高效抑制劑在有色金屬礦山的應(yīng)用探索

郇偉靜，陳 圣

(1.中鐵資源集團(tuán)有限公司， 北京 100039； 2.北京融世杰機(jī)械設(shè)備有限公司， 北京 102600)

高效抑制劑在有色金屬礦山的應(yīng)用探索

郇偉靜1，陳 圣2

(1.中鐵資源集團(tuán)有限公司， 北京 100039； 2.北京融世杰機(jī)械設(shè)備有限公司， 北京 102600)

針對(duì)目前礦山粉塵的污染和危害問(wèn)題，通過(guò)與科研單位合作對(duì)國(guó)內(nèi)某典型大型露天礦山的粉塵樣進(jìn)行分析，研制出適合有色金屬礦山的高效抑制劑，進(jìn)行噴灑試驗(yàn)，并與傳統(tǒng)灑水降塵對(duì)比，改進(jìn)和完善了抑制劑配方。在礦山降塵和粉塵抑制方面做了探索性研究。

高效抑制劑； 有色金屬礦山； 露天礦； 探索性研究

1 前言

國(guó)內(nèi)外大氣質(zhì)量研究和環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,行車(chē)揚(yáng)塵是露天礦山最大的粉塵污染源, 也是礦區(qū)空氣污染的主要根源之一。車(chē)重引起的路面彎曲、下沉及龜裂、行車(chē)過(guò)程中發(fā)生顛簸等,也會(huì)加速地面自由顆粒變成粉塵的過(guò)程[1]。

礦山作業(yè)人員長(zhǎng)期吸入過(guò)量的粉塵, 輕者會(huì)出現(xiàn)皮膚、呼吸系統(tǒng)等疾病, 重者可引起塵肺病或肺部組織病變等。進(jìn)入肺部的粉塵超過(guò)50mg就會(huì)引起塵肺病,在各類(lèi)職業(yè)病中，塵肺病占總數(shù)的75%，專(zhuān)家估計(jì)我國(guó)塵肺病實(shí)際發(fā)生的病例數(shù)不少于100萬(wàn)人，且人數(shù)仍在不斷增長(zhǎng)[2～3]。粉塵不僅對(duì)人體造成巨大危害, 也對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和礦山設(shè)備產(chǎn)生巨大的破壞作用，大量的粉塵進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后會(huì)加劇零部件特別是發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損，一臺(tái)新車(chē)在低塵環(huán)境下, 大修前能行駛100 000km, 而在高塵環(huán)境下不到15 000km就需大修, 且增加油料消耗40%左右[4]。通常礦山主運(yùn)輸?shù)缆仿愤?m處的空氣含塵濃度高達(dá)750～800mg/m3，超過(guò)國(guó)家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的400倍左右，粉塵所造成的塵肺病不但嚴(yán)重威脅礦山職工的健康與生命，還給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響，已引起國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[5]。

因此, 世界各國(guó)紛紛開(kāi)展礦山降塵研究, 在道路灑水和抑制劑研制方面做了大量工作,也取得了可喜的成績(jī)。我國(guó)化學(xué)抑制劑的研究和應(yīng)用起步較晚，但發(fā)展迅速，涉及的領(lǐng)域也不斷拓寬，早期的潤(rùn)濕型和粘結(jié)型化學(xué)抑制劑對(duì)礦山降塵起到了積極作用，但由于應(yīng)用范圍不廣泛及價(jià)格較貴，灑水降塵是目前我國(guó)最常用的露天礦路面降塵方法，近年來(lái)，抑制劑研究正朝著價(jià)格更低、更環(huán)保和多功能型發(fā)展，相繼開(kāi)發(fā)出了高分子型、環(huán)保型、功能型抑制劑[6～7]。

2 礦山粉塵及影響因素分析

路面揚(yáng)塵屬于開(kāi)放性產(chǎn)塵，產(chǎn)塵點(diǎn)多且不固定、涉及面積大，具有陣發(fā)產(chǎn)塵的特點(diǎn)，因此粉塵散發(fā)到大氣中，不易通過(guò)常用的排氣罩等形式的除塵設(shè)備來(lái)控制，給防塵降塵帶來(lái)了很大困難。地面揚(yáng)塵濃度受風(fēng)速、路面巖土性質(zhì)、空氣中自然飄塵的多少、車(chē)輛行駛速度、車(chē)輛載重、行車(chē)密度以及路面巖土含濕量等多種因素的影響。

