非煤矿山通风安全技术【稀缺资源，路过别错过】

1 非煤矿山通风安全防尘技术 2 1. 矿井入风风源净化技术 2. 循环通风与风流净化原理 3. 溜井防尘理论基础 4. 溜井防尘技术措施 5. 矿井调节入风温度理论与实践 3 1 矿井入风风源净化技术 矿山安全规程规定： 所有工作地点的空气含尘量不得超过 2mg/m3。 入风井巷和采掘工作面的风源含尘量不得超过 0.5mg/m3。 1.1 入风风源影响因素 1. 地理位置、地形、气候条件等； 2. 破碎硐室、溜矿井等局部产尘设施； 3. 采掘作业面风流串联。 1.2 入风风源净化的基本要求 1. 净化效率高，净化后粉尘浓度不大于 0.5mg/m3； 2. 阻力低，与矿井通风现状相适应； 3. 处理风量能力大； 4. 适合矿内环境条件，设备性能可靠，维护方便，投资 少。 4 1.3 湿式化纤过滤除尘机理 1. 滤料结构 涤纶丝为骨架、维纶丝为粘合剂制成叠层型滤料，并经专门加工处理为抗水性的湿式滤料。其结构型式： DV 型：由粗细纤维混梳制成，充填率均匀； DV 型：由不同丝经纤维配比制成，配比不同，充填率不 同，可划分出致密层与松散层。 2. 喷雾器 喷雾器的性能与喷水量、出水孔径、扩张角、水滴尺寸有关，其水力特性直接影响捕尘效率的大小。 3. 除尘机理 对于矿内粉尘，捕尘机理是以截留和惯性碰撞为主，0.2 m以下的微细粉尘则以扩散作用为主。 5 湿式过滤作用： 滤料纤维被湿润并附着上水滴，提高了充填率； 水滴在滤料上形成水膜，提高了惯性和扩散捕尘作用； 含尘气流穿过水膜时，粉尘被湿润和捕获； 水滴附着于纤维上，动能降低，在重力和水流的作用下冲洗捕集的粉尘、防止粉尘积聚和二次飞扬。 1.4 湿式过滤除尘性能 1. 滤料阻力 当滤料的结构一定时，其阻力决定于过滤风速和喷水 量。不同风速条件下，阻力与喷水量的关系见图 1-1。 湿式滤料的阻力与喷水量之间存在非线关系。 6 图 1-1 湿式滤料阻力与喷水量关系曲线 1 风速为 0.6m/s， 2 风速为 0.9m/s； 3 风速为 1.06m/s； 4 风速为 1.8m/s 7 湿式滤料与干式滤料的阻力特性不同，见图 1-2。 湿式滤料的初始阻力高，但比较稳定。干式滤料随使用时间的增长，阻力上升较快。 当过滤风速 2m/s，喷水 量 q 10L/m2min， 则湿式滤料的阻 力 h 500Pa。 图 1-2 湿、干式滤料阻力特性对比图 1 干式滤粒； 2 湿式滤料 1 2 8 2. 除尘效率 ( ) 通过实测，湿式滤料的综合除尘效率为 98.2%，净化后出口粉尘浓度为 0.28mg/m3，达到净化要求的 0.5mg/m3以下。 湿式滤料的分组除尘效率见图 1-3。 当 =1.0 1.2m/s， q=4 6L/m2min， 对于粉尘粒径 d 2 m， =60 80%； d=2 5 m， =80 90%； d 5 m， 99%。 图 1-3 湿式滤料的分组除尘效率曲线 9 应注意的问题： 喷水量越大，除尘效率越高。但达到一定值后，效率增加缓慢，趋于稳定； 喷水量应在 3L/m2min以上，当 增大时，则 q相应增大； =1 1.5m/s时， 达最大值。 3. 清灰效果 当 q 3L/m2min时，清洗粉尘达 80 90%。可使滤料始终处于清洁状态，除尘效率和阻力稳定，滤料使用寿命长。 10 1.5 湿式过滤除尘在矿内风流净化上的应用 1. 入风风源净化 在矿井入风侧，滤料安装于整个巷道断面，使全部入风流通过巷道上的湿式滤料进行净化。 此净化方法，处理风量大，要求效率高，阻力小，可用压入式主扇或辅扇来实现。 2. 局部净化 1) 净化方式 湿式过滤器与局扇相结合构成局部净化装置，净化含尘空气。 2) 适用地点 破碎机、溜矿井、掘进工作面等。 