金屬礦山掘進巷道新型通風除塵系統研究與應用*

李 剛，王運敏，金龍哲

(1.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山，243000； 2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山，243000； 3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山，243000； 4.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京，100083)

0 引言

隨著掘進巷道開采強度和機械化程度的不斷提高，使得礦山在提高生產規模和生產效率的同時，產生了大量的粉塵，導致掘進巷道中粉塵濃度不斷增加，因此，掘進巷道是礦山井下最主要的產塵塵源之一[1-2]。高濃度的粉塵對作業環境造成嚴重污染，可能帶來一系列的生產安全問題，作業人員吸入高濃度的粉塵，可能引發塵肺等職業病[3-5]。同時，井下粉塵如果得不到有效的防治，會隨礦井通風系統的排風風流排入大氣，進一步造成大氣污染。目前，我國金屬礦山大多為深井開采，隨著開采深度的增加，井下粉塵污染問題更加嚴重。實踐表明，通風除塵是控制和降低掘進巷道粉塵濃度最有效的技術措施[6-8]。當前，我國金屬礦山常采用局部通風系統來控制掘進巷道的粉塵，在與主巷道相接的掘進巷道的進口處設置局部通風機，通過局部通風機對掘進面送風，從而保證掘進面空氣的新鮮，來保證工人的生命安全的身心健康[9-11]。

20世紀以來，隨著各國經濟、科技的進步和發展，礦井通風理論與技術得到了迅速發展，且工程應用效果顯著，極大地改善了礦山井下的通風條件[12-15]。雖然近幾年來通風設備不斷改進，但井下通風除塵效果并沒有取得長足的進步。主要原因是現有的井下通風技術，只是單純的設置通風機，無論什么時候都是全頻啟動和運行，這樣造成了運行效率低和能耗增加的問題。同時，井下掘進巷道通風僅考慮掘進工作面的粉塵控制，并沒有考慮粉塵的凈化問題，這樣產生的粉塵隨著礦井通風系統經回風井排放到大氣中，污染礦區周邊環境，危害礦區居民健康安全。

在此背景下，非常有必要深入開展掘進巷道通風除塵技術研究，為金屬礦山井下通風除塵系統設計與應用提供技術支撐，同時解決礦山周邊大氣環境污染問題。本文針對現有井下掘進巷道的通風效果不佳以及未從根本上對掘進工作面產生的粉塵進行凈化的技術難題，開發研制了1種金屬礦山掘進巷道新型通風除塵系統。

1 掘進巷道的通風系統

局部通風是我國金屬礦山廣泛使用的1種掘進巷道和工作面的通風方法，是指利用局部通風機產生的風壓把新鮮的風流送入掘進巷道和工作面進行通風的方法。按照通風機的工作方式，將掘進巷道的局部通風分為壓入式、抽出式和混合式3種方法。

壓入式通風方法要求局部通風機和啟動裝置布置在進風側的新鮮風流中，且局部通風機的入口與掘進巷道的距離應大于10 m，一般適用于短距離的掘進巷道通風；抽出式通風方法要求局部通風機布置在回風側，且與掘進巷道口的距離大于10 m，抽出式通風的通風時間主要集中掘進工作面，一般適用于長距離的掘進巷道通風；混合式通風方法同時具備了壓入式通風和抽出式通風的各自優點，通風效果顯著，一般適用于長距離、大斷面的掘進巷道通風；混合式通風主要又包括長抽短壓式通風和長壓短抽式通風2種方法。

由于混合式通風方法兼具了壓入式和抽出式通風2種方法的優點，目前金屬礦掘進巷道通風常采用混合式通風方法。然而傳統的混合式通風系統雖然通過通風排塵技術手段使掘進巷道和工作面的粉塵得到了控制，但并未從源頭上有效凈化粉塵，沒有徹底解決井下粉塵的污染問題。

2 新型通風除塵系統結構及原理

2.1 結構設計

針對現有局部通風系統在金屬礦掘進巷道應用存在上述局限性問題，研究開發了1種操作簡單、運行可靠、實用性強的掘進巷道新型通風除塵系統裝置。該系統是由風機、變頻調速裝置、風筒、濕式除塵風機、煙塵傳感器共同組成,特別適用于大斷面、長距離的掘進巷道的粉塵治理。其結構示意圖如圖1所示。