本文對(duì)我國(guó)東北某大型露天鉬礦山不同位置的典型粉塵樣品開(kāi)展粒度、天然含水量和飽和吸水率、礦區(qū)水土酸堿度等物理參數(shù)測(cè)試分析，在此基礎(chǔ)上，聯(lián)合有關(guān)科研單位和院校開(kāi)展針對(duì)有色金屬露天礦山的新型環(huán)保抑制劑研制和測(cè)試。

2.1 粒度分析

用GZX系列數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱對(duì)樣品進(jìn)行24h 60℃恒溫干燥；預(yù)篩分出粒徑大于0.9mm的粗塵與小石塊；最后用標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩對(duì)粒徑小于0.9mm的樣品進(jìn)行篩分試驗(yàn)，篩分結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 塵樣的粒度分析結(jié)果

總懸浮顆粒物TSP濃度(粒徑≤100μm)是評(píng)價(jià)大氣污染的重要指標(biāo)，其定義為懸浮在空氣中的顆粒物，而道路粉塵正是礦區(qū)TSP的重要組成部分。其中粒徑小于10μm的固體微粒(英文縮寫(xiě)PM10)，能較長(zhǎng)期地在大氣中漂浮，也稱(chēng)為浮游粉塵或可吸入顆粒物。篩分結(jié)果顯示粉塵樣品中大顆粒粉塵(粒徑大于0.1mm即100μm)和可降塵(10μm

2.2 天然含水量和飽和吸水率測(cè)試

天然含水量和飽和吸水率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2和表3。天然含水量平均值0.29%，飽和吸水率測(cè)試方法為首先將粉塵樣品進(jìn)行干燥處理，然后將處理好的粉塵干樣放置在經(jīng)干燥處理的玻璃器皿中，用滴定管對(duì)塵樣進(jìn)行滴定，待粉塵飽和吸水后，用干燥的定性濾紙將器皿中多余的分離水吸干并稱(chēng)重。

2.3 礦區(qū)水土酸堿度

礦區(qū)工業(yè)用水的酸堿度決定了對(duì)地表水質(zhì)的污染、對(duì)運(yùn)輸設(shè)備的腐蝕程度以及對(duì)周?chē)r(nóng)作物的影響程度。在灑水過(guò)程中，水溶解路面粉塵中可溶物質(zhì)，在一定程度上也改變水土的酸堿度。測(cè)試采用PHTESTER型PH計(jì)對(duì)工業(yè)用水樣品進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量之前，用緩沖液對(duì)PH計(jì)進(jìn)行兩點(diǎn)標(biāo)定，并得出兩點(diǎn)直線斜率為98%。測(cè)得工業(yè)用水在25℃時(shí)的pH值為7.42，然后采用所取土樣的混合樣，用工業(yè)用水樣品與之混合并攪拌，待粉塵全部沉淀后，測(cè)量粉塵上部液體的pH值，結(jié)果表明，混合樣25℃時(shí)的pH值為7.53，呈弱堿性。

表2 塵樣的天然含水量測(cè)試結(jié)果

表3 塵樣的飽和吸水率測(cè)試結(jié)果

3 高效抑制劑原理

根據(jù)不同的粉塵抑制機(jī)理，化學(xué)抑制劑總體上分為潤(rùn)濕型、粘結(jié)型、凝聚型和復(fù)合型4類(lèi)。其中復(fù)合型抑制劑是兩種及以上抑制劑在一定的物理或化學(xué)條件下復(fù)合而成的，可將濕潤(rùn)、黏結(jié)、凝并、吸濕保水等功能綜合為一體，是各種類(lèi)型抑制劑功能的統(tǒng)一。

由于抑制劑多在惡劣、復(fù)雜多變的環(huán)境下使用，為避免更多的試驗(yàn)失敗，因地制宜研究復(fù)合型抑制劑是極其必要的。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外主要抑制劑的研究成果顯著，配方多樣化方向發(fā)展[8]，主要配方見(jiàn)表4。