11 3.应用实例 镜铁山矿入风风源净化，其净化装置见图 1-4。 1) 风源状况 入风风源粉尘浓度高达 17mg/m3，一般情况下 2 4mg/m3。 图 1-4 湿式化纤过滤除尘装置 1 净化器； 2 电磁阀； 3 水压表； 4 进水管； 5 进风道；6 钢丝网； 7 喷雾器； 8 滤料； 9 排水沟 12 2） 净化参数 主扇：风压 407.7Pa，风量 30.5m3/s。 巷道规格： 2.5 2.6m2。 过滤面积： 35m2。 过滤风速： 0.8 0.9m/s。 3) 净化效果 当矿井入风含尘浓度在 20mg/m3左右时，净化后的粉尘浓度稳定在 0.5mg/m3以下。 当过滤风速为 0.8 1.2m/s时，通风阻力不超过 294Pa。 13 2 循环通风与风流净化原理 2.1 闭路循环式通风过程分析 对于独头巷道、硐室等，在外界不供新鲜风源的情况下，单靠空气净化系统本身的净化作用进行通风除尘。 除尘效果与净化 器的效率密切相关， 闭路循环式通风除尘 系统如图 2-1所示。 图 2-1 闭路循环式通风示意图 1 净化器； 2 送风风筒； 3 风流路线 14 根据质量守恒原则，作业空间粉尘量的变化等于作业面生成的粉尘总量与风流由作业面带走的粉尘量之差，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 作业面生成的粉尘量， mg/s； Q 循环风量， m3/s； Cb 净化器出口的粉尘浓度 mg/m3； C 作业面的粉尘浓度， mg/m3； K 紊流扩散系数。 15 在循环通风的条件下，净化器出口的粉尘浓度 Cb为： KCC b 1 CCttCoCtVQ K CVKCQVGdtdc,01 （ 2-3） 式中： 净化器的除尘效率。 则闭路循环通风过程的方程为： VQtKeQK GCQK GC 0（ 2-4） 上式积分得： 16 爆破后和集中放矿时， G=0，则 VQtkeCC 0GQKC0GtCCV(2-5) 凿岩作业、连续放矿或耙矿过程 ，则 若除尘器的效率 =0，由 (2-4)式得： (2-6) (2-7) 0dtdC 此式表明在闭路循环系统中，若 =0，必然出现作业面粉尘浓度积集现象。 17 2.2 开路循环式通风过程分析 开路循环，即掺有外界新风的循环通风系统（图 2-2）。 图 2-2 开路循环式通风示意图 1 空气净化器； 2 风流路线 18 硐室中的总风量 Q为 cb QQQ QQ bQ K C d tdtCQdtCQG d tV d c bbcc 循环风系数 为 在 dt时间内硐室内粉尘量的变化为： KCCQQQQ bcb 1,1, VK Q CVQCVGdtdc c 111（ 2-8） 因 则 （ 2-9） 19 根据不同的初始条件，可得出相应粉尘浓度变化所需风量。 在连续产生、连续通风情况下， ，则所需风量为 0dcdt cCqKCGQ111 CKGQ（ 2-10） 全部循环风流， =1， CC=0，则 无循环风流， =0，则 外界新风的粉尘浓度 CC=0，则 cGQK C C 011QQ（ 2-11） 20 2.3 循环通风技术的应用与发展 1. 循环通风是一种辅助的通风方法。某些空气净化装置只能在局部地点和某些生产工序中使用，对于有毒气体的净化问题还没有达到工程应用的程度。 2. 在闭路循环式通风系统中，采用高效除尘装置，其循环风量比正常通风量需增大 1/ 倍，否则必然使作业面粉尘浓度增高。 通常在独头巷道凿岩、装岩、溜井口和破碎硐室等场所使用。 3. 在开路循环式通风系统中，如果不使用空气净化装置，则会出现各作业面之间的循环风流，如图 2-3所示，势必使相邻作业面受到污染，扩大污染范围。 21 图 2-3 作业面之间的有害循环风流 4. 