矿山溜井口粉尘分布特征及治理技术研究*

李 刚

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽 马鞍山，243000；2.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司，安徽 马鞍山，243000；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山，243000)

0 引言

随着地下矿山开采深度的不断增加，矿井开采一般采用多中段、多采场同时生产方式。溜井具有运输能力大、转运效率高、运行管理方便、简单可靠等优点，在地下矿山开采过程中占据了重要地位，是采场内转运矿石的重要通道。由于溜井放矿高差较大，矿山在降落过程中急剧压缩溜井内空气，产生强大的含尘冲击气流[1-3]，是金属矿山井下典型的粉尘污染源之一[4-6]。含尘气流通过支岔溜井口排出，致使井下采场工作面和通风系统造成严重粉尘污染，尤其是粒径小于5 μm的呼吸性粉尘，极大危害作业人员的身心健康[7-10]。

矿山溜井除尘一直是国内外井下粉尘治理的一大难题。目前主要采用通风稀释[11]、溜井口密闭[12]、喷雾降尘[13]、负压抽风排尘和卸压防尘[14]等单一技术措施，上述措施在实际应用时起到了一定的控尘降尘作用，但由于溜井放矿时产生的含尘气流主要为高浓度微细粉尘，粉尘治理效果并不理想，仍需在粉尘控制措施方面开展深入的研究。通过调研实测，分析出矿山溜井放矿产尘特点及溜井口粉尘分布特征，在此基础上，研究开发1种溜井口粉尘复合除尘净化系统，有效降低溜井卸矿口和采场工作面粉尘浓度，较好地解决溜井除尘技术难题。

1 溜井粉尘产生机理

弄清溜井粉尘产生机理，能够为溜井粉尘净化系统的开发提供理论依据。溜井结构示意如图1所示，根据现场观察和理论分析，研究得出溜井粉尘的产生机理主要与冲击气流产尘、剪切压缩气流产尘、诱导气流产尘和各种气流综合作用产尘等机理有关。

1-主溜井；2-支岔溜井；3-卸矿口；4-中段巷道图1 溜井结构示意Fig.1 Structural sketch of ore pass

1)冲击气流产尘。矿石由铲运机倒入溜井，自溜井口下落过程中，矿石本身的重力势能向动力势能转化。矿石下落过程中碰撞溜井壁面或溜井内矿石产生强大的冲击气流，气流在反冲击力作用下夹带着粉尘颗粒向上运动产生扬尘。矿石放矿距溜井底部落差越大，冲击气流产尘越为严重。

2)剪切压缩气流产尘。矿石从溜井卸矿口经支岔溜井向竖直的主溜井卸矿过程中，由于迎面气流阻力，溜井的封闭空间会形成压缩空气区并产生了气流的剪切作用，封闭空间中的空气受到扰动，产生运动，矿石和气流的相对速度增大，矿石表面的粉尘颗粒被剪切压缩造成尘化。大量含尘气流由溜井侧面向上运动，经支岔溜井逸出产生扬尘。矿石下落高度越大，下落速度就越大，矿石表面粉尘颗粒受到的挤压作用、形成的剪切气流和向支岔溜井逸出的速度也越大。

3)诱导气流产尘。矿石在支岔溜井和主溜井内下落时有一定的速度，使得矿石周围空气随着一起流动，形成的这部分气流就叫做诱导气流。诱导气流会卷吸一部分附着在溜井壁面和矿石表面的粉尘颗粒，随气流一起运动，产生诱导尘化作用。诱导气流的大小主要取决于溜井卸矿量和矿石在溜井内的下落速度等因素。

4)气流综合作用产尘。矿石在溜井内向下运动过程中，由于剪切气流和诱导气流的联合作用，细小的矿石颗粒、附着在矿石表面和溜井壁面的粉尘颗粒都随之进入了溜井随气流一起运动，经下一个中段支岔溜井卸矿口快速逸出，同时会带动支岔溜井内积尘再次扬起。

2 溜井卸矿口粉尘分布特征

以某金属矿-330 m中段的采场溜井作为研究对象，溜井直径为3 m，支岔溜井与主溜井之间夹角为30°，巷道高4 m，采场内矿石利用铲运机运送至溜井，矿石通过铲运机从卸矿口向溜井内卸矿，铲运机每次卸矿量约为1 000 kg，采矿放矿块度控制在500 mm以内。

2.1 粉尘粒径分析

在溜井开始卸矿时，采集溜井联巷卸矿口逸散出的粉尘为试验样品，用Mastersizer2000型粒度分析仪测定粉尘颗粒粒径分布情况，粉尘的粒径分布情况见表1。

表1 粉尘样品粒径分布Table 1 Particle size distribution of dust sample

测试结果表明，溜井卸矿口粉尘的粒径范围主要集中在10 μm以下，占比达89.85%，其中粒径在5 μm以下的粉尘占78.97%。同时，对溜井卸矿口粉尘粒径分布情况进行监测发现，随着卸矿时间的增加，卸矿口逸散的粉尘颗粒平均粒径先增加后减少，最后趋于稳定值。分析其原因，主要是随着时间的推移，大颗粒粉尘已基本沉降，最后难以沉降的主要为微细的呼吸性粉尘。

