0 前言

通风排尘、排毒是清除井下工作空间或车间内污染物普遍采用的基本方法。但在某些情况下，采用全面通风就无法达到通风换气和排出污物的目的。例如，矿井边远处新鲜风流不能到达，采用远距离送风又将大幅度提高通风费用的区域；或者风源被污染，无法提供新鲜风源的条件下；在冬季，特别是在北方，对车间实行全面通风将严重恶化车间气候条件，而维持适宜温度又需消耗大量能源。这时，采用局部净化方法将显示其不可替代的优越性。

所谓局部净化是在需要净化的区域，安设能滤除粉尘或有毒气体的净化器，在其运转时可造成一定空间的净化环境，以保证工作人员的健康和安全。净化器的工作方式是把工作区域内的被污染空气，吸入净化器内，经除尘除毒后成为洁净的新风由排风口送出就地利用。在工作区域里合理布置净化器的位置，律其出口射流能造成循环风流，有效地清洗工作面后再携带污染物进入净化器，处理成净化的新鲜风流，如此反复，所以称为风流循环净化。

正常条件下，局部风流循环净化方法，单位能耗的通风效果不如全面通风方法经济，但在全面通风无法完成排尘排毒任务时，它的技术经济效杲就十分明显了。

1 净化区域内污染物浓度的变化

在忽略净化空间与外界之间的少量空气交换时，可将净化空间视为封闭空间。假定在任意时刻，净化空间内污染物的浓度分布都是均匀的，则净化空间内污染物浓度变化的微分方程式为：

(1)

整理后得出：

(2)

式中：G-净化空间内单位时间内污染物的产生量（mg/s); K-出口射流作用的紊流掺混系数（0.5~0.8); Q-净化器的处理风量（m³/s); C-净化空间内任意时刻的污染物浓度(mg/m³); η-净化器的过滤效率；V-净化空间的体积(m³)。设通风时间t = 0, 即通风开始时，净化空间内粉尘的初始浓度C₀(mg/m³), 通风t时间后，净化空间内粉尘浓度降低到C(mg/m³)。以此边界条件对(2)式进行积分得：

(3)

如果空间内是一次性污染，即非连续性污染，则G = 0, (3)式成为：

(4)

(4) 式是一次性污染时，通风过程中浓度衰减的数学表达式。开动排风扇或净化器后，浓度呈指数曲线衰减。式中Qt/V称为换气系数，Qt/V≥4当时，污染物浓度变化曲线成为x轴的渐近线，即可确保通风排污任务的完成。

假设空间内有连续排放的污染源，即G≠0, 则排除连续排放的污染物成为通风净化的主要任务, 初始值C₀。不占主要地位。当通风时间足够长且：

可以忽略，（3)式可简化成：

(5)

这时, 净化空间内的污染物浓度将达到稳定的平衡值。从(5)式表明，在净化空间里单位时间内污染物的生成量保持恒定的条件下, 局部净化的效果取决于三个因素, 即净化器的风量、净化效率和紊流掺混系数K值三者的乘积且与此乘积成反比。

在实际运用中, 污染物浓度C值的衰减过程是比较短的，并不重要。我们必须注意的是净化器连续运转时，需要造成的污染物的平衡浓度，以及它和净化器风量、效率间的恰当匹配。

2 净化空间内风流的运动规律

净化空间分为洞室式和巷道式两种。要取得良好的净化效果，必须在净化空间内形成有效的循环风流。风流结构与净化器在净化空间中的位置和空间的形状和大小有关。

对于洞室型空间，净化器安装在洞室中央，可向两侧形成循环风流，从而清洗整个洞室。清洗的效果，决定于射流出口的大小及风速，并成正相关，与洞室断面大小和容积成负相关。所以，在使用净化器时首先应使其出口具有较强的射流，以发挥其清洗作用。见图 1(a)。

净化器布置在一侧时，则在洞室中形成圆环状循环风流，边界清洗较好，中心和四个犄角因风流成漩涡运动，未经过净化器，只靠扩散与周围风流进行质量交换。所以清洗效果差，污染物浓度下降缓慢。见图 1(b)。

巷道型净化空间，因长度方向尺寸较大, 射流在前进方向上受限，又因工作面端部是独头，因此在工作面尽头产生增压区，迫使射流反转。前部增压区内受反转射流的粘性作用，产生环状漩涡，如图 2所示。其中污染物的排出同样是由漩涡与反转射流的边界上的质量交换作用完成的，排出较慢是净化区域中的薄弱点。如果射流出口距工作独头端过远，前部增压区有可能形成两个甚至三个漩涡气流，成为涡列。它们之间像齿轮传动一样，相互咬合成反向旋转。在这种情况下，污染物的排出更慢。上述所有现象均可在现场测出和实验室模型的可视化实验中获得清晰的图像。掌握风流运动规律，对提高净化效果是十分必要的。

