編者按 礦井通風系統(tǒng)是地下礦山傳統(tǒng)八大系統(tǒng)之一，承擔著排塵、毒、濕和為井下供氧換熱的重要作用?；仫L井外排污風包含的粉塵、有毒有害氣體及霧氣等對地表環(huán)境產(chǎn)生一定影響。相關學者對回風井污染因子治理技術開展了探索研究，并建成了相關工程示范，但對其研究與應用現(xiàn)狀缺少深入總結(jié)。中鋼礦院賈敏濤團隊：分析了礦山回風井外排污染因子及其成因，并結(jié)合團隊研究積累，對近年來礦山回風井污染因子治理典型技術和案例進行了梳理。針對污染因子治理技術研究現(xiàn)狀，分析了目前存在的不足，展望了未來主要研究方向，即探究回風井除霧降塵機理、完善回風井余熱回收與除霧協(xié)同技術、發(fā)展低濃度有害氣體快速吸附技術、構(gòu)建粉塵—冷凝霧—有害氣體協(xié)調(diào)治理體系。該項研究相關成果以《地下金屬礦山回風井污風治理技術研究與實踐》為題發(fā)表于《金屬礦山》雜志。

地層溫度從地表往下依次分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶。地下礦山開采多位于增溫帶，因此礦井環(huán)境溫度普遍高于地表環(huán)境平均溫度，且隨著礦井采深不斷增加，井下環(huán)境溫度不斷升高。礦井不可避免地存在大量地下水，因此，井下空氣一般濕度較高，平均相對濕度大于70%，大水礦井通過作業(yè)面到達回風道的空氣含水量接近飽和，達到98%以上。

每到秋冬低溫季節(jié)，回風井井口連續(xù)不斷地升騰出“白色煙霧”，回風井儼然成為了地下“煙囪”，給礦區(qū)周邊居民帶來視覺沖擊，產(chǎn)生視覺污染，同時受地表風速、風溫等氣象條件影響，靠近井筒低空排放、逸散的礦井回風風流中夾雜井下潮濕發(fā)霉的氣味。井下落礦爆破、礦石鏟裝運輸和溜井放礦過程中產(chǎn)生一定量的粉塵等都會通過通風系統(tǒng)回風井排出地表，對地表環(huán)境產(chǎn)生影響。

1 回風井污染因子

（1）回風井口霧氣

氣流沿著回風井井筒向上流動時，空氣溫度逐步下降，飽和含水量降低，空氣中水分凝結(jié)析出，形成細小水滴。此外，空氣在回風井筒向上流動時，在井筒地表出風口處壓力突然降低，空氣絕熱膨脹，溫度下降，空氣的吸濕能力降低，使空氣中的水分進一步凝結(jié)，產(chǎn)生霧氣。

霧氣的產(chǎn)生主要與風流溫度、風量、地表溫度、濕度及氣壓等因素有關。其中，氣壓參數(shù)變化主要取決于井口的垂直高差。風量參數(shù)變化主要取決于礦山供風量及回風量。隨著回風井風量增加，井口成霧析水量線性增加；回風氣流溫度降低，井口成霧析水量線性增加，含濕量相應增加；相對濕度降低時，井口成霧析水量呈現(xiàn)線性增加，含濕量也相應增加，但增加速率相對溫度較為緩慢。各因素對井口成霧影響度排序為溫度>相對濕度>回風量。井口霧氣隨著回風井外排污風不斷產(chǎn)生，在秋冬季節(jié)氣溫越低，霧氣濃度越高。

（2）粉塵

礦井產(chǎn)塵工藝多，且產(chǎn)塵點分散。根據(jù)礦井生產(chǎn)工藝的類別，主要產(chǎn)塵點包括：

① 機械鑿巖產(chǎn)塵。機械鑿巖過程中，鑿巖機中的高壓風將鉆桿破碎的碎屑吹起形成漂浮的粉塵，鑿巖產(chǎn)塵是一個持續(xù)的過程，隨著生產(chǎn)的進行不斷產(chǎn)生粉塵。

