铁矿采场多组份水炮泥抑制爆破烟尘试验研究

2020-05-28王天暘金龙哲郭敬中刘建国

金属矿山 2020年4期

王天暘金龙哲郭敬中刘建国巩琦

（1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083）

采场爆破是金属矿山井下最主要的生产方式[1]，在爆破瞬间会产生一种集气体、液体及固体的多相混合物，俗称炮烟[2]。炮烟中含有大量粉尘，根据采掘爆破监测发现，爆破后瞬间作业地点粉尘浓度最高可达2 000 mg/m3，此外由于装药量大、装药结构不合理等因素会造成炸药爆破反应氧平衡的偏离，进而生成以CO、NO等为主的有毒有害气体。这一工序生成的爆破烟尘不仅严重危害井下工作人员的身体健康、引发尘肺病[3]、中毒，而且经回风井排至井上也会对大气环境造成污染，引发雾霾[4]，因此采取有效措施降低采场爆破烟尘具有重大意义。

多组份水炮泥作为一种从源头治理粉尘的技术，其实质是对普通水炮泥的改进，即在水炮泥袋中加入定量的高效抑尘剂，并与清水混合形成溶液充填于炮孔内，在爆破时抑尘剂被高温高压充分汽化形成雾滴，并与同时产生的粉尘相接触、润湿、凝结，从而起到降尘除烟的作用[5-6]。

近年来，针对多组份水炮泥，国内外学者已开展了一些相关研究，如金龙哲[7]等对水炮泥加入一定量的添加剂，证明可以降低溶液的表面张力，提高爆破瞬间的雾化效果，加快粉尘的沉降速度；杜翠凤[8]等开展了富水胶冻炮泥降尘机理的实验研究，得出炮泥与粉尘的吸附作用主要是以物理吸附作用为主，化学吸附占吸附总量的很少一部分。李向东[9]等研制了一种新型水炮泥，设计了添加剂在水炮泥袋中的添加方案和制作工艺，并进行了现场对比试验，结果显示加入添加剂后水炮泥爆破全尘降尘率提高了40%以上。基于文献研究发现，多组份水炮泥降尘技术较多应用于煤矿，在金属矿山、尤其是垂直中深孔爆破的矿山应用极少，此外，目前研究多侧重于降低粉尘，并未系统开展抑制采场CO、NO等有毒有害气体的机理分析以及现场试验。

为此，本项目研制了新型多组份水炮泥配方，并以南京梅山铁矿为试验地点，开展了典型金属矿山采场多组份水炮泥抑制爆破烟尘的现场试验，以期为采场爆破粉尘及有毒有害气体的治理提供理论指导和试验数据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

在现场试验开始前，首先在实验室进行了多组份水炮泥配方的研制。通过对多种表面活性剂、降毒剂进行了正交复配，得到了新型表面活性剂，随后将其与吸湿性无机盐混合、通过热合成工艺得到了多组份水炮泥添加剂配方，根据表面活性剂添加量不同3种配方记为J1、J2、J3，利用QBZY-2表面张力仪和Walker法测定了纯水和3种配方的表面张力和润湿速度，测定结果如表1所示。

实验结果显示：3种配方J1、J2、J3相较于纯水，密度略有增大，表面张力降低明显，润湿速度大幅度提高；且随着表面活性剂添加量逐渐增加，J1、J2、J3密度没有明显变化，表面张力逐渐降低，润湿速度逐渐增加，润湿效果越来越好，其中J3的表面张力最低，润湿速度最快，分别为27.66 mN/m和1.76 mg/s。由于试验条件与时间受限，最终选择润湿效果较好的J2、J3作为现场试验开展的水炮泥添加剂配方，添加剂与水比例均为最佳比例1∶10。

