一种用于矿山法隧道施工的通风控尘除尘系统

1.本发明涉及一种用于矿山法隧道施工的系统，特别涉及一种用于矿山法隧道施工的通风控尘除尘系统，应用于地下空间钻爆法开挖施工期间的通风除尘领域。


背景技术：

2.公路和铁路隧道的掘进方式主要采用矿山法，该方法钻眼、放炮、运渣、初衬等施工过程的扬尘，严重影响隧道内部的空气质量和施工环境。为了施工人员、机械的正常作业，创造良好的劳动气候条件，稀释、排出有害气体和烟尘，使其浓度降低到标准接触限值以内，通常采用机械压入式局部通风方法往掌子面供给新鲜风流。然而，对于长大区间隧道，随着隧道的不断掘进，机械压入式通风的缺点越发明显，主要体现在3个方面：
3.(1)软性风管密封不严，漏风点多，漏风量大，造成隧道通风气流紊乱；
4.(2)随着通风管道的增长，阻力增大致使运行成本不断提高，且通风效果并不显著；
5.(3)压入式通风并不能置换将隧道内部的污染空气，随着施工周期的增大，细微粉尘在隧道内部聚集。
6.在工程实践中发现，施工隧道内部的粉尘颗粒分布状态很难通过现有的常规通风方法(机械压入式局部通风)得到改善；对隧道内部粉尘分布进行采样，得到其分布规律为：隧道空间内均匀，为小颗粒飘尘，质量浓度在40～70mg/m3，超过了作业场所污染物浓度规定的接触限值。因此，探究合理的公路隧道掘进有效通风方式，对施工人员职业健康、保证施工进度显得十分重要。
7.钻爆法开挖施工主要采用压入式通风，由风机和软性风管组成。对风管射流掌子面的流态进行分析可以发现，隧道内部空间受限送风筒射流的气流向前，到掌子面产生回流，依次为：射流区、冲击区和回流区，并在靠近掌子面形成涡旋区，粉尘容易聚集；机械压入式局部通风虽然能保证掌子面的风流流动速度，并未将含尘气流全部排至洞外。基于此，通过送风方式的改变，减少甚至隔离施工作业过程产生的粉尘向着隧道洞口流动，即在距离掌子面的一定区域形成控尘区，并将控尘区内的粉尘通过除尘设备实现快速捕集处理，对公路隧道施工通风方式的优化和形成隧道施工绿色通风方法。为此，以通风、控尘和除尘为约束条件，根据施工隧道通风系统的设计原则和特点进行通风方式的优化，对形成公路隧道施工绿色痛风方法具有重要的工程实践意义。
8.目前，隧道通风除尘领域，主要集中在2个方面：(1)以移动式装置为例，一种隧道用通风除尘装置(申请号：cn 202020099016.3)、一种隧道施工用通风除尘装置(申请号：cn 201920571306.0)，一种隧道通风除尘装置(申请号：cn202020302812.2)等专利通过喷雾或喷洒除尘的手段降低隧道内污染气流的含尘浓度；(2)以方法或系统为例，中长隧道通风除尘一体系统(申请号：cn 201610643988.2)、一种隧道用车载型包裹式通风除尘装置及除尘方法(申请号：cn202010049448.8)、一种隧道施工通风除尘系统(申请号：cn 201822120931.1)等专利，通过送风与除尘设备相结合的手段净化隧道内的污染气流，并未
同时涉及通风、控尘和除尘等多个方面协调工作的问题。


