高深直溜井冲击产尘治理技术研究

2020-12-23邹常富

中国矿业 2020年12期

邹常富

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

溜井转运矿石是金属矿山地下开采常见的生产工艺之一，随着开采深度的逐渐增加，单中段溜井转运开始向多中段转运发展，同时，溜井深度由十几米逐渐增加至几百米，高深溜井卸矿产生的冲击风速高、穿透性强，冲击产尘浓度大，随风流扩散速度快、距离远，严重污染溜井下部的作业巷道，对生产设备和作业人员身体健康都有较大影响[1-3]，高深溜井冲击粉尘治理成为了金属矿山开采过程中的一大难题。为了解决溜井冲击产尘问题，本文围绕冲击产尘规律和冲击力进行了大量的研究，并结合夏甸金矿生产实际，提出了一套适用于高深直溜井冲击产尘的治理措施，为金属矿山高深直溜井粉尘治理提供参考依据。

1 高深直溜井情况

夏甸金矿主溜井深240 m，溜井卸矿口位于-780 m水平，溜井底部矿仓位于-1 050 m水平，矿仓底部除放矿外均关闭，溜井下开口位于-1 020 m，溜井除上卸矿口和下开口外，其他分层均无连通口，属于高深直溜井。溜井直径为4 m，溜井所在巷道宽8 m，高6 m，溜井一侧为运输主巷道，另一侧为独头巷道，巷道内正常风速为0.5 m/s。溜井卸矿作业为矿车运输卸矿，矿车将矿石直接倾倒至溜井内，矿石受自重作用沿溜井直接落入底部矿仓，卸矿过程中产生较大的冲击力和冲击气流。高深直溜井如图1所示。

2 冲击产尘规律

2.1 冲击气流运移规律

由于溜井深240 m，卸矿时冲击风速较高，因此采用数值模拟计算分析冲击气流运移规律。以夏甸金矿现场条件为依据，按照相似原则建立数值模型，将矿体视为一个整体，在下落的过程中不发生分离，溜井网格划分如图2所示[4-6]。

将溜井口设置为压力入口，将溜井出口支巷设置为压力出口，其他设置为壁面。因矿体下落过程其速度随时间变化，故选择瞬态计算方式，通过模拟计算得出不同时刻溜井内空气的压力与速度分布情况如图3所示。

由图3可知，溜井卸矿作业后，矿石在溜井内下落过程中，矿石上方形成了一段负压，主要是由于矿石下落时对溜井内的空气进行压缩，瞬间形成负压，对比不同时间溜井内空气压力的变化可知，矿石运动时间越长对溜井底部产生的空气压力越大，随着矿石不断落入底部，气压逐渐减小。对比不同时间的风速可以看出，矿石下落压缩空气形成冲击风流，

且随矿石速度的增大而增大，并在溜井中上部，由于矿石碰撞作用产生局部涡流，待矿石到达中下部后，矿石下落分布较均匀，不产生气流的局部循环，较大风速主要集中在溜井出口处，溜井出口处的瞬时风速如图4所示。

图1 高深直溜井概况Fig.1 The overview of high and deep straight well

图2 高深直溜井网格模型Fig.2 The grid model of high-deep straight well

图3 溜井内空气压力及速度分布图Fig.3 The air pressure and velocity distribution in the chute

由图4可知，溜井口开始卸矿时，溜井出口风速较小，还未形成冲击风流，但经过3 s左右的时间后，冲击风流风速增加至10 m/s以上，随着矿石在溜井内下落速度增加，风速也急剧增大，瞬间最大风速可达30～50 m/s，在-1 020 m水平产生冲击风暴。

现场卸矿过程中，考虑到人员安全，在-1 020 m水平出口5 m位置处通过风表进行现场测试，测试出卸矿后风速最大值达到35 m/s左右，与模拟数据相差不大，即卸矿后风速峰值较大，因此，在采取降尘措施时，应当充分考虑冲击风暴对防尘措施的击穿问题。

2.2 产尘规律

通过现场实测粉尘浓度来研究卸矿的产尘规律，但由于受到现场生产条件和安全条件制约，无法测试卸矿口的浓度，仅将测点均匀布置于溜井出口联巷内1～10 m区域，每半米设置一个测点。通过现场测试，溜井卸矿产生的粉尘浓度呈λ型分布，即卸矿后粉尘浓度急剧增加，粉尘浓度达到最大值，卸矿后冲击风流过后，巷道风速恢复正常，粉尘浓度趋于平缓。2 m位置处测点的粉尘浓度分布曲线如图5所示。