1.風機；2.變頻調速裝置；3.壓風筒；4.彎頭；5.抽風筒；6.三通；7.出風筒；8.濕式除塵風機；9.煙塵傳感器。圖1 掘進巷道新型通風除塵裝置結構示意Fig.1 Structural sketch of a new ventilation and dust removal device in tunneling roadway

由圖1可以看出，風機設置于橫巷中，風機出口與壓風筒采用法蘭連接，壓風筒吊掛在巷道中心位置的頂部；在掘進巷道兩側壁面對稱吊掛布置1對抽風筒，每條抽風筒斷面面積為壓風筒斷面面積的一半，抽風筒布置高度約1.5 m，掘進巷道中的煙塵傳感器安裝于巷道側壁且高度約為1.5 m，距離抽風筒前端進風口的軸向距離為1～2 m；2條抽風筒通過三通匯合于1個出風筒，并與濕式除塵風機采用法蘭連接；風機設置于橫巷風流的上風側，濕式除塵風機設置于橫巷風流的下風側，在風機和濕式除塵風機內均設置有變頻調速裝置。

2.2 通風除塵工作原理

橫巷上風側中的新鮮風流通過壓風筒送入掘進工作面，由于壓風筒布置在掘進巷道頂部的中心位置，新鮮風流由壓風筒出口流出后在動能和重力勢能的作用下，沿著前方左右方向向下流經掘進工作面清除粉塵，含塵氣流隨后進入布置于掘進巷道兩側壁面的抽風筒，2條抽風筒中的含塵氣流通過三通匯集于出風筒，最后經過濕式除塵風機凈化后排入橫巷下風側。

煙塵傳感器連接到風機和濕式除塵風機的變頻調速裝置，變頻調速裝置連有專用電源，依據煙塵傳感器檢測到的掘進工作面的粉塵濃度，變頻調速裝置根據粉塵濃度的大小自動調節風量。具體為煙塵傳感器所檢測的粉塵濃度變小，則控制風機和濕式除塵風機減速；若煙塵傳感器所檢測的粉塵濃度變大，則控制風機和濕式除塵風機增速，從而避免掘進工作面粉塵濃度超限。變頻調速裝置以確保掘進工作面有充足的新鮮風流和粉塵濃度不超過規定的安全值為條件，依據粉塵濃度的變化，控制風機和濕式除塵風機的調速，實現按需通風和除塵。

煙塵傳感器可以隨著工作面的前進而移動，整個通風除塵系統裝置僅需適當加長壓風筒和抽風筒的長度滿足送風和抽風的要求，壓風筒和抽風筒長度增加造成的系統阻力增大可以通過變頻調速裝置進行調節來滿足系統壓頭的需要。

由于粉塵是隨著風流擴散的，壓風筒風流以一定速度射向掘進面，風流在掘進面附近不斷向下流動。當風流達到掘進面附近時，風流攜帶粉塵經抽風筒排出掘進巷道。傳統的長壓短抽局部通風系統是將壓風筒和抽風筒分別布置在巷道的兩側壁面，本文研究的掘進巷道通風除塵系統裝置將壓風筒布置在掘進巷道頂部的中心位置，掘進巷道兩側壁面1.5 m高度處各布置1條抽風筒，與傳統的長壓短抽局部通風系統相比，壓風筒流出的氣流自由射流進入掘進工作面區域，不存在與掘進巷道壁面的貼附壁射流阻力，減少了通風系統阻力損失；同時，掘進巷道兩側壁面布置的抽風筒，使得攜帶粉塵的氣流在掘進巷道內保持了風流的均衡分布，保證了從掘進工作面將含塵的氣流在沒有不利的渦流或其他影響的情況下可靠地引入到抽風筒中，進而引入到濕式除塵風機中進行凈化處理。

人的呼吸帶高度大約為1.5 m，該新型裝置將流過掘進面的風流位置控制在1.5 m之下，能夠很好地保護工作人員的健康。

3 應用效果

銅陵有色銅山銅礦位于安徽省銅陵市郊區銅山鎮，礦山采用地下開采方式。該礦-613 m中段9號穿脈掘進巷道斷面為三心拱形狀，經現場測量，巷道斷面尺寸為3.688 m×2.5 m(寬×高)，巷道總長度約50 m，采用長壓短抽混合式通風系統。現場調查得知，雖然長壓短抽混合式通風系統對掘進工作面的產塵治理效果較好，但是在距離掘進面不遠處會出現1個小范圍的渦流區，該區域粉塵濃度非常高，在氣流的擾動下，導致掘進巷道粉塵濃度較高。針對銅陵有色銅山銅礦掘進作業的實際產塵狀況，為有效治理巷道及工作面粉塵，同時減少成本投入，在原有長壓短抽混合式通風除塵系統的基礎上進行優化設計。

