非煤礦山通風安全技術(shù)【稀缺資源，路過別錯過】

1 非煤礦山通風安全防塵技術(shù) 2 1. 礦井入風風源凈化技術(shù) 2. 循環(huán)通風與風流凈化原理 3. 溜井防塵理論基礎(chǔ) 4. 溜井防塵技術(shù)措施 5. 礦井調(diào)節(jié)入風溫度理論與實踐 3 1 礦井入風風源凈化技術(shù) 礦山安全規(guī)程規(guī)定： 所有工作地點的空氣含塵量不得超過 2mg/m3。 入風井巷和采掘工作面的風源含塵量不得超過 0.5mg/m3。 1.1 入風風源影響因素 1. 地理位置、地形、氣候條件等； 2. 破碎硐室、溜礦井等局部產(chǎn)塵設(shè)施； 3. 采掘作業(yè)面風流串聯(lián)。 1.2 入風風源凈化的基本要求 1. 凈化效率高，凈化后粉塵濃度不大于 0.5mg/m3； 2. 阻力低，與礦井通風現(xiàn)狀相適應(yīng)； 3. 處理風量能力大； 4. 適合礦內(nèi)環(huán)境條件，設(shè)備性能可靠，維護方便，投資 少。 4 1.3 濕式化纖過濾除塵機理 1. 濾料結(jié)構(gòu) 滌綸絲為骨架、維綸絲為粘合劑制成疊層型濾料，并經(jīng)專門加工處理為抗水性的濕式濾料。其結(jié)構(gòu)型式： DV 型：由粗細纖維混梳制成，充填率均勻； DV 型：由不同絲經(jīng)纖維配比制成，配比不同，充填率不 同，可劃分出致密層與松散層。 2. 噴霧器 噴霧器的性能與噴水量、出水孔徑、擴張角、水滴尺寸有關(guān)，其水力特性直接影響捕塵效率的大小。 3. 除塵機理 對于礦內(nèi)粉塵，捕塵機理是以截留和慣性碰撞為主，0.2 m以下的微細粉塵則以擴散作用為主。 5 濕式過濾作用： 濾料纖維被濕潤并附著上水滴，提高了充填率； 水滴在濾料上形成水膜，提高了慣性和擴散捕塵作用； 含塵氣流穿過水膜時，粉塵被濕潤和捕獲； 水滴附著于纖維上，動能降低，在重力和水流的作用下沖洗捕集的粉塵、防止粉塵積聚和二次飛揚。 1.4 濕式過濾除塵性能 1. 濾料阻力 當濾料的結(jié)構(gòu)一定時，其阻力決定于過濾風速和噴水 量。不同風速條件下，阻力與噴水量的關(guān)系見圖 1-1。 濕式濾料的阻力與噴水量之間存在非線關(guān)系。 6 圖 1-1 濕式濾料阻力與噴水量關(guān)系曲線 1 風速為 0.6m/s， 2 風速為 0.9m/s； 3 風速為 1.06m/s； 4 風速為 1.8m/s 7 濕式濾料與干式濾料的阻力特性不同，見圖 1-2。 濕式濾料的初始阻力高，但比較穩(wěn)定。干式濾料隨使用時間的增長，阻力上升較快。 當過濾風速 2m/s，噴水 量 q 10L/m2min， 則濕式濾料的阻 力 h 500Pa。 圖 1-2 濕、干式濾料阻力特性對比圖 1 干式濾粒； 2 濕式濾料 1 2 8 2. 除塵效率 ( ) 通過實測，濕式濾料的綜合除塵效率為 98.2%，凈化后出口粉塵濃度為 0.28mg/m3，達到凈化要求的 0.5mg/m3以下。 濕式濾料的分組除塵效率見圖 1-3。 當 =1.0 1.2m/s， q=4 6L/m2min， 對于粉塵粒徑 d 2 m， =60 80%； d=2 5 m， =80 90%； d 5 m， 99%。 圖 1-3 濕式濾料的分組除塵效率曲線 9 應(yīng)注意的問題： 噴水量越大，除塵效率越高。但達到一定值后，效率增加緩慢，趨于穩(wěn)定； 噴水量應(yīng)在 3L/m2min以上，當 增大時，則 q相應(yīng)增大； =1 1.5m/s時， 達最大值。 3. 