金屬礦山掘進(jìn)巷道新型通風(fēng)除塵系統(tǒng)研究與應(yīng)用*

李 剛，王運(yùn)敏，金龍哲

(1.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； 2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，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； 4.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京，100083)

0 引言

隨著掘進(jìn)巷道開采強(qiáng)度和機(jī)械化程度的不斷提高，使得礦山在提高生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)效率的同時，產(chǎn)生了大量的粉塵，導(dǎo)致掘進(jìn)巷道中粉塵濃度不斷增加，因此，掘進(jìn)巷道是礦山井下最主要的產(chǎn)塵塵源之一[1-2]。高濃度的粉塵對作業(yè)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，可能帶來一系列的生產(chǎn)安全問題，作業(yè)人員吸入高濃度的粉塵，可能引發(fā)塵肺等職業(yè)病[3-5]。同時，井下粉塵如果得不到有效的防治，會隨礦井通風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)風(fēng)流排入大氣，進(jìn)一步造成大氣污染。目前，我國金屬礦山大多為深井開采，隨著開采深度的增加，井下粉塵污染問題更加嚴(yán)重。實(shí)踐表明，通風(fēng)除塵是控制和降低掘進(jìn)巷道粉塵濃度最有效的技術(shù)措施[6-8]。當(dāng)前，我國金屬礦山常采用局部通風(fēng)系統(tǒng)來控制掘進(jìn)巷道的粉塵，在與主巷道相接的掘進(jìn)巷道的進(jìn)口處設(shè)置局部通風(fēng)機(jī)，通過局部通風(fēng)機(jī)對掘進(jìn)面送風(fēng)，從而保證掘進(jìn)面空氣的新鮮，來保證工人的生命安全的身心健康[9-11]。

20世紀(jì)以來，隨著各國經(jīng)濟(jì)、科技的進(jìn)步和發(fā)展，礦井通風(fēng)理論與技術(shù)得到了迅速發(fā)展，且工程應(yīng)用效果顯著，極大地改善了礦山井下的通風(fēng)條件[12-15]。雖然近幾年來通風(fēng)設(shè)備不斷改進(jìn)，但井下通風(fēng)除塵效果并沒有取得長足的進(jìn)步。主要原因是現(xiàn)有的井下通風(fēng)技術(shù)，只是單純的設(shè)置通風(fēng)機(jī)，無論什么時候都是全頻啟動和運(yùn)行，這樣造成了運(yùn)行效率低和能耗增加的問題。同時，井下掘進(jìn)巷道通風(fēng)僅考慮掘進(jìn)工作面的粉塵控制，并沒有考慮粉塵的凈化問題，這樣產(chǎn)生的粉塵隨著礦井通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)回風(fēng)井排放到大氣中，污染礦區(qū)周邊環(huán)境，危害礦區(qū)居民健康安全。

在此背景下，非常有必要深入開展掘進(jìn)巷道通風(fēng)除塵技術(shù)研究，為金屬礦山井下通風(fēng)除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供技術(shù)支撐，同時解決礦山周邊大氣環(huán)境污染問題。本文針對現(xiàn)有井下掘進(jìn)巷道的通風(fēng)效果不佳以及未從根本上對掘進(jìn)工作面產(chǎn)生的粉塵進(jìn)行凈化的技術(shù)難題，開發(fā)研制了1種金屬礦山掘進(jìn)巷道新型通風(fēng)除塵系統(tǒng)。

1 掘進(jìn)巷道的通風(fēng)系統(tǒng)

局部通風(fēng)是我國金屬礦山廣泛使用的1種掘進(jìn)巷道和工作面的通風(fēng)方法，是指利用局部通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓把新鮮的風(fēng)流送入掘進(jìn)巷道和工作面進(jìn)行通風(fēng)的方法。按照通風(fēng)機(jī)的工作方式，將掘進(jìn)巷道的局部通風(fēng)分為壓入式、抽出式和混合式3種方法。

壓入式通風(fēng)方法要求局部通風(fēng)機(jī)和啟動裝置布置在進(jìn)風(fēng)側(cè)的新鮮風(fēng)流中，且局部通風(fēng)機(jī)的入口與掘進(jìn)巷道的距離應(yīng)大于10 m，一般適用于短距離的掘進(jìn)巷道通風(fēng)；抽出式通風(fēng)方法要求局部通風(fēng)機(jī)布置在回風(fēng)側(cè)，且與掘進(jìn)巷道口的距離大于10 m，抽出式通風(fēng)的通風(fēng)時間主要集中掘進(jìn)工作面，一般適用于長距離的掘進(jìn)巷道通風(fēng)；混合式通風(fēng)方法同時具備了壓入式通風(fēng)和抽出式通風(fēng)的各自優(yōu)點(diǎn)，通風(fēng)效果顯著，一般適用于長距離、大斷面的掘進(jìn)巷道通風(fēng)；混合式通風(fēng)主要又包括長抽短壓式通風(fēng)和長壓短抽式通風(fēng)2種方法。

