某铅锌矿回风井口雾气影响因素分析及治理方案研究

1、 MACROBUTTON AMEditEquationSection2 Equation Chapter 1 Section 1 SEQ AMEqn r h * MERGEFORMAT SEQ AMSec r 1 h * MERGEFORMAT SEQ AMChap r 1 h * MERGEFORMAT 某铅锌矿回风井口雾气影响因素分析及治理方案研究Analysis of the Factors Affecting the Fog in the Return Air Wellhead of a Mine in Yunnan and Research on the Treatment Plan

2、王孝东，符浩南，刘杰，童学林，陈书鹏Wang Xiaodong，Fu Haonan，Liu Jie ，Tong xuelin， Chen shupeng（昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093）（Faculty of Land Resource Engineering of Kunming University of Science and Technology，Kunming Yunnan 650093）摘要：为了解决回风井在井口段冬季的成雾问题，保障周边居民生活环境质量以及施工运输行车安全，依托云南某铅锌矿通风优化工程，通过对起雾段空气静压、空气温度以及空气相对湿度进行现

3、场测试，依据测算结果分析了井口段雾气形成的影响因素，运用工程热力学原理计算出温度、湿度、风量等因素对雾气形成的作用量，提出了惯性分离式除雾器与活性炭联合作业的除雾方案，介绍了除雾方案结构设计，并结合计算流体力学的离散相模型得出治理方案随机产生的雾气颗粒为1,167,620粒并充满整个巷道空间，巷道劈面及除雾器共同捕集的雾气颗粒有1,149,650粒，除雾器逃离及巷道空间剩余雾气颗粒有17970粒，除雾效率高达90%以上，从而有效解决了回风井口除雾问题，为矿山井口除雾技术提供了一定的理论指导。关键词：回风井口；影响因素；数值模拟;雾气颗粒；除雾效率Abstract: In order to so

4、lve the fogging problem of the return air shaft in the wellhead section in winter, to ensure the living environment quality of surrounding residents and the safety of construction and transportation, relying on the ventilation optimization project of a lead-zinc mine in Yunnan, the air static pressu

5、re, air temperature and air relative Humidity was tested on site, and the factors affecting the formation of mist in the wellhead section were analyzed based on the calculation results. The effect of temperature, humidity, air volume and other factors on the formation of mist was calculated using th

6、e principles of engineering thermodynamics. The combined operation of inertial separation mist eliminator and activated carbon was proposed. The defogging scheme introduced the structure design of the defogging scheme, and combined with the discrete phase model of computational fluid dynamics, it is

7、 concluded that the randomly generated fog particles in the treatment scheme are 1,167,620 particles and fill the entire roadway space. The roadway splitting surface and the mist eliminator jointly capture There are 1,149,650 fog particles, 17,970 particles remaining in the defogger and roadway spac

8、e, and the defogging efficiency is as high as 90%, which effectively solves the problem of defogging at the return air wellhead and provides a certain theory for the defogging technology at the mine wellhead guide.Keywords: Return air wellhead; Influencing factors; Numerical Simulation；Mist particle

9、s; Defogging efficiency收稿日期：2020-12-30基金项目：昆明理工大学引进人才科研启动基金项目（KKSY201767034）；云南省重点研发计划项目（2020003AC100002）Fund: Kunming University of Science and Technology Introduced Talent Research Startup Fund Project (KKSY201767034)；Key R&D Project of Yunnan Province (2020003AC100002) 作者简介：王孝东（1977-），男，云南宣威人，副教授

10、，硕士研究生导师,主要从事矿井通风与安全研究.通讯作者：符浩南（1993-），男，河南信阳人，硕士研究生，主要从事矿井通风与安全，Email：690310589.随着我国深部采矿工程的不断推进，地下通风工程规模不断扩大，会出现各类环境灾害问题。尤其在冬季外部环境气温较低，与井内环境温度形成较大的温差，井口段会产生大量雾气。雾气的形成范围较大、透明度较低、持续时间较长，极大地降低井口周围道路能见度，对洞内交通运输产生较大的安全隐患，并且对井口构筑物和工程设备产生腐蚀作用，因此，有必要对回风井内雾气形成的影响因素及除雾技术进行研究。国内外已经有部分学者进行过相关研究。钱洁1从矿井空气的危害和防治探

