石表面和溜井壁面的粉塵顆粒都隨之進(jìn)入了溜井隨氣流一起運(yùn)動，經(jīng)下一個中段支岔溜井卸礦口快速逸出，同時會帶動支岔溜井內(nèi)積塵再次揚(yáng)起。

2 溜井卸礦口粉塵分布特征

以某金屬礦-330 m中段的采場溜井作為研究對象，溜井直徑為3 m，支岔溜井與主溜井之間夾角為30°，巷道高4 m，采場內(nèi)礦石利用鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)送至溜井，礦石通過鏟運(yùn)機(jī)從卸礦口向溜井內(nèi)卸礦，鏟運(yùn)機(jī)每次卸礦量約為1 000 kg，采礦放礦塊度控制在500 mm以內(nèi)。

2.1 粉塵粒徑分析

在溜井開始卸礦時，采集溜井聯(lián)巷卸礦口逸散出的粉塵為試驗(yàn)樣品，用Mastersizer2000型粒度分析儀測定粉塵顆粒粒徑分布情況，粉塵的粒徑分布情況見表1。

表1 粉塵樣品粒徑分布Table 1 Particle size distribution of dust sample

測試結(jié)果表明，溜井卸礦口粉塵的粒徑范圍主要集中在10 μm以下，占比達(dá)89.85%，其中粒徑在5 μm以下的粉塵占78.97%。同時，對溜井卸礦口粉塵粒徑分布情況進(jìn)行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，隨著卸礦時間的增加，卸礦口逸散的粉塵顆粒平均粒徑先增加后減少，最后趨于穩(wěn)定值。分析其原因，主要是隨著時間的推移，大顆粒粉塵已基本沉降，最后難以沉降的主要為微細(xì)的呼吸性粉塵。

2.2 粉塵濃度分布測定

在距離卸礦口5 m的呼吸帶高度上設(shè)置粉塵濃度監(jiān)測點(diǎn)，采用激光粉塵采樣儀對粉塵實(shí)時濃度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，同時采用濾膜采樣方式進(jìn)行粉塵濃度對比測定，現(xiàn)場粉塵濾膜采樣如圖2所示。

圖2 卸礦口粉塵濃度濾膜采樣Fig.2 Sampling of dust concentration filter film at ore unloading port

由現(xiàn)場調(diào)查可知：溜井內(nèi)卸礦后產(chǎn)生大量粉塵，粉塵在卸礦沖擊氣流的作用下不斷往卸礦口周圍和中段巷道處擴(kuò)散?？拷兜V口的區(qū)域粉塵量大，遠(yuǎn)離卸礦口區(qū)域粉塵量小，含塵氣流由卸礦口逸出到一定豎直高度時才向周邊擴(kuò)散。通過觀察卸礦口周圍沉積塵可知，對比溜井主干道粉塵顆粒的粒徑，中段運(yùn)輸巷道內(nèi)粉塵顆粒粒徑明顯較小。

根據(jù)粉塵濃度監(jiān)測分析結(jié)果可知：粉塵逸出后隨時間推移，粉塵逐步累積，卸礦口總粉塵濃度最大值達(dá)到220 mg/m3。由于微細(xì)粉塵在自然狀態(tài)下不容易沉降，一定時間后卸礦口粉塵濃度基本趨于穩(wěn)定值，主要是因?yàn)樾兜V過程中大顆粒的粉塵逐步沉降，剩余的粉塵均為難沉降的微細(xì)浮游粉塵，尤其是呼吸性粉塵占據(jù)的比重非常大，粉塵浮游時間久，不易沉降，對人體傷害極大。

綜上所述，溜井卸礦口產(chǎn)塵特征具有粉塵量大、粒度細(xì)、持續(xù)時間長等特點(diǎn)，從逸出開始幾分鐘內(nèi)便彌漫整個區(qū)域。由于通風(fēng)受限導(dǎo)致粉塵積聚，卸礦口附近空間粉塵無法及時排除，使巷道內(nèi)的可見度降低，鏟運(yùn)機(jī)司機(jī)倒礦困難，易發(fā)生安全事故。同時產(chǎn)塵基本都是巖塵，游離二氧化硅含量較高，粉塵粒度較細(xì)，易對作業(yè)人員的身心健康造成嚴(yán)重威脅。

3 溜井卸礦口除塵技術(shù)

礦山卸礦溜井除塵一直是國內(nèi)外礦山井下粉塵治理的一大難題。目前卸礦溜井除塵一般采用增加礦井通風(fēng)量稀釋粉塵、溜井口噴霧降塵以及開鑿卸壓井控制粉塵和采取其他除塵凈化措施等技術(shù)方案。通過進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)上述技術(shù)方案存在以下缺點(diǎn)：