② 爆破產(chǎn)塵。金屬礦山多采用爆破落礦和爆破掘進工藝，爆破過程瞬間產(chǎn)生大量揚塵，隨著風流擴散。該類工藝作業(yè)雖然持續(xù)時間短，但是產(chǎn)塵強度大，影響范圍廣，導致井下高濃度粉塵的持續(xù)時間長。

③ 鏟裝礦石及溜井卸礦產(chǎn)塵。爆破后的礦石通過鏟運機等裝備裝車運出或者直接倒入溜井，鏟運機在礦石鏟運過程中從爆堆產(chǎn)生大量粉塵；鏟運機或礦車向溜井卸礦時，溜井內(nèi)空氣受到壓縮，產(chǎn)生沖擊性高濃度粉塵。

④ 運輸?shù)缆窊P塵。隨著金屬礦山機械化程度不斷提升，大量無軌設備在井下運行，巷道底板揚塵也是井下主要產(chǎn)塵點。

（3）有毒有害氣體

井下有毒有害氣體主要來源于炸藥爆破產(chǎn)生的炮煙，其中包括氮氧化物、一氧化碳和氨。除此之外，含硫礦山的礦石自然氧化會產(chǎn)生一定量的二氧化硫，充填體與采場礦石、圍巖等發(fā)生化學反應產(chǎn)生硫化氫，井下柴油設備運行產(chǎn)生氮氧化物、一氧化碳和二氧化碳等，部分炸藥爆破產(chǎn)生一定量的氨。

井下有毒有害氣體主要來源于炸藥爆破產(chǎn)生的炮煙，放炮后大量炮煙隨著風流快速從回風井排出地表，一段時間后濃度逐漸降低。采場和巷道中的炮煙排除干凈后，開始進行出礦作業(yè)，此時，隨著采場爆堆不斷推進，爆堆內(nèi)部的炮煙再次不斷排出，回風中的有毒有害氣體濃度會略有波動性上升。

（4）其他氣體

礦山回風井除了上述可以檢測出的氣體外，還存在微量惡臭氣體，主要是微生物分解產(chǎn)生的有機氣體。井下環(huán)境濕度大，一些有機物氧化釋放一定量的刺激性臭氣。該部分氣體很難在回風風流中采樣檢測出，但可通過嗅覺感受到。

井下生產(chǎn)產(chǎn)生的粉塵、有毒有害氣體、刺激性臭氣等都隨著礦井風流通過回風井排出地表，對地表環(huán)境造成一定影響。高溫飽和濕空氣在井口形成白色霧氣，對周邊環(huán)境產(chǎn)生視覺污染。

2 污染因子治理技術

回風井外排污染因子的特性是流量大、濃度低和間斷性，決定了其治理難度大、成本高。近年來，業(yè)內(nèi)學者圍繞回風井“白色煙霧”進行了研究，提出了慣性法、高壓靜電法、濕式共振柵法和吸附法等多種方法。

該類方法的主要思路是讓乏風所夾帶的水霧在出地表過程中能夠從空氣中提前冷凝，再通過靜電或慣性脫水等方式，將冷凝水滴捕集，達到除霧的目的

回風井污染因子治理總體思路

（1）慣性法

慣性法除霧降塵是利用氣流所夾帶液滴的動量，在折流板、絲網(wǎng)板等通道中以一定的速度流動擴散，由于流向多次被改變，致使液滴在慣性力、摩擦力及液體表面張力等綜合作用下越聚越大，直到其自身重力超過氣流浮升力與液體表面張力的合力時，液滴就從絲網(wǎng)表面分離，向下集聚到擋板底段并流出，達到除霧目的。

近年來業(yè)內(nèi)學者圍繞該方法進行了研究和改進，分別針對不同的慣性碰撞次數(shù)、不同的阻擋材質(zhì)和噴淋降溫、吸附多級組合等形式的除霧效果開展了測試分析，典型方法有單級折流板慣性除霧法多級組合折流板慣性除霧法

