某露天采石场爆破粉尘的理化特性探索与研究

2021-02-23卿惠广肖跃龙湖南安全技术职业学院

湖南安全与防灾 2021年9期

文赵妩卿惠广肖跃龙（湖南安全技术职业学院）

据不完全统计，我国露天采石场约10万个，多为小型采石场，基础条件差、分布广。随着开采的深度下降，露天采石场逐渐形成一个深坑，在逆温的作用下坑内风速急剧降低，粉尘难以向外逸散而在坑内聚集，对场内作业人员的职业健康构成严重威胁。露天采矿过程粉尘的来源主要有钻孔、爆破、装载、道路运输和堆场原料输送等，其中爆破过程产生的烟尘是由气态物质、固态物质和液态物质组成的混合物，包含有毒有害气体、粉尘等成分，对人体的危害极大。为掌握露天采石场爆破粉尘的特点，本文以湖南某石灰石矿采石场为实验对象，对其理化特性进行探索与分析，为研究粉尘分布规律和粉尘控制技术提供依据。

一、湖南某露天采石场概况

湖南某露天采石场主要经营石灰石开采及加工，开采矿种为灰岩，开采方式为露天开采，设计生产规模为40万t/a。矿山范围面积为0.2182km2，准采高程+300m～+130m。露天采石场生产作业场所主要由生产工序和辅助设施系统组成，其中生产工序是露天采石场作业场所的构成主体。生产加工工序分为剥离工序、穿孔工序、破碎工序、铲装工序、破碎工序和装车六种，每种工序下配有相应工序的机械设备进行加工生产，如凿岩台车、挖机、装载车、破碎机、制砂机、振动筛等。场内辅助设施系统包括办公室、休息室、配件房、清洁房等，其生产过程的主要原辅材料如表1。作业场所为全开放空间，在作业场所相应位置安装有通风除尘设备。

表1 该单位生产过程中主要原辅材料消耗

二、实验方法

（一）样品采集

本文选择湖南某石灰石矿露天采石场正常爆破作业时采集样品，采样点设置在距离作业点15m处，爆破20 s后，用 FCC-25 型防爆粉尘采样器对堆料场粉尘采样，采样时长为2 min，采集的粉尘置于干燥箱内供检测。

（二）粉尘的真密度

粉尘的真密度是指粉尘颗粒的干燥质量与真体积的比值，决定着粉尘在重力、惯性力和离心力等作用力下的沉降速度，是除尘设施选用的重要参数之一。粉尘真密度采用比重瓶法，其真密度ρ的计算式为：

式中：ρ、ρs分别为粉尘真密度和浸液密度，g/cm3；m1、mc、m2分别为比重瓶和浸液的总质量、粉尘的质量、比重瓶与浸液和粉尘的质量，g。

（三）粉尘形态

粉尘形态是指粉尘颗粒的轮廓或表面各点所构成的图像。不同粉尘，其形态千差万别，有针形、纤维状、结晶状等，对粉尘控制技术的选用具有直接的影响。粉尘形态采用x射线衍射法（XRD，X-Ray Diffraction），即利用x射线在固体颗粒中的衍射现象获取衍射后x射线信号特征，得到衍射图谱。

（四）粉尘粒度

粉尘粒度是指粉尘颗粒大小的尺寸。因粉尘颗粒具有不规则性，粉尘粒度很难用统一尺度标准来描述。当粉尘颗粒的某一物理特性与同质球形颗粒相同或相近时，就将这个球形颗粒的直径视作其等效粒径。目前测粉尘粒度的手段和仪器，都是在假设被测尘粒呈球形的基础下进行的，称为等效粒径测试法。