1)增加通風(fēng)風(fēng)量使通風(fēng)能耗增加，僅起到稀釋溜井粉塵作用，并不能徹底解決放礦溜井產(chǎn)生的粉塵對井下區(qū)域的污染問題，而且井下的粉塵由回風(fēng)井排放到地表大氣中，造成礦山周邊環(huán)境污染。

2)溜井口噴霧降塵裝置噴出的水霧不可能完全覆蓋溜井口空間產(chǎn)生的粉塵，同時水霧與空間粉塵的接觸時間短，單一的噴霧降塵很難完全凈化溜井口粉塵，當(dāng)溜井口含塵氣流濃度發(fā)生變化時，無相應(yīng)的自動調(diào)節(jié)控制措施，噴霧除塵效果難以保證。

3)平行卸壓井與排塵凈化相結(jié)合的綜合治理技術(shù)能夠有效解決放礦溜井卸礦過程中產(chǎn)生的粉塵污染問題，同時污風(fēng)凈化后能夠?qū)崿F(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。但是開鑿1條平行的防塵卸壓井工程量大、投資大，現(xiàn)場施工困難，同樣不便于后期維護(hù)管理，該技術(shù)方案不是1種經(jīng)濟(jì)的防塵技術(shù)方案。

3.1 2級除塵凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研究設(shè)計(jì)礦山粉塵除塵凈化系統(tǒng)，首先應(yīng)掌握礦塵的理化特性。王嘉瑩等[15]探討了金屬礦粉塵濕潤性能的影響因素，分析得出金屬礦粉塵屬親水性粉塵，粉塵真密度和粒徑是影響其潤濕性能的關(guān)鍵因素,真密度與粒徑越小，粉塵親水性越差。因此，金屬礦井粉塵防治優(yōu)先考慮濕式除塵方法。針對礦山卸礦溜井粉塵的污染問題，以及現(xiàn)有技術(shù)方案存在著通風(fēng)能耗高、除塵效果差、工程投資大、施工風(fēng)險(xiǎn)大、后期維護(hù)管理難等技術(shù)問題，本文研究1種除塵效率高、能耗低的噴霧和濕式除塵負(fù)壓抽風(fēng)的2級除塵凈化系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

1—主溜井；2—支岔溜井；3—卸礦硐室；4—防塵密封簾；5—噴霧器；6—吸塵罩；7—彎頭；8—除塵管道；9—濕式振弦旋流除塵器；10—中段巷道圖3 卸礦溜井2級除塵凈化系統(tǒng)布置示意Fig.3 Schematic diagram of two-level dust removal and purification system of unloading ore pass

由圖3可以看出，卸礦溜井噴霧和濕式除塵負(fù)壓抽風(fēng)的2級除塵凈化系統(tǒng)是由噴霧器、防塵密封簾、濕式振弦旋流除塵器、吸塵罩及除塵管道等構(gòu)成。噴霧器安裝在溜井的卸礦硐室上方頂板處；防塵密封簾吊掛安裝在卸礦硐室所在的溜井聯(lián)巷上方頂板處；濕式振弦旋流除塵器布置在中段巷道的下風(fēng)方向，緊貼巷道內(nèi)側(cè)；吸塵罩設(shè)置于溜井聯(lián)巷出風(fēng)口的防塵密封簾底部，通過除塵管道、彎頭與濕式振弦旋流除塵器連接。同時在防塵密封簾對應(yīng)的頂板上安裝紅外傳感器，在除塵管道下方設(shè)置有粉塵濃度傳感器。

3.2 噴霧裝置設(shè)計(jì)

由于卸礦口面積較大，設(shè)計(jì)在卸礦口兩側(cè)布置擴(kuò)散角較大的旋轉(zhuǎn)壓力式噴嘴(圖4)作為噴霧器，每側(cè)各有3個噴嘴，中間噴嘴的位置距卸礦口前后1.5 m，其他2個噴嘴距離中間噴嘴800 mm，連接好的噴嘴安裝在150 mm×150 mm的角鋼下面，角鋼用于固定供水管道和噴嘴，同時能起到保護(hù)噴嘴不被礦石損壞的作用。

圖4 旋轉(zhuǎn)壓力式噴嘴結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structural sketch of rotary pressure nozzle

