矿山溜井口粉尘分布特征及治理技术分析_姚逸飞.pdf

LOW CARBON WORLD 2023/6矿山溜井口粉尘分布特征及治理技术分析姚逸飞，李敏智，沈金钊（湖北三鑫金铜股份有限公司，湖北 大冶 435100）【摘要】为解决矿山溜井产生粉尘浓度过高的问题，优化对粉尘的治理效果，以湖北三鑫金铜股份有限公司矿山工程为例，对矿山溜井口粉尘分布特征及治理技术进行分析。对矿山溜井卸矿过程中粉尘产生现象及分布特征进行研究，同时结合实际情况，设计出一种新型矿井通风系统，概括总结系统具体的防尘措施。研究结果表明，应用该系统可有效增强除尘效果，对现代矿山生产具有促进作用。【关键词】矿山溜井；粉尘分布；治理技术【中图分类号】X964【文献标识码】A【文章编号】2095-2066（2023）06-0061-030引言矿山溜井是提升和运输矿石的主要场所，也是生产过程中产生粉尘的主要场所。溜井工作具有一定流动性和空场性，容易产生大量粉尘。其不仅对作业人员的健康造成严重威胁，还会给生产环境带来较大污染。因此加强对溜井口粉尘浓度分布特征及治理技术的研究，对于改善作业环境、保障作业人员健康具有重要意义。1矿山溜井口粉尘产生原因分析矿山溜井口出现粉尘与溜井结构存在较大关联。在卸矿时，矿石在下沉过程中会与周围墙壁发生比较强烈的摩擦，形成矿石颗粒。其会从卸矿口流出，进入主溜井与溜井内的粉尘颗粒融合，最终流入气流中，并在传输过程中不断堆积，随着气流不断向上冲击，最终产生大量粉尘。矿山溜井结构如图 1所示。从图 1 可以看出，矿山溜井口粉尘现象与气流存在巨大关联，气流的类型包括冲击气流、剪切压缩气流以及诱导气流1。冲击气流是指矿石颗粒进入溜井后，在下降的过程中，其自身的重力势能会逐渐转变成动能，经过与溜井墙壁的不断碰撞后，产生了更多气流，这些气流在反作用力的影响下，由底部向顶部冲击，因此会产生灰尘。剪切压缩气流是指矿山溜井卸矿时，由于内部产生的气流较强，在封闭空间处产生大量压缩空气，使气流出现明显的剪切现象。气流的速度逐渐加快，矿石颗粒被其不断剪切后会出现尘化现象。而后矿石颗粒在向下运动的过程中，粉尘颗粒会通过气流不断向溜井顶部移动，即矿石颗粒下降高度越大，下沉速度也就越快，粉尘颗粒受到挤压的效果越明显，使其不断向外扩散。诱导气流通常与周围空气有关联，并且会随着周围空气流动。在诱导气流的影响下，矿山溜井内壁携带的灰尘颗粒会随着气流不断向外扩散，产生诱导尘化效果。此时在溜井内也会形成初次诱导气流，下落时，矿石颗粒运动速度会逐渐加快，使矿石表面形成较厚的负压层，最终形成二次诱导气流2。2矿山溜井口粉尘分布特征分析2.1工程概况本文以湖北三鑫金铜股份有限公司矿山工程为图1矿山溜井结构主溜井卸矿硐室分支溜井矿石卸矿硐室冲击气流低碳技术61DOI:10.16844/10-1007/tk.2023.06.027LOW CARBON WORLD 2023/6例进行分析，该矿山工程包括鸡冠咀和桃花嘴两大矿区。该矿山采用主、副竖井开拓方案，主井由原混合井改造而成，原混合井内的罐笼提升系统改造为箕斗提升系统。副井为新建罐笼井，井筒净直径为5 m，开采鸡冠咀和桃花嘴矿区-520 m 以上的矿体。3 000 t/d 采选改扩建工程即为四期工程，设计生产规模为 3 000 t/d，以-470 m 中段为界分为上、下采区，其中-470 m 中段以上为上采区，-970-520 m中段为下采区。本文以某段溜井为研究对象，该溜井支岔溜井与主溜井之间夹角为 30，巷道高度超过 3 m。