李 刚，王运敏，金龙哲

(1.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； 2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，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； 4.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京，100083)

0 引言

随着掘进巷道开采强度和机械化程度的不断提高，使得矿山在提高生产规模和生产效率的同时，产生了大量的粉尘，导致掘进巷道中粉尘浓度不断增加，因此，掘进巷道是矿山井下最主要的产尘尘源之一[1-2]。高浓度的粉尘对作业环境造成严重污染，可能带来一系列的生产安全问题，作业人员吸入高浓度的粉尘，可能引发尘肺等职业病[3-5]。同时，井下粉尘如果得不到有效的防治，会随矿井通风系统的排风风流排入大气，进一步造成大气污染。目前，我国金属矿山大多为深井开采，随着开采深度的增加，井下粉尘污染问题更加严重。实践表明，通风除尘是控制和降低掘进巷道粉尘浓度最有效的技术措施[6-8]。当前，我国金属矿山常采用局部通风系统来控制掘进巷道的粉尘，在与主巷道相接的掘进巷道的进口处设置局部通风机，通过局部通风机对掘进面送风，从而保证掘进面空气的新鲜，来保证工人的生命安全的身心健康[9-11]。

20世纪以来，随着各国经济、科技的进步和发展，矿井通风理论与技术得到了迅速发展，且工程应用效果显著，极大地改善了矿山井下的通风条件[12-15]。虽然近几年来通风设备不断改进，但井下通风除尘效果并没有取得长足的进步。主要原因是现有的井下通风技术，只是单纯的设置通风机，无论什么时候都是全频启动和运行，这样造成了运行效率低和能耗增加的问题。同时，井下掘进巷道通风仅考虑掘进工作面的粉尘控制，并没有考虑粉尘的净化问题，这样产生的粉尘随着矿井通风系统经回风井排放到大气中，污染矿区周边环境，危害矿区居民健康安全。

在此背景下，非常有必要深入开展掘进巷道通风除尘技术研究，为金属矿山井下通风除尘系统设计与应用提供技术支撑，同时解决矿山周边大气环境污染问题。本文针对现有井下掘进巷道的通风效果不佳以及未从根本上对掘进工作面产生的粉尘进行净化的技术难题，开发研制了1种金属矿山掘进巷道新型通风除尘系统。

1 掘进巷道的通风系统

局部通风是我国金属矿山广泛使用的1种掘进巷道和工作面的通风方法，是指利用局部通风机产生的风压把新鲜的风流送入掘进巷道和工作面进行通风的方法。按照通风机的工作方式，将掘进巷道的局部通风分为压入式、抽出式和混合式3种方法。

压入式通风方法要求局部通风机和启动装置布置在进风侧的新鲜风流中，且局部通风机的入口与掘进巷道的距离应大于10 m，一般适用于短距离的掘进巷道通风；抽出式通风方法要求局部通风机布置在回风侧，且与掘进巷道口的距离大于10 m，抽出式通风的通风时间主要集中掘进工作面，一般适用于长距离的掘进巷道通风；混合式通风方法同时具备了压入式通风和抽出式通风的各自优点，通风效果显著，一般适用于长距离、大断面的掘进巷道通风；混合式通风主要又包括长抽短压式通风和长压短抽式通风2种方法。

由于混合式通风方法兼具了压入式和抽出式通风2种方法的优点，目前金属矿掘进巷道通风常采用混合式通风方法。然而传统的混合式通风系统虽然通过通风排尘技术手段使掘进巷道和工作面的粉尘得到了控制，但并未从源头上有效净化粉尘，没有彻底解决井下粉尘的污染问题。

2 新型通风除尘系统结构及原理

2.1 结构设计

针对现有局部通风系统在金属矿掘进巷道应用存在上述局限性问题，研究开发了1种操作简单、运行可靠、实用性强的掘进巷道新型通风除尘系统装置。该系统是由风机、变频调速装置、风筒、湿式除尘风机、烟尘传感器共同组成,特别适用于大断面、长距离的掘进巷道的粉尘治理。其结构示意图如图1所示。

