高深直溜井卸礦口產塵規律及防治技術研究

鄒常富 周東良 許圣東 于兆清 張富興

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037；2.招金礦業股份有限公司，山東招遠265400）

溜井轉運礦石是金屬礦山開采工藝常見環節之一。高深直溜井因溜井卸礦深度大而在卸礦過程中形成強大的沖擊風流，急劇壓縮的空氣在卸礦口形成較大的誘導風流，造成卸礦口風流出現異于常規通風現狀的現象。同時卸礦后卸礦口粉塵逸散較快且濃度較大，隨風流污染整個運輸巷道，而卸礦口在卸礦后形成的逸散粉塵持續時間久，治理難度大，是非煤礦山開采過程中的一大難題。本文結合夏甸金礦高深直溜井產塵規律，研究高深直溜井卸礦口的粉塵防治技術，為高深直溜井卸礦口粉塵治理提供參考依據［1-3］。

1 高深直溜井卸礦口概況

招金礦業股份有限公司夏甸金礦-780 m水平設置有1條連通-1 020 m水平的卸礦主溜井，溜井深240 m，溜井直徑為2.7 m，巷道高4.5 m，溜井卸礦口格篩尺寸為3.7 m×3.7 m，礦石通過礦車從-780 m水平的卸礦口向溜井中卸礦，每次卸礦量在1 t左右，礦石沿溜井直接卸落至-1 020 m水平礦倉內，溜井內未設置其他支岔溜井，且-1 020 m水平氣壓高于-780 m水平。溜井左側連通-780 m水平運輸大巷，溜井右側為獨頭巷道，巷道內風流在壓差的作用下沿獨頭巷道向運輸大巷擴散。-780 m水平高深直溜井卸礦口如圖1所示。

2 高深直溜井卸礦口產塵規律

2.1 含塵氣流時空演化規律

礦車通過-780 m水平卸礦口向溜井內卸礦時，礦石沿溜井迅速向溜井底部自由落體運動，高速運動的礦石壓縮溜井內的空氣形成類似于活塞推動過程［4-6］，將溜井內的空氣向-1 020 m水平礦倉推動。由于礦石在溜井內逐步下落，礦石下方的空氣被壓縮向下運動，礦石上方形成負壓腔，-780 m水平卸礦口的空氣迅速向溜井內補充，在溜井卸礦口附近的空氣被卷吸進入溜井內，形成較大的誘導氣流，氣流運動規律如圖2所示。

礦車卸礦后，礦石自由落體運動結束，礦石由于誘導風流的沖擊作用、礦石與溜井壁的剪切作用以及礦石的塵化作用等在溜井下部產生大量的粉塵，卸礦后由于-1 020 m水平的空氣壓力大于-780 m水平，含塵氣流沿溜井向-780 m水平緩慢擴散。礦車卸礦5 min后，含塵氣流逐步從-780 m水平溜井卸礦口向巷道擴散，其中，一部分含塵氣流向溜井左側方向擴散，一部分含塵氣流向溜井右側方向擴散，向右側方向擴散的含塵氣流運動一段距離后由于獨頭巷道形成的空氣壓差致使含塵氣流在溜井右側5 m左右的位置形成渦流，循環向溜井左側擴散。隨著時間的推移，粉塵逐步累積，并沿溜井左側方向彌漫擴散，對-780 m水平運輸巷道造成嚴重污染。含塵氣流從溜井卸礦口逸出規律如圖3所示。

2.2 卸礦口產塵能力

高深直溜井卸礦口礦車卸料瞬間，卸礦口周圍的含塵氣流被卷吸至溜井內，通過粉塵濃度測試，卸礦后卸礦口粉塵濃度為8 mg/m3，空氣為新鮮風流，而卸礦5 min后，含塵氣流沿卸礦口外逸，粉塵濃度迅速增大，通過粉塵濃度測試，卸礦后5 min左右卸礦口總粉塵濃度為49.7 mg/m3，隨時間推移，粉塵逐步累積，在卸礦10 min后，溜井卸礦口外逸粉塵濃度達到最大值為430 mg/m3，當第二輛礦車向溜井內卸礦時，溜井卸礦口含塵氣流再次被卷吸進入溜井，卸礦的瞬間，溜井口粉塵濃度迅速降低，待卸礦5 min后又逐步增大，往復循環。卸礦口產塵規律如圖4所示。

針對卸礦口外逸擴散的粉塵進行粒度分布測試，測試結果表明，10μm粒徑以上的粉塵占比為7%，而粒徑在10μm以下的粉塵占比93%，主要是由于含塵氣流隨礦石在溜井內壓縮空氣運動至溜井底部后緩慢上升擴散至卸礦口，大顆粒的粉塵均已沉降，剩余的粉塵均為難沉降的微細浮游粉塵，其呼吸性粉塵占比大，粉塵浮游時間久不易沉降，對人體傷害極大。

