鄒常富

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

溜井轉(zhuǎn)運(yùn)礦石是金屬礦山地下開采常見的生產(chǎn)工藝之一，隨著開采深度的逐漸增加，單中段溜井轉(zhuǎn)運(yùn)開始向多中段轉(zhuǎn)運(yùn)發(fā)展，同時(shí)，溜井深度由十幾米逐漸增加至幾百米，高深溜井卸礦產(chǎn)生的沖擊風(fēng)速高、穿透性強(qiáng)，沖擊產(chǎn)塵濃度大，隨風(fēng)流擴(kuò)散速度快、距離遠(yuǎn)，嚴(yán)重污染溜井下部的作業(yè)巷道，對(duì)生產(chǎn)設(shè)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(chǎn)塵問題，本文圍繞沖擊產(chǎn)塵規(guī)律和沖擊力進(jìn)行了大量的研究，并結(jié)合夏甸金礦生產(chǎn)實(shí)際，提出了一套適用于高深直溜井沖擊產(chǎn)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(jù)。

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(guān)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(cè)為運(yùn)輸主巷道，另一側(cè)為獨(dú)頭巷道，巷道內(nèi)正常風(fēng)速為0.5 m/s。溜井卸礦作業(yè)為礦車運(yùn)輸卸礦，礦車將礦石直接傾倒至溜井內(nèi)，礦石受自重作用沿溜井直接落入底部礦倉，卸礦過程中產(chǎn)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(chǎn)塵規(guī)律

2.1 沖擊氣流運(yùn)移規(guī)律

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

將溜井口設(shè)置為壓力入口，將溜井出口支巷設(shè)置為壓力出口，其他設(shè)置為壁面。因礦體下落過程其速度隨時(shí)間變化，故選擇瞬態(tài)計(jì)算方式，通過模擬計(jì)算得出不同時(shí)刻溜井內(nèi)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(nèi)下落過程中，礦石上方形成了一段負(fù)壓，主要是由于礦石下落時(shí)對(duì)溜井內(nèi)的空氣進(jìn)行壓縮，瞬間形成負(fù)壓，對(duì)比不同時(shí)間溜井內(nèi)空氣壓力的變化可知，礦石運(yùn)動(dòng)時(shí)間越長對(duì)溜井底部產(chǎn)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(duì)比不同時(shí)間的風(fēng)速可以看出，礦石下落壓縮空氣形成沖擊風(fēng)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(chǎn)生局部渦流，待礦石到達(dá)中下部后，礦石下落分布較均勻，不產(chǎn)生氣流的局部循環(huán)，較大風(fēng)速主要集中在溜井出口處，溜井出口處的瞬時(shí)風(fēng)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(wǎng)格模型Fig.2 The grid model of high-deep straight well

圖3 溜井內(nèi)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(shí)，溜井出口風(fēng)速較小，還未形成沖擊風(fēng)流，但經(jīng)過3 s左右的時(shí)間后，沖擊風(fēng)流風(fēng)速增加至10 m/s以上，隨著礦石在溜井內(nèi)下落速度增加，風(fēng)速也急劇增大，瞬間最大風(fēng)速可達(dá)30～50 m/s，在-1 020 m水平產(chǎn)生沖擊風(fēng)暴。

現(xiàn)場(chǎng)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(fēng)表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試出卸礦后風(fēng)速最大值達(dá)到35 m/s左右，與模擬數(shù)據(jù)相差不大，即卸礦后風(fēng)速峰值較大，因此，在采取降塵措施時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮沖擊風(fēng)暴對(duì)防塵措施的擊穿問題。

2.2 產(chǎn)塵規(guī)律

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)粉塵濃度來研究卸礦的產(chǎn)塵規(guī)律，但由于受到現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)條件和安全條件制約，無法測(cè)試卸礦口的濃度，僅將測(cè)點(diǎn)均勻布置于溜井出口聯(lián)巷內(nèi)1～10 m區(qū)域，每半米設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，溜井卸礦產(chǎn)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(dá)到最大值，卸礦后沖擊風(fēng)流過后，巷道風(fēng)速恢復(fù)正常，粉塵濃度趨于平緩。2 m位置處測(cè)點(diǎn)的粉塵濃度分布曲線如圖5所示。

圖4 沖擊氣流瞬時(shí)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(fēng)流，產(chǎn)生的沖擊粉塵濃度極大，瞬間濃度最大值高達(dá)650 mg/m3，沖擊壓力釋放后，巷道內(nèi)風(fēng)速恢復(fù)正常，粉塵沿溜井口向外緩慢溢出，巷道內(nèi)粉塵濃度趨于平穩(wěn)，濃度維持在100 mg/m3以上。對(duì)比所有測(cè)點(diǎn)的粉塵濃度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出，粉塵濃度峰值出現(xiàn)在溜井出口聯(lián)巷內(nèi)2 m范圍左右，主要是由于沖擊風(fēng)流對(duì)溜井下口聯(lián)巷沉積粉塵的擾動(dòng)，造成二次揚(yáng)塵污染，二次揚(yáng)塵與溜井內(nèi)的粉塵疊加，導(dǎo)致粉塵濃度增加出現(xiàn)峰值，隨著風(fēng)流向外擴(kuò)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(duì)粉塵粒徑進(jìn)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(fēng)速風(fēng)流中夾雜著較多的大顆粒粉塵，隨風(fēng)流運(yùn)移距離較遠(yuǎn)難以沉降引起的。