由于混合式通風(fēng)方法兼具了壓入式和抽出式通風(fēng)2種方法的優(yōu)點(diǎn)，目前金屬礦掘進(jìn)巷道通風(fēng)常采用混合式通風(fēng)方法。然而傳統(tǒng)的混合式通風(fēng)系統(tǒng)雖然通過通風(fēng)排塵技術(shù)手段使掘進(jìn)巷道和工作面的粉塵得到了控制，但并未從源頭上有效凈化粉塵，沒有徹底解決井下粉塵的污染問題。

2 新型通風(fēng)除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對現(xiàn)有局部通風(fēng)系統(tǒng)在金屬礦掘進(jìn)巷道應(yīng)用存在上述局限性問題，研究開發(fā)了1種操作簡單、運(yùn)行可靠、實(shí)用性強(qiáng)的掘進(jìn)巷道新型通風(fēng)除塵系統(tǒng)裝置。該系統(tǒng)是由風(fēng)機(jī)、變頻調(diào)速裝置、風(fēng)筒、濕式除塵風(fēng)機(jī)、煙塵傳感器共同組成,特別適用于大斷面、長距離的掘進(jìn)巷道的粉塵治理。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.風(fēng)機(jī)；2.變頻調(diào)速裝置；3.壓風(fēng)筒；4.彎頭；5.抽風(fēng)筒；6.三通；7.出風(fēng)筒；8.濕式除塵風(fēng)機(jī)；9.煙塵傳感器。圖1 掘進(jìn)巷道新型通風(fēng)除塵裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural sketch of a new ventilation and dust removal device in tunneling roadway

由圖1可以看出，風(fēng)機(jī)設(shè)置于橫巷中，風(fēng)機(jī)出口與壓風(fēng)筒采用法蘭連接，壓風(fēng)筒吊掛在巷道中心位置的頂部；在掘進(jìn)巷道兩側(cè)壁面對稱吊掛布置1對抽風(fēng)筒，每條抽風(fēng)筒斷面面積為壓風(fēng)筒斷面面積的一半，抽風(fēng)筒布置高度約1.5 m，掘進(jìn)巷道中的煙塵傳感器安裝于巷道側(cè)壁且高度約為1.5 m，距離抽風(fēng)筒前端進(jìn)風(fēng)口的軸向距離為1～2 m；2條抽風(fēng)筒通過三通匯合于1個出風(fēng)筒，并與濕式除塵風(fēng)機(jī)采用法蘭連接；風(fēng)機(jī)設(shè)置于橫巷風(fēng)流的上風(fēng)側(cè)，濕式除塵風(fēng)機(jī)設(shè)置于橫巷風(fēng)流的下風(fēng)側(cè)，在風(fēng)機(jī)和濕式除塵風(fēng)機(jī)內(nèi)均設(shè)置有變頻調(diào)速裝置。

2.2 通風(fēng)除塵工作原理

橫巷上風(fēng)側(cè)中的新鮮風(fēng)流通過壓風(fēng)筒送入掘進(jìn)工作面，由于壓風(fēng)筒布置在掘進(jìn)巷道頂部的中心位置，新鮮風(fēng)流由壓風(fēng)筒出口流出后在動能和重力勢能的作用下，沿著前方左右方向向下流經(jīng)掘進(jìn)工作面清除粉塵，含塵氣流隨后進(jìn)入布置于掘進(jìn)巷道兩側(cè)壁面的抽風(fēng)筒，2條抽風(fēng)筒中的含塵氣流通過三通匯集于出風(fēng)筒，最后經(jīng)過濕式除塵風(fēng)機(jī)凈化后排入橫巷下風(fēng)側(cè)。

煙塵傳感器連接到風(fēng)機(jī)和濕式除塵風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速裝置，變頻調(diào)速裝置連有專用電源，依據(jù)煙塵傳感器檢測到的掘進(jìn)工作面的粉塵濃度，變頻調(diào)速裝置根據(jù)粉塵濃度的大小自動調(diào)節(jié)風(fēng)量。具體為煙塵傳感器所檢測的粉塵濃度變小，則控制風(fēng)機(jī)和濕式除塵風(fēng)機(jī)減速；若煙塵傳感器所檢測的粉塵濃度變大，則控制風(fēng)機(jī)和濕式除塵風(fēng)機(jī)增速，從而避免掘進(jìn)工作面粉塵濃度超限。變頻調(diào)速裝置以確保掘進(jìn)工作面有充足的新鮮風(fēng)流和粉塵濃度不超過規(guī)定的安全值為條件，依據(jù)粉塵濃度的變化，控制風(fēng)機(jī)和濕式除塵風(fēng)機(jī)的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)按需通風(fēng)和除塵。

