某鉛鋅礦回風井口霧氣影響因素分析及治理方案研究

1、 MACROBUTTON AMEditEquationSection2 Equation Chapter 1 Section 1 SEQ AMEqn r h * MERGEFORMAT SEQ AMSec r 1 h * MERGEFORMAT SEQ AMChap r 1 h * MERGEFORMAT 某鉛鋅礦回風井口霧氣影響因素分析及治理方案研究Analysis of the Factors Affecting the Fog in the Return Air Wellhead of a Mine in Yunnan and Research on the Treatment Plan

2、王孝東，符浩南，劉杰，童學林，陳書鵬Wang Xiaodong，F(xiàn)u Haonan，Liu Jie ，Tong xuelin， Chen shupeng（昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093）（Faculty of Land Resource Engineering of Kunming University of Science and Technology，Kunming Yunnan 650093）摘要：為了解決回風井在井口段冬季的成霧問題，保障周邊居民生活環(huán)境質(zhì)量以及施工運輸行車安全，依托云南某鉛鋅礦通風優(yōu)化工程，通過對起霧段空氣靜壓、空氣溫度以及空氣相對濕度進行現(xiàn)

3、場測試，依據(jù)測算結(jié)果分析了井口段霧氣形成的影響因素，運用工程熱力學原理計算出溫度、濕度、風量等因素對霧氣形成的作用量，提出了慣性分離式除霧器與活性炭聯(lián)合作業(yè)的除霧方案，介紹了除霧方案結(jié)構(gòu)設計，并結(jié)合計算流體力學的離散相模型得出治理方案隨機產(chǎn)生的霧氣顆粒為1,167,620粒并充滿整個巷道空間，巷道劈面及除霧器共同捕集的霧氣顆粒有1,149,650粒，除霧器逃離及巷道空間剩余霧氣顆粒有17970粒，除霧效率高達90%以上，從而有效解決了回風井口除霧問題，為礦山井口除霧技術(shù)提供了一定的理論指導。關(guān)鍵詞：回風井口；影響因素；數(shù)值模擬;霧氣顆粒；除霧效率Abstract: In order to so

4、lve the fogging problem of the return air shaft in the wellhead section in winter, to ensure the living environment quality of surrounding residents and the safety of construction and transportation, relying on the ventilation optimization project of a lead-zinc mine in Yunnan, the air static pressu

5、re, air temperature and air relative Humidity was tested on site, and the factors affecting the formation of mist in the wellhead section were analyzed based on the calculation results. The effect of temperature, humidity, air volume and other factors on the formation of mist was calculated using th

6、e principles of engineering thermodynamics. The combined operation of inertial separation mist eliminator and activated carbon was proposed. The defogging scheme introduced the structure design of the defogging scheme, and combined with the discrete phase model of computational fluid dynamics, it is

7、 concluded that the randomly generated fog particles in the treatment scheme are 1,167,620 particles and fill the entire roadway space. The roadway splitting surface and the mist eliminator jointly capture There are 1,149,650 fog particles, 17,970 particles remaining in the defogger and roadway spac

8、e, and the defogging efficiency is as high as 90%, which effectively solves the problem of defogging at the return air wellhead and provides a certain theory for the defogging technology at the mine wellhead guide.Keywords: Return air wellhead; Influencing factors; Numerical Simulation；Mist particle

9、s; Defogging efficiency收稿日期：2020-12-30基金項目：昆明理工大學引進人才科研啟動基金項目（KKSY201767034）；云南省重點研發(fā)計劃項目（2020003AC100002）Fund: Kunming University of Science and Technology Introduced Talent Research Startup Fund Project (KKSY201767034)；Key R&D Project of Yunnan Province (2020003AC100002) 作者簡介：王孝東（1977-），男，云南宣威人，副教授

10、，碩士研究生導師,主要從事礦井通風與安全研究.通訊作者：符浩南（1993-），男，河南信陽人，碩士研究生，主要從事礦井通風與安全，Email：690310589.隨著我國深部采礦工程的不斷推進，地下通風工程規(guī)模不斷擴大，會出現(xiàn)各類環(huán)境災害問題。尤其在冬季外部環(huán)境氣溫較低，與井內(nèi)環(huán)境溫度形成較大的溫差，井口段會產(chǎn)生大量霧氣。霧氣的形成范圍較大、透明度較低、持續(xù)時間較長，極大地降低井口周圍道路能見度，對洞內(nèi)交通運輸產(chǎn)生較大的安全隱患，并且對井口構(gòu)筑物和工程設備產(chǎn)生腐蝕作用，因此，有必要對回風井內(nèi)霧氣形成的影響因素及除霧技術(shù)進行研究。國內(nèi)外已經(jīng)有部分學者進行過相關(guān)研究。錢潔1從礦井空氣的危害和防治探