在开路循环式通风系统中，同时采用高效净化装置，可在主风流不足的情况下，收到良好的通风效果。 5. 东北大学所研制的高效湿式过滤除尘器，除尘效率高达99.5%，最大阻力不超过 1000Pa，处理风量 2 3m3/s。 除尘、除氡子体复合式净化器，对氡子体的净化效率达 98%，通风阻力 800 1000Pa。 22 3 溜井防尘理论基础 溜井多位于进风巷道的附近（井底车场）。卸矿时，由于矿石的快速下落，产生强大的冲击气浪，并带出大量的粉尘，严重污染卸矿硐室及其附近巷道，甚至会造成整个通风系统的污染。 3.1 溜井产尘的主要影响因素 1. 装卸运输过程 在装、卸矿石过程中，由于矿石间相互碰撞，矿石与格筛、矿石与井壁间相互碰撞、摩擦以及风流的作用，产生大量矿尘并飞扬扩散于附近空间，如后巷、运输道、井底车场、变电站等。 23 2.诱导风流 快速下落的矿石，产生强大的诱导风流，并携带大量的矿尘冲出溜井口，污染范围很大。 3. 溜井结构，放矿量及作业条件 产尘量的大小与溜井的结构（单一溜井、平行溜井、垂直溜井、斜溜井）、放矿量（ 1t、 2t、 3t)、放矿高度 (60m、 120m、240m ）、作业条件（洒水、干式）等有直接的关系。 3.2 溜井放矿时冲击气流的规律 3.2.1 冲击气流的形成 球体在空气中运动时，在球体的前后形成压力差。单位体积流体因克服正面阻力所造成的能量损失，可由下式计算： 24 式中： un 风流通过溜井断面的平均流速， m/s； Sn 正面阻力物在垂直于风流方向上的投影面积， m2； c 冲击风压校正系数，与正面阻力系数、溜井口阻力系 数有关。 Sn(0.04 0.15)S，可略去 Sn，则 PauSSSch nnnc ,222,2nncSuh c P aS(3-1) (3-2) 如果把矿石在溜井中的降落看成自由降落，矿石下落速度 ，应等于风流绕过矿石的速度 un。 gHn 225 式 中： H 放矿高度， m。 当空气流速达最大值时，其压力损失为 PagHSSch nc ,Pauh ,22 在冲击压力作用下，由溜井口冲出的气流速度达到最大值的阻力为： （ 3-4） （ 3-3） 式中： u 由于冲击风压而造成的空气流速， m/s； 溜井口局部阻力系数，无因次； 风流因克服阻力，造成风流能量损失。显然， hc=h，即： 22ugHSSc n （ 3-5） 26 于是，最大冲击风流与溜井断面和阻力的关系为： SScgHu n22gHu22SSn（ 3-6） 式中： 称压力系数，无因次； 称断面系数，无因次； 称阻力系数，无因次。 c27 图 3-1 溜井放矿冲击气流实验模型 1 铁管； 2 漏斗； 3 闸门； 4 闸门； 5 倾斜压差计； 6 热球风速计 图 3-1为溜井放矿实验模型。溜井主体采用圆形铁筒，总高为 10.87m，圆筒直径160mm。从几何相似角度来看，它相当于直径 3m，高 200m的溜矿井。 3.3 影响冲击风速各因素 的实验研究 28 根据相似原理，模型溜井中松散矿石球断面与模型溜井全断面之比应等于实际溜井中的松散矿石球断面与实际溜井全断面之比，并均应小于 1，即： 1SSSS nnnS（ 3-7） 式中： 模型溜井中，松散矿石球体的投影面积， m2； 模型溜井全断面， m2。 在放矿量 G、放矿高度 H、溜井口阻力系数 不同的条件下，冲击气流的变化分析如下。 (1) 放矿量对冲击风速的影响 放矿量 G与冲击风速 u的关系见图 3-2。 S29 图 3-2 放矿量 G对冲击风速 u的影响 1 放矿高度 H=10.87m； 2 放矿高度 H=6.87m； 3 放矿高度 H=3.87m 30 在 H、 不变的情况下，风速随放矿量而增加，在放矿量较小时，风速增加幅度较大，在放矿量较大时，风速增加幅度变小。