高深直溜井卸矿口产尘规律及防治技术研究

邹常富 周东良 许圣东 于兆清 张富兴

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037；2.招金矿业股份有限公司，山东招远265400）

溜井转运矿石是金属矿山开采工艺常见环节之一。高深直溜井因溜井卸矿深度大而在卸矿过程中形成强大的冲击风流，急剧压缩的空气在卸矿口形成较大的诱导风流，造成卸矿口风流出现异于常规通风现状的现象。同时卸矿后卸矿口粉尘逸散较快且浓度较大，随风流污染整个运输巷道，而卸矿口在卸矿后形成的逸散粉尘持续时间久，治理难度大，是非煤矿山开采过程中的一大难题。本文结合夏甸金矿高深直溜井产尘规律，研究高深直溜井卸矿口的粉尘防治技术，为高深直溜井卸矿口粉尘治理提供参考依据［1-3］。

1 高深直溜井卸矿口概况

招金矿业股份有限公司夏甸金矿-780 m水平设置有1条连通-1 020 m水平的卸矿主溜井，溜井深240 m，溜井直径为2.7 m，巷道高4.5 m，溜井卸矿口格筛尺寸为3.7 m×3.7 m，矿石通过矿车从-780 m水平的卸矿口向溜井中卸矿，每次卸矿量在1 t左右，矿石沿溜井直接卸落至-1 020 m水平矿仓内，溜井内未设置其他支岔溜井，且-1 020 m水平气压高于-780 m水平。溜井左侧连通-780 m水平运输大巷，溜井右侧为独头巷道，巷道内风流在压差的作用下沿独头巷道向运输大巷扩散。-780 m水平高深直溜井卸矿口如图1所示。

2 高深直溜井卸矿口产尘规律

2.1 含尘气流时空演化规律

矿车通过-780 m水平卸矿口向溜井内卸矿时，矿石沿溜井迅速向溜井底部自由落体运动，高速运动的矿石压缩溜井内的空气形成类似于活塞推动过程［4-6］，将溜井内的空气向-1 020 m水平矿仓推动。由于矿石在溜井内逐步下落，矿石下方的空气被压缩向下运动，矿石上方形成负压腔，-780 m水平卸矿口的空气迅速向溜井内补充，在溜井卸矿口附近的空气被卷吸进入溜井内，形成较大的诱导气流，气流运动规律如图2所示。

矿车卸矿后，矿石自由落体运动结束，矿石由于诱导风流的冲击作用、矿石与溜井壁的剪切作用以及矿石的尘化作用等在溜井下部产生大量的粉尘，卸矿后由于-1 020 m水平的空气压力大于-780 m水平，含尘气流沿溜井向-780 m水平缓慢扩散。矿车卸矿5 min后，含尘气流逐步从-780 m水平溜井卸矿口向巷道扩散，其中，一部分含尘气流向溜井左侧方向扩散，一部分含尘气流向溜井右侧方向扩散，向右侧方向扩散的含尘气流运动一段距离后由于独头巷道形成的空气压差致使含尘气流在溜井右侧5 m左右的位置形成涡流，循环向溜井左侧扩散。随着时间的推移，粉尘逐步累积，并沿溜井左侧方向弥漫扩散，对-780 m水平运输巷道造成严重污染。含尘气流从溜井卸矿口逸出规律如图3所示。

2.2 卸矿口产尘能力

高深直溜井卸矿口矿车卸料瞬间，卸矿口周围的含尘气流被卷吸至溜井内，通过粉尘浓度测试，卸矿后卸矿口粉尘浓度为8 mg/m3，空气为新鲜风流，而卸矿5 min后，含尘气流沿卸矿口外逸，粉尘浓度迅速增大，通过粉尘浓度测试，卸矿后5 min左右卸矿口总粉尘浓度为49.7 mg/m3，随时间推移，粉尘逐步累积，在卸矿10 min后，溜井卸矿口外逸粉尘浓度达到最大值为430 mg/m3，当第二辆矿车向溜井内卸矿时，溜井卸矿口含尘气流再次被卷吸进入溜井，卸矿的瞬间，溜井口粉尘浓度迅速降低，待卸矿5 min后又逐步增大，往复循环。卸矿口产尘规律如图4所示。

针对卸矿口外逸扩散的粉尘进行粒度分布测试，测试结果表明，10μm粒径以上的粉尘占比为7%，而粒径在10μm以下的粉尘占比93%，主要是由于含尘气流随矿石在溜井内压缩空气运动至溜井底部后缓慢上升扩散至卸矿口，大颗粒的粉尘均已沉降，剩余的粉尘均为难沉降的微细浮游粉尘，其呼吸性粉尘占比大，粉尘浮游时间久不易沉降，对人体伤害极大。