2.2模拟分析本工程利用 FLUENT 软件进行模拟，模拟内容为矿山溜井卸矿口的粉尘浓度。FLUENT 软件应用流程如图 2 所示。通过应用 FLUENT 软件，建立相关几何模型，模型类型以三维几何模型为主。并且结合现场施工情况对其进行简化，简化时可将溜井内气流换成不可压缩气体，同时要充分考虑重力影响，将溜井模型设为不透风模式，且巷道内不会出现明显热源。在网格划分方面，可将模型设成结构化网格以及非结构化网格两种类型，结构化网格主要对相关规章进行简单设置，非结构化网格通常应用于不规则几何体中，其需要充分利用到现代计算机技术中3。在选择完样本后，利用相关仪器对粉尘颗粒的粒径分布情况进行分析。经分析发现，随着溜井卸矿时间的增加，溜井内粉尘颗粒粒径会不断缩减，这是因为一些粒径较大的粉尘颗粒被气流影响后，会逐渐沉降到溜井底部，粒径较小的粉尘颗粒由于无法沉降而停留在表面。2.3结果分析通过以上模拟过程可得出，溜井口粉尘浓度是由溜井内矿石下落速度、粉尘颗粒粒径和溜井口高度决定的。一般来说，在相同条件下，溜井内矿石的下落速度越快、粉尘颗粒粒径越小、溜井口高度越高，则粉尘浓度越高。因此，溜井口粉尘浓度分布主要受矿石下落速度的影响。溜井内矿石下落速度由矿石颗粒粒径和矿石的黏性决定。散状矿石的粒度越小，黏性越大；块状矿石的粒度越小，黏性越小。溜井内矿石下落速度较快时，粒度较小的散状矿石颗粒受到离心力作用影响，运动速度较大，容易受到粉尘冲刷并被带出溜井；当散状矿石颗粒粒径较大、黏性较弱时，其颗粒受到离心力作用较小，运动速度也较小。当块状矿石颗粒粒径较大、黏性较强时，由于颗粒间的黏合力较大，粉尘在溜井内滞留的时间较长。通常情况下，矿石颗粒粒径越大、颗粒间黏合力越大、颗粒滞留时间越长。另外，当溜井内矿石下落速度变慢时，溜井内处于悬浮状态的矿石颗粒也会发生沉降。但是当溜井内粉尘浓度达到一定程度时，例如，溜井口粉尘浓度达到 100 mg/m3以上，会对作业人员的身体健康造成严重危害，导致作业人员产生呼吸道不适的症状以及眼部疾病等。当矿石（如散状矿石）下落速度较慢时溜井口粉尘浓度较低；当矿石（如块状矿石）下落速度快时溜井口粉尘浓度较高。3矿山溜井口粉尘治理技术分析3.1优化通风系统本工程用 Ventsim 软件建立了三维可视化模型对通风系统进行优化设计。建立模型便于快速准确地计算风向，以有效分配风量。通过合理优化通风系统，增强矿山通风效果，能有效调节矿井通风系统，进一步提高其通风效率。完成对模型的分析后，重新检测主要系统风量，通过检测进回风井通风能力，选择合适的进回风井巷。3.2设置挡尘板在溜井周边设置挡尘板能够有效阻挡粉尘进入图2 FLUENT软件应用流程低碳技术62LOW CARBON WORLD 2023/6溜井。同时，在溜井口设置通风设施能够保证通风效果，使溜井内部空气得到有效交换，降低粉尘浓度。除此之外，在溜井口安装挡尘板可以有效降低溜井内粉尘浓度，减少对作业人员身体的伤害，改善工作环境。挡尘板高度一般为 23 m，在溜井底部中间部位安装 1 道挡尘板。根据现场实际情况，挡尘板间距应为 2 m 左右4。3.3削弱冲击气流削弱冲击气流一般可采用以下两个措施：控制卸矿量。控制卸矿量可缩短卸矿所需时间，进一步控制冲击气流。降低溜井高度。及时采取闭坑处理措施，降低溜井的高度，降低冲击气流速度。3.4设置喷雾装置矿石向溜井底部滑动时会受惯性作用而产生一定加速度，其下落高度越高则加速度越大，矿石运动速度越快。