非煤矿山通风安全技术【稀缺资源，路过别错过】 .ppt

非煤矿山通风安全防尘技 术 1 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 2 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。 3 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， 0.2m以下的微细粉尘则以扩散作用为主。 4 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。 5 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 6 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q10l/m2min， 则湿式滤料的阻 力h500pa。 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 7 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=1.01.2m/s，q=46l/m2min， 对于粉尘粒径d2m，=6080%； d=25m，=8090%； d5m，99%。 图1-3 湿式滤料的分组除 尘效率曲线 8 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； =11.5m/s时，达最大值。 3. 清灰效果 当q3l/m2min时，清洗粉尘达8090%。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 。 9 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。 10 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24mg/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 11 2） 净化参数 主扇：风压407.7pa，风量30.5m3/s。 巷道规格：2.52.6m2。 过滤面积：35m2。 过滤风速：0.80.9m/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0.81.2m/s时，通风阻力不超过294pa。 12 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 13 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 (2-1) 整理后可得： (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。14 在循环通风的条件下，净化器出口的粉尘浓度cb为： （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： （2-4） 上式积分得： 15 爆破后和集中放矿时，g=0，则 (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) 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。 16 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 17 硐室中的总风量q为 循环风系数为 在dt时间内硐室内粉尘量的变化为： （2-8） 因 则 （2-9） 18 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 （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（2-11） 19 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。 20 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23m3/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8001000pa。 21 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。 22 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： 23 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(0.040.15)s，可略去sn，则 (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。 24 式中：h放矿高度，m。 当空气流速达最大值时，其压力损失为 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： （3-5） 25 于是，最大冲击风流与溜井断面和阻力的关系为： （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。 26 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 27 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： （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。 28 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=3.87m29 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 30 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 31 3.4 冲击风速（或风量）的计算 1. 冲击风速 （3-8） 式中：c冲击风压修正系数。 2. 冲击风量 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） 32 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520mg/m3 降至 2mg/m3。 缺点：维护工作量大，难 以长久。 33 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 34 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 35 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 （4-1） 式中：k风压备用系数，k=1.11.2； 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。 