鈾礦露天開采與水冶過程中粉塵污染控制

李元崗+蘇曉書+靳士科

摘要：介紹了典型鈾礦露天開采與水冶的工藝流程，通過對鈾礦露天開采與水冶產(chǎn)塵環(huán)節(jié)的分析，提出了切實(shí)可行的粉塵防治措施，為鈾礦露天開采與水冶的環(huán)境管理和環(huán)境影響評價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鈾礦；露天開采；水冶；粉塵；污染控制

Dust Pollutions Control in open-pit mining for uranium mine and extractive metallurgy of uranium

LI Yuan-gang，SU Xiao-shu，JIN Shi-ke

（The Fourth Research and Design Engineering Corporation，CNNC，Shijiazhuang 050021，China）

Abstract：The typical process flow of open-pit mining for uranium mine and extractive metallurgy of uranium is introduced. Through analyzing the dust-producing links of open-pit mining for uranium mine and extractive metallurgy of uranium，the feasible pollution control countermeasures are proposed which could provide the basis for environmental management and environmental impact assessment of open-pit mining for uranium mine and extractive metallurgy of uraniam.

Key words：uranium mine；opencast mining；extractive metallurgy of uranium；dust；pollutions control

引言

鈾礦開采方法選擇取決于礦床的地質(zhì)情況、礦體性質(zhì)、安全性和經(jīng)濟(jì)性等多種因素。根據(jù)鈾礦石的埋藏深度和當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件，可以選用露天開采或地下開采的回采方法開采鈾礦。鈾礦露天開采具有投資少、生產(chǎn)規(guī)模大、勞動(dòng)生產(chǎn)率高、開采損失及貧化率低、安全性高等優(yōu)點(diǎn)[1]。

圖1鈾礦露天開采與水冶工藝粉塵產(chǎn)生環(huán)節(jié)示意圖對于鈾礦石的埋藏深度距離地面較近的礦床，盡可能采用露天開采。露天采礦過程中粉塵產(chǎn)生量大，粉塵污染嚴(yán)重，對大氣環(huán)境的影響比地下開采更為嚴(yán)重。鈾礦塵的組成既包括非放射性的二氧化硅粉塵，還包括放射性核素氣溶膠，可通過呼吸道進(jìn)入人體后形成內(nèi)輻射，引發(fā)損傷[2]。因此，鈾礦塵不僅對大氣環(huán)境造成不利影響，同時(shí)也對鈾礦和水冶工作人員的職業(yè)健康造成危害。通過對鈾礦露天開采及水冶工藝流程的分析，厘清生產(chǎn)過程中粉塵的產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)，針對各生產(chǎn)提出環(huán)節(jié)切實(shí)可行的防治措施，從而實(shí)現(xiàn)鈾礦露天開采及水冶全過程的粉塵污染控制。

1.鈾礦露天開采與水冶過程產(chǎn)塵分析

1.1鈾礦露天開采與水冶典型工藝流程

露天鈾礦一般采用露天開采+常規(guī)攪拌浸出的采選工藝，該工藝是通過打眼、爆破將礦石剝離出地表。剝離的礦石運(yùn)至水冶廠經(jīng)破碎、篩分、磨礦后進(jìn)行攪拌浸出，浸出液則泵入浸出液處理車間進(jìn)行凈化，浸出尾渣則運(yùn)至尾礦庫堆存。剝離的廢石運(yùn)至廢石場堆存。該工藝中粉塵產(chǎn)生于鉆孔、爆破、裝載、運(yùn)輸、破碎、篩分等生產(chǎn)環(huán)節(jié)和各類物料堆場（礦石場、廢石場），粉塵產(chǎn)生環(huán)節(jié)示意圖見圖1。

1.2露天開采產(chǎn)塵分析

（1）鉆孔作業(yè)產(chǎn)塵分析：大型露天礦鉆孔設(shè)備一般使用牙輪鉆機(jī)或潛孔鉆機(jī)作業(yè)，中小型露天礦使用鑿巖鉆車。

鉆機(jī)鉆孔過程中會(huì)對巖石形成沖擊和剪切，將巖土礦切剝形成大小不一的鉆屑顆粒，部分顆粒物通過鉆桿與孔壁間隙噴瀉排出，產(chǎn)生粉塵污染。鉆孔作業(yè)產(chǎn)塵的影響因素主要為巖體的含水率、設(shè)備的類型等。根據(jù)國內(nèi)部分露天礦實(shí)測資料，鉆機(jī)孔口處粉塵濃度約為1400mg/m3～ 2081mg/m3，產(chǎn)塵量約2.50kg/臺·h～7.14kg/臺·h。