將本文研究的掘進巷道新型通風除塵系統應用于銅陵有色銅山銅礦-613 m中段9號穿脈掘進巷道，對風筒的位置和數量進行改造，增加濕式除塵風機和監控系統。在安裝過程中確保風筒與各設備之間均完好連接，避免系統運行時產生漏風現象，影響通風除塵效率。通風除塵系統改造運行后，設備運行正常。現場檢測顯示，通風除塵系統粉塵凈化效果顯著，掘進巷道及工作面的粉塵濃度大大降低，作業環境得到極大改善，同時該系統能夠實現按需通風除塵，凈化后的風流可以循環利用，系統節能效果顯著，取得了很好的環境效益和經濟效益。

3.1 通風方案優化

對銅陵有色銅山銅礦-613 m中段9號穿脈掘進巷道原有長壓短抽混合式通風系統進行實地測量，測得風筒直徑為0.5 m，風筒中心到地面的垂直高度為2.5 m，壓風筒出口與掘進工作面距離約10 m，抽風筒入口與掘進工作面距離約20 m，壓風筒和抽風筒風量約4.5 m3/s。局部通風系統局扇風機選用1臺JK40-1NO5.5風機，功率為5.5 kW。

本次通風除塵方案優化在原有長壓短抽混合式通風系統風量和局扇風機不變的基礎上，改變原有壓風筒的位置，拆除原有抽風筒，設置2條直徑約為0.35 m的抽風筒，壓風筒和抽風筒與掘進工作面距離仍保持不變，同時增設濕式除塵凈化系統，具體布置位置情況見圖1。

3.2 粉塵檢測點布置

為了分析掘進巷道新型通風除塵系統的應用效果，選擇掘進巷道和工作面的呼吸帶高度(1.5 m處)的平面布置測點，由于該通風除塵系統的抽風筒布置在掘進巷道的兩側，因此在掘進巷道內中心線呼吸帶高度布置1組測點，第1個測點距離掘進工作面1 m，后面每隔5 m布置1個測點進行粉塵濃度測量，共布置9個檢測點，采樣儀器采用IFC-2防爆型粉塵采樣儀。

3.3 粉塵檢測結果分析

對應用新型通風除塵系統前后掘進巷道相同作業條件下的各采樣點的粉塵濃度分別進行采樣、檢測，檢測結果見表1。

表1 掘進巷道粉塵濃度檢測結果Table 1 Test results of dust concentration in tunneling roadway

由表1可以看出，粉塵濃度整體上隨著與掘進面距離的增加先降低，隨后沿程濃度提高，然后再迅速降低直至趨于穩定。應用掘進巷道新型通風除塵系統后，銅陵有色銅山銅礦掘進巷道的粉塵濃度由改造前的31.5～222.5 mg/m3，降低至2.5～12.7 mg/m3，粉塵濃度明顯降低，除塵效率達到91%以上，說明通風除塵系統改造后，掘進巷道的粉塵濃度大幅度降低，極大地改善了掘進工作面的作業環境。

同時對濕式除塵風機的出口的粉塵濃度進行測定后，其粉塵濃度在2～7 mg/m3之間，說明凈化后的氣流完全可以進入井下通風系統循環通風，有效地提高了礦井通風系統的風流利用率。

4 結論

1)掘進巷道采用新型通風除塵系統后，掘進巷道和工作面的粉塵濃度大大降低，粉塵濃度能夠控制在12.7 mg/m3以下，掘進巷道粉塵除塵效率大于91%。

2)新型通風除塵系統能夠有效地控制掘進工作面和巷道中的粉塵，并能把抽風筒抽吸的含塵氣流通過濕式除塵風機進行凈化處理，達到了徹底解決掘進工作面粉塵污染的難題。

3)經測試濕式除塵風機裝置出口粉塵濃度，凈化后的氣流含塵濃度非常低，可以作為井下通風系統的進風風流，有效地提高了礦井通風系統風流利用率。