我国非煤矿山地下开采粉尘防治现状及发展趋势*

2018-02-16邹常富

现代矿业 2018年5期

邹常富

(中煤科工集团重庆研究院有限公司)

目前，职业危害已成为制约我国非煤地下矿山安全生产的重要因素之一。我国非煤地下矿山种类及数量多，随着国家对矿山安全生产及职业危害的重视程度不断加强，经过整合后，我国非煤地下矿山仍有35 114座[1-3]。长期以来，由于非煤地下矿山数量多、规模小、技术设备及生产工艺落后、通风系统复杂，导致生产过程中粉尘污染较为严重。粉尘不仅危及矿井安全生产，而且带来严重的职业危害，引起尘肺病，长期吸入会导致肺组织纤维化，呼吸困难，进而导致窒息死亡[4-6]。同时，非煤地下矿山矿岩成分非常复杂，不同矿山的矿石原料、生产工艺和开采方法不同，所产生的粉尘危害程度也各不相同。据调查，非煤地下矿山矿岩中游离的SiO2含量一般为10%左右，但由于开采过程中往往伴随产生大量的废石、脉石，而凿岩、爆破、破碎等工序所产生的粉尘中游离SiO2含量远大于10%[7-10]。因此，非煤矿山产生的粉尘对于人体危害极大，而部分金属矿山开采过程中还伴有少量铅、铬、镉等金属粉尘，易引发重金属中毒事故[11-13]。

近年来，我国非煤地下矿山新增尘肺及矽肺病例数量逐步增加，且尘肺病发病周期逐步缩短，特别是二期、三期尘肺病人数量呈现直线式上升趋势，粉尘职业危害已成为制约矿山安全生产的重大隐患之一。据统计，2015年全国累计共报告职业病29 180例，其中职业性尘肺病26 081例，其中仅非煤矿山地下开采上报的职业病便达3 116例，约占尘肺病总人数的11.9%，可见，我国非煤矿山地下开采过程中的尘肺病防治状况不容乐观[14-17]。近年来我国政府相继制定了一系列煤矿开采粉尘治理政策措施，该类政策措施得到了有效实践，显著降低了尘肺病的发病量。而在非煤矿山地下开采过程中，尘肺病仍未得到有效重视，特别是生产技术条件相对落后的矿山，粉尘治理技术措施无法满足高负荷生产条件下粉尘治理需要。在地下开采过程中，机械化作业强度大、开采深度大，各作业工序的产尘浓度逐步增加，部分矿山通风系统不够完善，在中深部开采过程中，通风防尘措施无法发挥有效作用，上述因素的存在，导致井下作业环境非常恶劣，粉尘污染日趋严重，尘肺病发病率居高不下。本研究针对我国非煤矿山地下开采粉尘防治现状，对粉尘防治及监测的相关技术方法进行总结，并对其发展趋势进行探讨。

1 粉尘危害防治技术现状

非煤地下矿山主要采用放炮回采方式，部分大型矿山引进了岩巷掘进机进行回采。钻孔、爆破、锚喷、卸矿、破碎、筛分等工艺环节均会产生粉尘。现阶段，我国地下非煤矿山粉尘防治主要采取以风、水为主的综合措施，即一方面用水将粉尘进行润湿捕获，另一方面借助风流将粉尘排出井外[18]。

1.1 风流净化技术

矿井通风是最根本的除尘措施。由于非煤矿山通风系统较复杂，系统漏风和短路问题突出，新鲜风流与污风串联，易导致矿井巷道粉尘污染严重。针对矿井风流污染的问题，在进风巷粉尘治理方面，光控自动喷雾降尘技术、定时自动喷雾降尘技术效果较好；在回风巷粉尘治理方面，粉尘浓度超限自动喷雾降尘技术可根据回风巷的粉尘浓度决定降尘装置的开停，可有效发挥净化风流的作用。总体上，由于风流净化技术对于巷道呼吸性粉尘的沉降效率较低，故需对强超声雾化技术进行研究，在巷道风流上风侧采用超声雾化技术形成微雾，充满整个巷道，对浮游的微细粉尘进行沉降。

