灣家塢礦井下空氣環(huán)境污染分析及綜合治理

陳小竹 汪志國(guó) 宋宏元 汪少林 趙龍

摘要：灣家塢礦井下破碎硐室與運(yùn)輸斜坡道粉塵及有害氣體污染嚴(yán)重，影響井下工作人員身體健康，制約礦山安全高效生產(chǎn)，是礦山亟需解決的技術(shù)難題。通過(guò)對(duì)井下空氣污染物濃度及來(lái)源分析，確定治理措施，包括控制污染源、阻止污染物擴(kuò)散、改造通風(fēng)系統(tǒng)及加強(qiáng)個(gè)人防護(hù)等手段。實(shí)踐結(jié)果表明：破碎硐室與運(yùn)輸斜坡道中粉塵濃度分別降低了74.5 %、68.2 %，有害氣體CO濃度分別降低了43.7 %、50.2 %，NO2濃度分別降低了63.3 %、59.6 %，氧氣體積分?jǐn)?shù)分別提高了4.6 %、5.7 %，井下作業(yè)環(huán)境改善顯著，有利于礦山的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：井下空氣環(huán)境;污染治理;礦井粉塵;有害氣體;通風(fēng)改造

中圖分類號(hào)：TD711 TD714文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2020）03-0075-04doi：10.11792/hj20200316

引 言

在地下采礦作業(yè)環(huán)境中，影響作業(yè)人員健康的主要有粉塵、有毒有害氣體、高溫、噪聲及振動(dòng)等，其中粉塵與有毒有害氣體尤為嚴(yán)重。長(zhǎng)期暴露在粉塵與有害氣體中，嚴(yán)重危害作業(yè)人員的身體健康和生命安全[1-4]。目前，國(guó)際上十分重視清潔生產(chǎn)，清潔生產(chǎn)是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程與產(chǎn)品采取整體預(yù)防性的環(huán)境策略，減少對(duì)人及環(huán)境產(chǎn)生危害的可能。歐美許多國(guó)家將清潔生產(chǎn)作為一項(xiàng)基本國(guó)策，美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)了“污染預(yù)防法”，荷蘭實(shí)行了“污染預(yù)防項(xiàng)目（PRISMA）”，法國(guó)專門成立機(jī)構(gòu)從事清潔生產(chǎn)相關(guān)工作，加拿大開(kāi)展了“3R”運(yùn)動(dòng)[5]。近年來(lái)，中國(guó)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的要求也逐步提高，要求將廢物減量化、資源化、無(wú)害化或消滅于生產(chǎn)過(guò)程之中。

中國(guó)黃金集團(tuán)江西金山礦業(yè)有限公司灣家塢分礦（下稱“灣家塢礦”）因生產(chǎn)需要，井下使用柴油運(yùn)輸設(shè)備和溜破系統(tǒng)，產(chǎn)生大量粉塵與有害氣體，致使井下工作環(huán)境惡劣，威脅作業(yè)人員健康，已成為制約礦山安全高效生產(chǎn)的重大技術(shù)難題，亟需對(duì)井下環(huán)境進(jìn)行治理。通過(guò)對(duì)井下粉塵與有害氣體含量、來(lái)源、與工礦條件等的分析，采取相應(yīng)措施進(jìn)行綜合治理，創(chuàng)造一個(gè)良好的井下工作環(huán)境，保障作業(yè)人員身體健康的同時(shí)，提高生產(chǎn)效率。

1 礦山概況

中國(guó)黃金集團(tuán)江西金山礦業(yè)有限公司是一個(gè)大型黃金礦山企業(yè)，年產(chǎn)黃金1.2 t，灣家塢礦是其主力供礦礦區(qū)，生產(chǎn)能力達(dá)1 700 t/d。灣家塢礦礦體屬于緩傾斜礦體，開(kāi)拓中段有0 m、-40 m、-80 m、-105 m、-130 m、-155 m、-180 m、-200 m中段，各中段礦石由采場(chǎng)運(yùn)至溜井，經(jīng)主斜井提升至地表。通風(fēng)系統(tǒng)采用中央斜井進(jìn)風(fēng)，東、西兩翼風(fēng)井回風(fēng)的抽出式通風(fēng)方式。為解決深部提升能力不足、加大深部中段的供礦量，灣家塢礦采用卡車將深部中段礦石由斜坡道運(yùn)輸至破碎硐室，破碎后進(jìn)入溜井，經(jīng)主斜井提升至地表。隨著深部中段供礦量的增加，柴油運(yùn)輸設(shè)備和破碎礦石量也逐步增加。設(shè)備的增加和老化，以及通風(fēng)條件差，無(wú)法有效稀釋、排出粉塵與有害氣體，導(dǎo)致井下空氣環(huán)境污染嚴(yán)重。