11、讨了具体的方法和策略。陈小竹2等通过对井下空气污染物浓度及来源分析,确定治理措施。吴吉南3等运用工程热力学原理,对煤矿井下上山巷道大雾形成机理进行分析研究,并提出了相关可行性办法。周梦晨4综合除雾效率和能耗等因素,为新型除雾器的设计改造工作提供了数据支持和模型参考。袁惠新5等提出了一种将旋流场与静电场相结合的除雾器,利用数值模拟的方法,分析了静电-旋流除雾器操作性能。厉雄峰6等通过建立气相、水蒸气相及颗粒相控制方程和计算方法，模拟了冷凝式除雾器协同除尘过程，分析了其分级除尘效率的影响因素。罗光前7等提出一种改良内部结构的新型除雾器,运用计算流体力学（CFD）技术。王泽龙8对两级旋流式、组合式、

12、两级折流式3种除雾器进行性能分析。杨琳9对除雾效率和压降两个重要问题进行了数值模拟研究。刘艳丽10等对引入液滴辅助捕集结构前后的折板除雾器内的流场和压降进行模拟。吕超11等对文丘里热解反应器内的气-液两相流进行了数值模拟研究,通过多组模拟最终确定了实验模拟的最优工艺条件。张习军12等针对我国目前矿井降温系统运行所面临的高能耗问题,介绍了一种用于直接冷却矿井风流的直接接触式喷淋热交换系统。1.工程背景与现场测试1.1工程背景云南某铅锌矿主回风井口海拔2400米，自从此回风井作为回风井建成后，承担着整个矿山回风的重要工作，该回风井长800m，根据现场调查，该回风井口温度较低，每年11月中旬至次年2

13、月中旬井口均不同程度地产生雾气，雾气在回风并随着雾气扩散，对周边生活的居民造成了一种不安全心理，使得回风井口长期封闭，进而对矿山整个回风系统造成严重的影响，回风困难，影响安全生产，加重了井下工作环境污染，不利于矿工身体健康。因此，开启回风井井口进行回风已迫在眉睫。1.2现场测试1.2.1测试仪器为了寻求回风井口空气结雾的根本原因，本文在12月份对回风井低及井口空气参数进行了现场测试。测试的仪器见表1。表1 检测使用相关设备及型号Table 1 Test and use related equipment and models序号名称规格型号测量精度1数字温湿度计PM6508环境温度：1.0湿球

14、温度：1.0湿度：3.0%RH2通风多参数检测仪JFY-4温度：1.0、低速：0.2m/s中速：0.3m/s、高速：0.4m/s压差：2.0%、压力：2.0%3空盒气压计（高原型）DYM3-1-4便携式气体检测报警仪（点阵式）CD4（B）O2：0.3%、CO：1ppm、CH4：0.05%、H2S：3ppm1.2.2测试方法现场测点布置情况见图1，为了得到高精度的测量数据，采用分格测量法见图2（黑色圆点表示测点），把巷道断面划分九个面积大致相等的方格，再逐格在其中心测量个点风速v1，v2，v9，最后取平均值得平均风速v。图1 回风井成雾段纵向测点布置示意图Figure 1 Schematic d

15、iagram of longitudinal measurement point layout of the fogging section of the return air shaft图2 井底横断面测点布置示意图Figure 2 Schematic diagram of the layout of survey points on the bottom of the well图3 井口横断面测点布置示意图Figure 3 Schematic diagram of measuring point layout of wellhead cross section2测试结果与分析2.1成雾凝水

16、量计算湿空气的状态参数主要有：湿空气绝对湿度和相对湿度、湿空气的含湿量、湿空气的焓、湿空气的比体积；其中不同温、湿度下湿空气的含湿量分别用、表示：式中 湿空气的相对湿度，%； 分别是大气压力和饱和水蒸气分压力，Pa。湿空气中干空气的质量用表示：式中 干空气的分压力，Pa； 湿空气体积，m3； 干空气的比气体常数，J/(kgK)； 湿空气温度，凝水量用表示：式中 湿空气中干空气的质量，kg； 不同温度和相对湿度下湿空气的含湿量。2.2影响因素对成雾析水量分析 表2 回风井沿程冬季空气参数测算表Table 2 Calculation table of winter air parameters a

17、long the return air shaft编号测定地点大气压力Pb/hpa干温度/湿温度/干温度差/湿度/%水蒸气分压PS/Pa露点温度/含湿量（kg/kg干空气）1回风井井口755.1151501001705.2615.0160.0106472回风井与1600中段交叉点832.52322.80.2982753.7722.6660.017377310#通风井与1464中段交叉点845.624.123.50.6952852.4523.2440.018017410#通风井与1416中段交叉点849.124.323.90.4972978.0323.7850.0186375140中段4与阶段回