2.2 粉尘浓度分布测定

在距离卸矿口5 m的呼吸带高度上设置粉尘浓度监测点，采用激光粉尘采样仪对粉尘实时浓度进行连续监测，同时采用滤膜采样方式进行粉尘浓度对比测定，现场粉尘滤膜采样如图2所示。

图2 卸矿口粉尘浓度滤膜采样Fig.2 Sampling of dust concentration filter film at ore unloading port

由现场调查可知：溜井内卸矿后产生大量粉尘，粉尘在卸矿冲击气流的作用下不断往卸矿口周围和中段巷道处扩散。靠近卸矿口的区域粉尘量大，远离卸矿口区域粉尘量小，含尘气流由卸矿口逸出到一定竖直高度时才向周边扩散。通过观察卸矿口周围沉积尘可知，对比溜井主干道粉尘颗粒的粒径，中段运输巷道内粉尘颗粒粒径明显较小。

根据粉尘浓度监测分析结果可知：粉尘逸出后随时间推移，粉尘逐步累积，卸矿口总粉尘浓度最大值达到220 mg/m3。由于微细粉尘在自然状态下不容易沉降，一定时间后卸矿口粉尘浓度基本趋于稳定值，主要是因为卸矿过程中大颗粒的粉尘逐步沉降，剩余的粉尘均为难沉降的微细浮游粉尘，尤其是呼吸性粉尘占据的比重非常大，粉尘浮游时间久，不易沉降，对人体伤害极大。

综上所述，溜井卸矿口产尘特征具有粉尘量大、粒度细、持续时间长等特点，从逸出开始几分钟内便弥漫整个区域。由于通风受限导致粉尘积聚，卸矿口附近空间粉尘无法及时排除，使巷道内的可见度降低，铲运机司机倒矿困难，易发生安全事故。同时产尘基本都是岩尘，游离二氧化硅含量较高，粉尘粒度较细，易对作业人员的身心健康造成严重威胁。

3 溜井卸矿口除尘技术

矿山卸矿溜井除尘一直是国内外矿山井下粉尘治理的一大难题。目前卸矿溜井除尘一般采用增加矿井通风量稀释粉尘、溜井口喷雾降尘以及开凿卸压井控制粉尘和采取其他除尘净化措施等技术方案。通过进一步分析，发现上述技术方案存在以下缺点：

1)增加通风风量使通风能耗增加，仅起到稀释溜井粉尘作用，并不能彻底解决放矿溜井产生的粉尘对井下区域的污染问题，而且井下的粉尘由回风井排放到地表大气中，造成矿山周边环境污染。

2)溜井口喷雾降尘装置喷出的水雾不可能完全覆盖溜井口空间产生的粉尘，同时水雾与空间粉尘的接触时间短，单一的喷雾降尘很难完全净化溜井口粉尘，当溜井口含尘气流浓度发生变化时，无相应的自动调节控制措施，喷雾除尘效果难以保证。

3)平行卸压井与排尘净化相结合的综合治理技术能够有效解决放矿溜井卸矿过程中产生的粉尘污染问题，同时污风净化后能够实现达标排放。但是开凿1条平行的防尘卸压井工程量大、投资大，现场施工困难，同样不便于后期维护管理，该技术方案不是1种经济的防尘技术方案。

3.1 2级除尘净化系统设计

研究设计矿山粉尘除尘净化系统，首先应掌握矿尘的理化特性。王嘉莹等[15]探讨了金属矿粉尘湿润性能的影响因素，分析得出金属矿粉尘属亲水性粉尘，粉尘真密度和粒径是影响其润湿性能的关键因素,真密度与粒径越小，粉尘亲水性越差。因此，金属矿井粉尘防治优先考虑湿式除尘方法。针对矿山卸矿溜井粉尘的污染问题，以及现有技术方案存在着通风能耗高、除尘效果差、工程投资大、施工风险大、后期维护管理难等技术问题，本文研究1种除尘效率高、能耗低的喷雾和湿式除尘负压抽风的2级除尘净化系统。其结构示意如图3所示。

1—主溜井；2—支岔溜井；3—卸矿硐室；4—防尘密封帘；5—喷雾器；6—吸尘罩；7—弯头；8—除尘管道；9—湿式振弦旋流除尘器；10—中段巷道图3 卸矿溜井2级除尘净化系统布置示意Fig.3 Schematic diagram of two-level dust removal and purification system of unloading ore pass

