鐵礦采場多組份水炮泥抑制爆破煙塵試驗研究

王天暘 金龍哲 郭敬中 劉建國 鞏 琦

（1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083）

采場爆破是金屬礦山井下最主要的生產(chǎn)方式[1]，在爆破瞬間會產(chǎn)生一種集氣體、液體及固體的多相混合物，俗稱炮煙[2]。炮煙中含有大量粉塵，根據(jù)采掘爆破監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，爆破后瞬間作業(yè)地點粉塵濃度最高可達2 000 mg/m3，此外由于裝藥量大、裝藥結(jié)構(gòu)不合理等因素會造成炸藥爆破反應氧平衡的偏離，進而生成以CO、NO等為主的有毒有害氣體。這一工序生成的爆破煙塵不僅嚴重危害井下工作人員的身體健康、引發(fā)塵肺病[3]、中毒，而且經(jīng)回風井排至井上也會對大氣環(huán)境造成污染，引發(fā)霧霾[4]，因此采取有效措施降低采場爆破煙塵具有重大意義。

多組份水炮泥作為一種從源頭治理粉塵的技術，其實質(zhì)是對普通水炮泥的改進，即在水炮泥袋中加入定量的高效抑塵劑，并與清水混合形成溶液充填于炮孔內(nèi)，在爆破時抑塵劑被高溫高壓充分汽化形成霧滴，并與同時產(chǎn)生的粉塵相接觸、潤濕、凝結(jié)，從而起到降塵除煙的作用[5-6]。

近年來，針對多組份水炮泥，國內(nèi)外學者已開展了一些相關研究，如金龍哲[7]等對水炮泥加入一定量的添加劑，證明可以降低溶液的表面張力，提高爆破瞬間的霧化效果，加快粉塵的沉降速度；杜翠鳳[8]等開展了富水膠凍炮泥降塵機理的實驗研究，得出炮泥與粉塵的吸附作用主要是以物理吸附作用為主，化學吸附占吸附總量的很少一部分。李向東[9]等研制了一種新型水炮泥，設計了添加劑在水炮泥袋中的添加方案和制作工藝，并進行了現(xiàn)場對比試驗，結(jié)果顯示加入添加劑后水炮泥爆破全塵降塵率提高了40%以上?；谖墨I研究發(fā)現(xiàn)，多組份水炮泥降塵技術較多應用于煤礦，在金屬礦山、尤其是垂直中深孔爆破的礦山應用極少，此外，目前研究多側(cè)重于降低粉塵，并未系統(tǒng)開展抑制采場CO、NO等有毒有害氣體的機理分析以及現(xiàn)場試驗。

為此，本項目研制了新型多組份水炮泥配方，并以南京梅山鐵礦為試驗地點，開展了典型金屬礦山采場多組份水炮泥抑制爆破煙塵的現(xiàn)場試驗，以期為采場爆破粉塵及有毒有害氣體的治理提供理論指導和試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

在現(xiàn)場試驗開始前，首先在實驗室進行了多組份水炮泥配方的研制。通過對多種表面活性劑、降毒劑進行了正交復配，得到了新型表面活性劑，隨后將其與吸濕性無機鹽混合、通過熱合成工藝得到了多組份水炮泥添加劑配方，根據(jù)表面活性劑添加量不同3種配方記為J1、J2、J3，利用QBZY-2表面張力儀和Walker法測定了純水和3種配方的表面張力和潤濕速度，測定結(jié)果如表1所示。

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實驗結(jié)果顯示：3種配方J1、J2、J3相較于純水，密度略有增大，表面張力降低明顯，潤濕速度大幅度提高；且隨著表面活性劑添加量逐漸增加，J1、J2、J3密度沒有明顯變化，表面張力逐漸降低，潤濕速度逐漸增加，潤濕效果越來越好，其中J3的表面張力最低，潤濕速度最快，分別為27.66 mN/m和1.76 mg/s。由于試驗條件與時間受限，最終選擇潤濕效果較好的J2、J3作為現(xiàn)場試驗開展的水炮泥添加劑配方，添加劑與水比例均為最佳比例1∶10。

1.2 試驗參數(shù)

選取南京梅山鐵礦-318 m水平西區(qū)北16巷道型采場作為試驗地點，試驗參數(shù)如下：采礦方法為無底柱分段崩落法，通風方式采用多級機站通風，巷道斷面為5.5 m×4 m的五分之一拱型；采礦炮孔為垂直上向扇形中深孔，孔徑91 mm，崩礦步距2.4 m，單排炮孔數(shù)量9個，炮孔布置示意圖如圖1所示；回采爆破采用逐孔微差爆破，孔內(nèi)炸藥為工業(yè)乳化粒狀銨油炸藥，裝藥密度0.95～1.05 g/cm3，炸藥量950 kg/次，每個炮孔內(nèi)均裝填1個水炮泥，由于炮孔是上向孔，特研制了水炮泥輸送器，防止水炮泥在輸送過程中從孔中滑落，同時也提高了炮孔的封堵質(zhì)量，孔內(nèi)多組份水炮泥裝填示意圖如圖2所示。