清灰效果 當 q 3L/m2min時，清洗粉塵達 80 90%?？墒篂V料始終處于清潔狀態(tài)，除塵效率和阻力穩(wěn)定，濾料使用壽命長。 10 1.5 濕式過濾除塵在礦內(nèi)風流凈化上的應(yīng)用 1. 入風風源凈化 在礦井入風側(cè)，濾料安裝于整個巷道斷面，使全部入風流通過巷道上的濕式濾料進行凈化。 此凈化方法，處理風量大，要求效率高，阻力小，可用壓入式主扇或輔扇來實現(xiàn)。 2. 局部凈化 1) 凈化方式 濕式過濾器與局扇相結(jié)合構(gòu)成局部凈化裝置，凈化含塵空氣。 2) 適用地點 破碎機、溜礦井、掘進工作面等。 11 3.應(yīng)用實例 鏡鐵山礦入風風源凈化，其凈化裝置見圖 1-4。 1) 風源狀況 入風風源粉塵濃度高達 17mg/m3，一般情況下 2 4mg/m3。 圖 1-4 濕式化纖過濾除塵裝置 1 凈化器； 2 電磁閥； 3 水壓表； 4 進水管； 5 進風道；6 鋼絲網(wǎng)； 7 噴霧器； 8 濾料； 9 排水溝 12 2） 凈化參數(shù) 主扇：風壓 407.7Pa，風量 30.5m3/s。 巷道規(guī)格： 2.5 2.6m2。 過濾面積： 35m2。 過濾風速： 0.8 0.9m/s。 3) 凈化效果 當?shù)V井入風含塵濃度在 20mg/m3左右時，凈化后的粉塵濃度穩(wěn)定在 0.5mg/m3以下。 當過濾風速為 0.8 1.2m/s時，通風阻力不超過 294Pa。 13 2 循環(huán)通風與風流凈化原理 2.1 閉路循環(huán)式通風過程分析 對于獨頭巷道、硐室等，在外界不供新鮮風源的情況下，單靠空氣凈化系統(tǒng)本身的凈化作用進行通風除塵。 除塵效果與凈化 器的效率密切相關(guān)， 閉路循環(huán)式通風除塵 系統(tǒng)如圖 2-1所示。 圖 2-1 閉路循環(huán)式通風示意圖 1 凈化器； 2 送風風筒； 3 風流路線 14 根據(jù)質(zhì)量守恒原則，作業(yè)空間粉塵量的變化等于作業(yè)面生成的粉塵總量與風流由作業(yè)面帶走的粉塵量之差，即 V d CQ K c d tdtQCG d t b (2-1) 整理后可得： VQK CVQCVGdtdC b (2-2) 式中： G 作業(yè)面生成的粉塵量， mg/s； Q 循環(huán)風量， m3/s； Cb 凈化器出口的粉塵濃度 mg/m3； C 作業(yè)面的粉塵濃度， mg/m3； K 紊流擴散系數(shù)。 15 在循環(huán)通風的條件下，凈化器出口的粉塵濃度 Cb為： KCC b 1 CCttCoCtVQ K CVKCQVGdtdc,01 （ 2-3） 式中： 凈化器的除塵效率。 則閉路循環(huán)通風過程的方程為： VQtKeQK GCQK GC 0（ 2-4） 上式積分得： 16 爆破后和集中放礦時， G=0，則 VQtkeCC 0GQKC0GtCCV(2-5) 鑿巖作業(yè)、連續(xù)放礦或耙礦過程 ，則 若除塵器的效率 =0，由 (2-4)式得： (2-6) (2-7) 0dtdC 此式表明在閉路循環(huán)系統(tǒng)中，若 =0，必然出現(xiàn)作業(yè)面粉塵濃度積集現(xiàn)象。 17 2.2 開路循環(huán)式通風過程分析 開路循環(huán)，即摻有外界新風的循環(huán)通風系統(tǒng)（圖 2-2）。 