本團隊在機械補風冷卻+噴淋+慣性阻隔聯(lián)合除霧降塵系統(tǒng)中設置折流板除霧器一級除霧，絲網(wǎng)板除霧器二級除霧，兩者之間安裝堿性水溶液，去除水霧、炮煙及異味。該工藝氣流過濾速度宜為2~3 m/s，除霧效率達到95%以上，運行阻力小、運行穩(wěn)定、設備運行能耗低。

目前常用結(jié)構(gòu)形式多為單道或者多道折流板布置，除霧效率偏低，可考慮結(jié)合絲網(wǎng)過濾板形成多級聯(lián)合除霧，提高水霧去除效率。

慣性法的主要不足在于不適用于處理含大量油污以及具有腐蝕性的污風，當回風氣流中含有大量粉塵及油污時，過濾體極易阻塞結(jié)垢，造成系統(tǒng)運行阻力升高，影響回風井回風量。因此，過濾風速、絲網(wǎng)板孔隙率及折流板板間距等性能參數(shù)選取極為關鍵

（2）高壓靜電法

高壓電場使氣體電離，使粉塵或霧滴荷電，并在電場力的作用下定向移動，最終被收集極捕集。本團隊通過在回風井筒內(nèi)安裝放電極板，在井筒壁四周布置絕緣陶瓷磚，從而在回風井內(nèi)部形成高壓單向電場，回風井中的霧滴和粉塵顆粒在隨風流向上運動過程中，被高壓電場電離后，受到電場力的作用，向井壁周邊運動，最后被捕集在井壁周邊，達到降塵除霧的目的。

高壓靜電除霧結(jié)構(gòu)示意

高壓靜電除霧不增加通風系統(tǒng)阻力，對回風井總回風量沒有顯著影響。但需提供高壓荷電，運行能耗較高，電壓低于起暈電壓時，不產(chǎn)生電暈，起不到除霧作用；電壓超過電場擊穿電壓時，易造成火花放電，存在“放爆”的風險。同時集聚的液滴難以及時外排，極易被高速回風氣流沖擊裹挾，產(chǎn)生二次成霧現(xiàn)象。

（3）濕式共振柵法

濕式共振柵通過噴霧、共振柵及弦柵間隙水膜的協(xié)同作用，去除污風氣流所攜帶的粉塵及水霧，系統(tǒng)阻力低。但振弦除霧效率低，粉塵油污容易堵塞，設備維護及清洗困難，同時耗水量大，水質(zhì)要求高，不適用于回風氣流速度高的場合。

（4）吸附法

吸附除霧是用固體吸附劑吸附氣體中的水汽和異味，從而達到除霧降塵毒的目的。常用固體吸附劑主要有氯化鋰、硅膠、分子篩、氯化鈣等氯化鋰溶解度大，化學性質(zhì)穩(wěn)定，再生溫度低（120 ℃左右），除霧過程同時存在物理與化學吸附，可以在溶液狀態(tài)下繼續(xù)吸水；但吸濕容量小，易腐蝕設備，價格昂貴。硅膠性質(zhì)穩(wěn)定，無毒抗酸，但其吸濕能力差、再生能耗高，耐熱性和機械強度差，因而在硅膠中摻雜金屬元素可以克服耐熱性及機械強度差的缺點。分子篩作為吸附劑高溫下仍能保持較好的吸濕能力，但吸濕容量小、再生困難、成本高、結(jié)構(gòu)脆，只用于一些對空氣露點要求非常低的場合。氯化鈣吸附效果較好，但吸濕后易泄漏，污染環(huán)境。

吸附劑吸附除霧具有水霧去除效率高、適用性強的特點，可同時高效去除粉塵及炮煙雜質(zhì)。但是吸附容量有限，設備占地體積大，吸附劑需要定期更換或再生，運行維護成本較高，產(chǎn)生危廢造成二次污染。此外，吸附劑對氣流溫度和濕度敏感，高溫高濕環(huán)境下，吸附劑吸附效率低。