在試驗過程中，采用2臺GCD-1000粉塵濃度傳感器以及2臺CCZ-20粉塵采樣器測定采場的粉塵濃度，2臺采樣器分別測量呼吸塵和全塵，且用于對傳感器在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的校準。設定2臺采樣器的采樣流量均為15 L/min，全塵采樣5 min，呼吸塵采樣10 min。此外采用3臺SJ-2104Jlus系列傳感器分別對3種有毒有害氣體CO、NO、SO2進行在線監(jiān)測。所有測量數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)接嬎銠C和無紙記錄儀。為避免采場爆破沖擊波對設備的影響，塵、煙監(jiān)測點設置在距離爆破迎頭正前方40 m處，且設計了移動防爆監(jiān)測車對測量設備進行了集成防護，最后在靠近巷旁高度1.5 m處安設了2組錨桿，利用鐵索將監(jiān)測車與錨桿固定，增加了測量的穩(wěn)定性及可靠性。監(jiān)測點及塵、煙在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖3所示。

爆破前首先完成監(jiān)測系統(tǒng)的布置，并在井下完成多組份水炮泥的灌裝。為保證試驗的可比性，使每次爆破的炸藥量及采樣距離保持一致，本研究通過定點監(jiān)測與在線監(jiān)測相結(jié)合的手段測定了采場爆破后不裝水炮泥、裝清水、裝2種配方J2、J3多組份水炮泥的粉塵濃度變化以及有毒有害氣體濃度變化，經(jīng)儀器校準、地面稱重等得到了各項試驗數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 多組份水炮泥抑塵效果分析

為了分析對比多組份水炮泥的降塵效果，參照行業(yè)標準《MT/T 712-1997煤礦防塵措施的分級除塵效率》[10]，引入2個計算式，全塵相對降塵率β1及呼塵相對降塵率β2，分別如式（1）、式（2）所示。本次試驗的粉塵效果檢驗以CCZ20呼吸性粉塵采樣器定點監(jiān)測的數(shù)據(jù)為主，主要數(shù)據(jù)如表2所示。

式中，Q1為不裝水炮泥時的全塵濃度，mg/m3；Q2為添加普通水炮泥或多組份水炮泥時的全塵濃度，mg/m3。

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式中，C1為不添加水炮泥時的呼塵濃度，mg/m3；C2為添加普通水炮泥或多組份水炮泥時的呼塵濃度，mg/m3。

試驗結(jié)果顯示，采用多組份水炮泥后，全塵濃度以及呼塵濃度都有了非常明顯的降低，其中采用J3配方全塵濃度和呼塵濃度達到了最低，說明J3配方的多組份水炮泥降塵效果最好，這與之前實驗室表面張力的測定結(jié)果是一致的。此外在全塵相對降塵率方面，J2配方相較于普通水炮泥提高了6.8%，J3配方提高了13.2%；在呼塵降塵率方面J2配方相較于普通水炮泥提高了30%，J3配方提高了47.2%；說明多組份水炮泥在降低呼吸性粉塵方面相較于全塵效果更為明顯。究其原因，是多組份水炮泥中加入的無機鹽類和表面活性劑，表面活性劑降低了溶液的表面張力，提高了對5 μm以下微細粉塵的潤濕能力和捕捉能力，另外由于加入無機鹽類后，多組份水炮泥水溶液的密度相較于清水略大，在爆破時更加具有迸發(fā)力，提高了霧化程度，也提高了與粉塵的碰撞效果。因此多組份水炮泥具有更好的呼吸性粉塵抑制效果。

2.2 多組份水炮泥抑制有毒有害氣體效果分析

基于塵煙在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，由于SO2濃度太低，所以忽略不計，最終得到了不裝水炮泥，裝普通水炮泥，裝J2、J3多組份水炮泥4種裝填類型的CO、NO濃度變化規(guī)律，繪制了累積峰值擬合曲線，分別如圖4、圖5所示，并進行了對比分析。

通過觀察圖4發(fā)現(xiàn)，采場爆破不同水炮泥裝填類型的CO濃度擴散均有著相似的規(guī)律，即在擴散過程中存在2個峰值，可稱為“雙峰曲線”。分析產(chǎn)生這種規(guī)律的原因，以圖5（a）不裝水炮泥為例，從10 min處爆破開始階段，部分炮煙及粉塵在沖擊波的作用下迅速涌出，導致監(jiān)測點處CO迅速攀升，首先達到第1個峰值，即最大值2 254×10-6。隨后由于爆破產(chǎn)生的局部負壓，使得聯(lián)絡道中的大量新鮮空氣涌入采場內(nèi)部，沖淡了部分煙塵，所示監(jiān)測點CO濃度迅速下降至1 119×10-6。然后待采場內(nèi)部壓力平衡后，在多級機站通風的作用下，采場內(nèi)部存留的炮煙在風流作用下向采場外部擴散，再次經(jīng)過監(jiān)測點使得CO緩慢上升，達到第2個峰值。最后炮煙不斷在風流的作用下排出采場，CO濃度逐漸下降至監(jiān)測結(jié)束?；凇半p峰曲線”的規(guī)律，建議礦井在CO濃度二次上升前，在采場口布置噴嘴噴灑水炮泥添加劑溶液，形成霧幕，進一步抑制CO濃度，縮短CO排出采場的時間。