18、风井交叉点864.324.524.30.2983013.9124.1520.01906961344中段与阶段回风井交叉点870.324.724.60.1993081.2924.5180.01950871286中段与阶段回风井交叉点873.224.324.10.2982978.0323.7560.01883581274中段与阶段回风井交叉点875.024.123.70.4972912.523.5870.018408表3回风井沿程冬季空气参数测算表Table 3 Calculation table of winter air parameters along the return air shaf

19、t测定地点大气压力Pb/hpa干温度/湿温度/水蒸气分压PS/Pa风量（m3/s）空气密度（kg/m3）湿度/%含湿量差（kg/kg干空气）成雾析出水量（kg/s）回风井井口755.115151705.2650.240.8294 1000.006730.392221回风井与1600中段交叉点832.52322.82753.7772.140.9779 980.000640.05330610#通风井与1464中段交叉点845.624.123.52852.450.630.9916 950.000620.0004510#通风井与1416中段交叉点849.124.323.92978.031.390.99

20、50 970.0004320.0006911404中段与回风井交叉点864.324.524.33013.914.391.0122 980.0004390.0022151344中段与回风井交叉点870.324.724.63081.290.721.0185 99-0.00067-0.000561286中段与回风井交叉点873.224.324.12978.030.521.0233 98-0.00043-0.000261274中段与回风井交叉点875.024.123.72912.53.421.0261 97合计0.44807 综合以上现场测算分析可知，如果空气温度或者大气压力发生变化，饱和水蒸气量会逐

21、渐减小，空气中的一部分水分凝结成细小水滴，形成雾气，使井巷道显得潮湿。因此需要通过气压、温度、湿度和风速等观测数据来分析雾气形成的原因。（1）气压的影响根据空气含湿量的原理，气压越高，空气中含湿量越大。在1274 m回风巷道测得的大气压力值为875.0hPa，相对应的含湿量值为18.408g/kg，随着气流上行，井内标高逐渐增加，气压下降，空气所受的压强减小而膨胀，空气吸湿能力下降，当气流到达井口时，大气压力降至755.1 hPa，所对应的含湿量值为10.647 g/ks，其两点间的含湿量差为7.761g/kg，使得空气中的水分不断析出，进而形成雾气。（2）风流温、湿度的影响根据绝对湿度的定义

22、，井下用风和回风线路的空气温度高，空气的饱和水蒸气分压就高，即温度高的空气比温度低的空气能容纳更多的水蒸气。在1274 m回风巷道测得的干球温度为23 ，湿球温度为22.8 ，相对温度为98 %，相对应的饱和水蒸气分压力为2753.77 Pa，露点温度为22.666 ，此时若温度继续降低，多余的水蒸气就会从空气中凝结出来。当气流到达井口时，温度降至15，空气的饱和水蒸气分压力为1705.26 Pa，空气相对湿度增加至100%，沿途释放水分，因此产生雾气。（3）风量、风速的影响风速越大，回风井内的水蒸发越快，巷道风流带走的水汽越大，空气中的水含量越大；反之，风速小，巷道的水蒸发越慢，巷道风流带走

23、的水汽越小，空气的含湿量越小；但当水蒸发量大于巷道风流带走的水汽量时，巷道的雾气现象越严重。根据表计算结果可知，回风量为50.24 m3/s，从主扇到井口成雾析出水量为448.07g/s，若按每天24小时计算，回风井井口排出的成雾析出水量为38.71吨。3.方案设计分析设计采用在回风井口建立回风巷道如图4，在其内部分别安装单级折流板除雾器、活性炭柱和双级折流板除雾器，其中，（1）单级折流板除雾器安置于除雾巷道的中间位置，其作用有三个方面，对井口气流产生的雾气进行第一次惯性碰撞分离，从湿空气中分离出一部分雾气液滴；对井口高速气流取到一定的减速作用；单级折流板除雾器采用高分子材料安装以门框中，形成

