关于矿山防尘技术的应用现状分析及发展趋势探讨

罗晶晶

惠州蓝鼎环境科技有限公司

1 引言

改革开放以来，我国取得了举世瞩目的发展成就，而矿产资源的开发利用为这一成就的取得做出了极大贡献。矿产资源的开发环节主要涉及矿山生产，但矿山作业因为其工作场合和环境的特殊性，难免在生产作业中伴随产生矿尘。这些矿尘一旦被吸入人体内，会引发尘肺等严重疾病，危害作业人员的身体健康。此外，矿山作业中产生的一些粉尘在特定条件下可能会发生爆炸，进而可能造成极其严重的生命和财产损失，必须引起高度的重视。

鉴于此，我们有必要提高对矿山防尘工作的重视，通过科学应用矿山防尘技术并努力提升其应用水平，力求为矿山的生产作业营造一个良好环境。本文对当前矿山防尘技术的应用现状进行了分析，并进一步就其未来的发展趋势进行了探讨，希望对矿山作业中的粉尘防治工作能够产生一些有意义的借鉴。

2 矿尘的产生与危害概述

在矿山的生产作业中，因为涉及凿岩、爆破、破碎以及矿石的装卸等操作，所以难免会产生大量的微细粉尘，这些矿山根据存在状态可以分为浮游矿尘和沉积矿尘两类。前者主要代指悬浮于空气中的粉尘；后者就从空气中沉降下来的矿尘。在实际作业中，矿尘中的小颗粒越多，其分散度就越高。在湿式作业时，5μm以下的粉尘占比80%～90%。同时，考虑到许多岩石和矿石中都含有硅的氧化物，而SiO2又是最主要的硅的氧化物，所以矿尘中基本都会含有SiO2，特别是游离二氧化硅对人体会产生严重危害，其含量在矿山井下粉尘中的占比可以达到30%～70%，个别情况甚至可以达到90%以上，对其的防治工作必须得到高度重视。

矿山作业产生的粉尘无论是对人体健康还是生产安全都会产生巨大威胁，具体表现为以下三个方面：第一，对人体健康的危害。矿尘会严重人的身体健康，是矿山开采作业人员罹患尘肺等职业病的主要原因。它不仅会严重危害人的生命和健康，而且还会给国家、企业造成巨大的经济损失，并产生不良的社会影响，目前已经引起了社会的高度关注。第二，引发爆炸等安全事故。一些矿尘中含有易爆物质，导致其在高温、高压等特殊条件下会发生瞬间爆炸。由于爆炸会产生强大的摧毁力和破坏性，不仅会给企业的生产设施造成损害，导致巨大的经济损失，而且还会引发伤亡事故，必须强化对粉尘爆炸问题的防治处理工作。第三，加速机器磨损，使设备的使用寿命大大降低。矿尘中的大量小颗粒粉尘一旦进入到作业设备中，会导致设备的相对运动副产生较大的摩擦力，进而引起磨损。尤其是现代矿山生产中普遍都采用了机械化、电气化甚至自动化的作业方式，这其中的很多高精度设备对粉尘影响非常敏感，长久在恶劣的环境中工作会影响其使用性能和工作寿命。

3 防尘技术的应用现状分析

3.1 矿层注水

所谓矿层注水是通过钻孔将高压水注入矿体内部，在煤矿的开采除尘中应用较多。因为矿体的裂隙中被注入了水，使得矿尘湿润并产生黏结作用，这样在后续的破碎开采时就降低了矿尘的飞扬能力。同时，因为注水的作用，使得开采的破碎面大多有水存在，这就有效避免了开采中浮尘的产生。当然，考虑到很多矿层的透气性差且地应力较大，一般的注水技术在使用中存在较多限制，所以需要对注水的工艺、技术和设备进行进一步的深入研究，从而达到最佳的注水效果。

3.2 通风除尘

通风除尘指借助空气的流动将作业现场的悬浮矿尘带出，进而实现对工作场所矿尘浓度的降低。现阶段，通风除尘仍然是一种去除矿尘的主要技术手段，该技术的应用成效受到粉尘的密度、粒度、形状以及湿润情况的影响。在采用该技术时，空气流速必须达到最低排尘风速，而要想获得最佳的除尘效果，则应达到最优排尘风速。最低排尘风速指能够使呼吸性粉尘保持悬浮并伴随空气流动排出时的最低风速；而最优排尘风速则指在避免造成落尘二次飞扬的基础上，使得悬浮粉尘能够最大限度排出时的空气流速。