图4 冲击气流瞬时速度Fig.4 The instantaneous speed of impinging airflow

图5 粉尘浓度分布曲线图Fig.5 The distribution curve of dust concentration

由图5可知，溜井卸矿形成冲击风流，产生的冲击粉尘浓度极大，瞬间浓度最大值高达650 mg/m3，冲击压力释放后，巷道内风速恢复正常，粉尘沿溜井口向外缓慢溢出，巷道内粉尘浓度趋于平稳，浓度维持在100 mg/m3以上。对比所有测点的粉尘浓度测试结果进行统计分析得出，粉尘浓度峰值出现在溜井出口联巷内2 m范围左右，主要是由于冲击风流对溜井下口联巷沉积粉尘的扰动，造成二次扬尘污染，二次扬尘与溜井内的粉尘叠加，导致粉尘浓度增加出现峰值，随着风流向外扩散，大颗粒粉尘沉降，粉尘浓度又逐渐降低，最终趋于平稳。通过对粉尘粒径进行分析，其平均粒径D50为150 μm，平均粒径较大，主要是由于卸矿瞬间高风速风流中夹杂着较多的大颗粒粉尘，随风流运移距离较远难以沉降引起的。

3 冲击产尘治理

3.1 冲击产尘治理措施

基于冲击产尘规律的分析，由于冲击风速较大，采用喷雾降尘措施时，高速含尘气流极易穿透雾化屏障，治理效果不佳，因此，针对冲击产尘，宜采用高效除尘器的抽尘净化措施进行治理[7-10]。但采用除尘器进行密闭抽尘时，巷道密闭条件下不利于冲击卸压，且高深直溜井产生的冲击风流风速值高达30～50 m/s，风速值远远大于除尘器的过滤风速，根据除尘器性能试验研究可知，当除尘器内部过滤风速过大时，其除尘效率降低，因此，当采用除尘器抽尘净化措施进行治理时，需先进行卸压，降低风速，然后采用除尘器进行治理，即采取卸压抽尘的治理技术进行治理。

1) 卸压措施。基于产尘规律研究结果，粉尘浓度峰值出现在溜井口联巷内2 m位置处，因此，在溜井口2 m位置处对巷道宽度及高度进行有效扩大，当冲击风流峰值形成后经过巷道内的扩大空间时，风流向各个方位进行扩散，冲击压力得到了有效释放，冲击风速也得到有效降低。通过现场测定，经过卸压后，冲击风速降低至15 m/s左右，扩大卸压空间如图6所示。

图6 扩大卸压空间示意图Fig.6 The diagram of expanding pressure relief space

经过扩散卸压后风流运动方向和速度逐渐趋于稳定，但风速依然较大，因此，通过试验研制了一种风流导流装置布置于除尘器吸尘口位置，在不增加除尘器负载的条件下，对冲击风流进行降速和引导，从而避免风流将除尘系统击穿而无法起到除尘的作用。通过现场测试，风流经过导流装置后，风速可降低至10 m/s以内，风流导流装置如图7所示。

2) 抽尘净化措施。根据冲击产尘规律研究结果，在溜井下口2 m区域内，冲击风速最大，二次扬尘严重，为冲击风流区；增加扩大的卸矿空间后，风流运动轨迹发生改变，在扩大空间内风流运动面增加，风流逐渐分散，风速也急剧降低，该区域为分散风流区；经过扩大卸压空间后，风流运动方向和速度逐渐趋于稳定，经过风流导流装置后，风流稳定在10 m/s以内，为风流稳定区[11-15]。因此，在现场配套过程中将除尘器布置于风流稳定区。根据冲击风量计算得出除尘器的处理风量宜为550 m3/min，由于夏甸金矿溜井出口与整个运输大巷联通，不利于控尘，因此，在溜井出口开拓一条专用的回风绕道，并将其他联通区域进行有效密闭，将含尘冲击风流引至回风绕道内，采用湿式除尘器进行治理，系统布置如图8所示。

图7 风流导流装置示意图Fig.7 The diagram of wind flow diversion device

图8 除尘系统布置示意图Fig.8 The diagram of dust removal system layout

3.2 治理效果

在夏甸金矿高深直溜井采用卸压除尘技术措施后，有效地解决了冲击压力和粉尘污染问题，溜井口巷道内作业环境得到了极大的改善。采用滤膜质量法考察卸压式高效除尘器除尘效果，通过采样器测试治理前后的粉尘浓度值，测点布置在除尘器尾部出风口下风侧5 m巷道作业人员通行的位置，降尘效率见表1。

根据测试结果，采用卸压除尘治理措施后，高深直溜井出口风速由30 m/s降低至6 m/s，溜井出口巷道内总粉尘浓度由600.8 mg/m3降至12.0 mg/m3，降尘效率达98%，呼吸性粉尘浓度从166.7 mg/m3降至8.0 mg/m3，降尘效率达95.2%，降尘效果较好，溜井出口巷道内环境得到了极大的提升，现场作业效率也得到了极大的提高。