湾家坞矿井下空气环境污染分析及综合治理

陈小竹 汪志国 宋宏元 汪少林 赵龙

摘要：湾家坞矿井下破碎硐室与运输斜坡道粉尘及有害气体污染严重，影响井下工作人员身体健康，制约矿山安全高效生产，是矿山亟需解决的技术难题。通过对井下空气污染物浓度及来源分析，确定治理措施，包括控制污染源、阻止污染物扩散、改造通风系统及加强个人防护等手段。实践结果表明：破碎硐室与运输斜坡道中粉尘浓度分别降低了74.5 %、68.2 %，有害气体CO浓度分别降低了43.7 %、50.2 %，NO2浓度分别降低了63.3 %、59.6 %，氧气体积分数分别提高了4.6 %、5.7 %，井下作业环境改善显著，有利于矿山的安全生产。

关键词：井下空气环境;污染治理;矿井粉尘;有害气体;通风改造

中图分类号：TD711 TD714文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2020）03-0075-04doi：10.11792/hj20200316

引 言

在地下采矿作业环境中，影响作业人员健康的主要有粉尘、有毒有害气体、高温、噪声及振动等，其中粉尘与有毒有害气体尤为严重。长期暴露在粉尘与有害气体中，严重危害作业人员的身体健康和生命安全[1-4]。目前，国际上十分重视清洁生产，清洁生产是对生产过程与产品采取整体预防性的环境策略，减少对人及环境产生危害的可能。欧美许多国家将清洁生产作为一项基本国策，美国国会通过了“污染预防法”，荷兰实行了“污染预防项目（PRISMA）”，法国专门成立机构从事清洁生产相关工作，加拿大开展了“3R”运动[5]。近年来，中国对工业生产的要求也逐步提高，要求将废物减量化、资源化、无害化或消灭于生产过程之中。

中国黄金集团江西金山矿业有限公司湾家坞分矿（下称“湾家坞矿”）因生产需要，井下使用柴油运输设备和溜破系统，产生大量粉尘与有害气体，致使井下工作环境恶劣，威胁作业人员健康，已成为制约矿山安全高效生产的重大技术难题，亟需对井下环境进行治理。通过对井下粉尘与有害气体含量、来源、与工矿条件等的分析，采取相应措施进行综合治理，创造一个良好的井下工作环境，保障作业人员身体健康的同时，提高生产效率。

1 矿山概况

中国黄金集团江西金山矿业有限公司是一个大型黄金矿山企业，年产黄金1.2 t，湾家坞矿是其主力供矿矿区，生产能力达1 700 t/d。湾家坞矿矿体属于缓倾斜矿体，开拓中段有0 m、-40 m、-80 m、-105 m、-130 m、-155 m、-180 m、-200 m中段，各中段矿石由采场运至溜井，经主斜井提升至地表。通风系统采用中央斜井进风，东、西两翼风井回风的抽出式通风方式。为解决深部提升能力不足、加大深部中段的供矿量，湾家坞矿采用卡车将深部中段矿石由斜坡道运输至破碎硐室，破碎后进入溜井，经主斜井提升至地表。随着深部中段供矿量的增加，柴油运输设备和破碎矿石量也逐步增加。设备的增加和老化，以及通风条件差，无法有效稀释、排出粉尘与有害气体，导致井下空气环境污染严重。

2 井下空气环境分析

2.1 井下空气環境调查

井下空气主要是供给人员呼吸，稀释并排出井下的有害气体和粉尘，创造良好的工作环境。在地下开采过程中，地表的新鲜风流由入风井进入井下，到达各作业面，将矿井粉尘与有害气体带走，经回风井排至地表。湾家坞矿井下空气污染源主要有爆破炮烟、柴油设备尾气及溜破系统粉尘等。爆破炮烟与柴油设备尾气可通过矿井通风系统解决，而湾家坞矿由于深部中段供矿量不断加大，柴油设备数量迅速增加，且存在燃料不完全燃烧现象;运矿卡车排放尾气中含有大量的氮氧化物、碳氢化合物及一氧化碳等污染物，以及运输斜坡道通风条件差等，致使空气中有害气体含量激增。同时，在矿仓卸矿、矿石破碎和溜井放矿过程中，会产生大量粉尘。有害气体与粉尘无法得到有效稀释或排出，导致湾家坞矿井下破碎硐室与运输斜坡道的空气污染严重。粉尘与有害气体的增加，不仅严重破坏井下通风系统，增加设备维护成本，而且造成井下卡车司机视线不清晰，在会车过程中存在安全隐患，影响工作效率。

为了准确掌握湾家坞矿井下空气质量，采用中安QD6360粉尘气体检测仪和KP836多功能气体检测仪对运输斜坡道及破碎硐室中的粉尘、CO、NO2及O2等进行检测，结果见表1。由检测结果可知，湾家坞矿井下空气污染严重，亟需采取针对性的治理措施，改善井下空气质量。