（五）粉尘分散度

粉尘分散度，是指粉尘中不同粒径粉尘数量或质量的百分比。根据各粒径粉尘的百分比不同，可分为低分散度的粉尘、高分散度的粉尘。就是指粒径较小的粉尘所占小的，为低分散度的粉尘；反之，为高分散度的粉尘。粒径越小对作业人员的危害程度越大。根据尘肺病死者肺部的解剖数据可知，死者肺部沉积的粉尘粒径中小于5μm的，占85%~99%。空气动力学研究结果表明：粒径＜10μm的粉尘颗粒，可直接经过呼吸道进入人体内部，进入无纤毛的细支气管、支气管、气管和肺泡等区域；粒径＜5μm的粉尘颗粒进入肺泡可以直接沉积，难以排出；其中粒径为0.2-2.0μm范围的粉尘对人体危害最大。粉尘的分散度检测需要充分考虑作业人员在粉尘环境的停留情况和粉尘的特性、空间分布。合理选择粉尘采样点，与作业场所风速测定位置相同，要有很好的代表性。根据《粉尘浓度和分散度测定方法》（MT79-1984）的要求：首先在作业点用FCC-25型防爆采样器采样后，制成试样片，将试样片置于显微镜下，选择适当的观测视野，通过测量所有粉尘的粒径，得出不同粒径的粉尘占所有测量粉尘数量的百分比，即为该粒径粉尘的分散度。粉尘分散度的计算采用滤膜溶解涂片法，计算公式如下：

（六）粉尘润湿性

粉尘的润湿性是粉尘与液体接触相互附着的难易程度。当液体在粉尘的表面铺展时，若液体间的表面张力小于粉尘与液体间表面张力，则粉尘可被液体润湿；反之则不能润湿。粉尘润湿性能强弱决定了除尘的难易程度，因此润湿性能对粉尘防治具有重要意义。从宏观看，润湿可以看作是液体将其他液体从表面替换的一种过程。从微观看，液体在固体表面展开后，将原来在固体表面附着的分子替换，但液体和表面之间并没有进行分子的替换。如图1所示固体表面的液体与气体的接触角是气液界面与固液界面的夹角，因此接触角的问题可以通过固体基质表面上液滴所受的三个界面张力的作用来处理。当三个界面张力达到平衡时，得出下述方程：

图1 在固体表面上液滴的接触角

该式即为杨氏方程。应当指出杨氏方程所应用的固体基质表面指的是水平、均匀、不发生形变的理想表面，只有在理想表面上，液滴才能有恒定的平衡接触角，因此这种表面只能通过特定的实验仪器精心制备。

三、实验结果分析

（一）粉尘的真密度

粉尘的真密度决定含尘气体在除尘器内的流动速度，真密度越大，粉尘颗粒受重力作用的影响越大，越容易沉降。经检测，湖南某石灰石矿露天采石场粉尘的真密度为2.32g/cm3，略高于飞灰的真密度，低于硅酸盐水泥粉尘的密度。

（二）粉尘形态

自然界中有规则和不规则的粉尘形态。通常情况下，形态规则的粉尘比表面积小，不宜捕集；而不规则的粉尘比表面积大，容易捕获。经XRD图谱分析（图2）分析，本粉尘的晶格常数为3.034 nm，以方解石组分为主，还有白云石、石英、云母石和高岭石等组分。粉尘颗粒的衍射峰高且尖锐，晶相含量较高；峰宽比较窄，晶粒尺寸比较大。从SEM表征图（图3）可看出本粉尘为块状晶体颗粒，属于规则形粉尘，不易被布袋除尘器等通过滤布等拦截或凝聚。

图2 XDR定性分析结果

图3 粉尘的SEM表征图

（三）粉尘粒度分布

粉尘的粒径分布不同，对人体的危害程度也不同，是评价粉尘危害的重要特性。通常，粒径为0.5～10μm的吸入性粉尘能沉降在气管和支气管内，尤其是7μm以下的粉尘颗粒能进入肺泡并长期滞留在内或穿过肺泡膜进入淋巴系统，危害极大；0.5μm以下的粉尘因重力小而阻留率低，对人体影响较小。因此，0.5～7μm的粉尘对人体健康的危害较大，尤其是0.5～5μm的颗粒。经激光粒度分析仪分析（图4），本粉尘的粒径分布中0.1～7μm的颗粒含量约占40%，0.1～5μm的颗粒占比为31.39%。

图4 粉尘的粒度分布图

（四）粉尘分散度

粉尘在空气中呈浮游状态存在的持续时间与粉尘分散度密切相关。悬浮时间越长，沉降越慢，人体吸入概率越大。由表2可知，通过滤膜溶解涂片分析，粒径范围在2.6～10μm之间的粉尘颗粒占64.36%，高于粒径为2.6μm以下、26μm以上和10～26μm之间的总和。从粉尘的职业危害情况来看，粒径小于10μm的粉尘占比77.23%，因此，露天采石场作业产生的粉尘可沉积在人体气管、支气管和肺泡等器官，对人体健康造成严重危害。