2 井下空氣環(huán)境分析

2.1 井下空氣環(huán)境調(diào)查

井下空氣主要是供給人員呼吸，稀釋并排出井下的有害氣體和粉塵，創(chuàng)造良好的工作環(huán)境。在地下開(kāi)采過(guò)程中，地表的新鮮風(fēng)流由入風(fēng)井進(jìn)入井下，到達(dá)各作業(yè)面，將礦井粉塵與有害氣體帶走，經(jīng)回風(fēng)井排至地表。灣家塢礦井下空氣污染源主要有爆破炮煙、柴油設(shè)備尾氣及溜破系統(tǒng)粉塵等。爆破炮煙與柴油設(shè)備尾氣可通過(guò)礦井通風(fēng)系統(tǒng)解決，而灣家塢礦由于深部中段供礦量不斷加大，柴油設(shè)備數(shù)量迅速增加，且存在燃料不完全燃燒現(xiàn)象;運(yùn)礦卡車排放尾氣中含有大量的氮氧化物、碳?xì)浠衔锛耙谎趸嫉任廴疚铮约斑\(yùn)輸斜坡道通風(fēng)條件差等，致使空氣中有害氣體含量激增。同時(shí)，在礦倉(cāng)卸礦、礦石破碎和溜井放礦過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量粉塵。有害氣體與粉塵無(wú)法得到有效稀釋或排出，導(dǎo)致灣家塢礦井下破碎硐室與運(yùn)輸斜坡道的空氣污染嚴(yán)重。粉塵與有害氣體的增加，不僅嚴(yán)重破壞井下通風(fēng)系統(tǒng)，增加設(shè)備維護(hù)成本，而且造成井下卡車司機(jī)視線不清晰，在會(huì)車過(guò)程中存在安全隱患，影響工作效率。

為了準(zhǔn)確掌握灣家塢礦井下空氣質(zhì)量，采用中安QD6360粉塵氣體檢測(cè)儀和KP836多功能氣體檢測(cè)儀對(duì)運(yùn)輸斜坡道及破碎硐室中的粉塵、CO、NO2及O2等進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。由檢測(cè)結(jié)果可知，灣家塢礦井下空氣污染嚴(yán)重，亟需采取針對(duì)性的治理措施，改善井下空氣質(zhì)量。

2.2 污染物來(lái)源

灣家塢礦井下破碎硐室與運(yùn)輸斜坡道空氣環(huán)境污染主要來(lái)源于柴油設(shè)備和溜破系統(tǒng)，粉塵與有害氣體產(chǎn)生后，無(wú)法及時(shí)有效地排出。

1）柴油設(shè)備。灣家塢礦井下生產(chǎn)使用大量路邦WJ—1鏟車、時(shí)力UQ—8運(yùn)輸卡車和現(xiàn)代重工XDCY—15卡車等柴油設(shè)備。柴油燃料完全燃燒時(shí)，會(huì)產(chǎn)生CO2、H2O與SO2，但燃燒不完全時(shí)，柴油設(shè)備排放的尾氣中含有CO、烴類和微粒污染物。此外，由于燃燒時(shí)溫度較高，一小部分氧氣與空氣中的氮相互作用產(chǎn)生NO和NO2，柴油燃料中的硫基本以SOx形式排放。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)向空氣中釋放氣態(tài)和微粒污染物，有些氣態(tài)污染物在低濃度時(shí)就有毒，對(duì)人產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激作用或使人窒息，而微粒污染物是可吸入性顆粒，并含有吸附物質(zhì)，其含有一定的致癌物。