圖 2-2 開路循環(huán)式通風示意圖 1 空氣凈化器； 2 風流路線 18 硐室中的總風量 Q為 cb QQQ QQ bQ K C d tdtCQdtCQG d tV d c bbcc 循環(huán)風系數(shù) 為 在 dt時間內(nèi)硐室內(nèi)粉塵量的變化為： KCCQQQQ bcb 1,1, VK Q CVQCVGdtdc c 111（ 2-8） 因 則 （ 2-9） 19 根據(jù)不同的初始條件，可得出相應(yīng)粉塵濃度變化所需風量。 在連續(xù)產(chǎn)生、連續(xù)通風情況下， ，則所需風量為 0dcdt cCqKCGQ111 CKGQ（ 2-10） 全部循環(huán)風流， =1， CC=0，則 無循環(huán)風流， =0，則 外界新風的粉塵濃度 CC=0，則 cGQK C C 011QQ（ 2-11） 20 2.3 循環(huán)通風技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 1. 循環(huán)通風是一種輔助的通風方法。某些空氣凈化裝置只能在局部地點和某些生產(chǎn)工序中使用，對于有毒氣體的凈化問題還沒有達到工程應(yīng)用的程度。 2. 在閉路循環(huán)式通風系統(tǒng)中，采用高效除塵裝置，其循環(huán)風量比正常通風量需增大 1/ 倍，否則必然使作業(yè)面粉塵濃度增高。 通常在獨頭巷道鑿巖、裝巖、溜井口和破碎硐室等場所使用。 3. 在開路循環(huán)式通風系統(tǒng)中，如果不使用空氣凈化裝置，則會出現(xiàn)各作業(yè)面之間的循環(huán)風流，如圖 2-3所示，勢必使相鄰作業(yè)面受到污染，擴大污染范圍。 21 圖 2-3 作業(yè)面之間的有害循環(huán)風流 4. 在開路循環(huán)式通風系統(tǒng)中，同時采用高效凈化裝置，可在主風流不足的情況下，收到良好的通風效果。 5. 東北大學所研制的高效濕式過濾除塵器，除塵效率高達99.5%，最大阻力不超過 1000Pa，處理風量 2 3m3/s。 除塵、除氡子體復合式凈化器，對氡子體的凈化效率達 98%，通風阻力 800 1000Pa。 22 3 溜井防塵理論基礎(chǔ) 溜井多位于進風巷道的附近（井底車場）。卸礦時，由于礦石的快速下落，產(chǎn)生強大的沖擊氣浪，并帶出大量的粉塵，嚴重污染卸礦硐室及其附近巷道，甚至會造成整個通風系統(tǒng)的污染。 3.1 溜井產(chǎn)塵的主要影響因素 1. 裝卸運輸過程 在裝、卸礦石過程中，由于礦石間相互碰撞，礦石與格篩、礦石與井壁間相互碰撞、摩擦以及風流的作用，產(chǎn)生大量礦塵并飛揚擴散于附近空間，如后巷、運輸?shù)馈⒕总噲?、變電站等?23 2.誘導風流 快速下落的礦石，產(chǎn)生強大的誘導風流，并攜帶大量的礦塵沖出溜井口，污染范圍很大。 3. 溜井結(jié)構(gòu)，放礦量及作業(yè)條件 產(chǎn)塵量的大小與溜井的結(jié)構(gòu)（單一溜井、平行溜井、垂直溜井、斜溜井）、放礦量（ 1t、 2t、 3t)、放礦高度 (60m、 120m、240m ）、作業(yè)條件（灑水、干式）等有直接的關(guān)系。 3.2 溜井放礦時沖擊氣流的規(guī)律 3.2.1 沖擊氣流的形成 球體在空氣中運動時，在球體的前后形成壓力差。單位體積流體因克服正面阻力所造成的能量損失，可由下式計算： 24 式中： un 風流通過溜井斷面的平均流速， m/s； Sn 正面阻力物在垂直于風流方向上的投影面積， m2； c 沖擊風壓校正系數(shù)，與正面阻力系數(shù)、溜井口阻力系 數(shù)有關(guān)。 Sn(0.04 0.15)S，可略去 Sn，則 PauSSSch nnnc ,222,2nncSuh c P aS(3-1) (3-2) 如果把礦石在溜井中的降落看成自由降落，礦石下落速度 ，應(yīng)等于風流繞過礦石的速度 un。 