冲击风速与放矿量之间存在非线性关系。 (2)放矿高度对冲击风速的影响 图 3-3为不同放矿高度时冲击风速的变化曲线图。冲击风速随放矿高度逐渐增大。当高度较低时，风速变化幅度较大，高度较高时，风速变化幅度较小。冲击风速随放矿高度的变化，也是非线性关系。 图 3-3 冲击风速随放矿高度变化 曲线图 1 放矿量 G=1kg； 2 放矿量 G=2kg 3 放矿量 G=3kg 31 冲击风速随溜井口阻力系数增大，显著减少。当风阻较小时，风速随阻力系数变化幅度较大，当风阻较大时，风速随阻力系数的变化幅度较小。风速随阻力系数的变化，也是非线性关系（如图 3-4）。 图 3-4 冲击风速随溜井口阻力变化曲线图 1 放矿量 G=1kg 2 放矿量 G=2kg 3 放矿量 G=3kg 0 100 200 300 400 (3)溜井口阻力对冲击风速的影响 32 3.4 冲击风速（或风量）的计算 1. 冲击风速 smGSHCu /,43.0 330 . 4 3 , /uHCQ S G m sS230 . 1 1 ,cHh C G P aS（ 3-8） 式中： C 冲击风压修正系数。 2. 冲击风量 30 . 3 2 , /Cu t G m sS式中： Su 溜矿道断面， m2。 3. 最大冲击风压 4. 连续卸矿时的冲击风流 （ 3-9） （ 3-10） （ 3-11） 33 4 溜井防尘技术措施 4.1 密闭与喷雾降尘 对于作业量较少、产尘量不大的矿井，一般采用井口密闭和喷雾洒水的措施进行防尘。如图 4-1所示。 图 4-1 溜井密闭示意图 1 活动密闭门； 2 轴； 3 配重； 4 喷雾器 优点：方法简单，效果好， 可使作业场所的粉 尘浓度由 5 20mg/m3 降至 2mg/m3。 缺点：维护工作量大，难 以长久。 34 4.2 抽尘净化 为控制溜井内诱导风流，防止矿尘向外扩散，专门开凿一条与溜井相通的巷道，利用总风压或扇风机抽风，在溜井中口形成向内流动的风流，如图 4-2所示： 优点 : 冲击风流被风机 抽至净化装置进 行净化，抽尘效 果好。 要求：井口密闭要严； 排尘巷道的位置 及贯通方式要考 虑诱导气流的产 尘和影响 尽量利用已有的 巷道，以减少工 作量。 缺点：需要一定工程量 和装备。 图 4-2 溜井抽风净化系统示意图 1 溜井口筛； 2 溜井； 3 抽风排尘巷道；4 除尘器及风机； 5 排风巷道 35 4.3 建立溜井抽尘、独立排风系统 1. 概况 溜井产尘量和诱导气流都很大，严重污染新鲜风流，其他措施很难达到防尘要求时，可建立独立抽尘排风系统，见图 4-3。 优点：各溜井口形成负压，使风流由 巷道向溜井内流动，以控制矿 尘外逸。 要求：设井口密闭； 在溜井绕道外设自动风门。其 目的是防止各中段溜井口风流 短路。 缺点：工程量大 ,成本高 ,维护量大。 图 4-3 溜井排风系统示意图 193 133 73 13 -47 -107 36 2. 抽尘排风原理 在排尘风机的作用下，整个溜井都处于负压状态，能有效的防止溜井冲击风流外泄。 溜井口内外压差的大小与抽尘风机性能和溜井密闭程度有关。当风机风压较高，溜井口密闭较严，在溜井内外所造成的压差大于卸矿时所产生的冲击风压时，可使溜井口不产生尘流外泄现象。 3. 排尘风机的风压 niimf hhkH1（ 4-1） 式中： K 风压备用系数， K=1.1 1.2； hm 最下部中段的最大风压， Pa； hi 排尘系统各段巷道的风压， Pa。 37 4. 排尘风机的风量 smQQkQniimf /,31 (4-2) 式中： K 风量备用系数， K=1.1 1.2； Qm 最下部中段的最大冲击风量， m3/s； Qi 上部各中段正常排尘风量，取 巷道排尘风速为 0.5m/s。 