1.2 高压喷雾降尘技术

非煤矿山炮采过程中，主要采用水炮泥及高压喷雾降尘技术进行粉尘治理。在水炮泥降尘的基础上，采用高压喷雾降尘措施是解决采场爆破粉尘污染问题的最佳方式之一。高压喷雾具有射程远、雾化效果好、抗风能力强、覆盖面积大等优点，特别是高压喷雾对呼吸性粉尘的降尘效率高，能够较好地解决呼吸性粉尘沉降问题，同时高压喷雾产生的雾滴对有毒有害烟气也有一定的捕集沉降作用。在夏甸金矿采场爆破粉尘治理中，在喷雾压力8 MPa、喷雾流量为20 L/min的情况下，利用喷雾器的水雾封闭整个巷道断面达9 m以上，使得粉尘、烟雾等有害物质被拦截于爆破采场内被水雾湿润后，达到净化含尘风流的目的，放炮后7 min内的粉尘浓度降低至7 mg/m3以下，而采用低压喷雾时(喷雾流量50 L/min)需要30 min后方可将粉尘浓度降低至10 mg/m3以下。可见，高压喷雾的降尘效率优于普通喷雾降尘，并且能够大大缩短粉尘沉降时间，大幅度提高降尘效率。

针对粉尘带有电荷的特性，在喷雾降尘的基础上，可将水雾预先荷电，加速尘粒与雾滴的附着凝并，提高降尘效率。实践表明：在喷雾压力为2 MPa、水雾荷电量为35 kV的条件下，水泥和萤石粉尘的降尘效率提高了30%，滑石粉尘的降尘效率可提高40%。由于粉尘荷电量较低，如何提高粉尘荷电量和粉尘凝并速率需要进一步研究。

由于非煤矿山炮采工作面数量多，爆破作用面也较多，如何降低炮采高压喷雾的应用成本成为高压喷雾降尘技术推广使用的制约因素之一。在未来生产实践中，应重点研究炮采抑尘技术，通过在放炮工艺及放炮抑尘技术方面进行不断改进，在降低炮采粉尘污染程度的同时大幅降低降尘成本。

1.3 钻孔抽尘净化技术

非煤矿山钻孔凿岩主要采用湿式钻孔，湿式凿岩由于压气作用使得钻眼岩浆雾化，造成粉尘二次飞扬。煤矿钻孔除尘方面技术较先进，“十二五”期间研究成功了新型孔口除尘技术，该技术以环缝式空气引射器为动力，采用高效湿式过滤除尘原理进行除尘，降尘效率较高。夏甸金矿实践表明，环缝式空气引射器在压缩空气压力为0.5 MPa、耗气量为0.75 m3/min 的情况下，引射风量达到25 m3/min，引射负压达到4 000 MPa，除尘器喷雾流量为20 L/min，当处理风量为12.8 m3/min时，除尘器的除尘效率达到98%，成功地解决了该矿钻孔粉尘污染问题。

1.4 锚喷支护自动喷浆除尘技术

锚喷防尘一直是我国粉尘防治的重点和难点，非煤矿山锚喷防尘主要采用湿喷或潮喷方法，但上料口和喷浆处的粉尘浓度仍未得到有效降低。“十二五”期间中煤科工集团重庆研究院有限公司(以下简称“重庆院”)的相关技术人员针对锚喷作业的产尘特点，在喷浆处研发出了集锚喷、控除尘于一体的自动喷浆设备，喷浆过程中产生的粉尘通过布置于设备上的控除尘装置进行抽尘净化。在夏甸金矿使用该设备后可将操作人员处的总粉尘浓度降低至6 mg/m3以下，呼吸性粉尘浓度降低至3 mg/m3以下；此外，该设备采用密闭罩将喷浆机进行全密闭对上料口产尘进行治理，可使得锚喷作业过程中作业人员处的总粉尘浓度降低至8 mg/m3以下，呼吸性粉尘浓度降低至3 mg/m3以下。