gHn 225 式 中： H 放礦高度， m。 當空氣流速達最大值時，其壓力損失為 PagHSSch nc ,Pauh ,22 在沖擊壓力作用下，由溜井口沖出的氣流速度達到最大值的阻力為： （ 3-4） （ 3-3） 式中： u 由于沖擊風壓而造成的空氣流速， m/s； 溜井口局部阻力系數(shù)，無因次； 風流因克服阻力，造成風流能量損失。顯然， hc=h，即： 22ugHSSc n （ 3-5） 26 于是，最大沖擊風流與溜井斷面和阻力的關(guān)系為： SScgHu n22gHu22SSn（ 3-6） 式中： 稱壓力系數(shù)，無因次； 稱斷面系數(shù)，無因次； 稱阻力系數(shù)，無因次。 c27 圖 3-1 溜井放礦沖擊氣流實驗模型 1 鐵管； 2 漏斗； 3 閘門； 4 閘門； 5 傾斜壓差計； 6 熱球風速計 圖 3-1為溜井放礦實驗模型。溜井主體采用圓形鐵筒，總高為 10.87m，圓筒直徑160mm。從幾何相似角度來看，它相當于直徑 3m，高 200m的溜礦井。 3.3 影響沖擊風速各因素 的實驗研究 28 根據(jù)相似原理，模型溜井中松散礦石球斷面與模型溜井全斷面之比應(yīng)等于實際溜井中的松散礦石球斷面與實際溜井全斷面之比，并均應(yīng)小于 1，即： 1SSSS nnnS（ 3-7） 式中： 模型溜井中，松散礦石球體的投影面積， m2； 模型溜井全斷面， m2。 在放礦量 G、放礦高度 H、溜井口阻力系數(shù) 不同的條件下，沖擊氣流的變化分析如下。 (1) 放礦量對沖擊風速的影響 放礦量 G與沖擊風速 u的關(guān)系見圖 3-2。 S29 圖 3-2 放礦量 G對沖擊風速 u的影響 1 放礦高度 H=10.87m； 2 放礦高度 H=6.87m； 3 放礦高度 H=3.87m 30 在 H、 不變的情況下，風速隨放礦量而增加，在放礦量較小時，風速增加幅度較大，在放礦量較大時，風速增加幅度變小。沖擊風速與放礦量之間存在非線性關(guān)系。 (2)放礦高度對沖擊風速的影響 圖 3-3為不同放礦高度時沖擊風速的變化曲線圖。沖擊風速隨放礦高度逐漸增大。當高度較低時，風速變化幅度較大，高度較高時，風速變化幅度較小。沖擊風速隨放礦高度的變化，也是非線性關(guān)系。 圖 3-3 沖擊風速隨放礦高度變化 曲線圖 1 放礦量 G=1kg； 2 放礦量 G=2kg 3 放礦量 G=3kg 31 沖擊風速隨溜井口阻力系數(shù)增大，顯著減少。當風阻較小時，風速隨阻力系數(shù)變化幅度較大，當風阻較大時，風速隨阻力系數(shù)的變化幅度較小。風速隨阻力系數(shù)的變化，也是非線性關(guān)系（如圖 3-4）。 圖 3-4 沖擊風速隨溜井口阻力變化曲線圖 1 放礦量 G=1kg 2 放礦量 G=2kg 3 放礦量 G=3kg 0 100 200 300 400 (3)溜井口阻力對沖擊風速的影響 32 3.4 沖擊風速（或風量）的計算 1. 沖擊風速 smGSHCu /,43.0 330 . 4 3 , /uHCQ S G m sS230 . 1 1 ,cHh C G P aS（ 3-8） 式中： C 沖擊風壓修正系數(shù)。 2. 沖擊風量 30 . 3 2 , /Cu t G m sS式中： Su 溜礦道斷面， m2。 3. 最大沖擊風壓 4. 連續(xù)卸礦時的沖擊風流 （ 3-9） （ 3-10） （ 3-11） 33 4 溜井防塵技術(shù)措施 4.1 密閉與噴霧降塵 對于作業(yè)量較少、產(chǎn)塵量不大的礦井，一般采用井口密閉和噴霧灑水的措施進行防塵。