露天礦井作業(yè)環(huán)境分析與治理

張晉源

（山西忻州神達(dá)朝凱煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

與井工煤礦相比較，露天礦井采煤工藝簡(jiǎn)單，開采過程中瓦斯、水害等災(zāi)害發(fā)生率大大降低，且不存在頂板、沖擊地壓等礦井災(zāi)害。但是露天礦井開采過程中，粉塵污染較為嚴(yán)重。粉塵不僅能夠污染大氣環(huán)境，造成空氣中顆粒物的增加，降低作業(yè)過程中的能見度，而且能夠?qū)е聣m肺病，威脅著作業(yè)工人的身體健康和生命安全[1]。生產(chǎn)過程中采用普通噴霧降塵手段，水、粉塵與開采設(shè)備會(huì)發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，能大大縮減設(shè)備的使用壽命，增加礦井生產(chǎn)成本。山西忻州神達(dá)朝凱煤業(yè)有限公司開采過程中作業(yè)環(huán)境污染較重，主要為粉塵污染，礦井鉆機(jī)口、司機(jī)室及鏟裝工作面粉塵最高濃度分別為1386.9mg/m3、102.5mg/m3及 135.6mg/m3。 因 此，對(duì)生產(chǎn)過程中的粉塵污染源及特點(diǎn)進(jìn)行分析，改進(jìn)原有降塵措施，提高降塵率，最大限度地減少粉塵的危害十分必要。

1 礦井概述

山西忻州神達(dá)朝凱煤業(yè)有限公司兼并重組整合露天煤礦位于寧武縣城東北方向，直距約9.3km，運(yùn)距16km，北部礦田位于薛家洼鄉(xiāng)西溝村一帶，南部礦田位于陽方口鎮(zhèn)郭家窯、鳳凰鎮(zhèn)馮家山村、薛家洼鄉(xiāng)麻地溝、薛家洼村一帶。該礦田主要可采煤層為太原組2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)，可采煤層特征如表1所示。

表1 可采煤層特征表

2 粉塵污染源及特點(diǎn)

2.1 粉塵污染源

露天礦井生產(chǎn)、運(yùn)輸設(shè)備多，設(shè)備運(yùn)移期間地面粉塵飛揚(yáng)；露天礦井一般采用爆破的方式進(jìn)行鉆孔及落煤，產(chǎn)塵量大；煤炭在運(yùn)輸過程中，由于車速較快，路面積塵較多，粉塵瞬間產(chǎn)生量很大。因此，露天礦井粉塵污染源主要包括三大部分：采掘爆破產(chǎn)塵、設(shè)備運(yùn)移產(chǎn)塵以及運(yùn)輸產(chǎn)塵。

（1）采掘爆破產(chǎn)塵

露天礦井一般用鉆機(jī)穿孔，目的是將巖層松動(dòng)，之后對(duì)松動(dòng)的巖層進(jìn)行采掘。鉆機(jī)是用牙輪鉆頭開鑿巖石層形成鉆孔，再用高壓氣體把鉆孔內(nèi)滯留的粉塵吹出從而形成爆破孔。目前鉆機(jī)采用的濕式除塵和干式除塵，除塵效果并不顯著。

在巖層及煤層上部鉆眼后，在爆破孔中填入炸藥并進(jìn)行引爆，此時(shí)由于小空間內(nèi)炸藥分布密集，爆破后的瞬間粉塵產(chǎn)生量非常大，且伴隨著巖層和煤層的爆破，大塊碎石瞬間被粉碎成顆粒物，并伴隨著壓力波向外擴(kuò)散。因此，爆破煤層和巖層是露天煤礦重要的產(chǎn)塵源之一。

（2）設(shè)備運(yùn)移產(chǎn)塵

由于露天煤礦在開采過程中需要較多的設(shè)備進(jìn)行工作，因此，當(dāng)進(jìn)行完工作面的采掘時(shí)，設(shè)備應(yīng)隨作業(yè)區(qū)域進(jìn)行移動(dòng)。由于作業(yè)過程中粉塵產(chǎn)生量較大，且顆粒大的粉塵由于沉降作用到達(dá)地面，形成粉塵層，當(dāng)設(shè)備進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，粉塵開始飛揚(yáng)，影響工人作業(yè)[2]。