3 沖擊產(chǎn)塵治理

3.1 沖擊產(chǎn)塵治理措施

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

1) 卸壓措施?；诋a(chǎn)塵規(guī)律研究結(jié)果，粉塵濃度峰值出現(xiàn)在溜井口聯(lián)巷內(nèi)2 m位置處，因此，在溜井口2 m位置處對(duì)巷道寬度及高度進(jìn)行有效擴(kuò)大，當(dāng)沖擊風(fēng)流峰值形成后經(jīng)過巷道內(nèi)的擴(kuò)大空間時(shí)，風(fēng)流向各個(gè)方位進(jìn)行擴(kuò)散，沖擊壓力得到了有效釋放，沖擊風(fēng)速也得到有效降低。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，經(jīng)過卸壓后，沖擊風(fēng)速降低至15 m/s左右，擴(kuò)大卸壓空間如圖6所示。

圖6 擴(kuò)大卸壓空間示意圖Fig.6 The diagram of expanding pressure relief space

經(jīng)過擴(kuò)散卸壓后風(fēng)流運(yùn)動(dòng)方向和速度逐漸趨于穩(wěn)定，但風(fēng)速依然較大，因此，通過試驗(yàn)研制了一種風(fēng)流導(dǎo)流裝置布置于除塵器吸塵口位置，在不增加除塵器負(fù)載的條件下，對(duì)沖擊風(fēng)流進(jìn)行降速和引導(dǎo)，從而避免風(fēng)流將除塵系統(tǒng)擊穿而無法起到除塵的作用。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，風(fēng)流經(jīng)過導(dǎo)流裝置后，風(fēng)速可降低至10 m/s以內(nèi)，風(fēng)流導(dǎo)流裝置如圖7所示。

2) 抽塵凈化措施。根據(jù)沖擊產(chǎn)塵規(guī)律研究結(jié)果，在溜井下口2 m區(qū)域內(nèi)，沖擊風(fēng)速最大，二次揚(yáng)塵嚴(yán)重，為沖擊風(fēng)流區(qū)；增加擴(kuò)大的卸礦空間后，風(fēng)流運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變，在擴(kuò)大空間內(nèi)風(fēng)流運(yùn)動(dòng)面增加，風(fēng)流逐漸分散，風(fēng)速也急劇降低，該區(qū)域?yàn)榉稚L(fēng)流區(qū)；經(jīng)過擴(kuò)大卸壓空間后，風(fēng)流運(yùn)動(dòng)方向和速度逐漸趨于穩(wěn)定，經(jīng)過風(fēng)流導(dǎo)流裝置后，風(fēng)流穩(wěn)定在10 m/s以內(nèi)，為風(fēng)流穩(wěn)定區(qū)[11-15]。因此，在現(xiàn)場(chǎng)配套過程中將除塵器布置于風(fēng)流穩(wěn)定區(qū)。根據(jù)沖擊風(fēng)量計(jì)算得出除塵器的處理風(fēng)量宜為550 m3/min，由于夏甸金礦溜井出口與整個(gè)運(yùn)輸大巷聯(lián)通，不利于控塵，因此，在溜井出口開拓一條專用的回風(fēng)繞道，并將其他聯(lián)通區(qū)域進(jìn)行有效密閉，將含塵沖擊風(fēng)流引至回風(fēng)繞道內(nèi)，采用濕式除塵器進(jìn)行治理，系統(tǒng)布置如圖8所示。

圖7 風(fēng)流導(dǎo)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(shù)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(nèi)作業(yè)環(huán)境得到了極大的改善。采用濾膜質(zhì)量法考察卸壓式高效除塵器除塵效果，通過采樣器測(cè)試治理前后的粉塵濃度值，測(cè)點(diǎn)布置在除塵器尾部出風(fēng)口下風(fēng)側(cè)5 m巷道作業(yè)人員通行的位置，降塵效率見表1。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，采用卸壓除塵治理措施后，高深直溜井出口風(fēng)速由30 m/s降低至6 m/s，溜井出口巷道內(nèi)總粉塵濃度由600.8 mg/m3降至12.0 mg/m3，降塵效率達(dá)98%，呼吸性粉塵濃度從166.7 mg/m3降至8.0 mg/m3，降塵效率達(dá)95.2%，降塵效果較好，溜井出口巷道內(nèi)環(huán)境得到了極大的提升，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率也得到了極大的提高。

表1 粉塵濃度測(cè)試結(jié)果Table 1 The results of dust concentration test

4 結(jié) 論

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

2) 為避免沖擊風(fēng)流擊穿除塵系統(tǒng)，在溜井出口采用擴(kuò)大卸壓空間和風(fēng)流導(dǎo)流系統(tǒng)進(jìn)行卸壓，將沖擊風(fēng)速由30 m/s降低至10 m/s以內(nèi)。

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