38 4.4 溜井卸压循环降尘 4.4.1 卸压溜井结构 在主溜井旁侧，开凿一条平行溜井，并与主溜井贯通，两者之间形成环路，如图 4-4所示。 图 4-4 防尘卸压溜井系统示意图 1 防尘卸压井； 2 上中段后巷卸矿硐室；3 支叉溜井； 4 主溜井； 5 矿石； 6 联络道； 7 下中段后巷卸矿硐室 39 4.4.2 卸压原理 当溜井放矿时，矿石降落过程中产生强大冲击风压。矿石前方为正压，矿石后方为负压，使部分冲击风流沿主溜井、联络道和卸压井形成循环风流，在卸压溜井系统内部循环，既降低了支叉溜井口处的冲击风速和涌出风量，又可起到降尘的作用，并缩短了含尘气流污染后巷的长度。 4.4.3 卸压后冲击气流污染长度 卸压后，支叉溜井口涌出的风量 Q为： smKQQ /, 3 （ 4-3） 式中： Q 无卸压溜井时涌出的风量， m3/s； K 溜井口分风量系数。 40 kcSSK 1 （ 4-4） 式中： Sc 循环风路巷道断面积， m3/s； 溜井口处局部阻力系数； k 循环风路局部阻力系数。 结论 涌出风量、污染长度的计算值与实测值基本相符。经平行溜井卸压后，支叉溜井口冲出的风量减少 40%，污染长度缩短17%。 4.5 溜井卸压与净化除尘技术 利用湿式振动纤维栅与卸压溜井相结合，构成溜井除尘净化系统。 41 4.5.1 除尘净化机理 (1) 惯性碰撞 气流中的尘粒因惯性作用与水滴碰撞并粘附于水滴上，并与纤维或水膜相接触。 (2) 扩散作用 0.2 m以下的尘粒扩散作用增强，水滴与尘粒的接触机会就增加，容易捕捉 0.1 m以下的尘粒。 (3) 凝集作用 尘粒湿润后，增加了尘粒的直径和湿润性，易于被水滴捕捉和相互间凝集成大颗粒。 水滴和尘粒的荷电性亦促进尘粒的凝集。 (4) 在紊流脉动风速的作用下，迫使纤维作纵向和横向振动，提高了尘粒与水膜、纤维碰撞接触的机率。 42 4.5.2 除尘净化应用实例 (1) 应用地点 红透山铜矿主溜井服务于多个生产系统，每个生产系统包括三个中段，每个中段高度为 60m。其除尘净化系统为六系统（即 -647m、 -707m、 -827m中段），在 -707m中段设置湿式振动纤维栅除尘净化装置。主溜井除尘净化系统见图 4-5。 图 4-5 主溜井除尘净化系统示意 1 防尘卸压井； 2 卸矿硐室后巷； 3 支叉溜井； 4 主溜井； 5 净化硐室；6 联络道； 7 净化装置； 8 运输平巷； 9 废石溜井； 10 入风石门 43 (2) 应用条件 主要包括卸压溜井系统、动力系统、供水系统、超声雾化系统、风流循环净化系统。 4.5.3 净化过程 (1) 卸压循环过程 卸矿过程中所产生的冲击气流，经卸压溜井系统进行循环，并起到降压、降尘的作用。 (2) 抽尘净化过程 由于扇风机的作用，卸矿硐室后巷产生负压，运输平巷中的新鲜风流进入，后巷中的污风进入支叉溜井口，经主溜井、联络道和卸压井进入净化硐室，净化后的风流与主石门的新鲜风流相汇合。 44 4.5.4 净化阻力与效率 (1) 净化阻力 净化阻力与过滤风速有关，过滤风速增加，阻力相应升高见图 4-6。 图 4-6 净化阻力与过滤风速的关系 图 4-7 净化效率与过滤风速的关系 当过滤风速为 4m/s时，净化阻力在 450Pa左右。 45 (2) 净化效率 在过滤风速为 0 4m/s的区间内，净化效率随过滤风速的增加而升高。当过滤风速为 4m/s时，净化效率达到最大值，见图 4-7。 当过滤风速超过 4m/s时，净化效率随着过滤风速的增加而降低。 取过滤风速为4m/s时， 5 m以下微细粉尘的净化效率可达 99%以上。分级净化效率，见图 4-8。 图 4-8 分级净化效率与粉尘粒径的关系 46 (4) 实际应用效果 水压为 0.5MPa，气压为 0.45MPa； 过滤风速 3.7m/s，阻力为 320Pa，风机