2.2 污染物来源

湾家坞矿井下破碎硐室与运输斜坡道空气环境污染主要来源于柴油设备和溜破系统，粉尘与有害气体产生后，无法及时有效地排出。

1）柴油设备。湾家坞矿井下生产使用大量路邦WJ—1铲车、时力UQ—8运输卡车和现代重工XDCY—15卡车等柴油设备。柴油燃料完全燃烧时，会产生CO2、H2O与SO2，但燃烧不完全时，柴油设备排放的尾气中含有CO、烃类和微粒污染物。此外，由于燃烧时温度较高，一小部分氧气与空气中的氮相互作用产生NO和NO2，柴油燃料中的硫基本以SOx形式排放。柴油发动机运转时向空气中释放气态和微粒污染物，有些气态污染物在低浓度时就有毒，对人产生强烈的刺激作用或使人窒息，而微粒污染物是可吸入性颗粒，并含有吸附物质，其含有一定的致癌物。

2）溜破系统。湾家坞矿井下深部中段矿石通过卡车运输至破碎硐室，卸矿，然后经颚式破碎机破碎，由皮带运送至溜井，最后提升至地表。溜破系统是粉尘的主要来源：一是卡车卸矿，卡车将矿石运至破碎硐室后，由于卡车与矿仓间存在一定高差，卸矿时易产生粉尘，并向周围扩散;二是矿石破碎，大块矿石破碎至合格的块度后进入溜井，而矿石之间相互挤压破碎时会产生粉尘，影响周边空气环境;三是溜井放矿返尘，破碎后的矿石进入溜井，矿石在下落过程中产生强大的冲击风压，致使含尘气流涌入破碎硐室。粉尘浓度高及长时间接触会对人体有致病危害，因此需严格控制井下粉尘浓度。

2.3 井下通风系统分析

湾家坞矿通风系统采用中央进风两翼回风的通风方式，东、西回风井处分别设置风机，新鲜风流从副斜井、147 m斜井和泄水进风井进入各个中段，清洗工作面后，污风经穿脉巷道和运输巷道进入回风井，排出地表。为提高深部中段供矿能力，深部采场矿石由斜坡道向上运输至-105 m中段破碎硐室，破碎后进入溜井，破碎硐室与运输斜坡道位于307勘探线，相对靠近副斜井处，依靠通风系统排出污浊空气。因为柴油运输设备的突增、高频率的矿石破碎，产生大量的粉尘与有害气体，致使井下运输斜坡道、破碎硐室及附近主运输巷道的空气质量直线下降，加之通风系统动力不足，且缺乏完备的通风路径，导致井下空气污染严重。这表明当前通风系统已无法满足井下生产需求。

3 井下空气环境污染治理

粉尘与有害气体的治理主要采取减少粉尘与有害气体产生、阻止粉尘与有害气体扩散、加强通风与个人防护等措施。

1）减少粉尘与有害气体产生。将破碎硐室与溜井连接处密闭，只保留卸矿口，阻止溜井中粉尘涌入破碎硐室。此外，设置专用排尘巷道与溜井连通，采用扇风机抽风，使溜井中始终处于负压状态。抽出的含尘风流可以通过无生产的巷道送入回风井排出。除封闭除尘与负压除尘外，还应保持矿石潮湿，尤其在铲装前保持矿石潮湿，可以减少装卸过程中粉尘的产生，是一种有效的防尘措施，但需要根据矿石性质控制水量，防止矿石在溜井中发生黏结，堵塞溜井。

柴油设备尾气的排放与燃料性质和发动机运转效率息息相关，因此要选择适合的燃料，保证燃烧效率及空燃比，以减少尾气排放。控制空燃比不大于0.067，保证柴油燃料完全燃烧，这样不仅节约燃料，且发动机运转良好。柴油设备需进行预防性检修、定期维修和调节，使其在适宜的条件下运行。实践表明，通过合理选择燃料，良好的发动机维护，可以有效降低柴油设备对井下空气环境的污染。

2）阻止粉尘与有害气体扩散。湾家坞矿主要采用堆积给料和喷雾洒水等方式阻止粉尘扩散。堆积给料不仅可以减少矿石破碎时产生的粉尘向四周扩散，还可以降低放矿高度，从而达到阻止粉尘扩散的目的。喷雾洒水是防止粉尘飞扬的有效措施，在卸矿过程中进行喷雾洒水，且需要多次反复喷洒，才能取得较好的降尘效果。在铲装运输前，保持矿石潮湿也是行之有效的防尘措施，但需根据矿石性质控制水量，防止矿石在溜井中发生黏结。

3）改造通风系统。加强通风是改善空气质量，降低井下粉尘与有害气体浓度的关键措施。贯穿风流可以带走破碎硐室与运输斜坡道中的粉尘与有害气体，提供更多的新鲜风流，增加空气中的氧含量，不仅可以减小空燃比，减少尾气的排放，而且可稀释空气中粉尘和CO、NO2等有害物质浓度，因此必须建立良好的通风换气系统。