2）溜破系統(tǒng)。灣家塢礦井下深部中段礦石通過(guò)卡車運(yùn)輸至破碎硐室，卸礦，然后經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎，由皮帶運(yùn)送至溜井，最后提升至地表。溜破系統(tǒng)是粉塵的主要來(lái)源：一是卡車卸礦，卡車將礦石運(yùn)至破碎硐室后，由于卡車與礦倉(cāng)間存在一定高差，卸礦時(shí)易產(chǎn)生粉塵，并向周圍擴(kuò)散;二是礦石破碎，大塊礦石破碎至合格的塊度后進(jìn)入溜井，而礦石之間相互擠壓破碎時(shí)會(huì)產(chǎn)生粉塵，影響周邊空氣環(huán)境;三是溜井放礦返塵，破碎后的礦石進(jìn)入溜井，礦石在下落過(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊風(fēng)壓，致使含塵氣流涌入破碎硐室。粉塵濃度高及長(zhǎng)時(shí)間接觸會(huì)對(duì)人體有致病危害，因此需嚴(yán)格控制井下粉塵濃度。

2.3 井下通風(fēng)系統(tǒng)分析

灣家塢礦通風(fēng)系統(tǒng)采用中央進(jìn)風(fēng)兩翼回風(fēng)的通風(fēng)方式，東、西回風(fēng)井處分別設(shè)置風(fēng)機(jī)，新鮮風(fēng)流從副斜井、147 m斜井和泄水進(jìn)風(fēng)井進(jìn)入各個(gè)中段，清洗工作面后，污風(fēng)經(jīng)穿脈巷道和運(yùn)輸巷道進(jìn)入回風(fēng)井，排出地表。為提高深部中段供礦能力，深部采場(chǎng)礦石由斜坡道向上運(yùn)輸至-105 m中段破碎硐室，破碎后進(jìn)入溜井，破碎硐室與運(yùn)輸斜坡道位于307勘探線，相對(duì)靠近副斜井處，依靠通風(fēng)系統(tǒng)排出污濁空氣。因?yàn)椴裼瓦\(yùn)輸設(shè)備的突增、高頻率的礦石破碎，產(chǎn)生大量的粉塵與有害氣體，致使井下運(yùn)輸斜坡道、破碎硐室及附近主運(yùn)輸巷道的空氣質(zhì)量直線下降，加之通風(fēng)系統(tǒng)動(dòng)力不足，且缺乏完備的通風(fēng)路徑，導(dǎo)致井下空氣污染嚴(yán)重。這表明當(dāng)前通風(fēng)系統(tǒng)已無(wú)法滿足井下生產(chǎn)需求。

3 井下空氣環(huán)境污染治理

粉塵與有害氣體的治理主要采取減少粉塵與有害氣體產(chǎn)生、阻止粉塵與有害氣體擴(kuò)散、加強(qiáng)通風(fēng)與個(gè)人防護(hù)等措施。

1）減少粉塵與有害氣體產(chǎn)生。將破碎硐室與溜井連接處密閉，只保留卸礦口，阻止溜井中粉塵涌入破碎硐室。此外，設(shè)置專用排塵巷道與溜井連通，采用扇風(fēng)機(jī)抽風(fēng)，使溜井中始終處于負(fù)壓狀態(tài)。抽出的含塵風(fēng)流可以通過(guò)無(wú)生產(chǎn)的巷道送入回風(fēng)井排出。除封閉除塵與負(fù)壓除塵外，還應(yīng)保持礦石潮濕，尤其在鏟裝前保持礦石潮濕，可以減少裝卸過(guò)程中粉塵的產(chǎn)生，是一種有效的防塵措施，但需要根據(jù)礦石性質(zhì)控制水量，防止礦石在溜井中發(fā)生黏結(jié)，堵塞溜井。

柴油設(shè)備尾氣的排放與燃料性質(zhì)和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率息息相關(guān)，因此要選擇適合的燃料，保證燃燒效率及空燃比，以減少尾氣排放。控制空燃比不大于0.067，保證柴油燃料完全燃燒，這樣不僅節(jié)約燃料，且發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)良好。柴油設(shè)備需進(jìn)行預(yù)防性檢修、定期維修和調(diào)節(jié)，使其在適宜的條件下運(yùn)行。實(shí)踐表明，通過(guò)合理選擇燃料，良好的發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)，可以有效降低柴油設(shè)備對(duì)井下空氣環(huán)境的污染。