煙塵傳感器可以隨著工作面的前進(jìn)而移動，整個通風(fēng)除塵系統(tǒng)裝置僅需適當(dāng)加長壓風(fēng)筒和抽風(fēng)筒的長度滿足送風(fēng)和抽風(fēng)的要求，壓風(fēng)筒和抽風(fēng)筒長度增加造成的系統(tǒng)阻力增大可以通過變頻調(diào)速裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)來滿足系統(tǒng)壓頭的需要。

由于粉塵是隨著風(fēng)流擴(kuò)散的，壓風(fēng)筒風(fēng)流以一定速度射向掘進(jìn)面，風(fēng)流在掘進(jìn)面附近不斷向下流動。當(dāng)風(fēng)流達(dá)到掘進(jìn)面附近時，風(fēng)流攜帶粉塵經(jīng)抽風(fēng)筒排出掘進(jìn)巷道。傳統(tǒng)的長壓短抽局部通風(fēng)系統(tǒng)是將壓風(fēng)筒和抽風(fēng)筒分別布置在巷道的兩側(cè)壁面，本文研究的掘進(jìn)巷道通風(fēng)除塵系統(tǒng)裝置將壓風(fēng)筒布置在掘進(jìn)巷道頂部的中心位置，掘進(jìn)巷道兩側(cè)壁面1.5 m高度處各布置1條抽風(fēng)筒，與傳統(tǒng)的長壓短抽局部通風(fēng)系統(tǒng)相比，壓風(fēng)筒流出的氣流自由射流進(jìn)入掘進(jìn)工作面區(qū)域，不存在與掘進(jìn)巷道壁面的貼附壁射流阻力，減少了通風(fēng)系統(tǒng)阻力損失；同時，掘進(jìn)巷道兩側(cè)壁面布置的抽風(fēng)筒，使得攜帶粉塵的氣流在掘進(jìn)巷道內(nèi)保持了風(fēng)流的均衡分布，保證了從掘進(jìn)工作面將含塵的氣流在沒有不利的渦流或其他影響的情況下可靠地引入到抽風(fēng)筒中，進(jìn)而引入到濕式除塵風(fēng)機(jī)中進(jìn)行凈化處理。

人的呼吸帶高度大約為1.5 m，該新型裝置將流過掘進(jìn)面的風(fēng)流位置控制在1.5 m之下，能夠很好地保護(hù)工作人員的健康。

3 應(yīng)用效果

銅陵有色銅山銅礦位于安徽省銅陵市郊區(qū)銅山鎮(zhèn)，礦山采用地下開采方式。該礦-613 m中段9號穿脈掘進(jìn)巷道斷面為三心拱形狀，經(jīng)現(xiàn)場測量，巷道斷面尺寸為3.688 m×2.5 m(寬×高)，巷道總長度約50 m，采用長壓短抽混合式通風(fēng)系統(tǒng)。現(xiàn)場調(diào)查得知，雖然長壓短抽混合式通風(fēng)系統(tǒng)對掘進(jìn)工作面的產(chǎn)塵治理效果較好，但是在距離掘進(jìn)面不遠(yuǎn)處會出現(xiàn)1個小范圍的渦流區(qū)，該區(qū)域粉塵濃度非常高，在氣流的擾動下，導(dǎo)致掘進(jìn)巷道粉塵濃度較高。針對銅陵有色銅山銅礦掘進(jìn)作業(yè)的實(shí)際產(chǎn)塵狀況，為有效治理巷道及工作面粉塵，同時減少成本投入，在原有長壓短抽混合式通風(fēng)除塵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

將本文研究的掘進(jìn)巷道新型通風(fēng)除塵系統(tǒng)應(yīng)用于銅陵有色銅山銅礦-613 m中段9號穿脈掘進(jìn)巷道，對風(fēng)筒的位置和數(shù)量進(jìn)行改造，增加濕式除塵風(fēng)機(jī)和監(jiān)控系統(tǒng)。在安裝過程中確保風(fēng)筒與各設(shè)備之間均完好連接，避免系統(tǒng)運(yùn)行時產(chǎn)生漏風(fēng)現(xiàn)象，影響通風(fēng)除塵效率。通風(fēng)除塵系統(tǒng)改造運(yùn)行后，設(shè)備運(yùn)行正常。現(xiàn)場檢測顯示，通風(fēng)除塵系統(tǒng)粉塵凈化效果顯著，掘進(jìn)巷道及工作面的粉塵濃度大大降低，作業(yè)環(huán)境得到極大改善，同時該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)按需通風(fēng)除塵，凈化后的風(fēng)流可以循環(huán)利用，系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，取得了很好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 通風(fēng)方案優(yōu)化

