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第 58卷 第 5期有 色 金 属矿山部分 2006年 9月 坑下矿山高溜井漏风及粉尘污染控制技术研究 李 政 安庆铜矿 摘 要 安庆铜矿井下的高溜井较多, 高度达 180m以上, 每条溜井服务多个中段, 在生产使用过程中存在漏 风、 污染问题, 为此安庆铜矿进行了高溜井漏风及粉尘污染控制技术研究, 通过研究和整治, 解决了高溜井漏风 及粉尘污染问题。 关键词 高溜井 漏风 粉尘污染 卸压 湿式净化 链板挡风板 李 政 高级工程师 安徽安庆 246131 安庆铜矿是大型铜铁采选矿山, 设计日采选能 力 3500, t 高阶段大直径深孔回采嗣后充填采矿法为 矿山的主要采矿方法, 矿山阶段高度 120m, 多数溜 井高度达 180m 以上, 在生产使用过程中存在漏风 问题, 同时高溜井卸矿和放矿过程中, 产生大量的粉 尘, 污染了井下空气, 对矿山通风造成严重影响, 为 此安庆铜矿进行了高溜井漏风及粉尘污染控制技术 研究, 通过研究和整治, 解决了高溜井漏风及粉尘污 染问题。 安庆铜矿井下的高溜井较多, 且每条溜井服务 多个中段, 各中段部分溜井口涌出风量和含尘浓度 如表 1所示。可以看出, 卸矿时溜井口不仅涌出风 量大造成漏风, 而且涌出风流中的含尘浓度较高, 涌 出的含尘风流又与上盘运输道内的新鲜风流混合进 入作业面, 造成进入作业面风流风质较差, 严重超过 风源含尘浓度 05mg/m 3的标准, 对作业面工人的身 体健康造成危害。 1 高溜井卸矿污染因素分析 地下开采矿山主溜井是矿石运输的重要渠道, 也是矿山井下主要粉尘污染源之一。溜井放矿时, 由于落矿高差较大, 矿石沿溜井加速下落, 类似于活 塞运动, 前方空气受到压缩, 产生强大冲击气流, 当 通过各中段的支岔溜井口时, 含尘浓度很高的冲击 气流瞬间大量涌出, 造成强大风暴, 可冲出几十米 远, 不仅严重污染卸矿硐室以及后巷, 而且还会污染 入风风流, 致使采场作业面风质受污染, 严重时会造 成全矿极大的粉尘危害。高溜井卸矿防尘情况复 杂, 难度较大, 与矿石的卸矿频率、 矿石降落速度、 冲 击风速以及气流扩散长度等因素有关。 表 1溜井口涌出风量和含尘浓度 平均值 中段 卸矿口粉尘浓度 mg /m3溜井口涌出风量 m3/ s 1 溜井 2溜井 3溜井 4溜井 1溜井 2溜井 3溜井 4溜井 - 280m0 . 70 . 67. 56. 3 - 340m0 . 50 . 513. 511. 7 - 385m0 . 50 . 411. 012. 9 - 400m4 . 13 . 214. 313. 8 - 460m5 . 74 . 63 . 85. 116. 615. 77 . 98 . 1 - 510m6 . 05 . 64 . 87. 115. 013. 09 . 010 . 1 - 580m7 . 26 . 82 . 54. 917. 915. 010 . 712 . 0 1卸矿频率。高溜井一般通过支岔溜井与卸 矿硐室相连通, 各中段采出的矿石经过阶段运输平 巷运至卸矿硐室, 卸入与支岔溜井相通的高溜井, 再 经有轨电车运至主井破碎硐室破碎。安庆铜矿的高 溜井服务多个中段, 每个中段高度 60m, 平均每隔 5m in就向高溜井卸一车矿, 平均每车矿石重 6t 。 2矿石降落速度。矿石在主溜井中降落时, 因受重力作用而作加速度沉降。