（2）爆破作業(yè)產(chǎn)塵分析：爆破作業(yè)時(shí)，礦巖由于受到藥包爆破的巨大壓力作用而粉碎，隨后形成粉塵，并隨爆破氣流揚(yáng)起。爆破產(chǎn)塵的主要影響因素有礦巖理化性質(zhì)、炸藥量、爆破參數(shù)、裝藥方法、爆破工藝等。實(shí)測資料表明，爆破粉塵濃度在爆破瞬間可以達(dá)到1500mg/m3[3]～2000mg/m3[3]。

（3）裝載作業(yè)產(chǎn)塵分析：礦山露天采裝作業(yè)設(shè)備包括電鏟、液壓挖掘機(jī)和輪式裝載機(jī)等。裝載作業(yè)過程中，受物料裝卸產(chǎn)生氣流的影響，物料中含有的顆粒物在空氣動(dòng)力學(xué)的影響下，漂浮到空氣中。

裝載作業(yè)產(chǎn)塵的主要影響因素為礦石含水率、裝卸高差和環(huán)境風(fēng)速等。在干燥環(huán)境下裝載礦石過程中產(chǎn)生的粉塵濃度約100mg/m3～200mg/m3。

（4）運(yùn)輸作業(yè)產(chǎn)塵分析：露天礦運(yùn)輸可采取汽車運(yùn)輸、軌道運(yùn)輸或帶式輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)?，本文介紹國內(nèi)最常采用的汽車運(yùn)輸。汽車運(yùn)輸過程的粉塵產(chǎn)生機(jī)理為：路面沉積粉塵在車輪旋轉(zhuǎn)離心力及黏附作用下啟揚(yáng)，進(jìn)而在車身剪切氣流、車尾渦流、尾氣排放氣流及自然風(fēng)作用下產(chǎn)生飛揚(yáng)[4]。

車輛運(yùn)輸作業(yè)產(chǎn)塵影響因素包括路面狀況、粉塵含水率、粉塵負(fù)荷、行車密度、行駛速度以及環(huán)境濕度等[5-6]。露天礦采區(qū)一般同時(shí)有數(shù)量較多的車輛運(yùn)輸?shù)V石等物料，運(yùn)輸揚(yáng)塵是露天礦區(qū)最主要的大氣污染源。根據(jù)文獻(xiàn)資料，露天礦道路正上方不同高度（0.15m～2.0m）的粉塵濃度為332.02mg/m3～31.18mg/m3。除爆破作業(yè)外，運(yùn)輸作業(yè)產(chǎn)塵量約占露天礦總產(chǎn)塵量的90%[4，7]。endprint

（5）物料堆場產(chǎn)塵分析：露天礦各類堆場（如礦石堆場、廢石堆場等）在干燥、大風(fēng)季節(jié)，容易造成比較嚴(yán)重的揚(yáng)塵污染。堆場產(chǎn)塵的可分為料堆表面靜態(tài)起塵與堆取料過程中動(dòng)態(tài)起塵兩類。

當(dāng)環(huán)境風(fēng)速超過起塵臨界風(fēng)速，料堆表面顆粒在強(qiáng)風(fēng)的推動(dòng)和強(qiáng)漩渦場的卷吸作用下，克服重力與摩擦力逸散至空氣中，形成堆場的靜態(tài)起塵過程。該過程影響因素主要為物料表面含水率、粒徑、環(huán)境風(fēng)速和濕度等。堆料過程中受物料卸裝產(chǎn)生氣流的影響，物料中含有的顆粒物在空氣動(dòng)力學(xué)的影響下，漂浮到空氣中，形成動(dòng)態(tài)起塵過程。該過程的影響因素主要為作業(yè)落差、裝卸強(qiáng)度和環(huán)境風(fēng)速等。

1.3水冶產(chǎn)塵分析

水冶廠粗碎、細(xì)碎及篩分工序使用的振動(dòng)給料機(jī)、顎式破碎機(jī)、沖擊式破碎機(jī)、圓錐破碎機(jī)、振動(dòng)篩等設(shè)備在生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生大量的鈾礦塵。

破碎篩分系統(tǒng)的產(chǎn)塵機(jī)理主要為：篩分過程中，物料隨著振動(dòng)篩作垂直于篩面方向的快速振動(dòng)，使礦粒飄散至空氣中形成粉塵；破碎過程中，礦石在機(jī)械力作用下破碎，產(chǎn)生的顆粒物在礦石間隙擠出的空氣攜帶下從加料口排出形成粉塵。