3.3 湿式作业

现代矿山作业主要采用湿式作业的方式进行排尘，它主要是利用水或其他液体与粉尘接触而达到捕获粉尘的目的，该技术被广泛应用于矿山生产中的破碎挖掘、爆破、装载运输等环节。采用湿式作业可以润湿粉尘，从而增加粉尘重力，使其避免在空气中悬浮，而且因为颗粒粉尘重力增大的缘故，还会使得其不宜产生二次飞扬，具有良好的除尘效果。

现实中，湿式作业根据其除尘机理，又可以进一步细分为以下两种：第一，湿法捕尘。直接向矿尘的产生源喷洒具有显著捕尘效果的液体，目前主要存在三种技术措施：喷雾除尘、喷雾降尘和覆盖防尘。所谓喷雾除尘是将液体直接向矿堆进行喷洒；喷雾降尘主要指向空气中喷射水雾或含有降尘剂的水雾，以实现湿润降尘的目的；覆盖防尘跟喷雾除尘类似，都是直接向矿堆进行喷洒，只不过喷洒物由清水变为了覆盖剂。第二，降尘。降尘主要指向含有粉尘的气旋中喷射含有湿润剂的水雾，因为加入了湿润剂，可以极大地强化液体对粉尘的润湿性，进而增强降尘效果。

3.4 净化风流

净化风流指在含尘空气流动的场所部署一些专业化的设施和设备，待粉尘气旋流过这些装置时对矿尘加以捕获，进而实现对矿尘的去除目的，该方法根据使用装置的不同主要有以下两种类型：第一，水幕净化入风流。顾名思义，就是通过安装水幕喷头（如图1所示）以布设水幕的方式，对入风流中的矿尘进行捕获去除。为了达到最佳的除尘效果，水幕应布满气流通道的整个截面且应尽量靠近尘源。水幕能对空气中的矿尘进行有效的净化处理，是当前降低风流矿尘浓度的一种有效举措。第二，湿式除尘装置。矿山除尘采用的湿式除尘装置又称集尘器或捕尘器，它是利用水或其他液体对气流中的矿尘进行捕集，进而达到降低气流或空气中粉尘浓度的效果。

图1 某型自动净化风流水幕喷头

3.5 化学降尘剂除尘

以上介绍的矿山防尘技术主要是物理手段，因为水的表面张力较高，所以很多细粉尘不容易被水迅速有效地湿润，再加上一些矿尘表现出了明显的疏水性，这就使得水的降尘效率受到了极大影响。而在水中添加化学降尘剂，可以显著改善水对矿尘的湿润效果，这对提升降尘效率具有积极意义。同时，考虑到单一的化学降尘剂在处理各种矿尘时的效果存在差异，即综合降尘效果欠佳的缺陷。在实际应用中可基于各类矿尘的润湿性，采用表面张力测量、接触角测量及矿尘沉降实验，复配优选出化学降尘剂，使降尘效果达到最佳化。最后，目前化学降尘剂的现场添加技术也存在一定不足和缺陷，无法实现应用于矿井下的可调比例降尘剂添加装置，因此还需要对降尘剂的添加装置进行优化设计，确保添加浓度稳定且易于调节。

3.6 泡沫除尘

所谓泡沫除尘是将泡沫剂和水按一定比例混合，然后通过发泡器产生大量高倍数的泡沫滴液，最后将泡沫滴液直接喷洒在尘源或者含有高浓度矿尘的空气中。当泡沫滴液被喷洒在尘源比如矿石和堆料上时，会形成没有空隙的泡沫覆盖，这样就起到了遮盖尘源的效果，而且能够让矿尘得到湿润和抑制。而当泡沫滴液向工作空间中的空气喷洒时，则会形成大量的泡沫粒子群并占满大量空间。因为泡沫粒子群的体积和面积比较大，所以就有效增加了雾液和尘粒的接触面和附着力，使得除尘效果达到最佳。泡沫除尘具有众多优点，它几乎可以将所有与泡沫相接触的粉尘都进行捕获，特别是对呼吸性粉尘有非常强的凝聚能力，这对提升除尘效果和降低矿尘对作业人员的危害意义重大。此外，与普通的湿式抑尘手段相比，泡沫除尘的用水量可以降低30%～80%，但除尘效率却能成倍数提升，这对节约水资源和减少煤矿废水排放也具有积极效果。最后，泡沫除尘采用的设备具有能耗小和投资低的特点，易于在广大矿山生产中进行普及推广，具有较大的应用潜力。

