非煤礦山通風安全技術【稀缺資源，路過別錯過】

1 非煤礦山通風安全防塵技術 2 1. 礦井入風風源凈化技術 2. 循環(huán)通風與風流凈化原理 3. 溜井防塵理論基礎 4. 溜井防塵技術措施 5. 礦井調節(jié)入風溫度理論與實踐 3 1 礦井入風風源凈化技術 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、溜礦井等局部產塵設施； 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； 3. 處理風量能力大； 4. 適合礦內環(huán)境條件，設備性能可靠，維護方便，投資 少。 4 1.3 濕式化纖過濾除塵機理 1. 濾料結構 滌綸絲為骨架、維綸絲為粘合劑制成疊層型濾料，并經專門加工處理為抗水性的濕式濾料。其結構型式： 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，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 當濾料的結構一定時，其阻力決定于過濾風速和噴水 量。不同風速條件下，阻力與噴水量的關系見圖 1-1。 濕式濾料的阻力與噴水量之間存在非線關系。 6 圖 1-1 濕式濾料阻力與噴水量關系曲線 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； 噴水量應在 3L/m2min以上，當 增大時，則 q相應增大； =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風流凈化上的應用 1. 入風風源凈化 在礦井入風側，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合構成局部凈化裝置，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； 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， 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 根據質量守恒原則，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時間內硐室內粉塵量的變化為： KCCQQQQ bcb 1,1, VK Q CVQCVGdtdc c 111（ 2-8） 因 則 （ 2-9） 19 根據不同的初始條件，可得出相應粉塵濃度變化所需風量。 在連續(xù)產生、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)通風技術的應用與發(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工序中使用，對于有毒氣體的凈化問題還沒有達到工程應用的程度。 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 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，產生大量礦塵并飛揚擴散于附近空間，如后巷、運輸?shù)?、井底車場、變電站等?23 2.誘導風流 快速下落的礦石，產生強大的誘導風流，并攜帶大量的礦塵沖出溜井口，污染范圍很大。 3. 溜井結構，放礦量及作業(yè)條件 產塵量的大小與溜井的結構（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。 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 溜井防塵技術措施 4.1 密閉與噴霧降塵 對于作業(yè)量較少、產塵量不大的礦井，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 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 巷道向溜井內流動，以控制礦 塵外逸。 要求：設井口密閉； 在溜井繞道外設自動風門。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。 溜井口內外壓差的大小與抽塵風機性能和溜井密閉程度有關。當風機風壓較高，溜井口密閉較嚴，在溜井內外所造成的壓差大于卸礦時所產生的沖擊風壓時，可使溜井口不產生塵流外泄現(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 卸壓溜井結構 在主溜井旁側，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)絡道和卸壓井形成循環(huán)風流，在卸壓溜井系統(tǒng)內部循環(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)。 結論 涌出風量、污染長度的計算值與實測值基本相符。經平行溜井卸壓后，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 利用濕式振動纖維柵與卸壓溜井相結合，構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 除塵凈化應用實例 (1) 應用地點 紅透山銅礦主溜井服務于多個生產系統(tǒng)，每個生產系統(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)絡道； 7 凈化裝置； 8 運輸平巷； 9 廢石溜井； 10 入風石門 43 (2) 應用條件 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 卸礦過程中所產生的沖擊氣流，經卸壓溜井系統(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，經主溜井、聯(lián)絡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，過濾風速增加，阻力相應升高見圖 4-6。 圖 4-6 凈化阻力與過濾風速的關系 圖 4-7 凈化效率與過濾風速的關系 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，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系 46 (4) 實際應用效果 水壓為 0.5MPa，氣壓為 0.45MPa； 過濾風速 3.7m/s，阻力為 320Pa，風機