3 高深直溜井卸矿口粉尘防治

3.1 粉尘治理措施

根据高深直溜井卸矿口的产尘规律以及含尘气流的时空演化规律可以看出，卸矿口的粉尘治理不像其他固定尘源点或者产尘方向固定化的尘源点防治那么简单，高深直溜井的粉尘防治需要结合溜井本身的特性以及产尘规律［7-10］。由于高深直溜井长度较大，卸矿冲击速率非常高，一般的水雾与粉尘作用有效时间较短，达不到防尘效果［11-13］，且卸矿后从卸矿口逸出的粉尘基本为呼吸性粉尘，一般的喷雾无法有效沉降，同时，矿石的含泥量较高，溜井内水量过多时，易粘结堵塞溜井，因此，设计采用高效湿式除尘器抽尘净化的措施进行治理。

针对溜井卸矿口的尺寸面积，计算需风量为300 m3/min，考虑漏风系数和系统阻力，预留富裕系数取1.5，选择KCS-550D-I型矿用湿式过滤除尘器，其最大处理风量达550 m3/min，工作阻力为1 100 Pa，能满足收尘、除尘要求。

基于现场的通风条件、除尘器处理风量、巷道尺寸、溜井卸矿口含尘气流时空演化规律，采用fluent软件进行模拟分析，采用除尘器进行抽尘净化时，其含尘气流运动规律如图5所示。由于除尘器后端为独头巷道，除尘器处理后的风流对独头巷道内的空气造成压缩，从而产生与除尘器吸风相反方向的风流，导致含尘气流无法有效地被除尘器吸入，在除尘器吸尘口处仅能吸入40%左右的粉尘，而60%的粉尘随风流向下风流方向扩散，因此，必须对卸矿口进行有效密闭，避免风流对卸矿口逸散的粉尘造成扰动。

对卸矿口三面进行密闭，仅敞开矿车卸矿一侧，含尘气流运动规律如图6所示。对溜井卸矿口进行有效密闭后，卸矿口逸散的粉尘在卸矿口密闭罩内形成涡流，不向外扩散，能够较好地被除尘器吸入净化。因此，除矿车卸矿面外其余平面均采用钢性密闭罩进行密闭，矿车卸矿面采用挡尘帘进行半密闭，实现密闭抽尘。

除尘系统布置如图7所示。

3.2 治理效果考察

考察高深直溜井卸矿口粉尘治理效果时，沿风流方向设置3个测点，即在矿车卸矿处设置1个测点，沿着扩散方向间隔5 m分别设置2个测点，测尘点位置如图8所示。

采用虑膜质量法分别测试除尘器抽尘净化系统未开启时的粉尘浓度和除尘器抽尘净化系统开启后的粉尘浓度，并按照下式计算降尘效率［14-15］：

式中，η为降尘效率，%；C2为采取措施前粉尘浓度，mg/m3；C1为采取措施后粉尘浓度，mg/m3。

现场粉尘浓度测试结果如表1所示。

根据测试结果，采用密闭抽尘净化降尘措施后，高深直溜井卸矿口逸散的粉尘能够被有效地吸入除尘器内进行净化，吸尘净化效率达到了97.9%，治理后风流中的粉尘降低至8.7 mg/m3以下，有效地解决了该矿高深直溜井卸矿口粉尘逸散污染问题。

4 结论

基于夏甸金矿高深直溜井卸矿口的现场条件，分析了高深直溜井卸矿口的产尘规律，提出了密闭抽尘净化的治理措施，并在现场应用效果显著，得出如下结论：

（1）高深直溜井卸矿过程中表现出活塞推进运动，在卸矿口形成诱导风流，卸矿口附近的空气被卷吸进入溜井内；卸矿5 min后，卸矿口沿溜井返程含尘气流逸散污染严重，最高浓度达430 mg/m3。

（2）卸矿口逸散含尘气流中，10μm粒径以上的粉尘占比为7%，而粒径在10μm以下的粉尘占比93%，呼吸性粉尘占比非常高，不易沉降，对人体伤害极大。

（3）基于高深直溜井的通风条件、卸矿口尺寸、含尘气流时空演化规律，采用fluent软件模拟对比分析了抽尘密闭前后的含尘气流运动轨迹，提出了密闭抽尘净化的治理措施，降尘效率达97%以上，有效解决了该矿高深直溜井卸矿口粉尘逸散污染问题。