破碎、篩分工序產(chǎn)塵的影響因素為設(shè)備類型、礦石含水率、破碎粒徑大小、設(shè)備密閉程度等。根據(jù)某鈾礦水冶廠實(shí)測數(shù)據(jù)：粗碎車間振動(dòng)給料機(jī)、顎式破碎機(jī)的粉塵產(chǎn)生濃度為562mg/m3；細(xì)碎車間圓錐破碎機(jī)、振動(dòng)篩的粉塵產(chǎn)生濃度為550.6mg/m3。

2.粉塵污染控制措施

2.1鉆孔作業(yè)粉塵防治措施

鉆孔粉塵防治措施包括干式、濕式或干濕結(jié)合式除塵方式。干式除塵主要為設(shè)置旋風(fēng)除塵器或布袋除塵器。濕式除塵是通過噴霧設(shè)備將水分散形成水霧，經(jīng)高壓空氣送入鉆機(jī)底部進(jìn)行除塵。

采用單一旋風(fēng)除塵器的干式除塵，其除塵效率為68%左右，抑塵效果一般，應(yīng)用較少[8]。采用單一設(shè)置袋式除塵器的干式除塵效果較好，可達(dá)99%以上；袋式除塵器前再安裝旋風(fēng)除塵器組成多級除塵器機(jī)組，其除塵效果可有效增強(qiáng)，除塵效率可達(dá)99.9%[9]。干式除塵效果好，但輔助設(shè)備多，維護(hù)較困難。濕式除塵的除塵效率可達(dá)90%，但北方缺水地區(qū)和寒冷地區(qū)應(yīng)用受限。

目前鉆孔作業(yè)的降塵措施還包括塵源封閉措施，通過采取密封措施，使粉塵封閉在一定的空間內(nèi)，如在牙輪鉆機(jī)的鑿巖平臺設(shè)置孔口集塵罩[10]。

2.2爆破作業(yè)粉塵防治措施

爆破前應(yīng)首先清理鉆孔周圍的塵土，并灑水潤濕待爆破地點(diǎn)，避免爆破時(shí)產(chǎn)生二次揚(yáng)塵。

爆破作業(yè)時(shí)采用水封爆破技術(shù)最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用，以水炮泥代替部分普通炮泥，在炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的作用力下，將一部分水壓入巖層細(xì)微的裂隙中，達(dá)到濕潤巖層的作用，減少爆破時(shí)粉塵的產(chǎn)生量；另外，爆破沖擊力瞬間撕碎水袋，水在爆炸沖擊波的作用下形成水幕，液滴捕捉粉塵粒子與之結(jié)合后，增大了粉塵的密度，在重力作用下沉降，抑制了粉塵的擴(kuò)散[3]。

撫順露天礦試驗(yàn)結(jié)果表明，采用水封爆破措施后，粉塵濃度可降低至95mg/m3～105mg/m3，降塵效率約66%[11]。

2.3裝載作業(yè)粉塵防治措施

裝載作業(yè)防塵措施主要是濕式除塵，如采用預(yù)先濕潤爆堆、裝載時(shí)噴霧灑水等方式。通過噴霧裝置或?yàn)⑺b置對爆堆進(jìn)行灑水增濕，當(dāng)爆堆外在水分大于7%時(shí)，可有效降低裝載作業(yè)時(shí)的粉塵量。裝載設(shè)備可配置水箱和噴霧裝置，作業(yè)時(shí)噴霧降塵。白銀露天礦在電鏟上安裝了噴霧灑水裝置，降塵效率可達(dá)91.1%，裝載作業(yè)粉塵濃度為12.9mg/ m3，降塵效果十分顯著[12]。

2.4運(yùn)輸作業(yè)粉塵防治措施

目前國內(nèi)外露天礦汽車運(yùn)輸路面的防塵措施主要有：路面硬化、車輛遮蓋與輪胎清洗、路面清掃、灑水車灑水、路面噴灑化學(xué)抑塵劑等方式。

露天礦運(yùn)輸作業(yè)粉塵最常用的防治方法是采用灑水車灑水抑塵，該方法簡單易行，但抑塵時(shí)效短、效果一般，且缺水地區(qū)與寒冷地區(qū)易由于灑水成本大或冬季路面結(jié)冰而受到限制。通過路面硬化、路面清掃和車輛遮蓋與輪胎清洗可有效減少路面粉塵負(fù)荷，從而減少運(yùn)輸作業(yè)的粉塵產(chǎn)生量。