（3）運(yùn)輸產(chǎn)塵

運(yùn)輸卡車進(jìn)出礦區(qū)產(chǎn)生的粉塵是露天煤礦最大的產(chǎn)塵源，滿載時(shí)重量達(dá)到數(shù)百噸的卡車在礦區(qū)內(nèi)行駛時(shí)使地面及巖層產(chǎn)生大量的揚(yáng)塵，卡車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的氣流也會(huì)造成二次揚(yáng)塵。在大型露天煤礦的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，卡車作業(yè)時(shí)粉塵濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出崗位標(biāo)準(zhǔn)[3]。

2.2 粉塵的特點(diǎn)

為進(jìn)一步了解該礦作業(yè)過程中粉塵粒徑分布的實(shí)際情況，采集該露天礦井的粉塵，利用Winner3001干粉粒度測(cè)試儀（如圖2所示）進(jìn)行測(cè)試，得到粉塵特性分析表，如表2所示。

圖1 干粉粒度測(cè)試儀

表2 粉塵粒徑分布表

從表2中可以看出，該礦D10為4.01μm，D50為7.89μm，D90為27.83μm，而峰值粒徑7.13μm粉塵的累計(jì)體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)達(dá)到40%以上。按照粉塵被人體吸入的情況來看，這種粒徑的粉塵塵粒進(jìn)入呼吸道后，5μm左右的塵粒能達(dá)到和沉積于肺泡中，是引起塵肺的主要塵粒，因此會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生非常大的危害。

3 作業(yè)環(huán)境治理措施

該礦在開采過程中，作業(yè)環(huán)境污染較為嚴(yán)重，不僅開采過程中粉塵濃度遠(yuǎn)超國家標(biāo)準(zhǔn)，且其他災(zāi)害較為嚴(yán)重，威脅著礦井的高效生產(chǎn)和工人的身體健康，因此，需通過改進(jìn)原有措施，來有效治理作業(yè)環(huán)境。

3.1 粉塵治理

3.1.1 現(xiàn)有降塵方法

（1）道路降塵

① 道路灑水降塵優(yōu)先使用廢水，尤其是礦坑積水，使其兼有疏干排水的功效。

② 道路灑水要恰到好處，既抑制塵土，又減少設(shè)備運(yùn)行的阻力，且不發(fā)生打滑現(xiàn)象。

（2）采掘降塵

采取有效的除塵設(shè)施、措施，鉆機(jī)操作人員要配戴必要的勞動(dòng)保護(hù)用品，主要采用噴霧降塵措施，利用通水管道將儲(chǔ)存的水釋放，使得水分子與煤塵進(jìn)行兩相耦合，充分潤(rùn)濕煤塵，并使之發(fā)生沉降，從而降低粉塵濃度。

3.1.2 現(xiàn)有措施的改進(jìn)

（1）噴霧降塵

噴霧降塵是利用噴霧灑水器向開采過程中的煤炭或者運(yùn)輸中煤炭進(jìn)行噴霧灑水，一方面可以增加煤炭的外部水分，另一方面增加含塵空氣濕度。漂浮的煤塵塵粒相互凝聚，塵粒體積逐漸增大而沉積下來，從而達(dá)到消除煤塵、凈化空氣的目的。

改進(jìn)方法為采用噴霧聯(lián)動(dòng)法進(jìn)行降塵。噴霧裝置在聯(lián)動(dòng)法的基礎(chǔ)上配合粉塵傳感功能，可以控制噴霧水量，依靠連鎖運(yùn)作擁有一定程度的自動(dòng)控制功能，減少人工操作環(huán)節(jié)，從而降低了粉塵對(duì)工人健康的危害。噴霧降塵裝置的啟動(dòng)開關(guān)與采掘過程實(shí)現(xiàn)連接后，通過聯(lián)動(dòng)環(huán)節(jié)帶動(dòng)噴霧系統(tǒng)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴霧。該噴霧降塵裝置是通過球形閥來實(shí)現(xiàn)噴霧裝置與輸送機(jī)的聯(lián)鎖。如圖2所示。

