大同矿区矿井通风排放粉尘的实验研究

庞叶青

(大同煤矿集团有限责任公司通风处,山西省大同市,037003)

大同矿区矿井通风排放粉尘的实验研究

庞叶青

(大同煤矿集团有限责任公司通风处,山西省大同市,037003)

为了分析矿井通风排放粉尘的特性以及其对大气污染和人类健康的影响,选取大同矿区两组生产矿井,采集通风排放粉尘样本作为研究对象,对通风粉尘的粒径分布、粉尘粒子的形貌特征和重金属元素种类及含量等进行实验分析对比,实验发现,两组样本中粒径为10～75μm的粉尘所占比例最高,重金属元素Mn在重金属元素分析中所占质量百分比最大,而对人类呼吸系统影响最大的粉尘粒径为0～10μm,其所占比例在综合防尘较差的矿井明显高于实施综合防尘的矿井。

粉尘 粒径 综合防尘 矿井通风

矿井通风是井下安全生产的前提和保障,但在风井回风流中,往往含有大量的粉尘、瓦斯和水等排放物,其中也含有少量的H2S、SO2和CO等有毒有害气体,对环境造成一定影响。煤矿通风排放物中的粉尘是重要的大气污染物之一,其主要成份是煤炭开采、掘进和运输过程中产生的岩粉和细微的煤炭颗粒。粉尘排出风井后对空气产生污染,危及人类健康,在沉降后还会造成周围土壤的重金属污染。因此对通风井回风流中排放物特性进行研究,从而制定相应的节能减排措施。

1 煤矿通风排放物形成过程及成分

矿井通风排放粉尘的形成主要分3个阶段。

(1)新鲜空气汇入阶段:矿井通风的主要任务是将地面空气连续供给井下作业场所。

(2)供给用风阶段:新鲜空气在供给用风地点的同时会发生物理和化学两种变化,使其成分种类增多,各种成分的浓度改变。

(3)汇总排出阶段:各区段排出的污风在矿井总回风处汇合形成最终的通风排放物并由风井排出。矿井通风排放物形成过程如图1所示。

图1 矿井通风排放物形成过程示意图

2 通风排放粉尘的实验分析

2.1 实验方案

2.1.1 实验分组

实验选取6座矿井,依据防尘措施的不同将其分为A、B两组样本,每组样本各包含3座矿井。其中,A组为采取综合防尘措施的矿井,B组为未采取综合防尘措施的矿井。实验分组结果见表1。

表1 实验分组结果

2.1.2 现场采样

尽量使在采样点收集的样品能够真实反映矿井通风排放粉尘的特性。因此把采样点布置在矿井回风侧与外界大气相连接的最近地点,即通风井的扩散塔处。整个采样过程利用空气采样泵连续不间断地持续工作4 h,把采集到的粉尘样品装入可封口的实验袋。

2.2 粒径分布实验

粉尘粒径分布指不同粒径范围内颗粒的个数(质量或表面积)所占的比例。实验使用激光粒径分析仪对通风粉尘的粒径分布进行测定,粒径分布结果显示通风粉尘的粒径区间为0～300μm。分级研究主要考察粉尘中颗粒物对人类和环境的影响,区间划分标准参照大气中粉尘颗粒大小划分标准和TSP颗粒物分类标准,将粉尘颗粒分为0～2.5μm、2.5～10μm、10～40μm、40～75μm、75～100μm和100～300μm,共计6个区间。

根据粒径分布结果和新划分的粉尘粒径区间,统计了两组样本矿井的通风粉尘在各区间的分布状况,统计后的通风粉尘粒径测定结果见表2,通风粉尘粒径分布如图2所示。

表2 通风粉尘粒径测定结果

矿井生产时采取的防尘措施不同,风井排出的通风粉尘总量也一定不同。为了准确对比分析两组样本的粒度分布数据,依据年产量将其分为3个等级,第一级为A1和B1(100万t/a);第二级为A2和B2(250万t/a);第三级为A3和B3(500万t/a)。

由表2可以看出,通过对两组样本矿井通风粉尘的粒径分布状况进行对比分析,可以看出,采取综合防尘措施的矿井(A1、A2和A3)在0～2.5μm与2.5～10μm两个区间所占比列明显低于未采取综合粉尘措施的矿井(A2、B2和B3)。呼吸性粉尘的产生量与矿井产量呈正相关关系。通过对比分析可以发现,矿井在生产过程中采取综合防尘措施可以有效降低通风粉尘的排放量,从而减少其对人类和环境的危害。

由图2可以看出,粒径为10～75μm的粉尘所占比例最多,约占50%。但是不同粒级的颗粒对污染物的含量有不同的贡献率,一般情况下,颗粒物粒径越小,其比表面积和表面吸附力越大,吸附的污染物含量越高。通风粉尘中粒径为0～2.5μm和2.5～10μm的粉尘所吸附的污染物含量最大,对人体造成的危害也最大。从粒径分布实验结果可以看出,矿井通风排放的粉尘在0～10μm区间所占比列介于5.2%～13.7%,虽然所占比例较小,但由于矿井全年不间断地生产会产生大量的粉尘,其年排放总量仍然很高。

图2 通风粉尘粒度分布图

2.3 通风粉尘扫描电镜实验

通过扫描电镜对A、B两组通风粉尘样品进行分析,发现A组3个样品中粒径大于10μm的粒子占绝大部分,形状多呈不规则的立方体,部分角状粒子的表面有明显裂隙;粒径小于10μm的粒子多以依附状态存在,形状多为不规则的片状,表面较光滑。B组3个样品中以粒径大于10μm的粒子为主,形状不规则,有柱状、角状和块状,部分角状粒子的表面较粗糙,存在不明显的裂隙;B1、B2中粒径小于10μm的粒子较少,少部分粒子以依附状态存在;B3中粒径小于10μm的粒子明显增多,呈散状分布。通风粉尘样品扫描电镜图如图3所示。