由于惯性作用还会对矿石产生较强冲击，矿石下落到一定高度后会出现二次下落的现象，从而增大矿石对溜井口的覆盖面积。因此可以在溜井底部安装喷雾装置，降低矿石下落过程中二次扬尘现象带来的影响。喷雾装置可将粉尘吸附到其表面，减小粉尘聚集的厚度，减缓粉尘扩散速度，降低粉尘浓度。在本工程，由于溜井卸矿口直径较大，在设计过程中可在卸矿口左右两侧分别配备 3 个旋转压力式喷嘴设备作为主要的喷雾器，且左右两侧居中的喷雾器要求与卸矿口保持不低于 1 000 mm 的距离，并将喷嘴设备安装在角钢处。设置角钢的目的是增强供水管道与喷嘴设备连接强度，防止喷嘴设备在使用过程中受到影响。3.5优化除尘净化系统除尘净化系统的主要作用是对空气中的粉尘进行收集、吸附、沉降等处理，使空气质量达到一定标准后再排出，降低粉尘对作业人员身体造成的危害。在矿山溜井卸矿时，如果卸矿设备与溜井巷道之间产生接触，巷道顶板处的红外传感器会立即发出警报，并且将信号传递到溜井喷雾控制系统中。收到信号后，控制系统会根据信号指示开始喷雾，喷雾量将根据粉尘量设置。如果卸矿设备倒矿后返回巷道，巷道顶板处的红外线会再次发出信号，并将信号传递到控制系统，此时控制系统会根据信号停止除尘操作。由于矿井面积较大，产生的粉尘量较多，除尘净化系统精细除尘效果较差，尤其是在巷道出风口处，经常有大量粉尘向外扩散，因此需要针对其他方面采取应对措施。例如，可在巷道出风口处设置吸尘罩以及除尘管道设备，实施负压除尘操作，通过反向重力将粉尘完全吸入。或在除尘管道设备周围安装粉尘浓度传感器，检测管道内粉尘浓度，并根据实际粉尘浓度，调节除尘设备频率，在保证除尘效果的基础上，节约能源消耗。3.6溜井口密闭降尘处理在溜井口密闭降尘处理中，需要选择溜井口的封闭形式。以往采取的溜井口封闭形式有井门式、井罩式以及井盖式，但随着时间的推移，这 3 种封闭形式暴露的问题逐渐增多，其不仅操作过程比较复杂，且在长时间使用后容易出现损坏，因此需要改进封闭形式。如今比较常用的是井帘式封闭形式，这种封闭形式内部结构简单，操作方便，且挡风板结合该封闭形式后的应用效果比较突出5。4结语本文结合相关工程案例，对矿山溜井口粉尘分布特征及治理技术进行分析，最终得出结论，当溜井口粉尘浓度不大于 2.27 mg/m3时，粉尘浓度随着溜井高度的增加而增大，并且随作业人员与溜井口距离的增加而逐渐减小，因此在进行溜井口除尘作业时应尽量减少作业人员与粉尘接触的时间，以降低粉尘对作业人员健康和安全造成的威胁。且需要根据现场实际情况，采用不同方式对溜井口进行除尘，除尘措施包括优化通风系统设计、应用喷雾装置、应用除尘系统等。在除尘过程中应加强通风管理，确保粉尘在规定范围内散开，同时做好安全防护工作。参考文献1 葛连梦，汪林红，陈宜华，等.高溜井粉尘扩散特征试验研究J.现代矿业，2021，37（2）：167-172.2 王亚朋.多中段溜井卸矿粉尘产运规律与控制技术研究D.北京：北京科技大学，2021.3 姚贵佳.溜井冲击气流数值模拟与控制研究D.南昌：江西理工大学，2016.4 李刚.矿山溜井口粉尘分布特征及治理技术研究J.中国安全生产科学技术，2021，17（10）：60-65.5 刘一为.金属矿山溜井卸矿口粉尘分布规律与防治技术研究D.马鞍山：安徽工业大学，2021.作者简介：姚逸飞（1988）,男，汉族，陕西宝鸡人，本科，工程师，主要从事地下矿山采矿通风除尘技术及相关管理工作。低碳技术63