裝置除了實(shí)現(xiàn)作業(yè)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)與相應(yīng)的噴霧灑水系統(tǒng)同時(shí)啟停的功能外，還能根據(jù)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的效率、速度狀態(tài)等來調(diào)節(jié)水量，使之符合目前狀態(tài)而避免水量過少或水量泛濫，并可針對(duì)各種不同塵源進(jìn)行有效的噴霧降塵，從而大大提高噴霧除塵效果。

圖2 聯(lián)動(dòng)法示意圖

（2）抑塵劑降塵

礦井除塵用的泡沫是由空氣分散在含有發(fā)泡劑的水中所形成的分散物，是一種通過物理機(jī)械攪拌形成的物理性的泡沫。除塵過程中既要求倍數(shù)高，又要對(duì)粉塵起到加速濕潤(rùn)的效果，因此采用現(xiàn)有化學(xué)抑塵劑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的除塵。

將抑塵劑同水混合形成抑塵劑溶液，然后通過管路或噴嘴輸送或噴射至各產(chǎn)塵源。影響抑塵劑溶液除塵效率的因素有兩個(gè)：濃度和添加調(diào)配方法。

一般抑塵劑有兩種添加調(diào)配方法：（1）單箱調(diào)配方法。對(duì)小型試驗(yàn)可采用固定容積的箱體，一次調(diào)配后，供試驗(yàn)應(yīng)用。（2）連續(xù)添加方法。在實(shí)際生產(chǎn)中，長(zhǎng)周期連續(xù)添加配制固定濃度的添加方法。

3.2 礦井其他災(zāi)害處理

原井工礦開采區(qū)域由于存在采空區(qū)、火區(qū)、積水等情況，危及采礦作業(yè)安全。尤其是火區(qū)，部分煤層燃燒，浪費(fèi)煤炭資源，產(chǎn)生的CO2、CO、H2S等氣體進(jìn)入大氣層中，污染生態(tài)環(huán)境。

（1）火災(zāi)治理

火區(qū)范圍通常很大且其邊界模糊，具有不確定性，伴隨采礦活動(dòng)逐漸出露。將火區(qū)分割成不相連各小塊，分別滅火；向已隔離小塊火區(qū)注漿，然后封閉，壓埋、降溫及隔絕空氣使火窒息，達(dá)到滅火目的。

（2）其他災(zāi)害治理

從高溫區(qū)和火區(qū)采挖出來的剝離物，應(yīng)排放到規(guī)定的排土地點(diǎn)，無論是否有余溫、暗火或明火，都應(yīng)及時(shí)進(jìn)行掩埋。掩埋厚度不得小于0.5m，用于掩埋的物料，必須是透氣性不良的沙土，禁止使用硬質(zhì)巖石直接掩埋。

從高溫區(qū)和火區(qū)采挖出來的原煤，禁止與正常煤堆混堆，應(yīng)經(jīng)徹底降溫滅火處理后，才可以混堆和銷售。

3.3 應(yīng)用效果

對(duì)比不同階段的粉塵濃度，得到改進(jìn)后的降塵效果。未采取改進(jìn)措施時(shí)，粉塵濃度如表3所示。

表3 未采取改進(jìn)措施時(shí)粉塵濃度測(cè)定表

采取改進(jìn)的防塵措施后，粉塵濃度如表4所示。

表4 采取改進(jìn)措施后粉塵濃度測(cè)定表

通過對(duì)比不同階段的粉塵濃度可以看出，鉆機(jī)口附近的粉塵濃度由528.4mg/m3降至10.4mg/m3，降塵率達(dá)到98%；司機(jī)處的鏟裝工作面的粉塵濃度分別由35.6mg/m3和46.8mg/m3降至1.8mg/m3和2.3mg/m3，降塵率均為95%。由此可以看出，在采用噴霧聯(lián)動(dòng)裝置和化學(xué)抑塵劑后，粉塵濃度得到有效降低，降塵率均高達(dá)95%及以上。