在下降过程中, 矿 石受到空气阻力、 岩壁摩擦力和主溜井中段间因井 筒错位而引起岩壁对矿石的反冲作用力。由于矿石 所受的空气阻力较小, 可忽略其影响, 仅考虑重力和 反冲力的作用时, 则矿石下落的速度 V 与卸矿高度 H 的关系式为 V2 g- aH 1 式中, a 矿石反冲加速度, m / s 2; g 重力加速度, m / s 2。 3冲击风速。矿石在主溜井中降落时, 所产 生的冲击风压可按下式计算 h CSnV 2 /2S 2 式中, C 正面阻力系数; Sn 矿石垂直于风流方向上的投影面积, m 2; S 主溜井断面面积, m 2。 矿石所产生的冲击风压在支岔溜井口处转化为 第 5期李 政 坑下矿山高溜井漏风及粉尘污染控制技术研究43 冲击动能, 则 h U 2 /2 3 式中, 溜井口处局部阻力系数; U 溜井口处冲击风速, m /s 。 根据放矿量、 矿石松散体的密度以及由试验所 测得的 C和 g值, 由 1、 2、 3式经整理后可得 冲击风速为 U 005H /S G 1 /3 4 式中, G 卸矿量, t 。 4污染长度。向溜井中卸矿时, 由支岔溜井 口冲出的含尘气流迅速向卸矿硐室后巷扩散, 当扩 散至主要运输平巷时, 便与新鲜风流相掺混, 并随新 鲜风流一起进入各作业面。因此, 后巷的长度须大 于冲击风流的污染长度, 才能避免含尘气流不至于 扩散到运输平巷的新鲜风流中。含尘气流最大扩散 长度 L可按下式计算 L 01H GC /S 1/2 5 2 高溜井卸矿粉尘污染控制技术 多年来, 许多矿山致力于高溜井防尘技术的研 究与应用, 收到一定效果, 其主要研究结果有 密闭 抽尘、 洒水降尘、 卸压控制粉尘、 净化除尘以及卸矿 量控制等技术措施, 但不同矿山的使用条件不一样, 因而收到的效果也不一样。 21 卸压防尘技术 对于服务于多中段的卸矿溜井, 在不改变溜井 的结构及卸矿方式的前提下, 要减弱冲击风流是比 较困难的。但冲击风流是冲击溜井后才形成的, 如 果把这股风流限制在溜井内部流动, 就不会造成危 害或大大减弱危害。据此就提出利用平行溜井互为 缓冲空间的措施, 即在主溜井附近开一条与之平行 的防尘卸压井, 并隔一定距离开凿联络道, 将防尘卸 压井与主溜井贯通, 构成防尘卸压溜井系统, 其结构 如图 1所示。 卸压原理 当主溜井卸矿时, 矿石降落产生强大 的冲击风压, 在其作用下, 所产生的冲击气流分为两 路。一路由支岔溜井口涌出, 另一路经联络道、 卸压 井和主溜井构成循环风路, 在防尘卸压溜井系统内 部循环, 使支岔溜井口的冲击风速显著降低, 从而缩 短了含尘气流的污染长度, 防止或减弱冲击风流的 危害。根据并联网路分风原理, 开凿防尘卸压井后, 支岔溜井涌出的风量 Q 可用下式计算 Q Q /K 6 式中, Q 无防尘卸压井时支岔溜井口涌出的风 量, m 3 /s ; K 溜井口分风系数, K 1 Sx/S/ x; 7 Sx 循环风路的断面积, m 2; S 主溜井断面面积, m 2; x 循环风路的局部阻力系数。 则卸压后的最大污染长度为 Lm Lm 01H /KC /S G 1/3 8 图 1 防尘卸压溜井系统示意图 1 卸压井; 2 联络道; 3 卸矿硐室; 4 主溜井; 5 矿石; 6 支岔溜井。 22 湿式净化技术 为解决高溜井防尘问题, 许多矿山曾采用溜井 密闭、 喷雾洒水、 抽风排尘以及综合防尘措施等, 耗 费了大量人力和物力, 但收效甚微。为此, 东北大学 等共同研究了湿式振动纤维栅净化含尘冲击风流的 技术, 收到显著的效果。 