1.5 溜井高效密闭抽尘净化技术

目前，卸矿溜井冲击风流过大及溜井群交叉污染严重是非煤矿山溜井卸矿粉尘治理的难点。针对溜井卸矿的产尘特点，可利用平行溜井互为缓冲的空间将上部放矿时的冲击风量降为以往的26.7%，大大减弱风流的冲击作用，同时所有溜矿口保持向溜井进风，防止粉尘外泄，并加强溜井卸矿口密闭，保持良好的气密性，采用高效除尘器进行抽尘净化，从而形成集泄压、封堵、抽排、除尘净化、隔离控制、风源净化于一体的综合性粉尘治理技术。

现阶段，高深直溜井粉尘仍为非煤地下矿山粉尘治理的难点。由于溜井深度大，矿车卸料时，矿石沿高深直溜井向下运动压缩溜井内空气，形成强大的溜井风流，导致溜井下方落料口的粉尘浓度严重超标，且冲击气流较大，一般的密闭方式无法形成较好的密闭效果。针对高深直溜井的粉尘治理仍需进行高落差导流技术研究，设计较优的气流泄压导流通道，降低扬尘量，以大幅降低高深直溜井的粉尘浓度。

1.6 破碎、筛分超声雾化技术

针对破碎、筛分过程中产生的微细粉尘，可利用压缩空气冲击共振腔产生的超声波将水雾转化为微细雾滴，雾滴在局部密闭的产尘点内捕获、凝聚微细粉尘，使得粉尘迅速沉降，实现就地抑尘[19]，对于呼吸性粉尘的降尘效率可达到90%以上。矿井实践中，由于振动筛等设备长期处于上下振动状态，普通密闭技术极易形成疲劳损坏，导致粉尘逸散而大幅降低除尘效果。目前，在参考国外密闭方式的基础上，形成了一种磁性软密封的密闭技术，该技术通过磁条黏贴于设备上，可随着振动筛上下往复运动而不易损坏，设备检修时可直接将磁条取下即可，使用方便，有效解决了振动筛等设备的密闭问题。

1.7 岩巷掘进机掘进综合防尘技术

部分非煤地下矿山引进了掘进机进行岩巷掘进，可参考煤矿综掘工作面先进的粉尘综合治理技术，采用高压外喷雾降尘技术。相关实践表明：在喷雾压力为8 MPa、喷雾流量为30 L/min的情况下，可使得掘进机司机处的降尘效率达到80%～90%；结合附壁风筒控尘技术与高效除尘器抽尘净化的综合防尘措施，在抽出式风量为压入式风量75%～80%的情况下，可使得掘进机司机处的总粉尘浓度降低至8 mg/m3以下，呼吸性粉尘浓度降低至4 mg/m3以下。针对深井长独头巷道或采场，可采用循环净化除尘技术，将除尘净化后的空气送入作业面，实现风流循环利用，该技术尤其适用于井下通风系统难以控制或井下新鲜风流难以有效供应的区域。

1.8 个体防护技术

个体防护是预防尘肺病的最后一个环节。个体防护用品已经从传统绵纱口罩发展到带气阀的化纤滤料自吸式防尘口罩、过滤式送风防尘口罩等[8]。目前最先进的滤尘送风式防尘口罩能够对作业人员进行主动送风，其核心部件为过滤器，采用折叠式结构，送风量可在70～120 L/min内任意调节，呼吸阻力不大于196 Pa、阻尘率不小于99.9%、连续工作时间大于8 h。该类个体防护装置在某些不便使用大型除尘设备的区域起到了保护作业人员的作用[8]，大大降低了尘肺病的患病危险性。