綜上分析：

慣性法在回風井除霧中最為常用，具有結(jié)構(gòu)形式簡單、運行可靠、安全性高等特點；但其除霧效率相對其他方法偏低，且對于其他有害氣體的處置能力較弱。

高壓靜電法除霧主要聚焦在化工行業(yè)消白，在礦山行業(yè)少有涉及，雖然除霧效率高，但系統(tǒng)造價及運營費用高，且高壓電安全性較差。

濕式共振柵法降塵主要用于處置空氣中的親水性顆粒，對于疏水性因子的捕集效率低。

吸附法具有較高的處置效率，但同時給通風系統(tǒng)帶來較大的局部阻力，且吸附材料需要定期更換或者再生，系統(tǒng)運行成本高。

3 典型應用案例

“十四五”期間，本團隊圍繞上述4種技術，進行了深入技術攻關，研發(fā)了適用于高濕度高粉塵回風井聯(lián)合除霧降塵技術，在礦山現(xiàn)場進行了現(xiàn)場應用，取得了顯著成效。

（1）某鉛鋅礦除霧

某鉛鋅礦回風井地處國家4A級風景區(qū)內(nèi)，冬天井口外排污風冷凝產(chǎn)生的白霧從遠處看易產(chǎn)生誤導，誤以為景區(qū)發(fā)生火情。因此其回風井污染因子治理主要是“消白”除霧。除霧采用“平硐式風道+雙級串聯(lián)慣性力”除霧技術。

該技術通過在回風井井筒上方砌筑平硐風道+噴霧系統(tǒng)，進行風流冷卻降塵，冷凝出回風風流中水分；在噴淋系統(tǒng)后端安裝一道絲網(wǎng)除霧器，捕集大顆粒液滴，并將小粒徑霧滴凝聚成大體積，便于后續(xù)慣性捕集；再間隔一定距離后安裝慣性折流板除霧器，捕集大顆粒霧滴和粉塵顆粒，除霧降塵后的風流最終貼近地表排出?，F(xiàn)場實測表明：水霧去除率達到80%，消除了井口“白煙”視覺污染，系統(tǒng)阻力140 Pa。該技術適用于礦井回風量不大，回風井井筒直徑較小的場合

平硐風道+慣性力除霧技術工藝流程

（a）應用前

（b）應用后

雙級串聯(lián)慣性力除霧技術使用前后現(xiàn)場效果

（2）某鐵礦除霧

某鐵礦屬于典型的城中礦，周邊存在居民、學校和餐飲等環(huán)境敏感點，冷凝的白霧、粉塵和短時間炮煙都會對周邊環(huán)境產(chǎn)生一定影響?；仫L井除霧降塵采用“折流板、絲網(wǎng)板+噴淋水浴”聯(lián)合技術，具體思路：在回風井井筒上方四周布置“回”字形鋼構(gòu)框架結(jié)構(gòu)，井筒外圍布置慣性力除霧器—弧形折流板及絲網(wǎng)除霧板，兩者之間安裝噴淋裝置和多孔隙球體，噴淋水在多孔球體表面空洞中形成水膜。含霧氣流依次通過弧形折流板、多孔隙球體、絲網(wǎng)過濾板，在碰撞慣性力、表面張力及重力等作用下，水霧積聚成液滴墜落實現(xiàn)氣—液分離。該技術噴淋水為循環(huán)水，考慮水分蒸發(fā)及噴灑，需要定期補水。

折流板、絲網(wǎng)板+噴淋水浴聯(lián)合除霧技術流程

過濾絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)

該技術主要特征：

① 擴大了回風井熱空氣的排放空間，降低了霧狀排放的積聚性，氣流組織合理，降低了氣味的低空逸散。除霧效率可達80%~90%，粉塵去除效率可達80%~85%。

② 增強了大氣外部與回風之間的導熱、熱流冷熱交換，進一步減小了與外部大氣的傳熱溫差。

③ 消除了外部主導風向?qū)τL面除霧板出風的阻礙作用，以及維持四周除霧板除霧回風的均衡性，具有極大的推廣性與應用性。

4 不足與展望

（1）不足

① 回風井霧氣產(chǎn)生機理與除霧降塵理論研究有待深入，涉及氣水熱濕交換及蒸發(fā)冷凝等熱力學理論研究薄弱，對于水霧形成過程及積聚為液滴機理研究匱乏，相關理論研究結(jié)果對于不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同溫濕度等復雜工況的適用性及通用性不足。