3 放射性氡子体的局部净化

众所周知，铀矿山和许多非铀矿山都存在着氡及氡子体的污染，由于人们的忽视和不了解，常处于毫无觉察的状态。由于微量铀、锕和钍等微量放射性元素的普遍存在，在建筑物内、水中，尤其矿井下普遍存在微量的放射性氡气及氡的子代衰变产物。据抽样测定的结果，72个非铀矿山井下的空气试样中有24个矿井，空气中氡子体含量超过国家规定卫生标准，占34%, 如不认识和采取防护措施，对工人是极为有害的。每当夏季，自然风流携带上部采空区中蓄积的大量放射性污染物进入井下，污染入风流。这时采用常规的通风方法不仅不能控制污染，反会扩大污染区域，增大放射性氡子体浓度。在此条件下，局部净化方法是十分有效的。净化后的洁净风流不需远距离送风。所以，不受含放射性氡气风流的“风龄”限制，是最经济有效的防护方法。

净化区内氡的危害性只是氡子体的1/20，所以，在研究时只需测定和计算氡子体的浓度。

净化区内第i代子体的浓度变化用下式表达：

(6)

式中：C_i—第i代子体的浓度，Bq·m^—3; λ_i-第i代子体的衰变常数，s^-1; C_t-1—第i代子体的母体核素浓度，Bq·m^-3; Q —净化器过滤风量，m³, η—净化器对氡子体的过滤效率; V、Q、t、K符号意义同前。

净化器开动后，经过3~5min的初始阶段，滤除的氡子体和重新生成的氡子体将趋于动态平衡状态，即C_i= const。则

(7)

令KηQ/V=m得

(8)

对于氡的第一代子体，有

(9)

式中：C_Rn是净化空间内氡气的浓度，因为净化器不能除去氡气，C_Rn与岩壁析出的氡的量有关，即

(10)

式中：V=LA, σ-巷道壁面及矿石堆表面氡的析出率，Bq·m^-2·s^-1 L-净化区内巷道长度，m; P—巷道周边长度，m；A-巷道断面积，m²; λ_Rn-氡气的衰度常数，s^-1。

因t=0时，C_Rn=0, 故得

(11)

以第(11)式代入(9)式得

(12)

同理得

(13)

(14)

氡气的第四代子体，寿命极短，可忽略不计。依据氡子体原子核数和放射性强度之间的关系可得各代氡子体总α潜能浓度E_a。

(15)

国家卫生标准限定矿井及车间空气中, 总α潜能值E_a≤0.64×10^-5J·m^-3; 按矿井一般条件给出σ、P、A值，可解出当E_a≤0.64×10^-5 J·m^-3时的m值，得

(16)

对于不同的空间、不同风量时，上述关系可用图 3表示出来（令K=0.8）。

由图上可查出当A=5m², Q=0.5m³·s^-1，η=0.7时，可造成10m长的净化空间，对于凿岩、装岩是长度足够的作业空间。

4 现场工业试验结果

局部净化的工业试验是在云南锡业公司马拉格矿下进行的。该矿已有近百年的开采历史，盛产锡石，故云锡所在地一个被称为我国的锡都。因矿石中含铀，井下存在严重的放射性污染。每到夏季工作面氡子体浓度超标10倍以上，尤其风源受到来自采空区的自然风流的污染，无法用正常通风方法，解决某些区域的防护问题。为此，在马拉格矿1730号掘进工作面，安装了1台高效除尘除氡子体的净化器，它的粉尘过滤总效率>99%, 呼吸性粉尘过滤效率>90%，氡子体净化效率约98 %。净化器安装在距工作面8m处，布置见图 2。净化器射流出为圆形，直径0.3m, 射流出口速度是15m/s, 测定结果见附表。

试验时，净化器过滤风量为0.5m³s^-1。

后来的试验测定也得到了类似结果。除装岩过程中粉尘浓度过高，净化时没有达到2 mg/m³的标准以外（适治加大风量即可达标），其他工作过程中，包括双机台同时凿岩时，均可达到卫生标准。即使氡子体初始浓度超标11)倍以上，也能在开动净化器5~10min后，把氡子体浓度降到卫生标准的限值以下。试验结果与理论汁算基本一致，文中提供的公式可以做为局部净化设计依据。

5 结语

a.对于用正常通风方法不能保证工作环境符合卫生标准时，局部净化方法可能是经济有效的通风防护方法。试验和应用结果证明，其效果好，技术可靠。

b.采取局部净化措施的前提条件是，要有净化效率较高，且有一定处理风量的净化器。W前岡内已有效率高、体积较小、风M足够的除尘、除氡子体净化器的系列产品，可满足矿井和车间空气局部净化的要求。

c.应研究开发可滤除炮烟中的有毒气体、柴油机尾气、电焊烟及其他有毒有害气体的净化器，以适应各种净化用途的需要，现阶段除一氧化碳在矿井下净化还未成功外，其他气体的净化已有研究成果问世。这对于净化技术的推广应用是一个极为有利的因素，将在工业生产中发挥更大的作用。