化學(xué)抑塵劑被認(rèn)為是解決開放性塵源揚(yáng)塵污染的最佳方法[13]，近年來在道路抑塵方面的應(yīng)用廣泛?；瘜W(xué)抑塵劑與粉塵作用機(jī)理包括黏結(jié)、潤濕和凝聚作用。抑塵劑可分為凝聚型抑塵劑、潤濕型抑塵劑、黏結(jié)型抑塵劑和復(fù)合型抑塵劑等[14]。其中，復(fù)合型抑塵劑將吸濕、保水、黏結(jié)、凝并等功能結(jié)合為一體，抑塵效果優(yōu)越，是露天礦路面抑塵劑的發(fā)展趨勢[15]。胡樹軍等以氯化鈣作吸濕劑、甲基纖維素鹽作凝并劑、十二烷基苯磺酸鈉作為表面活性劑，研制出的復(fù)合型路面抑塵劑吸濕性、抗風(fēng)吹效果良好，具有良好的抑塵性能[16]。肖紅霞等以丙烯酸正丁酯和甲基丙烯酸甲酯制成復(fù)合型抑塵劑，可在道路塵面形成大分子量的黏性油膜層，具有良好的吸水保水能力，抑塵效果好、成本低[17]。

2.5物料堆場粉塵防治措施

露天礦物料堆場的防塵措施主要有：表面覆蓋、噴灑抑塵劑和設(shè)置防風(fēng)抑塵網(wǎng)。

表面覆蓋是通過在起塵點(diǎn)表面遮蓋一定面積的覆蓋物，從而降低風(fēng)速、遮擋塵源和減少揚(yáng)塵。表面遮蓋的方法投資小、操作靈活簡單，適用于堆土場、廢石場等易揚(yáng)塵現(xiàn)場覆蓋，但該方法常因覆蓋物老化需定期更換，并且大風(fēng)等氣象條件會(huì)影響此法抑塵效果。常用的遮蓋物有高密度聚乙烯密閉式防塵網(wǎng)、聚丙烯蓋土網(wǎng)、聚酯密目網(wǎng)等。根據(jù)北京某環(huán)?？萍脊緦?shí)測數(shù)據(jù)，表面覆蓋對PM10的抑塵效果約30%，對PM2.5的抑塵效果僅為10%～15%。

用于物料堆場抑塵的抑塵劑主要是黏結(jié)型抑塵劑和復(fù)合型抑塵劑。黏結(jié)型抑塵劑與物料間以黏結(jié)力、聚合力結(jié)合，在化學(xué)鍵與物理吸附作用下，于物料表面形成黏結(jié)性硬殼，防止粉塵飄散[18]。復(fù)合型抑塵劑將吸濕、保水、黏結(jié)、凝并等功能結(jié)合為一體，抑塵效果更佳。

工程上常采用設(shè)置防風(fēng)抑塵網(wǎng)的方式進(jìn)行堆場的粉塵防治。趙宏鑫等通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究表明，采用防風(fēng)抑塵網(wǎng)后澳洲、巴西和印度鐵礦粉塵抑塵率介于53.76%～56.07%之間[19]。張劍等對露天礦石碼頭防風(fēng)抑塵網(wǎng)的應(yīng)用進(jìn)行了方案比較，結(jié)果表明，單設(shè)防風(fēng)抑塵網(wǎng)的抑塵效率可達(dá)80%，若結(jié)合灑水抑塵、設(shè)置綠化帶等措施，抑塵效率可達(dá)90%以上[20]。王欣榮等對儲(chǔ)煤場設(shè)置四周型抑塵網(wǎng)，輔以灑水降塵技術(shù)，抑塵率可達(dá)88.5%以上[21]。endprint

2.6水冶粉塵防治措施

水冶廠破碎車間、篩分車間除塵措施主要是采用袋式除塵器或濕式除塵器。袋式除塵器除塵效率較高，可達(dá)99%～99.9%。中核北方鈾業(yè)460礦床鈾鉬綜合礦冶項(xiàng)目水冶廠粗、中細(xì)碎車間與篩分車間選用機(jī)械振動(dòng)式布袋除塵器；中核浙江衢州鈾業(yè)水冶廠破碎車間選用脈沖袋式除塵器；青龍鈾業(yè)水冶廠破碎拌礦廠房設(shè)機(jī)械回轉(zhuǎn)反吹扁袋除塵器；除塵效率均大于99%。