表4 近年來(lái)化學(xué)抑制劑主要配方

注: 表中百分?jǐn)?shù)均為質(zhì)量百分?jǐn)?shù),引用自陳高林等(2014)。

針對(duì)露天礦山采礦作業(yè)面礦塵的非晶態(tài)、高度復(fù)雜和不均一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及礦石表面的多孔特性，開(kāi)展礦塵表面濕潤(rùn)作用研究、表面電荷的中和作用研究、凝聚作用研究、保水作用研究及協(xié)同作用抑塵劑等研究，將具有濕潤(rùn)、保水、中和、凝聚作用的成分有效組合，使其協(xié)同作用，并添加一定的助劑，研究開(kāi)發(fā)出協(xié)同作用強(qiáng)、性?xún)r(jià)比高和環(huán)境友好的鉬礦礦塵化學(xué)抑制劑。進(jìn)一步研究篩選出具有多重作用的礦塵化學(xué)抑制劑成分。理論和實(shí)踐已經(jīng)證實(shí)，一些化學(xué)物質(zhì)既具有優(yōu)良的表面濕潤(rùn)作用，又具有優(yōu)良的保水作用，同時(shí)，如果該化合物帶有相應(yīng)電荷，則還具有中和礦塵表面電荷的作用。按照這一思路，還可有效地降低礦塵化學(xué)抑制劑的成本。

經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)研究，目前已經(jīng)形成的抑塵劑配方主要組分包括：浸潤(rùn)組分A、電中和組分B、凝聚組分C、保水組分D和助劑E。為便于運(yùn)輸，將以上5種組分制成粉狀，而且所有組分無(wú)毒、無(wú)腐蝕性，環(huán)境友好。實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果顯示，該抑塵劑可抑塵80%以上，其保水性提高50%，濕潤(rùn)性提高1～2倍，凝聚時(shí)間縮短2～3倍。

4 工業(yè)試驗(yàn)過(guò)程

經(jīng)過(guò)前期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并結(jié)合礦方生產(chǎn)計(jì)劃制定方案，選擇該露天鉬礦正常生產(chǎn)的運(yùn)輸干線公路及相似礦山先后作為試驗(yàn)區(qū)域，試驗(yàn)路段長(zhǎng)約150m，寬約15m，路基為碎石，路面有約4mm浮土，該路段礦石運(yùn)輸采用礦用自卸卡車(chē)。試驗(yàn)采用先測(cè)定灑水后粉塵濃度，再測(cè)定噴灑抑制劑后的粉塵濃度。

配制成濃度為50%的高濃度溶液運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后，灌裝到灑水車(chē)中，稀釋至5%，試驗(yàn)抑制劑用量0.5t(干粉)，5%溶液約10t。噴灑采用礦山常用灑水車(chē)進(jìn)行噴灑，灑水量 2.5kg/m2，與日常單次灑水量相同。

觀測(cè)方法包括視覺(jué)直觀觀測(cè)及儀器觀測(cè)。其中視覺(jué)直觀觀測(cè)，主要為視頻和照片拍攝，通過(guò)視覺(jué)這種直觀的方法來(lái)檢驗(yàn)抑制劑的保水和抑塵作用。

濃度測(cè)試采用英國(guó)進(jìn)口的CEL- 712實(shí)時(shí)粉塵濃度檢測(cè)儀測(cè)定灑水和灑抑制劑兩種狀態(tài)下的粉塵濃度，儀器測(cè)量范圍0.01～250g/m3，可監(jiān)測(cè)呼塵、PM10、PM2.5等參數(shù)。

試驗(yàn)時(shí)間共計(jì)48h，其中灑水和灑抑制劑狀態(tài)分別檢測(cè)24h，測(cè)得大量的粉塵濃度數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表5。

(1)PM10降塵效果分析。灑水1h后，PM10粉塵濃度最大值4 190μg/m3，平均值3 290μg/m3；灑抑塵劑1h后，PM10粉塵濃度最大值614μg/m3，平均值452μg/m3，灑抑塵劑比灑水平均多降2 676μg/m3，降塵率86.26%。灑水16h后，PM10粉塵濃度最大值35 600μg/m3，平均值28 700μg/m3；灑抑塵劑16h后，PM10粉塵濃度最大值5 021μg/m3，平均值4 270μg/m3，灑抑塵劑比灑水平均多降24 430μg/m3，降塵率85.12%。