24、自由开关的门，可同时兼顾一年中各个季节的雾气产生状况，即冬季雾气大时关闭，其他季节雾气小时打开。（2）活性炭以圆柱状形式安置于接近除雾巷道出口端，交叉布置为三排，其作用有两个方面，对空气中的炮烟取到一定的吸附去除作用，活性炭具有约1000m2/g的内部表面积，被广泛地用作空气污染控制的吸附材料；分离出空气中的小部分雾气液滴。（3）双级折流板除雾器板片使用不锈钢材料制作，安置于除雾巷道出口处，其作用为两个方面，采用双级折流板叶片为最终除雾区域，具有从空气中分离出绝大数雾气液滴的作用；双级折流板叶片安置于除雾巷道出口处，能有效地提高除雾效率。图4 除雾系统设备平面布置图Figure 4 Layou

25、t plan of demister system equipment4数值模拟方法与验证4.1几何模型及初始条件通过上述设计为了模拟巷道空间内出口段安置单级除雾器、活性炭柱和双级除雾器组合的除雾情况。参考冬季寒冷天气期间的气象条件，设置数值模拟的初始条件为：井外大气环境空气温度为10 ，巷道设置为水泥浇灌壁面，温度为5 ；空气入口为速度入口，风速设为4 m/s，流动方向为x轴正方向；巷道空气出口为自由出口。网格划分采用规则的六面体网格形式，网格数329,332个，见图5。图5 几何模型Figure 5 Geometric model4.2模型设计（1）单级除雾器模型设计模型空间中布置单级梯形

26、折线型除雾器，单片除雾器几何模型尺寸为长宽为6000 mm300 mm，叶片数量60片，叶片间距为50 mm，叶片折角为120，安装位置在距模型进入口处6000 mm处。（2）活性炭模型设计模型空间中交错布置活性炭柱3排，每排10个，共30个，炭柱模型直径为300 mm；第1个炭柱模型位置坐标为x=16000 mm、y=0 mm，其余炭柱模型分别依次朝x和y轴正方向以间距300 mm交错布置。（3）双级除雾器模型设计巷道空间中布置双级梯形折线型除雾器，单片除雾器几何模型尺寸为长宽为6000 mm600 mm，叶片数量113片，叶片间距为30 mm，叶片折角为120，除雾叶片为不镑钢材质 ，安装

27、形式垂直安置。控制方程进行计算的基础条件是初始及边界条件。本文在模拟计算时的具体边界条件为：整个计算过程中温度不变，且在除雾器通道内均匀分布；气体入口为速度入口，在进口截面处气流速度均匀分布；出口为压力出口即自由出口；壁面、炭柱、单双级除雾叶片设置为wall边界，且壁面表面粗糙度设为零，无滑移，绝热；加入雾气液滴颗粒后，液滴进口速度与气流速度相同，滴在进口截面均匀分布；速度入口设置为射入（wall-jet），压力出口设置为逃逸（escape），壁面、炭柱、单双级除雾叶片设置为捕捉（trap即液滴撞击到壁面即认为颗粒被捕捉而不再计算）；采取的算法为：压力速度耦合方式为SIMPLE算法，离散格式选

28、用二阶迎风格式，计算精度选取10-6。4.3模拟结果与分析对井口雾气运移的非定常流场进行模拟仿真后，可以得到巷道内温度及压力云图、风速矢量图、雾气颗粒在巷道内的运移图，进一步分析气液分离的机理。风速变化模拟分析模拟设置入口风速为5 m/s时，平面巷道温度、速度分布云图分别见图6。（a） 速度云图(a) Speed cloud chart（b）速度矢量图(b) Speed vector diagram（c） 温度云图(C) Temperature cloud chart（d）温度矢量图(D) Temperature vector diagram图6 速度、温度云图及矢量图Figure 6 Spe

29、ed,temperature cloud chart and vector diagram本次模拟巷道内风速依据1600中段巷道内主扇特性曲线的最高风速为依据，在入口气流速度（空气、雾气液滴）的两相流耦合作用下，数值模拟巷道空间气流速度及温度运动分布，由模拟结果图6可以看出，气流速度以5 m/s的速度射入巷道，呈现出匀速递减的趋势，从入口到出口气流速度范围在5 m/s3.5 m/s之间；由于本次模拟不考虑气流温度降温处理，因而温度变化云图及矢量图保持稳定为15 ，从图中可以看出，整个模拟计算过程中，气流速度和温度运动变化过程基本处于一种平稳过渡状态。除雾器除雾效率分析本次模拟计算主要依据回风井