② 回風井風流形成霧氣的過程是一個熱能不斷釋放的過程，現(xiàn)有技術主要集中于捕集霧滴，忽略了這一過程中能量的回收，即造成了能量浪費，又難以消除通過凈化系統(tǒng)后風流進一步形成的霧氣，除霧效果不理想。

③ 回風井中有毒有害氣體濃度處于較低水平，現(xiàn)有吸附技術對于低濃度大流量的氣體處置速度慢、效率低，無法與礦山回風井風流特點相匹配。

④ 工程應用中除霧技術較為單一，缺乏技術集成及協(xié)同，導致污染物綜合去除效率有進一步提升的空間。對于風流中低濃度有毒有害氣體的治理僅依靠其微溶于水的特性進行微量處理，捕集效率低。

（2）展望

除霧降塵技術的未來研究重點為以下4個方面：

① 探究回風井除霧降塵機理。加強對回風井口霧氣形成機理研究，深入分析溫度、濕度、風量等因素對霧氣形成的具體影響規(guī)律。利用計算流體力學（CFD）等數(shù)值模擬工具，建立更加精確的回風井除霧過程模型，模擬不同除霧技術在不同工況下的實踐效果，為相關裝備設計、研發(fā)和工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。實現(xiàn)熱力學、流體力學、材料科學等多學科交叉融合，深入研究除霧過程中的氣液兩相流動、傳熱傳質(zhì)等復雜現(xiàn)象，探索新的除霧機理和方法。

② 完善回風井余熱回收與除霧協(xié)同技術。為使回風井風流中的水分提前冷凝形成霧滴，常規(guī)方法是噴淋灑水或機械補冷風，其目的是快速降低回風井風流溫度，讓風流中的水分在排出地表前快速冷凝析出。深井礦山回風井風溫比外界環(huán)境氣溫高，本身就是一種低品位的熱能資源。將回風井中風流熱量進行利用，提取回風井風流中的低品位熱源，既可以達到節(jié)約能源的目的，還可以實現(xiàn)回風井風流快速降溫，讓風流中的水分提前冷凝，減小井口霧氣的產(chǎn)生強度，實現(xiàn)井口除霧“消白”。

③ 發(fā)展低濃度有害氣體快速吸附技術。目前，高濃度有毒有害氣體的治理技術相對成熟，包括有機氣體催化燃燒、活性炭吸附、化學分解反應等。吸收法可以實現(xiàn)混合氣體中一種或多種組分與吸收劑中的組分發(fā)生選擇性快速化學反應，或溶解于選定的吸收劑中。研究低濃度有毒有害氣體的快速分解吸收技術，有助于簡化回風井污風治理工藝，降低系統(tǒng)建設投資，但吸附分解法應避免生成物對環(huán)境造成二次污染。

④ 構(gòu)建粉塵—冷凝霧—有害氣體協(xié)調(diào)治理體系。粉塵、冷凝霧和有毒有害氣體往往同時存在，開發(fā)多因子協(xié)同治理技術，結(jié)合多學科技術手段，實現(xiàn)安全、高效、節(jié)能的綜合治理；將慣性分離、吸附、冷凝、電離等多種除霧技術進行集成和優(yōu)化組合；開發(fā)智能控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測回風井的溫度、濕度、風量等參數(shù)，通過與自動控制除霧設備進行聯(lián)動，實現(xiàn)精準除霧。通過技術耦合與智能化管理，使得礦井回風井污染因子治理從“單一減排”升級為“污染防控—能源回收—智能預警”一體化模式。

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學術論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學術期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學文摘（CA）、美國劍橋科學文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學技術振興機構(gòu)數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領域具有重大學術價值或工程推廣價值的研究成果，優(yōu)先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術學科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學術期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

作者：賈敏濤等

編排：余思晨

審核：王小兵

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