表5 粉塵濃度數(shù)據(jù)匯總表

(2)TSP降塵效果分析。灑水1h后，TSP粉塵濃度最大值7 910μg/m3，平均值6 740μg/m3；灑抑塵劑1h后，TSP粉塵濃度最大值1 170μg/m3，平均值852μg/m3，灑抑塵劑比灑水平均多降5 888μg/m3，降塵率87.36%；灑水16h后，PM10粉塵濃度最大值80 200μg/m3，平均值67 500μg/m3；灑抑塵劑16h后，PM10粉塵濃度最大值8 230μg/m3，平均值7 540μg/m3，灑抑塵劑比灑水平均多降59 960μg/m3，降塵率88.83%。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)運(yùn)輸路面抑制劑的應(yīng)用類(lèi)型、降塵機(jī)理以及降塵效果進(jìn)行分析和總結(jié)，并結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況，確定了以具有濕潤(rùn)、中和、保水、凝聚協(xié)同作用的綠色環(huán)?；瘜W(xué)抑制劑作為研究方向。

(2)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)表明，高效抑制劑的降塵效果顯著，測(cè)試期間可使大氣粉塵PM10和TSP降塵率達(dá)85%以上，有效改善作業(yè)場(chǎng)所工作環(huán)境，單次噴灑抑制劑抑塵效果能持續(xù)24h，且后期只需要補(bǔ)噴低濃度(1%左右)或補(bǔ)加清水即可，操作簡(jiǎn)單。

(3)露天礦山在噴灑抑制劑后，路面平坦光滑，細(xì)塵、浮石明顯減少，路面質(zhì)量提高，抗碾壓性能增強(qiáng)。研究工作為今后開(kāi)展類(lèi)似試驗(yàn)提供了數(shù)據(jù)支持和經(jīng)驗(yàn)積累，具有積極的探索意義。

[1] 李曙光,張幼蒂.霍林河露天礦卡車(chē)調(diào)整模擬研究[J].化工礦山技術(shù),1990,(3):1-3.

[2] 王雪芹,鄭 雷,張飛天,張巨洲.煤礦綜采工作面高效抑塵系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].中國(guó)礦山工程,2015，44(4):65-67.

[3] 鄭 雷,王雪芹.煤礦粉塵爆炸事故樹(shù)分析[J].中國(guó)礦山工程,2015,44(3):69-72.

[4] 陳軍良,吳 超,張 強(qiáng).國(guó)內(nèi)外路面防塵技術(shù)研究現(xiàn)狀及評(píng)價(jià)[J].礦冶,1998,(1):8-13.

[5] 孫 偉,孫 晨.國(guó)內(nèi)選礦廠塵源分析和除塵設(shè)備概述[J].中國(guó)礦山工程,2015,44(6):60-65.

[6] 吳 超.化學(xué)抑塵劑的基礎(chǔ)研究及其在礦山中的應(yīng)用[A].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)博士學(xué)位論文,2000.

[7] 王姣龍,胡志光,張玉玲.化學(xué)抑塵劑的研究現(xiàn)狀分析[J].化學(xué)工程師,2014,(7)：51-53.

[8] 陳高林,王 飛,郭紅光.抑塵劑技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].煤炭技術(shù),2014,33(11):340-342.

Exploration on the application of efficient inhibitor in nonferrous metal mines

In view of the pollution problems and hazards of mining dust at present, the dust samples in a large domestic typical open pit mine were analyzed by cooperated with scientific research institutes, then developed efficient inhibitor suitable for non-ferrous metal mines. Spraying tests were carried on and compared with traditional watering, and based on it the inhibitor formulation was improved. This work is an exploratory research for reducing mine dust.

efficient inhibitor; nonferrous metal mines; open pit mine; exploratory research

1672-609X(2017)02-0019-03

TD714

A

2017-01-06

郇偉靜(1987-)，男，江蘇沭陽(yáng)人，碩士，工程師，從事礦山地質(zhì)工作。