30、井口现场除雾试验，由于回风井井井口雾气的排放量大，且雾气液滴体积变化范围大，进而设置雾气液滴直径范围在10 um100 um之间随机产生，通过建模、调试与运算。在模拟计算稳定的状态下，得出模拟计算结果，如图7所示。（a） 1s时雾气颗粒运动轨迹(a) Movement trajectory of fog particles at 1s（b）3s时雾气颗粒运动轨迹(b) Movement trajectory of fog particles at 3s（c）4s时雾气颗粒运动轨迹(c) Movement trajectory of fog particles at 4s（d）32s雾气颗粒的速

31、度运动轨迹(d) The velocity trajectory of the 32s fog particles图7 除雾效果图Figure 8 Defogging effect diagram本次除雾数值模拟计算时间为32 s，随机产生的雾气颗粒为1,167,620粒并充满整个巷道空间，其中，被巷道劈面及除雾器共同捕集的雾气颗粒有1,149,650粒，从除雾器逃的雾气颗粒有6,320粒，整个巷道空间剩余的雾气颗粒11,650粒，除雾效率达到90 %以上。从模拟计算结果可以看出，首先，在模拟巷道5000 mm处安置一级除雾叶片且叶片间距为60 mm，主要负责捕集大部分由巷道排出的体积相对大的

32、雾气液滴，从图（a）（b）可以看出，当雾气由入口进入时，瞬间充满整个巷道，经过一级除雾叶片时，可以看出大部分雾气液滴被捕集；其次，在模拟巷道14000 mm处安置3排互相交错的圆形炭柱，可捕集一部分随气流经过的雾气液滴；最后，在模拟巷道出口处18000 mm处布置双级除雾叶片且叶片间距为30 mm，负责捕集巷道内剩余的少量且体积小的雾气颗粒。从整个模拟结果可知，该方案设计可使巷道内产生的雾气液滴经过多次捕集后去除，除雾效果明显。5.结论（1）根据研究结果，得出雾气产生的原因主要与大气压力，风流温、湿度，风量等参数变化有关。（2）回风井正常工况条件下，回风量为50.24m3/s，井口湿空气中的成

33、雾析水量在448.07 g/s，一天析水量38.71吨。（3）根据数值模拟计算结果，巷道内产生的雾气液滴经过多次捕集后去除，得出除雾方案除雾效率达到90 %以上，除雾效果明显。参考文献1钱洁.矿井空气中有害气体对人体的危害与防治J.江西化工,2020(03):135-136.Qian Jie.The harm and prevention of harmful gas in mine air to human bodyJ.Jiangxi Chemical Industry,2020(03):135-136.2陈小竹,汪志国,宋宏元,汪少林,赵龙.湾家坞矿井下空气环境污染分析及综合治理J.黄金,

34、2020,41(03):75-78.Chen Xiaozhu Wang Zhiguo Song Hongyuan Wang Shaolin Zhao Long. Analysis and comprehensive treatment of underground air environment pollution in Wanjiawu MineJ. Gold，2020,41(03):75-78.3吴吉南,冯学武,何启林,曹大成.东七轨道上山雾气形成机理与治理方案J.矿业安全与环保,2003(S1):116-118.Wu Jinan,Feng Xuewu,He Qilin,Cao Dache

35、ng.Formation mechanism and treatment plan of fog on the East 7th trackJ.Mining Safety and Environmental Protection,2003(S1):116-118.4周梦晨. 新型冷却除湿除雾器冷态实验研究与数值模拟D.山东大学,2020.Zhou Mengchen. Cold Experimental Study and Numerical Simulationon a New Cooling Dehumidification DemisterD. Shandong University, 2

36、020.5袁惠新,朱星茼,付双成,周发戚.静电-旋流除雾器性能的研究J.流体机械,2020,48(05):1-6+48.Yuan Huixin Zhu Xingtong Fu Shuangcheng Zhou Faqi. Study on the Defogging Performance of an Electrostatic CycloneJ. Fluid Machinery, 2020, 48(05): 1-6+48.6厉雄峰,葛春亮,刘文榉,蒋楠,刘嘉恒,唐飞翔.冷凝除雾器分级除尘效率影响因素模拟研究J/OL.中国电机工程学报.LI XiongfengGE ChunliangLIU W

37、enjuJIANG NanLIU JiahengTANG Feixiang. Numerical Simulation on Graded Dust Collection Efficiency of Condensed Mist EliminatorJ/OL. Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering.7罗光前,方灿,邹仁杰,姚洪.多孔板除雾器除雾性能模拟研究J.华中科技大学学报(自然科学版),2020,48(04):1-6.LUO Guangqian FANG Can ZOU Renjie YAO Hong. Simulation stud