A组在生产时采取了综合防尘措施,粒径小于10μm的粒子能够以依附状态固定在粒径较大的粒子表面,大块粒子在排出风井后呈加速下降的趋势,从而间接降低了呼吸性粉尘的排放量。B组在生产时未采取综合防尘措施,只有少量粒径小于10μm的粉尘粒子以依附状态排出风井,大量粒径小于10μm的呼吸性粉尘随通风系统直接排出风井。

2.4 通风粉尘中重金属元素的实验分析

由于粉尘中含有Cr、Cu、Zn、Mn和Pb等重金属元素,其在沉降后还会对矿井周边的土壤造成污染。重金属在土壤中的污染过程具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特点,结果造成土壤中的重金属难以清除。实验选用X射线荧光光谱仪对样品进行测定,由X射线管产生X射线激发被测样品,受激发样品中的每一种元素会放射出二次X射线。由于不同的元素所放出的二次射线具有特定的能量特性,探测系统测量这些元素放射出来的二次射线的能量及数量,由仪器软件将探测系统所收集的信息转换成样品中各种元素的种类及含量的测试值。通过对两组通风粉尘中重金属元素种类及含量的实验研究,通风粉尘中查金属元素种类及含量测定结果见表3,通风粉尘中重金属元素种类及含量如图4所示。

通过表3所列的实验数据可以看出:

(1)两组样本矿井的通风粉尘中共检测出4种重金属元素,分别是Cr、Mn、Cu和Zn。从通风粉尘的形成过程考虑,检测到的4种重金属元素可能来自于采煤过程中产生的煤尘或是掘进面放炮后排出的烟尘。

(2)Cr、Cu和Zn 3种重金属元素在样本中的含量分布较均匀,相差不是很大;重金属元素Mn在样本中的含量分布相差较大,最小值和最大值相差5倍以上。

从图4可以看出,重金属元素Mn在4种重金属元素中所占比例最大。对于两组样本,重金属元素Mn在A3的通风粉尘中所占比例最大,在B1的通风粉尘中所占比例最小。

重金属进入人体之后,不再以离子的形式存在,而是与体内的有机成分结合成金属络合物,重金属与人体内的蛋白质、核糖、维生素和激素等反应,致使他们丧失或改变原来的生理化学功能而产生病变。另外,重金属进入人体之后还可能与酶发生置换反应,造成酶的活性降低,从而表现出毒性。通过实验,在两组样本矿井的通风粉尘中共检测到4种重金属元素Cr、Mn、Cu和Zn,未检测到Pb、Cd和Ni等其他重金属元素。可能是由于不同种类的煤变质程度不同,煤尘中重金属组分也不相同。检测到的4种重金属元素虽然含量轻微,但是重金属有一个特性就是生物累积性,进入体内后不容易被排出,达到一定的量就会发生病变。因此,从实验结果可以看出样本矿井的通风粉尘中重金属元素的含量虽然很小,但仍会对人类及环境造成危害。

图4 通风粉尘重金属元素种类及含量图

3 结论

大同矿区6座矿井按防尘措施的不同分为A, B两组,每组中按矿井产量的不同分为3个级别(A1、A2、A3和B1、B2、B3),分别对不同样本进行3组实验,分别考察通风粉尘的粒径分布、粉尘粒子的形貌特征、重金属元素种类及含量等情况,可以得出如下结论。

(1)A、B两组样本矿井的通风粉尘粒径集中在10～40μm、40～75μm、75～100μm和100～300μm4个区间,粒径为10～75μm的粉尘所占比例最多,约为50%。对人类呼吸系统影响最大的粉尘粒径为0～2.5μm和2.5～10μm2个区间,在B组中所占的比例明显高于A组。

(2)A组通风粉尘样品中粒径大于10μm的粒子占绝大部分,形状多呈不规则的立方体;粒径小于10μm的粒子多以依附状态存在,形状多为不规则的片状。B组通风粉尘样品以粒径大于10 μm的粒子为主,形状不规则,有柱状、角状和块状;粒径小于10μm的粒子多呈散状分布。

(3)A、B两组样本矿井的通风粉尘中共检测出Cr、Mn、Cu和Zn 4种重金属元素;重金属元素Mn在已检测到的4种重金属元素中所占质量百分比最大。

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(责任编辑 孙英浩)

Experimental studies on ventilation emission dust of Datong coal mine area

Pang Yeqing
(Ventilation Department of Datong Coal Mine Group Co．,Ltd．,Datong,Shanxi 037003,China)

In order to analyze characteristics of ventilation emission dust and how ventilation emission dust impact atmospheric pollution and human health,the author selected two production mines in Datong coal mine area,and collected samples of ventilation emission dusts as objects of study．According to compare experimental analysis on granulometric distribution of ventilation emission dusts,appearance features of dust particles and categories and contents of heavy metal element,the author found,in the two samples,the dust with 10～75μm of particle size had the highest proportion;in analysis of heavy metal elements,Mn had the largest percentage of quality;while the dust with 0～10μm of particle size had the greatest effect on human respiratory system,it apparently had higher proportion in low synthesis dust prevention coal mines than high synthesis dust prevention coal mines．

dust,particle size,synthesis dust prevention,coal mine ventilation

TD71

A

庞叶青(1986－),男,山西大同人,研究生学历,助理工程师,现就职同煤集团通风处,从事一通三防技术及安全管理工作。