1.2 试验参数

选取南京梅山铁矿-318 m水平西区北16巷道型采场作为试验地点，试验参数如下：采矿方法为无底柱分段崩落法，通风方式采用多级机站通风，巷道断面为5.5 m×4 m的五分之一拱型；采矿炮孔为垂直上向扇形中深孔，孔径91 mm，崩矿步距2.4 m，单排炮孔数量9个，炮孔布置示意图如图1所示；回采爆破采用逐孔微差爆破，孔内炸药为工业乳化粒状铵油炸药，装药密度0.95～1.05 g/cm3，炸药量950 kg/次，每个炮孔内均装填1个水炮泥，由于炮孔是上向孔，特研制了水炮泥输送器，防止水炮泥在输送过程中从孔中滑落，同时也提高了炮孔的封堵质量，孔内多组份水炮泥装填示意图如图2所示。

在试验过程中，采用2台GCD-1000粉尘浓度传感器以及2台CCZ-20粉尘采样器测定采场的粉尘浓度，2台采样器分别测量呼吸尘和全尘，且用于对传感器在线监测数据的校准。设定2台采样器的采样流量均为15 L/min，全尘采样5 min，呼吸尘采样10 min。此外采用3台SJ-2104Jlus系列传感器分别对3种有毒有害气体CO、NO、SO2进行在线监测。所有测量数据直接传输到计算机和无纸记录仪。为避免采场爆破冲击波对设备的影响，尘、烟监测点设置在距离爆破迎头正前方40 m处，且设计了移动防爆监测车对测量设备进行了集成防护，最后在靠近巷旁高度1.5 m处安设了2组锚杆，利用铁索将监测车与锚杆固定，增加了测量的稳定性及可靠性。监测点及尘、烟在线监测系统如图3所示。

爆破前首先完成监测系统的布置，并在井下完成多组份水炮泥的灌装。为保证试验的可比性，使每次爆破的炸药量及采样距离保持一致，本研究通过定点监测与在线监测相结合的手段测定了采场爆破后不装水炮泥、装清水、装2种配方J2、J3多组份水炮泥的粉尘浓度变化以及有毒有害气体浓度变化，经仪器校准、地面称重等得到了各项试验数据。

2 结果分析与讨论

2.1 多组份水炮泥抑尘效果分析

为了分析对比多组份水炮泥的降尘效果，参照行业标准《MT/T 712-1997煤矿防尘措施的分级除尘效率》[10]，引入2个计算式，全尘相对降尘率β1及呼尘相对降尘率β2，分别如式（1）、式（2）所示。本次试验的粉尘效果检验以CCZ20呼吸性粉尘采样器定点监测的数据为主，主要数据如表2所示。

式中，Q1为不装水炮泥时的全尘浓度，mg/m3；Q2为添加普通水炮泥或多组份水炮泥时的全尘浓度，mg/m3。

式中，C1为不添加水炮泥时的呼尘浓度，mg/m3；C2为添加普通水炮泥或多组份水炮泥时的呼尘浓度，mg/m3。

试验结果显示，采用多组份水炮泥后，全尘浓度以及呼尘浓度都有了非常明显的降低，其中采用J3配方全尘浓度和呼尘浓度达到了最低，说明J3配方的多组份水炮泥降尘效果最好，这与之前实验室表面张力的测定结果是一致的。此外在全尘相对降尘率方面，J2配方相较于普通水炮泥提高了6.8%，J3配方提高了13.2%；在呼尘降尘率方面J2配方相较于普通水炮泥提高了30%，J3配方提高了47.2%；说明多组份水炮泥在降低呼吸性粉尘方面相较于全尘效果更为明显。究其原因，是多组份水炮泥中加入的无机盐类和表面活性剂，表面活性剂降低了溶液的表面张力，提高了对5 μm以下微细粉尘的润湿能力和捕捉能力，另外由于加入无机盐类后，多组份水炮泥水溶液的密度相较于清水略大，在爆破时更加具有迸发力，提高了雾化程度，也提高了与粉尘的碰撞效果。因此多组份水炮泥具有更好的呼吸性粉尘抑制效果。

2.2 多组份水炮泥抑制有毒有害气体效果分析

基于尘烟在线监测系统的监测数据，由于SO2浓度太低，所以忽略不计，最终得到了不装水炮泥，装普通水炮泥，装J2、J3多组份水炮泥4种装填类型的CO、NO浓度变化规律，绘制了累积峰值拟合曲线，分别如图4、图5所示，并进行了对比分析。