11、討了具體的方法和策略。陳小竹2等通過對井下空氣污染物濃度及來源分析,確定治理措施。吳吉南3等運用工程熱力學原理,對煤礦井下上山巷道大霧形成機理進行分析研究,并提出了相關(guān)可行性辦法。周夢晨4綜合除霧效率和能耗等因素,為新型除霧器的設計改造工作提供了數(shù)據(jù)支持和模型參考。袁惠新5等提出了一種將旋流場與靜電場相結(jié)合的除霧器,利用數(shù)值模擬的方法,分析了靜電-旋流除霧器操作性能。厲雄峰6等通過建立氣相、水蒸氣相及顆粒相控制方程和計算方法，模擬了冷凝式除霧器協(xié)同除塵過程，分析了其分級除塵效率的影響因素。羅光前7等提出一種改良內(nèi)部結(jié)構(gòu)的新型除霧器,運用計算流體力學（CFD）技術(shù)。王澤龍8對兩級旋流式、組合式、

12、兩級折流式3種除霧器進行性能分析。楊琳9對除霧效率和壓降兩個重要問題進行了數(shù)值模擬研究。劉艷麗10等對引入液滴輔助捕集結(jié)構(gòu)前后的折板除霧器內(nèi)的流場和壓降進行模擬。呂超11等對文丘里熱解反應器內(nèi)的氣-液兩相流進行了數(shù)值模擬研究,通過多組模擬最終確定了實驗模擬的最優(yōu)工藝條件。張習軍12等針對我國目前礦井降溫系統(tǒng)運行所面臨的高能耗問題,介紹了一種用于直接冷卻礦井風流的直接接觸式噴淋熱交換系統(tǒng)。1.工程背景與現(xiàn)場測試1.1工程背景云南某鉛鋅礦主回風井口海拔2400米，自從此回風井作為回風井建成后，承擔著整個礦山回風的重要工作，該回風井長800m，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該回風井口溫度較低，每年11月中旬至次年2

13、月中旬井口均不同程度地產(chǎn)生霧氣，霧氣在回風并隨著霧氣擴散，對周邊生活的居民造成了一種不安全心理，使得回風井口長期封閉，進而對礦山整個回風系統(tǒng)造成嚴重的影響，回風困難，影響安全生產(chǎn)，加重了井下工作環(huán)境污染，不利于礦工身體健康。因此，開啟回風井井口進行回風已迫在眉睫。1.2現(xiàn)場測試1.2.1測試儀器為了尋求回風井口空氣結(jié)霧的根本原因，本文在12月份對回風井低及井口空氣參數(shù)進行了現(xiàn)場測試。測試的儀器見表1。表1 檢測使用相關(guān)設備及型號Table 1 Test and use related equipment and models序號名稱規(guī)格型號測量精度1數(shù)字溫濕度計PM6508環(huán)境溫度：1.0濕球

14、溫度：1.0濕度：3.0%RH2通風多參數(shù)檢測儀JFY-4溫度：1.0、低速：0.2m/s中速：0.3m/s、高速：0.4m/s壓差：2.0%、壓力：2.0%3空盒氣壓計（高原型）DYM3-1-4便攜式氣體檢測報警儀（點陣式）CD4（B）O2：0.3%、CO：1ppm、CH4：0.05%、H2S：3ppm1.2.2測試方法現(xiàn)場測點布置情況見圖1，為了得到高精度的測量數(shù)據(jù)，采用分格測量法見圖2（黑色圓點表示測點），把巷道斷面劃分九個面積大致相等的方格，再逐格在其中心測量個點風速v1，v2，v9，最后取平均值得平均風速v。圖1 回風井成霧段縱向測點布置示意圖Figure 1 Schematic d

15、iagram of longitudinal measurement point layout of the fogging section of the return air shaft圖2 井底橫斷面測點布置示意圖Figure 2 Schematic diagram of the layout of survey points on the bottom of the well圖3 井口橫斷面測點布置示意圖Figure 3 Schematic diagram of measuring point layout of wellhead cross section2測試結(jié)果與分析2.1成霧凝水