對銅陵有色銅山銅礦-613 m中段9號穿脈掘進(jìn)巷道原有長壓短抽混合式通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地測量，測得風(fēng)筒直徑為0.5 m，風(fēng)筒中心到地面的垂直高度為2.5 m，壓風(fēng)筒出口與掘進(jìn)工作面距離約10 m，抽風(fēng)筒入口與掘進(jìn)工作面距離約20 m，壓風(fēng)筒和抽風(fēng)筒風(fēng)量約4.5 m3/s。局部通風(fēng)系統(tǒng)局扇風(fēng)機(jī)選用1臺JK40-1NO5.5風(fēng)機(jī)，功率為5.5 kW。

本次通風(fēng)除塵方案優(yōu)化在原有長壓短抽混合式通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量和局扇風(fēng)機(jī)不變的基礎(chǔ)上，改變原有壓風(fēng)筒的位置，拆除原有抽風(fēng)筒，設(shè)置2條直徑約為0.35 m的抽風(fēng)筒，壓風(fēng)筒和抽風(fēng)筒與掘進(jìn)工作面距離仍保持不變，同時增設(shè)濕式除塵凈化系統(tǒng)，具體布置位置情況見圖1。

3.2 粉塵檢測點(diǎn)布置

為了分析掘進(jìn)巷道新型通風(fēng)除塵系統(tǒng)的應(yīng)用效果，選擇掘進(jìn)巷道和工作面的呼吸帶高度(1.5 m處)的平面布置測點(diǎn)，由于該通風(fēng)除塵系統(tǒng)的抽風(fēng)筒布置在掘進(jìn)巷道的兩側(cè)，因此在掘進(jìn)巷道內(nèi)中心線呼吸帶高度布置1組測點(diǎn)，第1個測點(diǎn)距離掘進(jìn)工作面1 m，后面每隔5 m布置1個測點(diǎn)進(jìn)行粉塵濃度測量，共布置9個檢測點(diǎn)，采樣儀器采用IFC-2防爆型粉塵采樣儀。

3.3 粉塵檢測結(jié)果分析

對應(yīng)用新型通風(fēng)除塵系統(tǒng)前后掘進(jìn)巷道相同作業(yè)條件下的各采樣點(diǎn)的粉塵濃度分別進(jìn)行采樣、檢測，檢測結(jié)果見表1。

表1 掘進(jìn)巷道粉塵濃度檢測結(jié)果Table 1 Test results of dust concentration in tunneling roadway

由表1可以看出，粉塵濃度整體上隨著與掘進(jìn)面距離的增加先降低，隨后沿程濃度提高，然后再迅速降低直至趨于穩(wěn)定。應(yīng)用掘進(jìn)巷道新型通風(fēng)除塵系統(tǒng)后，銅陵有色銅山銅礦掘進(jìn)巷道的粉塵濃度由改造前的31.5～222.5 mg/m3，降低至2.5～12.7 mg/m3，粉塵濃度明顯降低，除塵效率達(dá)到91%以上，說明通風(fēng)除塵系統(tǒng)改造后，掘進(jìn)巷道的粉塵濃度大幅度降低，極大地改善了掘進(jìn)工作面的作業(yè)環(huán)境。

同時對濕式除塵風(fēng)機(jī)的出口的粉塵濃度進(jìn)行測定后，其粉塵濃度在2～7 mg/m3之間，說明凈化后的氣流完全可以進(jìn)入井下通風(fēng)系統(tǒng)循環(huán)通風(fēng)，有效地提高了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)流利用率。

4 結(jié)論

1)掘進(jìn)巷道采用新型通風(fēng)除塵系統(tǒng)后，掘進(jìn)巷道和工作面的粉塵濃度大大降低，粉塵濃度能夠控制在12.7 mg/m3以下，掘進(jìn)巷道粉塵除塵效率大于91%。

2)新型通風(fēng)除塵系統(tǒng)能夠有效地控制掘進(jìn)工作面和巷道中的粉塵，并能把抽風(fēng)筒抽吸的含塵氣流通過濕式除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行凈化處理，達(dá)到了徹底解決掘進(jìn)工作面粉塵污染的難題。

3)經(jīng)測試濕式除塵風(fēng)機(jī)裝置出口粉塵濃度，凈化后的氣流含塵濃度非常低，可以作為井下通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)風(fēng)流，有效地提高了礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流利用率。