通过观察图4发现，采场爆破不同水炮泥装填类型的CO浓度扩散均有着相似的规律，即在扩散过程中存在2个峰值，可称为“双峰曲线”。分析产生这种规律的原因，以图5（a）不装水炮泥为例，从10 min处爆破开始阶段，部分炮烟及粉尘在冲击波的作用下迅速涌出，导致监测点处CO迅速攀升，首先达到第1个峰值，即最大值2 254×10-6。随后由于爆破产生的局部负压，使得联络道中的大量新鲜空气涌入采场内部，冲淡了部分烟尘，所示监测点CO浓度迅速下降至1 119×10-6。然后待采场内部压力平衡后，在多级机站通风的作用下，采场内部存留的炮烟在风流作用下向采场外部扩散，再次经过监测点使得CO缓慢上升，达到第2个峰值。最后炮烟不断在风流的作用下排出采场，CO浓度逐渐下降至监测结束。基于“双峰曲线”的规律，建议矿井在CO浓度二次上升前，在采场口布置喷嘴喷洒水炮泥添加剂溶液，形成雾幕，进一步抑制CO浓度，缩短CO排出采场的时间。

通过分析对比不同装填类型水炮泥产生CO的浓度最大值，得出多组份水炮泥对CO的抑制效果显著，其中装J3配方的多组份水炮泥抑制CO效果最好，最大值相较于不装水炮泥降低了52.5%，相较于普通水炮泥降低了51.9%。此外，参照《GBZ2-2007工作场所有害因素职业接触限值》[11]引入NO和CO的职业接触限值，经换算NO为11.2×10-6，CO为16×10-6。通过观察图4发现，相较于不装水炮泥和普通水炮泥，多组份水炮泥CO浓度达到职业接触限值的时间平均缩短了30～50 min。说明多组份水炮泥有着显著抑制CO的效果。基于引言中提到的CO的产生原因，进一步分析多组份水炮泥对CO的抑制机理，主要有以下3点。

（1）加入多组份水炮泥以及水炮泥输送器后提高了炮孔的装药结构和封泥质量，在爆破瞬间能够将炸药爆炸产物在短时间内密闭在炮孔内，使炸药的静压膨胀作用得到充分利用，有利于炮眼内保持高温、高压状态，使炸药充分反应，接近零氧平衡状态[12]，从而减少CO生成量。

（2）相较于清水，多组份水炮泥中添加剂溶液密度较高，提高了爆破时的迸发力，也提高了溶液在爆破瞬间的雾化程度，加大了水雾与烟气的接触面积；由于爆破产生的高温高压，且梅山铁矿矿粉的主要成分是赤铁矿，含有大量的Fe2O3，所以进而促成了如（3）式化学反应的发生，降低了CO浓度。

（3）多组份水炮泥的添加剂中含有弱碱性化学活性剂，其pH值为8左右，爆破后产生的气体与水发生化学反应后形成的产物为酸性物质，再与多组份水炮泥中的碱性溶液发生中和反应，加速了（3）式的正向反应，也加速了有害气体的溶解和分解[13]，提高了除烟效率。

对比图4与图5可知，不同水炮泥装填类型的NO浓度变化与CO浓度变化有着几乎相同的趋势，说明NO浓度变化同样满足“双峰曲线”的规律。再对比图5的NO浓度最大值以及爆破后达到NO职业接触限值的时间，发现多组份水炮泥与普通水炮泥对NO的抑制效果均有着明显的效果，最大值相较于不装水炮泥降低了40%左右，爆破后达到NO职业接触限值的时间平均缩短了14 min。即在降低NO浓度方面，水炮泥的应用起到了良好效果。且由于普通水炮泥有着与多组份水炮泥有着近乎等同的效果，说明在抑制NO的过程中，水炮泥添加剂本身起到的作用十分有限，反而清水起到了至关重要的作用，分析认为NO的化学性质非常活泼，当它与氧气遇到即可发生反应生成NO2，NO2再与爆破后水炮泥产生的水雾发生反应可生成硝酸，进而减少了NO的生成量。