如圖 4-1所示。 圖 4-1 溜井密閉示意圖 1 活動密閉門； 2 軸； 3 配重； 4 噴霧器 優(yōu)點：方法簡單，效果好， 可使作業(yè)場所的粉 塵濃度由 5 20mg/m3 降至 2mg/m3。 缺點：維護工作量大，難 以長久。 34 4.2 抽塵凈化 為控制溜井內(nèi)誘導風流，防止礦塵向外擴散，專門開鑿一條與溜井相通的巷道，利用總風壓或扇風機抽風，在溜井中口形成向內(nèi)流動的風流，如圖 4-2所示： 優(yōu)點 : 沖擊風流被風機 抽至凈化裝置進 行凈化，抽塵效 果好。 要求：井口密閉要嚴； 排塵巷道的位置 及貫通方式要考 慮誘導氣流的產(chǎn) 塵和影響 盡量利用已有的 巷道，以減少工 作量。 缺點：需要一定工程量 和裝備。 圖 4-2 溜井抽風凈化系統(tǒng)示意圖 1 溜井口篩； 2 溜井； 3 抽風排塵巷道；4 除塵器及風機； 5 排風巷道 35 4.3 建立溜井抽塵、獨立排風系統(tǒng) 1. 概況 溜井產(chǎn)塵量和誘導氣流都很大，嚴重污染新鮮風流，其他措施很難達到防塵要求時，可建立獨立抽塵排風系統(tǒng)，見圖 4-3。 優(yōu)點：各溜井口形成負壓，使風流由 巷道向溜井內(nèi)流動，以控制礦 塵外逸。 要求：設(shè)井口密閉； 在溜井繞道外設(shè)自動風門。其 目的是防止各中段溜井口風流 短路。 缺點：工程量大 ,成本高 ,維護量大。 圖 4-3 溜井排風系統(tǒng)示意圖 193 133 73 13 -47 -107 36 2. 抽塵排風原理 在排塵風機的作用下，整個溜井都處于負壓狀態(tài)，能有效的防止溜井沖擊風流外泄。 溜井口內(nèi)外壓差的大小與抽塵風機性能和溜井密閉程度有關(guān)。當風機風壓較高，溜井口密閉較嚴，在溜井內(nèi)外所造成的壓差大于卸礦時所產(chǎn)生的沖擊風壓時，可使溜井口不產(chǎn)生塵流外泄現(xiàn)象。 3. 排塵風機的風壓 niimf hhkH1（ 4-1） 式中： K 風壓備用系數(shù)， K=1.1 1.2； hm 最下部中段的最大風壓， Pa； hi 排塵系統(tǒng)各段巷道的風壓， Pa。 37 4. 排塵風機的風量 smQQkQniimf /,31 (4-2) 式中： K 風量備用系數(shù)， K=1.1 1.2； Qm 最下部中段的最大沖擊風量， m3/s； Qi 上部各中段正常排塵風量，取 巷道排塵風速為 0.5m/s。 38 4.4 溜井卸壓循環(huán)降塵 4.4.1 卸壓溜井結(jié)構(gòu) 在主溜井旁側(cè)，開鑿一條平行溜井，并與主溜井貫通，兩者之間形成環(huán)路，如圖 4-4所示。 圖 4-4 防塵卸壓溜井系統(tǒng)示意圖 1 防塵卸壓井； 2 上中段后巷卸礦硐室；3 支叉溜井； 4 主溜井； 5 礦石； 6 聯(lián)絡(luò)道； 7 下中段后巷卸礦硐室 39 4.4.2 卸壓原理 當溜井放礦時，礦石降落過程中產(chǎn)生強大沖擊風壓。礦石前方為正壓，礦石后方為負壓，使部分沖擊風流沿主溜井、聯(lián)絡(luò)道和卸壓井形成循環(huán)風流，在卸壓溜井系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)，既降低了支叉溜井口處的沖擊風速和涌出風量，又可起到降塵的作用，并縮短了含塵氣流污染后巷的長度。 4.4.3 卸壓后沖擊氣流污染長度 卸壓后，支叉溜井口涌出的風量 Q為： smKQQ /, 3 （ 4-3） 式中： Q 無卸壓溜井時涌出的風量， m3/s； K 溜井口分風量系數(shù)。 