技术实现要素：

9.针对上述提到的现有技术中的隧道通风除尘中，送风与除尘设备相结合的手段净化隧道内的污染气流，并未同时涉及通风、控尘和除尘等多个方面协调工作的问题，本发明提供一种用于矿山法隧道施工的通风控尘除尘系统，其通过采用分流三通管和吸风管相互配合，在掌子面前形成负压区，实现通风、控尘和除尘目的，从而达到净化隧道内部施工环境，相比较现有的隧道通风方法，实现了控尘和除尘，进一步提高了隧道通风效果。
10.本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种用于矿山法隧道施工的通风控尘除尘系统，包括送风系统和二衬台车跟随式除尘系统；
11.所述送风系统包括轴流风机、送风管和分流三通管，所述送风管设置在隧道的上方，所述送风管的连接端连接所述轴流风机，所述送风管的出风端连接所述分流三通管，所述分流三通管的主支管对应掌子面设置，所述分流三通管的侧支管朝向掌子面向下倾斜设置并与所述主支管形成夹角；
12.所述二衬台车跟随式除尘系统包括除尘器和吸风管，所述吸风管设置在隧道的下方，所述吸风管的连接端连接所述除尘器，所述吸风管的进风端对应掌子面设置，所述吸风管的进风端比所述分流三通管的主支管更接近掌子面。
13.进一步地，主支管的风量q1＝单位每小时的换气次数n
×
隧道横截面积s
×
主支管至掌子面的距离l3。
14.进一步地，主支管的风量q1小于侧支管的风量q2，吸风管的处理风量q1′
大于主支管的风量q1，处理风量q1′
为5m3/s≤q1′
≤10m3/s。
15.进一步地，分流三通管的侧支管与主支管形成夹角θ为30
°
≤θ≤60
°
。
16.进一步地，主支管长度l1范围为20m～30m，侧支管长度l2范围为1m～2m。
17.进一步地，主支管至掌子面的距离l3范围为15～30m，吸风管的进风端至掌子面的距离l4范围为l
3-5m＜l4＜l
3-2m。
18.进一步地，所述单位每小时的换气次数n为13～16次。
19.进一步地，所述轴流风机的供风量q0大于20m3/s，供风量q0＝风量q1 风量q2。
20.本发明的有益效果：本发明提供了一种用于矿山法隧道施工的通风控尘除尘系统，其通过采用分流三通管和吸风管相互配合，在掌子面前形成负压区，实现通风、控尘和除尘目的，从而达到净化隧道内部施工环境，相比较现有的隧道通风方法，实现了控尘和除尘，进一步提高了隧道通风效果，改善隧道施工环境和施工作业人员职业健康现状。
附图说明
21.图1是本发明的现有技术的示意图；
22.图2是本发明用于矿山法隧道施工的通风控尘除尘示意图。
23.附图标记：1－送风系统，11－轴流风机，12－送风管，13－分流三通管，131－主支管，132－侧支管，133－导流弧形弯板，2－二衬台车跟随式除尘系统，21－除尘器，22－吸风管，3－二衬台车，4－掌子面。
具体实施方式
24.为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
25.请参阅图1是现有隧道常规通风方法示意图。
26.请参阅图2，本发明提供的一种用于矿山法隧道施工的通风控尘除尘系统，包括送风系统1和二衬台车跟随式除尘系统2；
27.送风系统1包括轴流风机11、送风管12和分流三通管13，送风管12设置在隧道的上方，送风管12的连接端连接轴流风机11，送风管12的出风端连接分流三通管13，分流三通管13的主支管131对应掌子面4设置，分流三通管13的侧支管132朝向掌子面4向下倾斜设置并与主支管131形成夹角，其中分流三通管13为具有导流弧形弯板133的三通管，或者是三通管内设有限流阀，将轴流风机11送入的供风量q0进行分成两股，优选的主支管131的风量q1小于侧支管132的风量q2，使得主支管131的风量q1通向掌子面4实现通风换气，侧支管132的风量q2用于隧道通风，并形成气幕防止掌子面4扬尘向外运动。
28.二衬台车跟随式除尘系统2包括除尘器21和吸风管22，吸风管22设置在隧道的下方，吸风管22的连接端连接除尘器21，吸风管22的进风端对应掌子面4设置，吸风管22的进风端比分流三通管13的主支管131更接近掌子面4，即与离掌子面的距离更短，快速捕集并处理控尘区的污染气流，优选的吸风管22的处理风量q1′
大于主支管131的风量q1，掌子面的扬尘被主支管风量q1稀释，使得靠近掌子面区域形成负压区，抑制掌子面的扬尘向着隧道洞口处运移，导致侧支管中的一部分风量q2朝着掌子面运动，并被二衬台车跟随式除尘系统捕集处理，实现通风、控尘和除尘目的，从而达到净化隧道内部施工环境，相比较现有的隧道通风方法，实现了控尘和除尘，进一步提高了隧道通风效果，其中通风是指不改变原有的通风方式，保证掌子面所需新鲜风流的风量，控尘是指在距离掌子面一定区域形成控尘区，约束掌子面的污染气流向外运动。
29.本实施例中，根据不同的使用环境，其主支管131的风量q1＝单位每小时的换气次数n
×
隧道横截面积s
×
主支管131至掌子面4的距离l3。本实施例中，采用密闭空间换气次数的方法进行计算，单位每小时的换气次数n为13～16次，优选的为15次。
30.本实施例中，为了满足在隧道下的使用，处理风量q1′
为5m3/s≤q1′
≤10m3/s，优选的为8m3/s，轴流风机11的供风量q0大于20m3/s，供风量q0满足：供风量q0＝风量q1 风量q2。
31.本实施例中，送风系统分流三通管结构的尺寸数值关系，满足以下条件：分流三通管13的侧支管132与主支管131形成夹角θ为30
°
≤θ≤60
°
，主支管131长度l1范围为20m～30m，侧支管132长度l2范围为1m～2m，进一步的，主支管131至掌子面4的距离l3范围为15～30m，吸风管22的进风端至掌子面4的距离l4范围为l
3-5m＜l4＜l
3-2m，即主支管和吸风管与掌子面的距离差值范围在2～5m。
32.具体实施中，在送风管12的末端安装一个带导流板的分流三通管，其分流三通管的主支管与侧支管的夹角θ，优选为45
°
，请参阅图2，从图中气流流动方向看，导流弧形弯板133将轴流风机11的供风量q0分隔成两束，一束气流在导流弧形弯板133的分隔下流经主支管131，主支管131中的风量q1，另一束气流在导流弧形弯板133的分隔下流经侧支管132，侧支管132中的风量q2；主支管的长度l1侧支管的长度l2，主支管与掌子面的距离l3。隧道右侧
安装二衬台车3，及二衬台车跟随式除尘系统2，除尘器21的处理风量q1′
，吸风管与距离掌子面的距离l4，实现通风、控尘和除尘的确定步骤如下：
33.通风的确定：根据密闭空间换气次数的原理，将主支管131的末端垂直截面到掌子面4看成密闭空间，即单位每小时的换气次数＝分流三通主支管流量q1/(隧道横截面积*主支管与掌子面的距离l3)，确定换气次数计算该密闭空间单小位每时的最低换气次数所需的风量，即主支管中的流量为q1。
34.控尘的确定：根据流体力学基本原理，主支管131的风量q1小于除尘器21的处理风量q1′
，掌子面4会形成负压区，流量差(q1′‑
q1)由q2供给，流向向着掌子面4，即与掌子面4扬尘运动方向相反；同时，侧支管132射流形成的气幕同样能抑制粉尘向外运动。
35.除尘的确定：吸风管22的末端比主支管131更靠近掌子面4，且除尘器21的处理风量q1′
大于主支管131的风量q1，掌子面4的扬尘被主支管的风量q1稀释，并被二衬台车跟随式除尘系统2捕集处理，实现了控尘和除尘，提高了隧道通风效果。
36.应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。