湿式振动纤维栅除尘净化的机理主要包括 ∀ 通过惯性碰撞、 滞留, 尘粒与雾滴、 纤维或水膜发生 接触; 微小尘粒通过扩散与雾滴、 纤维相接触; ∃ 尘粒润湿后相互凝聚; 在紊流脉动风速的作用下, 迫使纤维作纵向和横向振动, 提高了尘粒与水膜、 纤 维碰撞接触的机率。 当湿式振动纤维栅除尘净化装置启动后, 由于 风机的作用, 卸矿硐室后巷产生负压, 运输平巷中的 新鲜风流进入, 后巷中的污风进入支岔溜井口, 经主 溜井、 联络道、 防尘卸压井进入净化硐室, 净化后的 风流与主石门的新鲜风流汇合。 从应用试验结果可以看出, 湿式振动纤维栅除 44 有 色 金 属矿山部分 第 58卷 尘净化装置具有 ∀ 阻力小、 过滤风速高、 净化效果 好; 该除尘净化装置结构简单、 自动清灰方便、 易 于维护管理, 适用于矿山井下溜井卸矿硐室、 破碎硐 室等的除尘, 而且性能稳定、 可靠。 23 控制冲击风流技术 2 . 3 . 1 溜井位置的选择。溜井在通风系统中所处 的位置不同, 对矿井通风的风流质量有很大影响, 当 溜井位于进风道时, 溜井冲击风流所带出的粉尘将 严重污染风源; 当溜井位于回风侧, 则对矿井的通风 影响不大。但过去常将溜井设在主要运输巷道的进 风道一恻, 使许多矿山投产后因矿尘危害而被迫进 行改造。例如有的矿山曾施行溜井与主风流之间采 用水幕装置隔离, 可是效果不好; 或用风门隔离, 这 在运输频繁的情况下, 风门也难起到隔离的作用, 反 而使该区段的运输和装卸工作复杂化, 同时还需要 开凿一个补充巷道将卸矿硐室的含尘空气引出, 这 一方法也未能很好改善卸矿硐室的劳动卫生条件, 所以溜井的位置一开始就须结合通风条件来选定。 在选择溜井位置时, 宜将溜井布置在回风侧。 如因条件限制需要将溜井设在进风巷附近时, 则应 该使溜井离开主要入风巷道的通道, 溜井口距绕道 的距离应大于冲击风流波及距离, 一般为 60 100m; 或者把溜井与主要风流隔断; 或者把污风导 人回风系统; 或者从溜井内把粉尘排至地表; 或者将 污风就地加以净化。 232 溜井结构型式的选择。合理选择溜井的结 构型式是减少和消除溜井产尘危害的重要途径。一 般有 采用斜溜井、 降低溜井高度 分段控制直溜 井、 阶段式溜井 、 合理设计溜井及溜井口的尺寸、 改变矿石流动方向等型式, 具体应根据矿山的实际 情况而定。 23 . 3 卸矿尘的控制。卸矿扬尘是坑下主要产尘 源之一, 单位时间向溜井卸矿量越大, 则矿石在溜井 断面内所占面积愈大, 产生的冲击风流和矿尘量就 越大。自卸式卸矿过程是均匀连续地卸矿, 矿石在 溜井断面内占有较小的面积, 故卸矿时的冲击风流 不大, 矿尘产生量也不高。翻笼卸矿则是不均匀和 断续性的, 一次卸矿量比较大, 且矿石涌入溜井并几 乎占据其整个断面, 故易形成强大的冲击风流, 带出 大量粉尘。前倾式和人工侧卸式卸矿, 通常在生产 能力不大的中段采用, 故一次卸矿量小, 产生的冲击 风流小, 矿尘浓度一般不高。根据矿车容积及卸矿 方式, 分别采用限制卸矿量的措施, 即减少一次连续 卸矿量或延长一次卸矿时间。实行卸矿作业自动化 和远距离控制可以减少和避免含尘空气对作业人员 的危害。采用多中段分支共用的溜井时, 应在各个 水平安设信号装置, 使上下卸矿口不同时向溜井中 卸矿, 尽量避免和减少冲击风流的互相迭加。 2 . 3 . 4 采用防尘和排尘措施。通过采取溜井口密 闭、 卸矿地点密闭抽尘、 装矿闸门操作室单独密闭、 非生产巷道封闭等措施密闭尘源, 以及采用在溜井 通道循环降尘和用专用回风道排尘等措施控制粉 尘, 从而达到较好的防尘效果。 