40 kcSSK 1 （ 4-4） 式中： Sc 循環(huán)風路巷道斷面積， m3/s； 溜井口處局部阻力系數(shù)； k 循環(huán)風路局部阻力系數(shù)。 結(jié)論 涌出風量、污染長度的計算值與實測值基本相符。經(jīng)平行溜井卸壓后，支叉溜井口沖出的風量減少 40%，污染長度縮短17%。 4.5 溜井卸壓與凈化除塵技術(shù) 利用濕式振動纖維柵與卸壓溜井相結(jié)合，構(gòu)成溜井除塵凈化系統(tǒng)。 41 4.5.1 除塵凈化機理 (1) 慣性碰撞 氣流中的塵粒因慣性作用與水滴碰撞并粘附于水滴上，并與纖維或水膜相接觸。 (2) 擴散作用 0.2 m以下的塵粒擴散作用增強，水滴與塵粒的接觸機會就增加，容易捕捉 0.1 m以下的塵粒。 (3) 凝集作用 塵粒濕潤后，增加了塵粒的直徑和濕潤性，易于被水滴捕捉和相互間凝集成大顆粒。 水滴和塵粒的荷電性亦促進塵粒的凝集。 (4) 在紊流脈動風速的作用下，迫使纖維作縱向和橫向振動，提高了塵粒與水膜、纖維碰撞接觸的機率。 42 4.5.2 除塵凈化應(yīng)用實例 (1) 應(yīng)用地點 紅透山銅礦主溜井服務(wù)于多個生產(chǎn)系統(tǒng)，每個生產(chǎn)系統(tǒng)包括三個中段，每個中段高度為 60m。其除塵凈化系統(tǒng)為六系統(tǒng)（即 -647m、 -707m、 -827m中段），在 -707m中段設(shè)置濕式振動纖維柵除塵凈化裝置。主溜井除塵凈化系統(tǒng)見圖 4-5。 圖 4-5 主溜井除塵凈化系統(tǒng)示意 1 防塵卸壓井； 2 卸礦硐室后巷； 3 支叉溜井； 4 主溜井； 5 凈化硐室；6 聯(lián)絡(luò)道； 7 凈化裝置； 8 運輸平巷； 9 廢石溜井； 10 入風石門 43 (2) 應(yīng)用條件 主要包括卸壓溜井系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、超聲霧化系統(tǒng)、風流循環(huán)凈化系統(tǒng)。 4.5.3 凈化過程 (1) 卸壓循環(huán)過程 卸礦過程中所產(chǎn)生的沖擊氣流，經(jīng)卸壓溜井系統(tǒng)進行循環(huán)，并起到降壓、降塵的作用。 (2) 抽塵凈化過程 由于扇風機的作用，卸礦硐室后巷產(chǎn)生負壓，運輸平巷中的新鮮風流進入，后巷中的污風進入支叉溜井口，經(jīng)主溜井、聯(lián)絡(luò)道和卸壓井進入凈化硐室，凈化后的風流與主石門的新鮮風流相匯合。 44 4.5.4 凈化阻力與效率 (1) 凈化阻力 凈化阻力與過濾風速有關(guān)，過濾風速增加，阻力相應(yīng)升高見圖 4-6。 圖 4-6 凈化阻力與過濾風速的關(guān)系 圖 4-7 凈化效率與過濾風速的關(guān)系 當過濾風速為 4m/s時，凈化阻力在 450Pa左右。 45 (2) 凈化效率 在過濾風速為 0 4m/s的區(qū)間內(nèi)，凈化效率隨過濾風速的增加而升高。當過濾風速為 4m/s時，凈化效率達到最大值，見圖 4-7。 當過濾風速超過 4m/s時，凈化效率隨著過濾風速的增加而降低。 取過濾風速為4m/s時， 5 m以下微細粉塵的凈化效率可達 99%以上。分級凈化效率，見圖 4-8。 圖 4-8 分級凈化效率與粉塵粒徑的關(guān)系 46 (4) 實際應(yīng)用效果 水壓為 0.5MPa，氣壓為 0.45MPa； 過濾風速 3.7m/s，阻力為 320Pa，風機