2）阻止粉塵與有害氣體擴(kuò)散。灣家塢礦主要采用堆積給料和噴霧灑水等方式阻止粉塵擴(kuò)散。堆積給料不僅可以減少礦石破碎時(shí)產(chǎn)生的粉塵向四周擴(kuò)散，還可以降低放礦高度，從而達(dá)到阻止粉塵擴(kuò)散的目的。噴霧灑水是防止粉塵飛揚(yáng)的有效措施，在卸礦過(guò)程中進(jìn)行噴霧灑水，且需要多次反復(fù)噴灑，才能取得較好的降塵效果。在鏟裝運(yùn)輸前，保持礦石潮濕也是行之有效的防塵措施，但需根據(jù)礦石性質(zhì)控制水量，防止礦石在溜井中發(fā)生黏結(jié)。

3）改造通風(fēng)系統(tǒng)。加強(qiáng)通風(fēng)是改善空氣質(zhì)量，降低井下粉塵與有害氣體濃度的關(guān)鍵措施。貫穿風(fēng)流可以帶走破碎硐室與運(yùn)輸斜坡道中的粉塵與有害氣體，提供更多的新鮮風(fēng)流，增加空氣中的氧含量，不僅可以減小空燃比，減少尾氣的排放，而且可稀釋空氣中粉塵和CO、NO2等有害物質(zhì)濃度，因此必須建立良好的通風(fēng)換氣系統(tǒng)。

灣家塢礦利用主扇風(fēng)壓通風(fēng)，由于破碎硐室距離回風(fēng)井較遠(yuǎn)，污風(fēng)必然會(huì)污染運(yùn)輸斜坡道，影響井下生產(chǎn)。如果采用獨(dú)立通風(fēng)，需要建立專用的進(jìn)、回風(fēng)井巷或管道，不僅影響生產(chǎn)，還會(huì)增加生產(chǎn)成本，給礦山帶來(lái)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。綜合考慮，選用主扇和輔扇聯(lián)合通風(fēng)，利用礦井通風(fēng)系統(tǒng)將新鮮風(fēng)流分給運(yùn)輸斜坡道，進(jìn)入破碎硐室，污風(fēng)通過(guò)313勘探線泄水井輔扇抽出，經(jīng)專用回風(fēng)井排出。

（1）通風(fēng)工程改造。灣家塢礦井下破碎硐室與運(yùn)輸斜坡道通風(fēng)工程改造見(jiàn)圖1。具體措施為：①在-105 m中段原溜井車場(chǎng)位置設(shè)置普通風(fēng)門，將主要的回風(fēng)巷道施工密閉，保證泄水井與西風(fēng)井隔斷，減少其他通道漏風(fēng)。 ②阻斷泄水井與其他中段之間的聯(lián)系，密閉0 m中段泄水井聯(lián)絡(luò)道，在-40 m、-80 m中段313勘探線泄水井聯(lián)絡(luò)道處安裝普通風(fēng)門。 ③在-105 m中段313勘探線泄水井聯(lián)絡(luò)道內(nèi)安裝1臺(tái)30 kW輔扇，風(fēng)機(jī)型號(hào)K45-4-NO10，電動(dòng)機(jī)型號(hào)Y160L-4，風(fēng)機(jī)采用密閉式安裝。 ④清理泄水井聯(lián)絡(luò)道與破碎硐室通風(fēng)聯(lián)絡(luò)道的雜物，保證通風(fēng)線路的順暢。

（2）通風(fēng)改造工程模擬。對(duì)于灣家塢礦井下破碎硐室與運(yùn)輸斜坡道通風(fēng)系統(tǒng)改造，利用Ventsim軟件進(jìn)行空氣流動(dòng)模擬，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2中可以看出：運(yùn)輸斜坡道→-105 m中段破碎硐室→回風(fēng)聯(lián)絡(luò)道→泄水井形成貫穿風(fēng)流，破碎硐室與運(yùn)輸斜坡道的風(fēng)速為0.5～0.9 m/s，泄水井風(fēng)速為2.9 m/s，可形成有效的貫穿風(fēng)流，稀釋粉塵與有害氣體濃度。