1.风机；2.变频调速装置；3.压风筒；4.弯头；5.抽风筒；6.三通；7.出风筒；8.湿式除尘风机；9.烟尘传感器。图1 掘进巷道新型通风除尘装置结构示意Fig.1 Structural sketch of a new ventilation and dust removal device in tunneling roadway

由图1可以看出，风机设置于横巷中，风机出口与压风筒采用法兰连接，压风筒吊挂在巷道中心位置的顶部；在掘进巷道两侧壁面对称吊挂布置1对抽风筒，每条抽风筒断面面积为压风筒断面面积的一半，抽风筒布置高度约1.5 m，掘进巷道中的烟尘传感器安装于巷道侧壁且高度约为1.5 m，距离抽风筒前端进风口的轴向距离为1～2 m；2条抽风筒通过三通汇合于1个出风筒，并与湿式除尘风机采用法兰连接；风机设置于横巷风流的上风侧，湿式除尘风机设置于横巷风流的下风侧，在风机和湿式除尘风机内均设置有变频调速装置。

2.2 通风除尘工作原理

横巷上风侧中的新鲜风流通过压风筒送入掘进工作面，由于压风筒布置在掘进巷道顶部的中心位置，新鲜风流由压风筒出口流出后在动能和重力势能的作用下，沿着前方左右方向向下流经掘进工作面清除粉尘，含尘气流随后进入布置于掘进巷道两侧壁面的抽风筒，2条抽风筒中的含尘气流通过三通汇集于出风筒，最后经过湿式除尘风机净化后排入横巷下风侧。

烟尘传感器连接到风机和湿式除尘风机的变频调速装置，变频调速装置连有专用电源，依据烟尘传感器检测到的掘进工作面的粉尘浓度，变频调速装置根据粉尘浓度的大小自动调节风量。具体为烟尘传感器所检测的粉尘浓度变小，则控制风机和湿式除尘风机减速；若烟尘传感器所检测的粉尘浓度变大，则控制风机和湿式除尘风机增速，从而避免掘进工作面粉尘浓度超限。变频调速装置以确保掘进工作面有充足的新鲜风流和粉尘浓度不超过规定的安全值为条件，依据粉尘浓度的变化，控制风机和湿式除尘风机的调速，实现按需通风和除尘。

烟尘传感器可以随着工作面的前进而移动，整个通风除尘系统装置仅需适当加长压风筒和抽风筒的长度满足送风和抽风的要求，压风筒和抽风筒长度增加造成的系统阻力增大可以通过变频调速装置进行调节来满足系统压头的需要。

由于粉尘是随着风流扩散的，压风筒风流以一定速度射向掘进面，风流在掘进面附近不断向下流动。当风流达到掘进面附近时，风流携带粉尘经抽风筒排出掘进巷道。传统的长压短抽局部通风系统是将压风筒和抽风筒分别布置在巷道的两侧壁面，本文研究的掘进巷道通风除尘系统装置将压风筒布置在掘进巷道顶部的中心位置，掘进巷道两侧壁面1.5 m高度处各布置1条抽风筒，与传统的长压短抽局部通风系统相比，压风筒流出的气流自由射流进入掘进工作面区域，不存在与掘进巷道壁面的贴附壁射流阻力，减少了通风系统阻力损失；同时，掘进巷道两侧壁面布置的抽风筒，使得携带粉尘的气流在掘进巷道内保持了风流的均衡分布，保证了从掘进工作面将含尘的气流在没有不利的涡流或其他影响的情况下可靠地引入到抽风筒中，进而引入到湿式除尘风机中进行净化处理。

人的呼吸带高度大约为1.5 m，该新型装置将流过掘进面的风流位置控制在1.5 m之下，能够很好地保护工作人员的健康。

3 应用效果

铜陵有色铜山铜矿位于安徽省铜陵市郊区铜山镇，矿山采用地下开采方式。该矿-613 m中段9号穿脉掘进巷道断面为三心拱形状，经现场测量，巷道断面尺寸为3.688 m×2.5 m(宽×高)，巷道总长度约50 m，采用长压短抽混合式通风系统。现场调查得知，虽然长压短抽混合式通风系统对掘进工作面的产尘治理效果较好，但是在距离掘进面不远处会出现1个小范围的涡流区，该区域粉尘浓度非常高，在气流的扰动下，导致掘进巷道粉尘浓度较高。针对铜陵有色铜山铜矿掘进作业的实际产尘状况，为有效治理巷道及工作面粉尘，同时减少成本投入，在原有长压短抽混合式通风除尘系统的基础上进行优化设计。