湾家坞矿利用主扇风压通风，由于破碎硐室距离回风井较远，污风必然会污染运输斜坡道，影响井下生产。如果采用独立通风，需要建立专用的进、回风井巷或管道，不仅影响生产，还会增加生产成本，给矿山带来经济负担。综合考虑，选用主扇和辅扇联合通风，利用矿井通风系统将新鲜风流分给运输斜坡道，进入破碎硐室，污风通过313勘探线泄水井辅扇抽出，经專用回风井排出。

（1）通风工程改造。湾家坞矿井下破碎硐室与运输斜坡道通风工程改造见图1。具体措施为：①在-105 m中段原溜井车场位置设置普通风门，将主要的回风巷道施工密闭，保证泄水井与西风井隔断，减少其他通道漏风。 ②阻断泄水井与其他中段之间的联系，密闭0 m中段泄水井联络道，在-40 m、-80 m中段313勘探线泄水井联络道处安装普通风门。 ③在-105 m中段313勘探线泄水井联络道内安装1台30 kW辅扇，风机型号K45-4-NO10，电动机型号Y160L-4，风机采用密闭式安装。 ④清理泄水井联络道与破碎硐室通风联络道的杂物，保证通风线路的顺畅。

（2）通风改造工程模拟。对于湾家坞矿井下破碎硐室与运输斜坡道通风系统改造，利用Ventsim软件进行空气流动模拟，计算结果见图2。从图2中可以看出：运输斜坡道→-105 m中段破碎硐室→回风联络道→泄水井形成贯穿风流，破碎硐室与运输斜坡道的风速为0.5～0.9 m/s，泄水井风速为2.9 m/s，可形成有效的贯穿风流，稀释粉尘与有害气体浓度。

4）加强个人防护。防止井下作业人员直接暴露于可吸入性粉尘中，加强现场管理，注重个人防护，佩戴防尘口罩。在破碎硐室附近设置休息室，并设置除尘装置，及时更换粉尘过滤垫片，最大限度减少作业人员吸入的粉尘量。

5）治理效果。针对湾家坞矿井下破碎硐室与运输斜坡道空气环境污染问题，采取综合防治、系统解决的方式进行治理。在实施通风改造工程，并采取相应治理措施后，进行风流速度和空气质量检测。其中，运输斜坡道风速为1.6 m/s，破碎硐室风速为0.7 m/s，泄水井风速为2.7 m/s。相较于通风系统改造前，风流速度得以提高。破碎硐室与运输斜坡道空气质量检测结果见表2。

在对井下空气参数检测过程中发现，运输斜坡道受有害气体影响较大，而破碎硐室中粉尘感官明显。

经过治理后，井下空气中粉尘与有害气体的浓度大幅降低。从表2可以看出：破碎硐室中粉尘浓度降至1.2 mg/m3，运输斜坡道中CO浓度降至12.5 mg/m3，NO2浓度降至1.9 mg/m3，氧气体积分数分别提高到20.5 %和20.3 %。井下空气质量已达到《金属非金属矿山安全规程》中有害物质接触限值要求，满足矿山安全生产需求。

4 结 论

1）在分析井下空气环境的基础上，通过控制污染源、阻止污染物扩散与改造通风系统等技术手段的实施，湾家坞矿井下空气质量改善效果显著。粉尘浓度降低了68.2 %～74.5 %，CO与NO2等有害气体浓度降低了43.7 %～63.3 %，氧气体积分数提高了4.6 %～5.7 %，为井下作业人员营造了良好的工作环境。

2）利用Ventsim軟件对通风系统改造方案进行模拟。现场应用结果显示，通风效果良好，运输斜坡道风速为1.6 m/s，破碎硐室风速为0.7 m/s，泄水井风速为2.7 m/s，与模拟计算结果吻合。

3）湾家坞矿井下通风系统改造后，使破碎硐室与运输斜坡道形成独立的回风系统，不仅解决了破碎硐室与运输斜坡道的空气污染问题，还避免了粉尘与有害气体向周边运输巷道和采矿作业面扩散，为井下安全生产提供保障。

[参 考 文 献]

[1] 王文，桂祥友.清洁安全的井下作业环境[J].工业安全与环保，2002，28（9）：32-34.

[2] 姜学鹏，叶义华.程潮铁矿采矿作业场所有害气体污染评价[J].金属矿山，2005（11）：66-67.

[3] 罗文.大柳塔煤矿井下粉尘治理技术[J].煤炭科学技术，2014，42（1）：124-137.

[4] 袁昌明.澜沧铅矿井下有毒有害气体测评与控制[J].安全与环境学报，2002，2（5）：36-38.

[5] 于润沧.采矿工程师手册[M].北京：冶金工业出版社，2009：343-353.

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