鐵礦采場多組份水炮泥抑制爆破煙塵試驗研究

王天暘 金龍哲 郭敬中 劉建國 鞏 琦

（1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083）

采場爆破是金屬礦山井下最主要的生產方式[1]，在爆破瞬間會產生一種集氣體、液體及固體的多相混合物，俗稱炮煙[2]。炮煙中含有大量粉塵，根據采掘爆破監(jiān)測發(fā)現，爆破后瞬間作業(yè)地點粉塵濃度最高可達2 000 mg/m3，此外由于裝藥量大、裝藥結構不合理等因素會造成炸藥爆破反應氧平衡的偏離，進而生成以CO、NO等為主的有毒有害氣體。這一工序生成的爆破煙塵不僅嚴重危害井下工作人員的身體健康、引發(fā)塵肺病[3]、中毒，而且經回風井排至井上也會對大氣環(huán)境造成污染，引發(fā)霧霾[4]，因此采取有效措施降低采場爆破煙塵具有重大意義。

多組份水炮泥作為一種從源頭治理粉塵的技術，其實質是對普通水炮泥的改進，即在水炮泥袋中加入定量的高效抑塵劑，并與清水混合形成溶液充填于炮孔內，在爆破時抑塵劑被高溫高壓充分汽化形成霧滴，并與同時產生的粉塵相接觸、潤濕、凝結，從而起到降塵除煙的作用[5-6]。

近年來，針對多組份水炮泥，國內外學者已開展了一些相關研究，如金龍哲[7]等對水炮泥加入一定量的添加劑，證明可以降低溶液的表面張力，提高爆破瞬間的霧化效果，加快粉塵的沉降速度；杜翠鳳[8]等開展了富水膠凍炮泥降塵機理的實驗研究，得出炮泥與粉塵的吸附作用主要是以物理吸附作用為主，化學吸附占吸附總量的很少一部分。李向東[9]等研制了一種新型水炮泥，設計了添加劑在水炮泥袋中的添加方案和制作工藝，并進行了現場對比試驗，結果顯示加入添加劑后水炮泥爆破全塵降塵率提高了40%以上。基于文獻研究發(fā)現，多組份水炮泥降塵技術較多應用于煤礦，在金屬礦山、尤其是垂直中深孔爆破的礦山應用極少，此外，目前研究多側重于降低粉塵，并未系統(tǒng)開展抑制采場CO、NO等有毒有害氣體的機理分析以及現場試驗。

為此，本項目研制了新型多組份水炮泥配方，并以南京梅山鐵礦為試驗地點，開展了典型金屬礦山采場多組份水炮泥抑制爆破煙塵的現場試驗，以期為采場爆破粉塵及有毒有害氣體的治理提供理論指導和試驗數據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

在現場試驗開始前，首先在實驗室進行了多組份水炮泥配方的研制。通過對多種表面活性劑、降毒劑進行了正交復配，得到了新型表面活性劑，隨后將其與吸濕性無機鹽混合、通過熱合成工藝得到了多組份水炮泥添加劑配方，根據表面活性劑添加量不同3種配方記為J1、J2、J3，利用QBZY-2表面張力儀和Walker法測定了純水和3種配方的表面張力和潤濕速度，測定結果如表1所示。

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實驗結果顯示：3種配方J1、J2、J3相較于純水，密度略有增大，表面張力降低明顯，潤濕速度大幅度提高；且隨著表面活性劑添加量逐漸增加，J1、J2、J3密度沒有明顯變化，表面張力逐漸降低，潤濕速度逐漸增加，潤濕效果越來越好，其中J3的表面張力最低，潤濕速度最快，分別為27.66 mN/m和1.76 mg/s。由于試驗條件與時間受限，最終選擇潤濕效果較好的J2、J3作為現場試驗開展的水炮泥添加劑配方，添加劑與水比例均為最佳比例1∶10。

1.2 試驗參數

選取南京梅山鐵礦-318 m水平西區(qū)北16巷道型采場作為試驗地點，試驗參數如下：采礦方法為無底柱分段崩落法，通風方式采用多級機站通風，巷道斷面為5.5 m×4 m的五分之一拱型；采礦炮孔為垂直上向扇形中深孔，孔徑91 mm，崩礦步距2.4 m，單排炮孔數量9個，炮孔布置示意圖如圖1所示；回采爆破采用逐孔微差爆破，孔內炸藥為工業(yè)乳化粒狀銨油炸藥，裝藥密度0.95～1.05 g/cm3，炸藥量950 kg/次，每個炮孔內均裝填1個水炮泥，由于炮孔是上向孔，特研制了水炮泥輸送器，防止水炮泥在輸送過程中從孔中滑落，同時也提高了炮孔的封堵質量，孔內多組份水炮泥裝填示意圖如圖2所示。