通過分析對比不同裝填類型水炮泥產(chǎn)生CO的濃度最大值，得出多組份水炮泥對CO的抑制效果顯著，其中裝J3配方的多組份水炮泥抑制CO效果最好，最大值相較于不裝水炮泥降低了52.5%，相較于普通水炮泥降低了51.9%。此外，參照《GBZ2-2007工作場所有害因素職業(yè)接觸限值》[11]引入NO和CO的職業(yè)接觸限值，經(jīng)換算NO為11.2×10-6，CO為16×10-6。通過觀察圖4發(fā)現(xiàn)，相較于不裝水炮泥和普通水炮泥，多組份水炮泥CO濃度達到職業(yè)接觸限值的時間平均縮短了30～50 min。說明多組份水炮泥有著顯著抑制CO的效果?；谝灾刑岬降腃O的產(chǎn)生原因，進一步分析多組份水炮泥對CO的抑制機理，主要有以下3點。

（1）加入多組份水炮泥以及水炮泥輸送器后提高了炮孔的裝藥結(jié)構(gòu)和封泥質(zhì)量，在爆破瞬間能夠?qū)⒄ㄋ幈óa(chǎn)物在短時間內(nèi)密閉在炮孔內(nèi)，使炸藥的靜壓膨脹作用得到充分利用，有利于炮眼內(nèi)保持高溫、高壓狀態(tài)，使炸藥充分反應，接近零氧平衡狀態(tài)[12]，從而減少CO生成量。

（2）相較于清水，多組份水炮泥中添加劑溶液密度較高，提高了爆破時的迸發(fā)力，也提高了溶液在爆破瞬間的霧化程度，加大了水霧與煙氣的接觸面積；由于爆破產(chǎn)生的高溫高壓，且梅山鐵礦礦粉的主要成分是赤鐵礦，含有大量的Fe2O3，所以進而促成了如（3）式化學反應的發(fā)生，降低了CO濃度。

（3）多組份水炮泥的添加劑中含有弱堿性化學活性劑，其pH值為8左右，爆破后產(chǎn)生的氣體與水發(fā)生化學反應后形成的產(chǎn)物為酸性物質(zhì)，再與多組份水炮泥中的堿性溶液發(fā)生中和反應，加速了（3）式的正向反應，也加速了有害氣體的溶解和分解[13]，提高了除煙效率。

對比圖4與圖5可知，不同水炮泥裝填類型的NO濃度變化與CO濃度變化有著幾乎相同的趨勢，說明NO濃度變化同樣滿足“雙峰曲線”的規(guī)律。再對比圖5的NO濃度最大值以及爆破后達到NO職業(yè)接觸限值的時間，發(fā)現(xiàn)多組份水炮泥與普通水炮泥對NO的抑制效果均有著明顯的效果，最大值相較于不裝水炮泥降低了40%左右，爆破后達到NO職業(yè)接觸限值的時間平均縮短了14 min。即在降低NO濃度方面，水炮泥的應用起到了良好效果。且由于普通水炮泥有著與多組份水炮泥有著近乎等同的效果，說明在抑制NO的過程中，水炮泥添加劑本身起到的作用十分有限，反而清水起到了至關重要的作用，分析認為NO的化學性質(zhì)非?；顫?，當它與氧氣遇到即可發(fā)生反應生成NO2，NO2再與爆破后水炮泥產(chǎn)生的水霧發(fā)生反應可生成硝酸，進而減少了NO的生成量。

3 結(jié) 論

（1）J3配方的多組份水炮泥降塵效果最好，與實驗室表面張力的測定結(jié)果一致，相較于普通水炮泥，全塵相對降塵率提高了13.2%，呼塵相對降塵率提高了47.2%，說明多組份水炮泥在降低呼吸性粉塵方面相較于全塵效果更為顯著。

（2）不同水炮泥裝填類型采場爆破的NO和CO濃度變化都滿足“雙峰曲線”規(guī)律，基本具有普遍性?；凇半p峰曲線”，建議礦井在炮煙濃度二次上升前，在采場口布置噴嘴噴灑水炮泥添加劑溶液，形成霧幕，進一步抑制炮煙濃度，縮短炮煙排出采場的時間。

（3）多組份水炮泥對NO和CO均有著明顯的抑制效果，在抑制CO方面，最大值降低了52.5%，爆破后達到職業(yè)接觸限值的時間平均縮短了30～50 min；在抑制NO方面，最大值相較于不裝水炮泥提高了40%左右，爆破后達到NO職業(yè)接觸限值的時間平均縮短了14 min。

（4）在抑制CO方面，多組份水炮泥明顯優(yōu)于普通水炮泥，說明多組份水炮泥中的添加劑對抑制CO效果顯著；而在抑制NO方面，普通水炮泥有著與多組份水炮泥近乎相同的效果，說明清水對NO的抑制起到了關鍵作用。