由图3可以看出，卸矿溜井喷雾和湿式除尘负压抽风的2级除尘净化系统是由喷雾器、防尘密封帘、湿式振弦旋流除尘器、吸尘罩及除尘管道等构成。喷雾器安装在溜井的卸矿硐室上方顶板处；防尘密封帘吊挂安装在卸矿硐室所在的溜井联巷上方顶板处；湿式振弦旋流除尘器布置在中段巷道的下风方向，紧贴巷道内侧；吸尘罩设置于溜井联巷出风口的防尘密封帘底部，通过除尘管道、弯头与湿式振弦旋流除尘器连接。同时在防尘密封帘对应的顶板上安装红外传感器，在除尘管道下方设置有粉尘浓度传感器。

3.2 喷雾装置设计

由于卸矿口面积较大，设计在卸矿口两侧布置扩散角较大的旋转压力式喷嘴(图4)作为喷雾器，每侧各有3个喷嘴，中间喷嘴的位置距卸矿口前后1.5 m，其他2个喷嘴距离中间喷嘴800 mm，连接好的喷嘴安装在150 mm×150 mm的角钢下面，角钢用于固定供水管道和喷嘴，同时能起到保护喷嘴不被矿石损坏的作用。

图4 旋转压力式喷嘴结构示意Fig.4 Structural sketch of rotary pressure nozzle

3.3 除尘净化工作原理

溜井卸矿时，当卸矿作业设备(比如铲运机)触碰顶开防尘密封帘进入溜井所在巷道时，安装在溜井所在巷道顶板的红外传感器发出电信号给溜井喷雾控制箱，喷雾控制箱控制溜井喷雾器开始喷雾，当卸矿作业设备倒矿结束返回巷道口时，红外传感器再次发出电信号给溜井喷雾控制箱，溜井喷雾控制箱控制溜井喷雾器停止喷雾。由于溜井卸矿产尘量非常大，光靠喷雾除尘很难完全捕集粉尘，仍然会有部分粉尘通过溜井联巷出风口的防尘密封帘底部的缝隙处逸出，因此，在该处设置吸尘罩和除尘管道，进一步进行负压抽风除尘。同时，在除尘管道的下方设置粉尘浓度传感器，通过检测出管道内粉尘的浓度变化，对湿式振弦旋流除尘器进行变频调节，实现按需通风除尘，大大节约除尘系统能耗。

该2级除尘净化系统，通过溜井口喷雾加负压抽风除尘等手段，能够实现溜井区域除尘全过程的自动化控制。对矿山卸矿溜井进行除尘后，为矿山井下作业人员创造安全舒适工作环境，提高采矿生产效率，消除作业安全隐患。同时，运用溜井2级除尘净化系统净化后的气流可以重新利用，减少井下供排风量，达到控制含尘气流走向、净化含尘气流并调节井下风量的目的。

4 现场试验结果及分析

本文现场试验主要以某金属矿-330 m中段的采场溜井作为试验点，为了全面了解卸矿溜井2级除尘净化系统的降尘效果，对该试验点进行现场效果检测分析。

4.1 检测点设置

试验现场测尘点的选定应以能代表现场粉尘对人体健康的危害为原则。综合考虑粉尘产生源在空间和时间的扩散规律，以及人员接触粉尘情况的代表性，现场粉尘测点应根据试验流程和人员操作方法确定。根据试验具体情况，粉尘测尘点布置在卸矿口沿着扩散方向5 m位置处，测点高度1.5 m。

4.2 试验结果

对整个卸矿过程除尘净化系统未运行和运行时的卸矿口监测点粉尘浓度分别进行了实时监测，监测结果显示，除尘净化系统未运行时，监测点的粉尘浓度为31.5～220.5 mg/m3之间；除尘净化系统运行后，粉尘浓度下降很快，监测点的粉尘浓度限制在1.5～2 mg/m3之间，卸矿溜井除尘装置具有相当明显的除尘效果。根据监测结果，卸矿溜井采用喷雾降尘和密闭抽尘净化措施后，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，有效地解决了溜井卸矿口粉尘逸散污染问题。

除尘净化系统开启前后现场产尘对比效果如图5～6所示。

图5 除尘净化系统未开启时卸矿口产尘现场Fig.5 Site of dust generation at ore unloading port without opening dust removal and purification system

图6 除尘净化系统开启后卸矿口现场效果Fig.6 Field effect of ore unloading port after opening dust removal and purification system

5 结论

1)通过对溜井粉尘产生机理进行研究，指出粉尘的产生是卸入矿石造成的尘化、剪切作用造成的尘化、诱导空气造成的尘化、冲击气流的二次扬尘等共同作用的结果。

2)湿式除尘结构简单，投资运行费用低，使用和维护方便，是1种良好的除尘技术。喷雾系统与卸矿作业设备同步运行，可节约用水，提高降尘效果。

3)溜井卸矿过程产生的粉尘经过喷雾降尘系统和湿式振弦旋流除尘器净化后，气流含尘浓度非常低，可作为井下通风系统的进风风流，有效地解决了溜井卸矿粉尘治理难题，提高了矿井通风系统风流利用率。