3 高深直溜井卸礦口粉塵防治

3.1 粉塵治理措施

根據高深直溜井卸礦口的產塵規律以及含塵氣流的時空演化規律可以看出，卸礦口的粉塵治理不像其他固定塵源點或者產塵方向固定化的塵源點防治那么簡單，高深直溜井的粉塵防治需要結合溜井本身的特性以及產塵規律［7-10］。由于高深直溜井長度較大，卸礦沖擊速率非常高，一般的水霧與粉塵作用有效時間較短，達不到防塵效果［11-13］，且卸礦后從卸礦口逸出的粉塵基本為呼吸性粉塵，一般的噴霧無法有效沉降，同時，礦石的含泥量較高，溜井內水量過多時，易粘結堵塞溜井，因此，設計采用高效濕式除塵器抽塵凈化的措施進行治理。

針對溜井卸礦口的尺寸面積，計算需風量為300 m3/min，考慮漏風系數和系統阻力，預留富裕系數取1.5，選擇KCS-550D-I型礦用濕式過濾除塵器，其最大處理風量達550 m3/min，工作阻力為1 100 Pa，能滿足收塵、除塵要求。

基于現場的通風條件、除塵器處理風量、巷道尺寸、溜井卸礦口含塵氣流時空演化規律，采用fluent軟件進行模擬分析，采用除塵器進行抽塵凈化時，其含塵氣流運動規律如圖5所示。由于除塵器后端為獨頭巷道，除塵器處理后的風流對獨頭巷道內的空氣造成壓縮，從而產生與除塵器吸風相反方向的風流，導致含塵氣流無法有效地被除塵器吸入，在除塵器吸塵口處僅能吸入40%左右的粉塵，而60%的粉塵隨風流向下風流方向擴散，因此，必須對卸礦口進行有效密閉，避免風流對卸礦口逸散的粉塵造成擾動。

對卸礦口三面進行密閉，僅敞開礦車卸礦一側，含塵氣流運動規律如圖6所示。對溜井卸礦口進行有效密閉后，卸礦口逸散的粉塵在卸礦口密閉罩內形成渦流，不向外擴散，能夠較好地被除塵器吸入凈化。因此，除礦車卸礦面外其余平面均采用鋼性密閉罩進行密閉，礦車卸礦面采用擋塵簾進行半密閉，實現密閉抽塵。

除塵系統布置如圖7所示。

3.2 治理效果考察

考察高深直溜井卸礦口粉塵治理效果時，沿風流方向設置3個測點，即在礦車卸礦處設置1個測點，沿著擴散方向間隔5 m分別設置2個測點，測塵點位置如圖8所示。

采用慮膜質量法分別測試除塵器抽塵凈化系統未開啟時的粉塵濃度和除塵器抽塵凈化系統開啟后的粉塵濃度，并按照下式計算降塵效率［14-15］：

式中，η為降塵效率，%；C2為采取措施前粉塵濃度，mg/m3；C1為采取措施后粉塵濃度，mg/m3。

現場粉塵濃度測試結果如表1所示。

根據測試結果，采用密閉抽塵凈化降塵措施后，高深直溜井卸礦口逸散的粉塵能夠被有效地吸入除塵器內進行凈化，吸塵凈化效率達到了97.9%，治理后風流中的粉塵降低至8.7 mg/m3以下，有效地解決了該礦高深直溜井卸礦口粉塵逸散污染問題。

4 結論

基于夏甸金礦高深直溜井卸礦口的現場條件，分析了高深直溜井卸礦口的產塵規律，提出了密閉抽塵凈化的治理措施，并在現場應用效果顯著，得出如下結論：

（1）高深直溜井卸礦過程中表現出活塞推進運動，在卸礦口形成誘導風流，卸礦口附近的空氣被卷吸進入溜井內；卸礦5 min后，卸礦口沿溜井返程含塵氣流逸散污染嚴重，最高濃度達430 mg/m3。

（2）卸礦口逸散含塵氣流中，10μm粒徑以上的粉塵占比為7%，而粒徑在10μm以下的粉塵占比93%，呼吸性粉塵占比非常高，不易沉降，對人體傷害極大。

（3）基于高深直溜井的通風條件、卸礦口尺寸、含塵氣流時空演化規律，采用fluent軟件模擬對比分析了抽塵密閉前后的含塵氣流運動軌跡，提出了密閉抽塵凈化的治理措施，降塵效率達97%以上，有效解決了該礦高深直溜井卸礦口粉塵逸散污染問題。