3.結(jié)語

鈾礦露天開采屬開放式作業(yè)環(huán)境，露天開采與水冶產(chǎn)塵環(huán)節(jié)眾多，粉塵污染嚴(yán)重，防治難度較大。粉塵污染控制措施多樣，各類措施在實(shí)際生產(chǎn)中均有許多成功的應(yīng)用案例。抑塵效果的好壞，不僅與防治措施的合理選擇有關(guān)，還與防塵設(shè)施的良好維護(hù)和防塵制度的建立與有效執(zhí)行有關(guān)。因此，鈾礦露天開采與水冶過程的粉塵防治需采取高效先進(jìn)的綜合性防塵措施，輔以強(qiáng)有效地管理措施，以實(shí)現(xiàn)高效、長久的運(yùn)行效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]施祖遠(yuǎn).我國鈾礦開采技術(shù)成就與發(fā)展對策[J].鈾礦冶，2011，30（4）：175-179.

[2]黃波，賀性鵬，龍穎，等.鈾礦塵對支氣管上皮細(xì)胞遺傳毒性及茶多酚的防護(hù)作用[J].輻射研究與輻射工藝學(xué)報(bào)，2012，30（4）：237-241.

[3]許秦坤，陳海焱.爆破粉塵及炮煙控制現(xiàn)狀[J].爆破，2010，27（4）：113-115.

[4]劉正文，譚卓英，李季陽.露天礦山運(yùn)輸?shù)缆泛翊蠓蹓m抑塵因子選擇與性能探究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2013（3）：77-80.

[5]阮文剛，莫蓁蓁，張鵬，等.露天采礦過程粉塵產(chǎn)生環(huán)節(jié)及污染治理措施分析研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2016，41（6）：96-99.

[6]田冬梅，蔣仲安，姚建，等.基于正交試驗(yàn)與回歸統(tǒng)計(jì)方法的露天礦運(yùn)輸揚(yáng)塵影響因素分析[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（8）：957-963.

[7]杜翠鳳，陳勝.露天礦粉塵源強(qiáng)分析及貢獻(xiàn)率實(shí)驗(yàn)研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2014（10）：76-79.

[8]葛少成，高振，張忠溫，等.露天礦潛孔鉆機(jī)旋風(fēng)-布袋二級除塵機(jī)理量化分析[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2016，10（2）：811-817.

[9]史志遠(yuǎn)，王秀秀.淺談平莊西露天礦粉塵防治[J].露天采礦技術(shù)，2008（s1）：76-77.

[10]潘斌.淺談大型露天礦山治理粉塵措施[J].銅業(yè)工程，2007（4）：1-3.

[11]葛少成，黃志輝，荊德吉，等.露天礦爆破揚(yáng)塵規(guī)律及水炮泥配比優(yōu)化[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017（3）：225-231.

[12]張震宇.露天采礦場粉塵污染及其防治[J].金屬礦山，2006（2）：85-87.

[13]楊靜，劉丹丹，祝秀林，等.化學(xué)抑塵劑的研究進(jìn)展[J].化學(xué)通報(bào)，2013，76（4）：346-353.

[14]王益民，孟麗聰，鄭燕飛，等.抑塵劑的應(yīng)用與研究進(jìn)展[J].山東化工，2016，45（12）：40-42.

[15]鄧兵杰，譚卓英，李季陽.復(fù)合型抑塵劑配方試驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014，28（3）：87-91.

[16]胡樹軍，李利，王遠(yuǎn).露天礦采場路面抑塵劑研制及性能表征[J].金屬礦山，2013，42（1）：129-133.

[17]肖紅霞，鄭義.復(fù)合型抑塵劑的制備研究[J].環(huán)境工程，2011，29（1）：76-79.

[18]王姣龍，胡志光，張玉玲.化學(xué)抑塵劑的研究現(xiàn)狀分析[J].化學(xué)工程師，2014（7）：51-53.

[19]趙宏鑫，彭士濤.防風(fēng)網(wǎng)作用下礦石堆場抑塵率計(jì)算[J].水道港口，2013，34（1）：85-88.

[20]張劍，魏夢嬌，柳玉濤.港口干散貨堆場的環(huán)保措施簡析[J].港工技術(shù)，2016，53（5）：86-91.

[21]王欣榮，宋昕磊，程國斌.露天儲(chǔ)煤場防風(fēng)抑塵集成技術(shù)的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2012，37（6）：59-61.endprint