目前，主动送风口罩能够大大降低作业人员的呼吸障碍，使得作业人员能够在高强度工作条件下畅快且舒适地呼吸，受到了井下作业人员的青睐。但由于该型口罩的生产成本为传统口罩的数十倍，且口罩体积较为庞大，需要将口罩的虑尘部分置于腰间，大大制约了该型口罩的推广应用。因此，在未来发展过程中，低成本、小体积的舒适性主动送风口罩是研发的重点。

2 粉尘检测技术现状

非煤矿山粉尘检测的主要内容有粉尘浓度、粉尘粒度分布及粉尘中游离SiO2含量，其中粉尘浓度又包括总粉尘浓度和呼吸性粉尘浓度2类[8]。

(1)粉尘浓度检测。可采用粉尘采样器、直读式测尘仪和粉尘浓度传感器相结合的方法检测粉尘浓度[8]。采样器可在短时间内进行大流量采样或进行呼吸性粉尘工班采样；直读式快速测尘仪能够快速测试、直接读数，具有代表性的是重庆院的相关技术人员研制出的误差较小的采样与测尘一体化结构的直读式测尘仪。在粉尘传感器方面，重庆院的相关技术人员近期研发出了静电感应式粉尘浓度传感器，利用粉尘电荷量与粉尘浓度呈固定的相关关系，通过电极感应电荷量的大小推算粉尘浓度，克服了传统粉尘浓度传感器易污染、易堵塞的缺点。针对爆炸性粉尘，重庆院的相关技术人员研发的适用于爆炸性粉尘环境检测的粉尘浓度传感器及配套电源均满足爆炸性粉尘防爆技术要求，并取得了国家产品安全标志中心防爆认证，实现了粉尘浓度传感器研究的进一步突破。

(2)粉尘浓度连续监测。总体上，地下开采的非煤矿山大多安装有监测监控系统，主要监测风速和有毒有害气体浓度，但缺乏粉尘浓度在线监测系统。“十二五”期间，我国技术人员研发出了矿井防(降)尘设备远程在线实时监测成套技术及装备，该系统既可利用压力传感器、流量传感器、功率传感器、粉尘浓度传感器等监测防(降)尘设施的使用运行状态，根据状态参数判断系统的运行状况，又可通过粉尘浓度传感器监测粉尘浓度并判断系统的效果。可将该系统连入地下矿山六大系统中的监测监控系统。矿山技术人员在监控室通过计算机屏幕可及时准确地了解矿井所有防降尘设备的运行情况，通过云计算中心和北斗卫星系统可将各类监测数据传送到相关监管人员的用户终端，以便及时了解井下粉尘浓度变化情况。

3 发展趋势

总体上，我国非煤矿山地下开采粉尘危害现状较严重，井下通风条件较差，粉尘防治技术及装备水平相对落后，且地下开采条件复杂，采矿方法各式各样，产尘点多面广，通用性防尘技术措施较少，矿井防尘经费投入不足。具体来讲，我国非煤矿山地下开采粉尘危害严重的原因如下。

(1)粉尘防治技术落后。通过调研，炮采是非煤地下矿山最常见的开采方式，大部分矿山炮采未采取任何防尘措施，仅依靠通风排尘，导致作业面串风严重，进而使得其他工作面及巷道出现粉尘交叉污染。尽管部分矿山采取了喷雾洒水降尘措施，但均为普通的洒水降尘，未能从粉尘来源、性质、粒径、亲水性等方面进行深入研究，降尘效果较差，特别是对呼吸性粉尘几乎无法发挥降尘作用。高压喷雾、超限喷雾风流净化、高效除尘器抽尘净化等高效降尘措施在非煤地下矿山应用较少，导致我国非煤矿山粉尘防治技术总体较落后。