16、量計算濕空氣的狀態(tài)參數(shù)主要有：濕空氣絕對濕度和相對濕度、濕空氣的含濕量、濕空氣的焓、濕空氣的比體積；其中不同溫、濕度下濕空氣的含濕量分別用、表示：式中 濕空氣的相對濕度，%； 分別是大氣壓力和飽和水蒸氣分壓力，Pa。濕空氣中干空氣的質(zhì)量用表示：式中 干空氣的分壓力，Pa； 濕空氣體積，m3； 干空氣的比氣體常數(shù)，J/(kgK)； 濕空氣溫度，凝水量用表示：式中 濕空氣中干空氣的質(zhì)量，kg； 不同溫度和相對濕度下濕空氣的含濕量。2.2影響因素對成霧析水量分析 表2 回風井沿程冬季空氣參數(shù)測算表Table 2 Calculation table of winter air parameters a

17、long the return air shaft編號測定地點大氣壓力Pb/hpa干溫度/濕溫度/干溫度差/濕度/%水蒸氣分壓PS/Pa露點溫度/含濕量（kg/kg干空氣）1回風井井口755.1151501001705.2615.0160.0106472回風井與1600中段交叉點832.52322.80.2982753.7722.6660.017377310#通風井與1464中段交叉點845.624.123.50.6952852.4523.2440.018017410#通風井與1416中段交叉點849.124.323.90.4972978.0323.7850.0186375140中段4與階段回

18、風井交叉點864.324.524.30.2983013.9124.1520.01906961344中段與階段回風井交叉點870.324.724.60.1993081.2924.5180.01950871286中段與階段回風井交叉點873.224.324.10.2982978.0323.7560.01883581274中段與階段回風井交叉點875.024.123.70.4972912.523.5870.018408表3回風井沿程冬季空氣參數(shù)測算表Table 3 Calculation table of winter air parameters along the return air shaf

19、t測定地點大氣壓力Pb/hpa干溫度/濕溫度/水蒸氣分壓PS/Pa風量（m3/s）空氣密度（kg/m3）濕度/%含濕量差（kg/kg干空氣）成霧析出水量（kg/s）回風井井口755.115151705.2650.240.8294 1000.006730.392221回風井與1600中段交叉點832.52322.82753.7772.140.9779 980.000640.05330610#通風井與1464中段交叉點845.624.123.52852.450.630.9916 950.000620.0004510#通風井與1416中段交叉點849.124.323.92978.031.390.99

20、50 970.0004320.0006911404中段與回風井交叉點864.324.524.33013.914.391.0122 980.0004390.0022151344中段與回風井交叉點870.324.724.63081.290.721.0185 99-0.00067-0.000561286中段與回風井交叉點873.224.324.12978.030.521.0233 98-0.00043-0.000261274中段與回風井交叉點875.024.123.72912.53.421.0261 97合計0.44807 綜合以上現(xiàn)場測算分析可知，如果空氣溫度或者大氣壓力發(fā)生變化，飽和水蒸氣量會逐

21、漸減小，空氣中的一部分水分凝結(jié)成細小水滴，形成霧氣，使井巷道顯得潮濕。因此需要通過氣壓、溫度、濕度和風速等觀測數(shù)據(jù)來分析霧氣形成的原因。（1）氣壓的影響根據(jù)空氣含濕量的原理，氣壓越高，空氣中含濕量越大。在1274 m回風巷道測得的大氣壓力值為875.0hPa，相對應的含濕量值為18.408g/kg，隨著氣流上行，井內(nèi)標高逐漸增加，氣壓下降，空氣所受的壓強減小而膨脹，空氣吸濕能力下降，當氣流到達井口時，大氣壓力降至755.1 hPa，所對應的含濕量值為10.647 g/ks，其兩點間的含濕量差為7.761g/kg，使得空氣中的水分不斷析出，進而形成霧氣。（2）風流溫、濕度的影響根據(jù)絕對濕度的定義

22、，井下用風和回風線路的空氣溫度高，空氣的飽和水蒸氣分壓就高，即溫度高的空氣比溫度低的空氣能容納更多的水蒸氣。在1274 m回風巷道測得的干球溫度為23 ，濕球溫度為22.8 ，相對溫度為98 %，相對應的飽和水蒸氣分壓力為2753.77 Pa，露點溫度為22.666 ，此時若溫度繼續(xù)降低，多余的水蒸氣就會從空氣中凝結(jié)出來。當氣流到達井口時，溫度降至15，空氣的飽和水蒸氣分壓力為1705.26 Pa，空氣相對濕度增加至100%，沿途釋放水分，因此產(chǎn)生霧氣。（3）風量、風速的影響風速越大，回風井內(nèi)的水蒸發(fā)越快，巷道風流帶走的水汽越大，空氣中的水含量越大；反之，風速小，巷道的水蒸發(fā)越慢，巷道風流帶走