在試驗過程中，采用2臺GCD-1000粉塵濃度傳感器以及2臺CCZ-20粉塵采樣器測定采場的粉塵濃度，2臺采樣器分別測量呼吸塵和全塵，且用于對傳感器在線監(jiān)測數據的校準。設定2臺采樣器的采樣流量均為15 L/min，全塵采樣5 min，呼吸塵采樣10 min。此外采用3臺SJ-2104Jlus系列傳感器分別對3種有毒有害氣體CO、NO、SO2進行在線監(jiān)測。所有測量數據直接傳輸到計算機和無紙記錄儀。為避免采場爆破沖擊波對設備的影響，塵、煙監(jiān)測點設置在距離爆破迎頭正前方40 m處，且設計了移動防爆監(jiān)測車對測量設備進行了集成防護，最后在靠近巷旁高度1.5 m處安設了2組錨桿，利用鐵索將監(jiān)測車與錨桿固定，增加了測量的穩(wěn)定性及可靠性。監(jiān)測點及塵、煙在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖3所示。

爆破前首先完成監(jiān)測系統(tǒng)的布置，并在井下完成多組份水炮泥的灌裝。為保證試驗的可比性，使每次爆破的炸藥量及采樣距離保持一致，本研究通過定點監(jiān)測與在線監(jiān)測相結合的手段測定了采場爆破后不裝水炮泥、裝清水、裝2種配方J2、J3多組份水炮泥的粉塵濃度變化以及有毒有害氣體濃度變化，經儀器校準、地面稱重等得到了各項試驗數據。

2 結果分析與討論

2.1 多組份水炮泥抑塵效果分析

為了分析對比多組份水炮泥的降塵效果，參照行業(yè)標準《MT/T 712-1997煤礦防塵措施的分級除塵效率》[10]，引入2個計算式，全塵相對降塵率β1及呼塵相對降塵率β2，分別如式（1）、式（2）所示。本次試驗的粉塵效果檢驗以CCZ20呼吸性粉塵采樣器定點監(jiān)測的數據為主，主要數據如表2所示。

式中，Q1為不裝水炮泥時的全塵濃度，mg/m3；Q2為添加普通水炮泥或多組份水炮泥時的全塵濃度，mg/m3。

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式中，C1為不添加水炮泥時的呼塵濃度，mg/m3；C2為添加普通水炮泥或多組份水炮泥時的呼塵濃度，mg/m3。

試驗結果顯示，采用多組份水炮泥后，全塵濃度以及呼塵濃度都有了非常明顯的降低，其中采用J3配方全塵濃度和呼塵濃度達到了最低，說明J3配方的多組份水炮泥降塵效果最好，這與之前實驗室表面張力的測定結果是一致的。此外在全塵相對降塵率方面，J2配方相較于普通水炮泥提高了6.8%，J3配方提高了13.2%；在呼塵降塵率方面J2配方相較于普通水炮泥提高了30%，J3配方提高了47.2%；說明多組份水炮泥在降低呼吸性粉塵方面相較于全塵效果更為明顯。究其原因，是多組份水炮泥中加入的無機鹽類和表面活性劑，表面活性劑降低了溶液的表面張力，提高了對5 μm以下微細粉塵的潤濕能力和捕捉能力，另外由于加入無機鹽類后，多組份水炮泥水溶液的密度相較于清水略大，在爆破時更加具有迸發(fā)力，提高了霧化程度，也提高了與粉塵的碰撞效果。因此多組份水炮泥具有更好的呼吸性粉塵抑制效果。

2.2 多組份水炮泥抑制有毒有害氣體效果分析

基于塵煙在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數據，由于SO2濃度太低，所以忽略不計，最終得到了不裝水炮泥，裝普通水炮泥，裝J2、J3多組份水炮泥4種裝填類型的CO、NO濃度變化規(guī)律，繪制了累積峰值擬合曲線，分別如圖4、圖5所示，并進行了對比分析。

通過觀察圖4發(fā)現，采場爆破不同水炮泥裝填類型的CO濃度擴散均有著相似的規(guī)律，即在擴散過程中存在2個峰值，可稱為“雙峰曲線”。分析產生這種規(guī)律的原因，以圖5（a）不裝水炮泥為例，從10 min處爆破開始階段，部分炮煙及粉塵在沖擊波的作用下迅速涌出，導致監(jiān)測點處CO迅速攀升，首先達到第1個峰值，即最大值2 254×10-6。隨后由于爆破產生的局部負壓，使得聯(lián)絡道中的大量新鮮空氣涌入采場內部，沖淡了部分煙塵，所示監(jiān)測點CO濃度迅速下降至1 119×10-6。然后待采場內部壓力平衡后，在多級機站通風的作用下，采場內部存留的炮煙在風流作用下向采場外部擴散，再次經過監(jiān)測點使得CO緩慢上升，達到第2個峰值。最后炮煙不斷在風流的作用下排出采場，CO濃度逐漸下降至監(jiān)測結束。基于“雙峰曲線”的規(guī)律，建議礦井在CO濃度二次上升前，在采場口布置噴嘴噴灑水炮泥添加劑溶液，形成霧幕，進一步抑制CO濃度，縮短CO排出采場的時間。