3.3 除塵凈化工作原理

溜井卸礦時，當(dāng)卸礦作業(yè)設(shè)備(比如鏟運(yùn)機(jī))觸碰頂開防塵密封簾進(jìn)入溜井所在巷道時，安裝在溜井所在巷道頂板的紅外傳感器發(fā)出電信號給溜井噴霧控制箱，噴霧控制箱控制溜井噴霧器開始噴霧，當(dāng)卸礦作業(yè)設(shè)備倒礦結(jié)束返回巷道口時，紅外傳感器再次發(fā)出電信號給溜井噴霧控制箱，溜井噴霧控制箱控制溜井噴霧器停止噴霧。由于溜井卸礦產(chǎn)塵量非常大，光靠噴霧除塵很難完全捕集粉塵，仍然會有部分粉塵通過溜井聯(lián)巷出風(fēng)口的防塵密封簾底部的縫隙處逸出，因此，在該處設(shè)置吸塵罩和除塵管道，進(jìn)一步進(jìn)行負(fù)壓抽風(fēng)除塵。同時，在除塵管道的下方設(shè)置粉塵濃度傳感器，通過檢測出管道內(nèi)粉塵的濃度變化，對濕式振弦旋流除塵器進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)按需通風(fēng)除塵，大大節(jié)約除塵系統(tǒng)能耗。

該2級除塵凈化系統(tǒng)，通過溜井口噴霧加負(fù)壓抽風(fēng)除塵等手段，能夠?qū)崿F(xiàn)溜井區(qū)域除塵全過程的自動化控制。對礦山卸礦溜井進(jìn)行除塵后，為礦山井下作業(yè)人員創(chuàng)造安全舒適工作環(huán)境，提高采礦生產(chǎn)效率，消除作業(yè)安全隱患。同時，運(yùn)用溜井2級除塵凈化系統(tǒng)凈化后的氣流可以重新利用，減少井下供排風(fēng)量，達(dá)到控制含塵氣流走向、凈化含塵氣流并調(diào)節(jié)井下風(fēng)量的目的。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文現(xiàn)場試驗(yàn)主要以某金屬礦-330 m中段的采場溜井作為試驗(yàn)點(diǎn)，為了全面了解卸礦溜井2級除塵凈化系統(tǒng)的降塵效果，對該試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場效果檢測分析。

4.1 檢測點(diǎn)設(shè)置

試驗(yàn)現(xiàn)場測塵點(diǎn)的選定應(yīng)以能代表現(xiàn)場粉塵對人體健康的危害為原則。綜合考慮粉塵產(chǎn)生源在空間和時間的擴(kuò)散規(guī)律，以及人員接觸粉塵情況的代表性，現(xiàn)場粉塵測點(diǎn)應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)流程和人員操作方法確定。根據(jù)試驗(yàn)具體情況，粉塵測塵點(diǎn)布置在卸礦口沿著擴(kuò)散方向5 m位置處，測點(diǎn)高度1.5 m。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

對整個卸礦過程除塵凈化系統(tǒng)未運(yùn)行和運(yùn)行時的卸礦口監(jiān)測點(diǎn)粉塵濃度分別進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果顯示，除塵凈化系統(tǒng)未運(yùn)行時，監(jiān)測點(diǎn)的粉塵濃度為31.5～220.5 mg/m3之間；除塵凈化系統(tǒng)運(yùn)行后，粉塵濃度下降很快，監(jiān)測點(diǎn)的粉塵濃度限制在1.5～2 mg/m3之間，卸礦溜井除塵裝置具有相當(dāng)明顯的除塵效果。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，卸礦溜井采用噴霧降塵和密閉抽塵凈化措施后，溜井卸礦口逸散的粉塵能夠被有效地吸入除塵器內(nèi)進(jìn)行凈化，有效地解決了溜井卸礦口粉塵逸散污染問題。

除塵凈化系統(tǒng)開啟前后現(xiàn)場產(chǎn)塵對比效果如圖5～6所示。

圖5 除塵凈化系統(tǒng)未開啟時卸礦口產(chǎn)塵現(xiàn)場Fig.5 Site of dust generation at ore unloading port without opening dust removal and purification system

圖6 除塵凈化系統(tǒng)開啟后卸礦口現(xiàn)場效果Fig.6 Field effect of ore unloading port after opening dust removal and purification system

5 結(jié)論

1)通過對溜井粉塵產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行研究，指出粉塵的產(chǎn)生是卸入礦石造成的塵化、剪切作用造成的塵化、誘導(dǎo)空氣造成的塵化、沖擊氣流的二次揚(yáng)塵等共同作用的結(jié)果。

2)濕式除塵結(jié)構(gòu)簡單，投資運(yùn)行費(fèi)用低，使用和維護(hù)方便，是1種良好的除塵技術(shù)。噴霧系統(tǒng)與卸礦作業(yè)設(shè)備同步運(yùn)行，可節(jié)約用水，提高降塵效果。

3)溜井卸礦過程產(chǎn)生的粉塵經(jīng)過噴霧降塵系統(tǒng)和濕式振弦旋流除塵器凈化后，氣流含塵濃度非常低，可作為井下通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)風(fēng)流，有效地解決了溜井卸礦粉塵治理難題，提高了礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流利用率。