23、的水汽越小，空氣的含濕量越?。坏斔舭l(fā)量大于巷道風流帶走的水汽量時，巷道的霧氣現(xiàn)象越嚴重。根據(jù)表計算結(jié)果可知，回風量為50.24 m3/s，從主扇到井口成霧析出水量為448.07g/s，若按每天24小時計算，回風井井口排出的成霧析出水量為38.71噸。3.方案設計分析設計采用在回風井口建立回風巷道如圖4，在其內(nèi)部分別安裝單級折流板除霧器、活性炭柱和雙級折流板除霧器，其中，（1）單級折流板除霧器安置于除霧巷道的中間位置，其作用有三個方面，對井口氣流產(chǎn)生的霧氣進行第一次慣性碰撞分離，從濕空氣中分離出一部分霧氣液滴；對井口高速氣流取到一定的減速作用；單級折流板除霧器采用高分子材料安裝以門框中，形成

24、自由開關(guān)的門，可同時兼顧一年中各個季節(jié)的霧氣產(chǎn)生狀況，即冬季霧氣大時關(guān)閉，其他季節(jié)霧氣小時打開。（2）活性炭以圓柱狀形式安置于接近除霧巷道出口端，交叉布置為三排，其作用有兩個方面，對空氣中的炮煙取到一定的吸附去除作用，活性炭具有約1000m2/g的內(nèi)部表面積，被廣泛地用作空氣污染控制的吸附材料；分離出空氣中的小部分霧氣液滴。（3）雙級折流板除霧器板片使用不銹鋼材料制作，安置于除霧巷道出口處，其作用為兩個方面，采用雙級折流板葉片為最終除霧區(qū)域，具有從空氣中分離出絕大數(shù)霧氣液滴的作用；雙級折流板葉片安置于除霧巷道出口處，能有效地提高除霧效率。圖4 除霧系統(tǒng)設備平面布置圖Figure 4 Layou

25、t plan of demister system equipment4數(shù)值模擬方法與驗證4.1幾何模型及初始條件通過上述設計為了模擬巷道空間內(nèi)出口段安置單級除霧器、活性炭柱和雙級除霧器組合的除霧情況。參考冬季寒冷天氣期間的氣象條件，設置數(shù)值模擬的初始條件為：井外大氣環(huán)境空氣溫度為10 ，巷道設置為水泥澆灌壁面，溫度為5 ；空氣入口為速度入口，風速設為4 m/s，流動方向為x軸正方向；巷道空氣出口為自由出口。網(wǎng)格劃分采用規(guī)則的六面體網(wǎng)格形式，網(wǎng)格數(shù)329,332個，見圖5。圖5 幾何模型Figure 5 Geometric model4.2模型設計（1）單級除霧器模型設計模型空間中布置單級梯形

26、折線型除霧器，單片除霧器幾何模型尺寸為長寬為6000 mm300 mm，葉片數(shù)量60片，葉片間距為50 mm，葉片折角為120，安裝位置在距模型進入口處6000 mm處。（2）活性炭模型設計模型空間中交錯布置活性炭柱3排，每排10個，共30個，炭柱模型直徑為300 mm；第1個炭柱模型位置坐標為x=16000 mm、y=0 mm，其余炭柱模型分別依次朝x和y軸正方向以間距300 mm交錯布置。（3）雙級除霧器模型設計巷道空間中布置雙級梯形折線型除霧器，單片除霧器幾何模型尺寸為長寬為6000 mm600 mm，葉片數(shù)量113片，葉片間距為30 mm，葉片折角為120，除霧葉片為不鎊鋼材質(zhì) ，安裝

27、形式垂直安置。控制方程進行計算的基礎條件是初始及邊界條件。本文在模擬計算時的具體邊界條件為：整個計算過程中溫度不變，且在除霧器通道內(nèi)均勻分布；氣體入口為速度入口，在進口截面處氣流速度均勻分布；出口為壓力出口即自由出口；壁面、炭柱、單雙級除霧葉片設置為wall邊界，且壁面表面粗糙度設為零，無滑移，絕熱；加入霧氣液滴顆粒后，液滴進口速度與氣流速度相同，滴在進口截面均勻分布；速度入口設置為射入（wall-jet），壓力出口設置為逃逸（escape），壁面、炭柱、單雙級除霧葉片設置為捕捉（trap即液滴撞擊到壁面即認為顆粒被捕捉而不再計算）；采取的算法為：壓力速度耦合方式為SIMPLE算法，離散格式選