4）加強(qiáng)個(gè)人防護(hù)。防止井下作業(yè)人員直接暴露于可吸入性粉塵中，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理，注重個(gè)人防護(hù)，佩戴防塵口罩。在破碎硐室附近設(shè)置休息室，并設(shè)置除塵裝置，及時(shí)更換粉塵過(guò)濾墊片，最大限度減少作業(yè)人員吸入的粉塵量。

5）治理效果。針對(duì)灣家塢礦井下破碎硐室與運(yùn)輸斜坡道空氣環(huán)境污染問(wèn)題，采取綜合防治、系統(tǒng)解決的方式進(jìn)行治理。在實(shí)施通風(fēng)改造工程，并采取相應(yīng)治理措施后，進(jìn)行風(fēng)流速度和空氣質(zhì)量檢測(cè)。其中，運(yùn)輸斜坡道風(fēng)速為1.6 m/s，破碎硐室風(fēng)速為0.7 m/s，泄水井風(fēng)速為2.7 m/s。相較于通風(fēng)系統(tǒng)改造前，風(fēng)流速度得以提高。破碎硐室與運(yùn)輸斜坡道空氣質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

在對(duì)井下空氣參數(shù)檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，運(yùn)輸斜坡道受有害氣體影響較大，而破碎硐室中粉塵感官明顯。

經(jīng)過(guò)治理后，井下空氣中粉塵與有害氣體的濃度大幅降低。從表2可以看出：破碎硐室中粉塵濃度降至1.2 mg/m3，運(yùn)輸斜坡道中CO濃度降至12.5 mg/m3，NO2濃度降至1.9 mg/m3，氧氣體積分?jǐn)?shù)分別提高到20.5 %和20.3 %。井下空氣質(zhì)量已達(dá)到《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》中有害物質(zhì)接觸限值要求，滿足礦山安全生產(chǎn)需求。

4 結(jié) 論

1）在分析井下空氣環(huán)境的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制污染源、阻止污染物擴(kuò)散與改造通風(fēng)系統(tǒng)等技術(shù)手段的實(shí)施，灣家塢礦井下空氣質(zhì)量改善效果顯著。粉塵濃度降低了68.2 %～74.5 %，CO與NO2等有害氣體濃度降低了43.7 %～63.3 %，氧氣體積分?jǐn)?shù)提高了4.6 %～5.7 %，為井下作業(yè)人員營(yíng)造了良好的工作環(huán)境。

2）利用Ventsim軟件對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)改造方案進(jìn)行模擬?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果顯示，通風(fēng)效果良好，運(yùn)輸斜坡道風(fēng)速為1.6 m/s，破碎硐室風(fēng)速為0.7 m/s，泄水井風(fēng)速為2.7 m/s，與模擬計(jì)算結(jié)果吻合。

3）灣家塢礦井下通風(fēng)系統(tǒng)改造后，使破碎硐室與運(yùn)輸斜坡道形成獨(dú)立的回風(fēng)系統(tǒng)，不僅解決了破碎硐室與運(yùn)輸斜坡道的空氣污染問(wèn)題，還避免了粉塵與有害氣體向周邊運(yùn)輸巷道和采礦作業(yè)面擴(kuò)散，為井下安全生產(chǎn)提供保障。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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Abstract：The dust and harmful gas concentrations of underground crushing chamber and transportation seriously pollute the environment，affecting the health of underground workers and restricting the safe and efficient production，which is a technical problem for enterprises to solve.Through analysis of underground air pollutant concentrations and sources，the countermeasures including source control，pollutant spreading control，ventilation system renovation and individual protection enhancement are determined.The results show that the dust concentration decreases by 74.5 % and 68.2 % respectively，and the harmful gas CO concentration decreases by 43.7 % and 50.2 % respectively，NO2 concentration decreases by 63.3 % and 59.6 % respectively，oxygen volume fraction increases by 4.6 % and 5.7 % respectively in the crushing chamber and transportation ramps.The working environment has improved obviously and the safe operation in mines is ensured.

Keywords：underground air environment;pollution treatment;underground dust;harmful gas;ventilation renovation