通過分析對比不同裝填類型水炮泥產生CO的濃度最大值，得出多組份水炮泥對CO的抑制效果顯著，其中裝J3配方的多組份水炮泥抑制CO效果最好，最大值相較于不裝水炮泥降低了52.5%，相較于普通水炮泥降低了51.9%。此外，參照《GBZ2-2007工作場所有害因素職業(yè)接觸限值》[11]引入NO和CO的職業(yè)接觸限值，經換算NO為11.2×10-6，CO為16×10-6。通過觀察圖4發(fā)現，相較于不裝水炮泥和普通水炮泥，多組份水炮泥CO濃度達到職業(yè)接觸限值的時間平均縮短了30～50 min。說明多組份水炮泥有著顯著抑制CO的效果。基于引言中提到的CO的產生原因，進一步分析多組份水炮泥對CO的抑制機理，主要有以下3點。

（1）加入多組份水炮泥以及水炮泥輸送器后提高了炮孔的裝藥結構和封泥質量，在爆破瞬間能夠將炸藥爆炸產物在短時間內密閉在炮孔內，使炸藥的靜壓膨脹作用得到充分利用，有利于炮眼內保持高溫、高壓狀態(tài)，使炸藥充分反應，接近零氧平衡狀態(tài)[12]，從而減少CO生成量。

（2）相較于清水，多組份水炮泥中添加劑溶液密度較高，提高了爆破時的迸發(fā)力，也提高了溶液在爆破瞬間的霧化程度，加大了水霧與煙氣的接觸面積；由于爆破產生的高溫高壓，且梅山鐵礦礦粉的主要成分是赤鐵礦，含有大量的Fe2O3，所以進而促成了如（3）式化學反應的發(fā)生，降低了CO濃度。

（3）多組份水炮泥的添加劑中含有弱堿性化學活性劑，其pH值為8左右，爆破后產生的氣體與水發(fā)生化學反應后形成的產物為酸性物質，再與多組份水炮泥中的堿性溶液發(fā)生中和反應，加速了（3）式的正向反應，也加速了有害氣體的溶解和分解[13]，提高了除煙效率。

對比圖4與圖5可知，不同水炮泥裝填類型的NO濃度變化與CO濃度變化有著幾乎相同的趨勢，說明NO濃度變化同樣滿足“雙峰曲線”的規(guī)律。再對比圖5的NO濃度最大值以及爆破后達到NO職業(yè)接觸限值的時間，發(fā)現多組份水炮泥與普通水炮泥對NO的抑制效果均有著明顯的效果，最大值相較于不裝水炮泥降低了40%左右，爆破后達到NO職業(yè)接觸限值的時間平均縮短了14 min。即在降低NO濃度方面，水炮泥的應用起到了良好效果。且由于普通水炮泥有著與多組份水炮泥有著近乎等同的效果，說明在抑制NO的過程中，水炮泥添加劑本身起到的作用十分有限，反而清水起到了至關重要的作用，分析認為NO的化學性質非常活潑，當它與氧氣遇到即可發(fā)生反應生成NO2，NO2再與爆破后水炮泥產生的水霧發(fā)生反應可生成硝酸，進而減少了NO的生成量。

3 結 論

（1）J3配方的多組份水炮泥降塵效果最好，與實驗室表面張力的測定結果一致，相較于普通水炮泥，全塵相對降塵率提高了13.2%，呼塵相對降塵率提高了47.2%，說明多組份水炮泥在降低呼吸性粉塵方面相較于全塵效果更為顯著。

（2）不同水炮泥裝填類型采場爆破的NO和CO濃度變化都滿足“雙峰曲線”規(guī)律，基本具有普遍性。基于“雙峰曲線”，建議礦井在炮煙濃度二次上升前，在采場口布置噴嘴噴灑水炮泥添加劑溶液，形成霧幕，進一步抑制炮煙濃度，縮短炮煙排出采場的時間。

（3）多組份水炮泥對NO和CO均有著明顯的抑制效果，在抑制CO方面，最大值降低了52.5%，爆破后達到職業(yè)接觸限值的時間平均縮短了30～50 min；在抑制NO方面，最大值相較于不裝水炮泥提高了40%左右，爆破后達到NO職業(yè)接觸限值的時間平均縮短了14 min。

（4）在抑制CO方面，多組份水炮泥明顯優(yōu)于普通水炮泥，說明多組份水炮泥中的添加劑對抑制CO效果顯著；而在抑制NO方面，普通水炮泥有著與多組份水炮泥近乎相同的效果，說明清水對NO的抑制起到了關鍵作用。