36 4. 排尘风机的风量 (4-2) 式中：k风量备用系数，k=1.11.2； 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。 37 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 38 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： （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。 39 （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。 40 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 0.2m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0.1m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。 41 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 42 (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。 43 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。44 (2) 净化效率 在过滤风速为04m/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，5m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 45 (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，风机风压为700pa； 净化效率在99.5%以上，平均为99.6%； 净化器出口粉尘浓度为0.4mg/m3。 46 5 矿井调节入风温度理论与实践 矿井入风温度是井下气候条件的主要影响因 素之一，冬季会使入风井冻冰，夏季会使作业面 气温升高。 利用浅部空区或废旧巷道，建立入风调温系 统，使空气与岩体进行热交换，以调节空气温度 ，改善井下作业环境。 47 5.1 空气与岩体热交换原理 5.1.1 空气与岩体热交换过程 tatw，空气与岩体之间存 在温差。 tatw，空气向岩体散热。 tatw，岩体向空气散热。 图5-1 岩体调温圈 5.1.2 岩体调温圈的形成 若空气与岩体进行周期性的 热交换，在岩体内部便形成了调 温圈，如图5-1所示： 蓄热圈 冷却圈 周期性 48 5.1.3 调温圈中岩体温度分布 1. 非稳定过程 冷却圈的厚度随空气温度的高低 和通风时间的长短而变化，属非稳定 过程。 2. 稳定过程 巷道周围冷却圈如图5-2所示。 当使入风温度保持某一常数值时 ，可视为稳定过程。 在深冬最冷时刻，使冷空气由地 表最低气温经预热后上升到2，岩石 的热传导问题可归结为岩石稳定导热 问题。 图5-2 巷道周围冷却圈 49 热传导方程 若tntw，岩体向岩壁传导热量，岩壁向空气散热，则该 过程的热传导方程为： （5-1） 式中：tw岩体壁面温度，； tn岩体原岩温度，； r调温圈半径，m； 岩体导热系数，kj/m2h； l调温圈微小长度，m； q单位时间内通过微元环形薄层热量，kj/h。 50 岩体温差分布 当r=r1时，t=tw，解方程（5-1），可得岩体温度t为： （5-2） 岩体导热量 当r=r2时，t=tn，热流量q为： 调温圈岩体温度分布规律 当tntw时，岩体向岩壁导热、岩壁向空气散热，则调温圈 内岩体温度分布规律为： （5-3） （5-4） 51 5.1.4 空气与岩体热交换 1. 空气与岩壁进行热交换 岩体单位面积向岩壁传导热量 （5-5） （5-6） （5-7） 空气与单位面积岩壁的换热量 当twta，岩壁向空气散热，空气获得热量而温度升高。 式中：空气与岩壁的热交换系数，j/m2h; ta井巷中空气的温度，。 根据热平衡原理，则q=q，即 52 2. 空气与岩体进行热交换的基本方程 岩体导热量 空气吸热量 设预热风量为g(kg/h)，则 式中：k空气与岩体的热交换系数，kj/m2h; df岩壁的微元面积，m2；df=pdz； p岩壁的周长，m； dz岩壁的微小长度，m。 （5-8） 令，则 （5-9） （5-10） 53 ，则 式中：cp空气的定压比热，kj/kg; tz调温系统中某点的温度，。 对上式进行整理，并考虑其边界条件，则 (5-11) (5-12) 式中：tp地表气温，; tl井巷中某点空气温，。 54 若采用体积流量来表示热交换风量的大小，则使1m3/s的冷 空气温度升高1时，所需岩壁暴露面积a为： (5-13) 式中：b计算常数 根据各矿相关数据的实测求得。 同理，若tatw，则空气向岩壁散热，入风温度降低， 可得使1m3/s的高温空气温度降低1时，矿需岩壁暴露面积 a为： (5-14) 55 5.2 矿井入风调温应用实例 5.2.1 红透山铜矿入风调温系统结构 利用1、2号采空区和与之相连通的253、193、133三条中 段巷道构成入风调温系统。并在133中段建立永久性隔离层， 以防止风流串联。其系统状况见图5-3。 图5-3 调温系统结构 56 5.2.2 调温系统总暴露面积 根据原设计资料和采出矿量，对1#、2#脉采空区的暴露面 积进行了调查研究。1#、2#脉采空区如图5-3所示。430中段至 370中段的暴露面积约7.55万m2，370中段至253中段的暴露面 积约10.41万m2，253中段至133中段的暴露面积约6.3万m2。总 计暴露面积约有33.77万m2。 253、193、133三个中段巷道的预热面积分别为1.266万m2 、1.158万m2、1.08万m2。3条预热巷道总的预热面积为3.504万 m2。 5.2.3 目前的调温系统 在253、193、133中段分别安装1、2、2台轴流式扇风机， 调温系统见图5-4。 57 图5-4 入风调温通风系统示意图 i东主扇；ii西主扇；iii大竖井；iv小竖井 58 5.2.4 调温效果分析 1. 原岩温度测定 原岩温度的测定结果见表5-1，其变化规律见图5-5。 表5-1 原岩温度的测定 中段名称 (m) 25319313-107-227-347-467-587 原岩温度 () 10.811.515.018.521.223.025.822.8 图5-5表明，从恒温带起， 原岩温度随深度的变化呈线性 规律增长，其地温梯度为每增 加48.8时，温度升高1。 图5-5 原岩温度与深度的关系 59 2. 调温系统中空气温度的 变化 在地表气温-10和- 20时，分别测定253、 193、133中段巷道中的气 温，在同一点上两次测定 结果基本相同。空气温度 沿巷道长度上的变化见图5 -6。 图5-6 调温系统中