将本文研究的掘进巷道新型通风除尘系统应用于铜陵有色铜山铜矿-613 m中段9号穿脉掘进巷道，对风筒的位置和数量进行改造，增加湿式除尘风机和监控系统。在安装过程中确保风筒与各设备之间均完好连接，避免系统运行时产生漏风现象，影响通风除尘效率。通风除尘系统改造运行后，设备运行正常。现场检测显示，通风除尘系统粉尘净化效果显著，掘进巷道及工作面的粉尘浓度大大降低，作业环境得到极大改善，同时该系统能够实现按需通风除尘，净化后的风流可以循环利用，系统节能效果显著，取得了很好的环境效益和经济效益。

3.1 通风方案优化

对铜陵有色铜山铜矿-613 m中段9号穿脉掘进巷道原有长压短抽混合式通风系统进行实地测量，测得风筒直径为0.5 m，风筒中心到地面的垂直高度为2.5 m，压风筒出口与掘进工作面距离约10 m，抽风筒入口与掘进工作面距离约20 m，压风筒和抽风筒风量约4.5 m3/s。局部通风系统局扇风机选用1台JK40-1NO5.5风机，功率为5.5 kW。

本次通风除尘方案优化在原有长压短抽混合式通风系统风量和局扇风机不变的基础上，改变原有压风筒的位置，拆除原有抽风筒，设置2条直径约为0.35 m的抽风筒，压风筒和抽风筒与掘进工作面距离仍保持不变，同时增设湿式除尘净化系统，具体布置位置情况见图1。

3.2 粉尘检测点布置

为了分析掘进巷道新型通风除尘系统的应用效果，选择掘进巷道和工作面的呼吸带高度(1.5 m处)的平面布置测点，由于该通风除尘系统的抽风筒布置在掘进巷道的两侧，因此在掘进巷道内中心线呼吸带高度布置1组测点，第1个测点距离掘进工作面1 m，后面每隔5 m布置1个测点进行粉尘浓度测量，共布置9个检测点，采样仪器采用IFC-2防爆型粉尘采样仪。

3.3 粉尘检测结果分析

对应用新型通风除尘系统前后掘进巷道相同作业条件下的各采样点的粉尘浓度分别进行采样、检测，检测结果见表1。

表1 掘进巷道粉尘浓度检测结果Table 1 Test results of dust concentration in tunneling roadway

由表1可以看出，粉尘浓度整体上随着与掘进面距离的增加先降低，随后沿程浓度提高，然后再迅速降低直至趋于稳定。应用掘进巷道新型通风除尘系统后，铜陵有色铜山铜矿掘进巷道的粉尘浓度由改造前的31.5～222.5 mg/m3，降低至2.5～12.7 mg/m3，粉尘浓度明显降低，除尘效率达到91%以上，说明通风除尘系统改造后，掘进巷道的粉尘浓度大幅度降低，极大地改善了掘进工作面的作业环境。

同时对湿式除尘风机的出口的粉尘浓度进行测定后，其粉尘浓度在2～7 mg/m3之间，说明净化后的气流完全可以进入井下通风系统循环通风，有效地提高了矿井通风系统的风流利用率。

4 结论

1)掘进巷道采用新型通风除尘系统后，掘进巷道和工作面的粉尘浓度大大降低，粉尘浓度能够控制在12.7 mg/m3以下，掘进巷道粉尘除尘效率大于91%。

2)新型通风除尘系统能够有效地控制掘进工作面和巷道中的粉尘，并能把抽风筒抽吸的含尘气流通过湿式除尘风机进行净化处理，达到了彻底解决掘进工作面粉尘污染的难题。

3)经测试湿式除尘风机装置出口粉尘浓度，净化后的气流含尘浓度非常低，可以作为井下通风系统的进风风流，有效地提高了矿井通风系统风流利用率。