28、用二階迎風格式，計算精度選取10-6。4.3模擬結(jié)果與分析對井口霧氣運移的非定常流場進行模擬仿真后，可以得到巷道內(nèi)溫度及壓力云圖、風速矢量圖、霧氣顆粒在巷道內(nèi)的運移圖，進一步分析氣液分離的機理。風速變化模擬分析模擬設置入口風速為5 m/s時，平面巷道溫度、速度分布云圖分別見圖6。（a） 速度云圖(a) Speed cloud chart（b）速度矢量圖(b) Speed vector diagram（c） 溫度云圖(C) Temperature cloud chart（d）溫度矢量圖(D) Temperature vector diagram圖6 速度、溫度云圖及矢量圖Figure 6 Spe

29、ed,temperature cloud chart and vector diagram本次模擬巷道內(nèi)風速依據(jù)1600中段巷道內(nèi)主扇特性曲線的最高風速為依據(jù)，在入口氣流速度（空氣、霧氣液滴）的兩相流耦合作用下，數(shù)值模擬巷道空間氣流速度及溫度運動分布，由模擬結(jié)果圖6可以看出，氣流速度以5 m/s的速度射入巷道，呈現(xiàn)出勻速遞減的趨勢，從入口到出口氣流速度范圍在5 m/s3.5 m/s之間；由于本次模擬不考慮氣流溫度降溫處理，因而溫度變化云圖及矢量圖保持穩(wěn)定為15 ，從圖中可以看出，整個模擬計算過程中，氣流速度和溫度運動變化過程基本處于一種平穩(wěn)過渡狀態(tài)。除霧器除霧效率分析本次模擬計算主要依據(jù)回風井

30、井口現(xiàn)場除霧試驗，由于回風井井井口霧氣的排放量大，且霧氣液滴體積變化范圍大，進而設置霧氣液滴直徑范圍在10 um100 um之間隨機產(chǎn)生，通過建模、調(diào)試與運算。在模擬計算穩(wěn)定的狀態(tài)下，得出模擬計算結(jié)果，如圖7所示。（a） 1s時霧氣顆粒運動軌跡(a) Movement trajectory of fog particles at 1s（b）3s時霧氣顆粒運動軌跡(b) Movement trajectory of fog particles at 3s（c）4s時霧氣顆粒運動軌跡(c) Movement trajectory of fog particles at 4s（d）32s霧氣顆粒的速

31、度運動軌跡(d) The velocity trajectory of the 32s fog particles圖7 除霧效果圖Figure 8 Defogging effect diagram本次除霧數(shù)值模擬計算時間為32 s，隨機產(chǎn)生的霧氣顆粒為1,167,620粒并充滿整個巷道空間，其中，被巷道劈面及除霧器共同捕集的霧氣顆粒有1,149,650粒，從除霧器逃的霧氣顆粒有6,320粒，整個巷道空間剩余的霧氣顆粒11,650粒，除霧效率達到90 %以上。從模擬計算結(jié)果可以看出，首先，在模擬巷道5000 mm處安置一級除霧葉片且葉片間距為60 mm，主要負責捕集大部分由巷道排出的體積相對大的

32、霧氣液滴，從圖（a）（b）可以看出，當霧氣由入口進入時，瞬間充滿整個巷道，經(jīng)過一級除霧葉片時，可以看出大部分霧氣液滴被捕集；其次，在模擬巷道14000 mm處安置3排互相交錯的圓形炭柱，可捕集一部分隨氣流經(jīng)過的霧氣液滴；最后，在模擬巷道出口處18000 mm處布置雙級除霧葉片且葉片間距為30 mm，負責捕集巷道內(nèi)剩余的少量且體積小的霧氣顆粒。從整個模擬結(jié)果可知，該方案設計可使巷道內(nèi)產(chǎn)生的霧氣液滴經(jīng)過多次捕集后去除，除霧效果明顯。5.結(jié)論（1）根據(jù)研究結(jié)果，得出霧氣產(chǎn)生的原因主要與大氣壓力，風流溫、濕度，風量等參數(shù)變化有關(guān)。（2）回風井正常工況條件下，回風量為50.24m3/s，井口濕空氣中的成

33、霧析水量在448.07 g/s，一天析水量38.71噸。（3）根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，巷道內(nèi)產(chǎn)生的霧氣液滴經(jīng)過多次捕集后去除，得出除霧方案除霧效率達到90 %以上，除霧效果明顯。參考文獻1錢潔.礦井空氣中有害氣體對人體的危害與防治J.江西化工,2020(03):135-136.Qian Jie.The harm and prevention of harmful gas in mine air to human bodyJ.Jiangxi Chemical Industry,2020(03):135-136.2陳小竹,汪志國,宋宏元,汪少林,趙龍.灣家塢礦井下空氣環(huán)境污染分析及綜合治理J.黃金,

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