(2)粉尘防治技术适应性差。近年来，随着非煤地下矿山开采深度不断增加，采掘设备趋于机械化和大型化，产尘浓度也逐渐增加，使得原有的降尘技术与现有的生产工艺难以匹配，如干式除尘设备在粗破碎硐室高湿、高浓度粉尘环境下难以提高除尘性能；喷射混凝土作业的防尘技术尚需结合工艺流程进行配套完善。

(3)监管难度大、职业危害意识差。我国非煤矿山地下开采过程中，作业面多，产尘点多，监管难度较大，缺乏有效的连续监测技术手段，无法对矿井进行全天候全覆盖式监管。同时，非煤矿山井下作业人员尚未意识到尘肺病的危害，往往不愿佩戴防尘口罩，部分矿山甚至有尘肺一期的工人仍在高浓度粉尘环境下作业。

针对以上问题，并结合我国非煤地下矿山开采现状，本研究认为我国非煤矿山地下开采粉尘危害防治技术的发展趋势如下。

(1)喷雾降尘技术。应进一步研究雾化效果更好、降尘效率更高、耗水量更低的高压喷雾降尘技术和超声雾化技术。针对可以密闭的区域，可采用超声雾化措施进行降尘，让微细粉尘充满整个空间，提高降尘效率，减少耗水量；在巷道型采场爆破区域，建立采场云雾抑尘体系，通过采用高压喷雾引射和超声波雾化技术，形成一道捕捉、团聚粉尘的高效能云雾防尘墙，实现采场呼吸性粉尘高效治理，杜绝含尘气流向其他作业场所扩散。

(2)抑尘技术。应深入研究粉尘性质，分析不同种类粉尘与化学活性物质的结合效率，得出不同种类、不同性质、不同浓度、不同粒径的粉尘结合率最佳的化学活性物质及配比。在爆破产尘方面，研究高效水炮泥，提高爆破抑尘效率；在皮带转载运输产尘方面，研究生物纳膜抑尘技术，在转载运输过程中抑制粉尘飞扬；在化学抑尘技术方面，重点研究方向为配比浓度及环保性，目前市场上的大部分化学抑尘剂均较为环保，但成本较高而限制了推广使用，低配比浓度、高抑尘效率的茓抑尘剂是进一步研究的目标。

(3)除尘器抽尘净化技术。重点研究控尘技术及现场配套工艺。对于放矿溜井及独头采场，在合理设计通风系统的基础上，研发多机制复合式除尘净化装置，进一步提高除尘器的性能，使之具有高效、轻便的特征，便于现场使用，高效治理放矿溜井及独头采场的粉尘污染；在破碎筛分等大型井下固定设备粉尘治理方面，应通过进一步改进和应用过滤材料，加大对疏水性好、吸水率极低、斥水不糊袋型除尘器的研发力度。

(4)锚喷降尘技术。进一步开展矿山喷浆粉尘治理关键技术及装备的研究，在深入研究喷射射流理论、回弹产尘机理、喷射工艺的基础上，研制智能型自主喷射作业技术装备，研究连续搅拌与泵送湿式混凝土喷射的整机集成技术和高压雾化水辅助喷射抑尘技术，完善湿喷降尘技术及配套工艺，特别是对锚薄喷支护新体系的粉尘治理和工艺配套技术进行研发。

(5)粉尘监测技术。通过对非煤矿山粉尘浓度进行大范围调查，统计出不同类型、不同产量、不同作业工序条件下的产尘浓度，构建尘肺病预警信息数据库，并构建尘肺病预警指标体系及判别模型，对不同产尘点的尘肺病危害进行分级。在此基础上，加强粉尘浓度传感器的推广应用，对矿井各作业点进行连续在线监测，当粉尘浓度超标时进行预警，并制定针对性的治理措施，科学指导粉尘防治及尘肺病的监测与管理工作。

(6)职业危害培训及预警。加强矿山主要负责人员及作业人员的职业危害防治的培训力度，加大职业危害防护用品的经费投入，督查井下生产一线职业防护用品的使用情况，筑好职业危害最后一道防线。