图 2 高溜井结构示意图 3 溜井口漏风与粉尘污染的控制 3 . 1 技术方案 安庆铜矿的矿石和废石溜井基本上都是单一溜 井 图 2, 且数量较多, 并都已开拓完成, 因此重新 掘卸压井以形成防尘和减弱冲击风流的卸压系统不 仅掘进工程量大, 而且不适合安庆铜矿采矿工艺, 也 难以收到良好效果; 另外, 由于井下采用铲运机出 矿, 在溜井口采取密闭和喷雾洒水方法也不适合; 而 VCR法强化开采工艺又决定不宜采用控制卸矿量 和降低卸矿高度的技术措施。针对安庆铜矿的实际 情况, 拟定在高溜井的支岔溜井中安装链板式挡风 板控制漏风和粉尘污染, 并选择在 4 溜井 - 510m 溜 井口进行试验研究。 32 链板挡风板的设计 考虑到卸矿量、 卸矿时的冲击力、 上部溜井口的 卸矿作业、 维护量小、 检修方便、 使用寿命长以及卸矿 作业的不定期性, 将挡风板设计成链板式, 在竖直方 向分成 2段, 上长下短, 之间用圆钢连接, 可转动, 以 减少挡风板上部悬挂端的摩擦, 延长使用寿命; 在水 平方向分成 4块, 每块宽度 750 mm, 块与块之间间隙 第 5期李 政 坑下矿山高溜井漏风及粉尘污染控制技术研究45 50mm, 其安装示意和挡风板结构如图 3和图 4所示。 技术特点 1挡风板分成 4块, 避免因放矿量少而难以 冲开挡板的情况发生。 2挡风板分成 2段, 减小冲开挡板所需要的 冲击力, 避免矿石局部堵塞。 3挡风板分成 2段, 减少上部悬挂端的摩擦, 延长挡风板的使用寿命。 4挡风板背后用钢丝绳悬挂在岩石内的锚杠 上, 避免挡风板掉进主溜井内。 5挡风板与岩石壁之间靠挡风板的自重尽可 能紧密结合, 减少漏风量。 6挡风板分成 8片, 便于加工和安装, 更换也 容易。 图 3 挡风板安装示意图 33 现场应用与分析 安装链板式挡风板时对原已经形成的溜井结构 未作大的改动, 只进行安装所 需要的处理, 并在安 装前后对溜井口冲击风流和含尘浓度在不同状态下 进行测定, 测定的状态分为 A、 B、 C、 D、 E、 F6种。测 定结果如表 2所示。 A - 460m卸矿, - 510m、 - 580m不卸矿。 B- 460 m卸矿, - 510 m不卸矿, - 580 m卸矿。 C - 460m、 - 510m卸矿, - 580m 不卸矿。 D - 460m不卸矿, - 510m、 - 580m卸矿。 E - 460m、 - 510m 不卸矿, - 580m 卸矿。 F - 460m、 - 510m、 - 580不卸矿。 图 4 挡风板结构示意图 表 2 安装挡风板前后溜井口冲击风流与含尘浓度 作业状态 冲击风流 m3/s含尘浓度 mg /m3 安装前安装后安装前安装后 A6 . 91. 14. 10 . 6 B10 . 11. 57. 11 . 0 C5 . 40. 85. 50 . 7 D4 . 80. 63. 10 . 6 E4 . 00. 52. 20 . 4 F3 . 80. 40. 60 . 3 4 结论 1在溜井口安装链板式挡风板, 有效减少溜 井口的冲击风流, 漏风率仅为 10 15 , 控制漏 风的效果显著。 2挡风板可以有效降低漏风风流的含尘浓度, 改 善井下的作业环境, 保护作业人员的身体健康。 3挡风板设计独特, 多片结构为其安装和维 护提供便利。 4高溜井漏风和粉尘的危害在地下开采的矿 山普遍存在, 链板式挡风板的研究应用成功, 为其在 矿山的推广应用提供了经验, 具有广阔的应用前景。