当然，为了使泡沫除尘效果得到进一步的提升改善，实践应用中应结合具体矿山的实际生产要求，尤其是根据其尘源的要求，研究采用具有较强针对性和契合性的泡沫除尘剂和相关的配套工艺设备，这样才能促使该技术的应用价值得到最大限度发挥。

3.7 磁化水除尘

一般湿式降尘技术是利用水雾粒子湿润和黏附粉尘，从而使粉尘不能处于悬浮状态，进而达到降尘目的。而普通水的表面张力较大，这限制了水对矿尘的湿润作用，进而对降尘效果产生了不利影响。而用经磁化处理过的水代替普通水进行喷雾除尘，可以在一定程度上减少水的表面张力，进而改善水对矿尘的湿润性能，这显然对提升降尘效果具有积极意义。此外，磁化水和普通水的蒸发率不同，磁化水的蒸发率在各种条件下都远高于普通的非磁化水，使得采用磁化水进行喷雾降尘时，工作空间含尘空气中的水蒸气分压比及其数量都会显著提升。这一方面增加了工作空间的含尘空气湿度，为降尘创造了有利条件；另一方面还利于破坏矿尘表面的气体薄膜，使得矿尘粒子的亲水性大幅提升，增强了降尘效果。最后，相关研究证实，在环境条件一致的情况下，经磁化处理后的水喷雾在含尘风流中的停留时间更长，而这就增加了水雾颗粒与矿尘颗粒发生膨胀和吸附的概率，也会在一定程度上改善除尘效果。

3.8 超声波除尘

现实中，矿山中的粉尘多种多样，而这些矿尘中一些可能具有疏水性，导致一般的湿式除尘手段效果欠佳。而采用超声波除尘技术，可以利用超声波的作用使得作业空间的含尘空气发生激烈震荡，这样就能加剧悬浮尘粒间的膨胀作用，促使尘粒凝结沉降。此外，还可以将超声波和湿式除尘技术进行结合应用，利用超声波的冲击震荡作用，可以将水雾化成极细微的雾滴，然后就近在尘源附近的空间对产生的粉尘进行捕集，实现就地抑尘。因为超声雾化产生的雾滴极其细微，所以耗水量非常少，同时抑尘后的物料增湿也不明显，对工艺流程及其相关设备运行产生影响极低。

在实践应用中，无论是直接采用超声波除尘还是将其与湿式雾滴除尘技术进行结合应用，都需要根据具体矿山生产空间内的粉尘浓度情况，对超声波的频率进行科学控制，这样才能保证最佳的除尘效果。

4 发展趋势探讨

4.1 实现粉尘浓度的自动在线监测

现实中，矿山防尘的一个首要工作就是对粉尘浓度进行有效监测，待浓度升高至警戒值时就必须立即采取有效地除尘措施，进而达到有效防尘的目标。鉴于此，未来的矿山防尘技术也必将会向着提升粉尘监测水平的方向发展，通过在关键节点部署浓度监测传感器，并借助信息网络传输实现对环境粉尘浓度的实时和在线监测。当监测到工作空间的矿尘浓度超过设定的警戒值时，系统能够自动启动全部降尘手段，使综合除尘能力达到最大化；反之，如果监测到的矿尘浓度低于安全值，则可以关闭一些非常规的防尘设施，仅保留常规手段进行除尘。自动化在线监测技术的应用可以让安全管理人员及时掌握矿尘分布及其危害程度，为及时采取有针对性的干预措施提供了基础依据。

4.2 强化生产工艺流程中的控尘效果

矿山在作业生产的过程中难以彻底避免粉尘产生，但通过对现有的生产工艺流程和相关设备进行改善，可以实现对粉尘产生的有效控制。强化生产环节的控尘效果，可以在源头就降低粉尘的产生量，这是解决矿山粉尘防治问题的根本性措施之一，也必然是矿产防尘技术发展的一个主流趋势。

4.3 综合防尘技术的开发应用

对于实际的作业而言，单一的防尘技术措施往往难以取得理想效果，所以为了提升矿山粉尘防治质量，未来的防尘技术必然会向着综合防尘技术的方向发展。通过对矿山的生产流程进行科学分析，在同一环节可以综合采用一系列的防尘技术手段，同时在不同环节对防尘技术措施间的衔接配合进行科学设计，进而构建出一个完善的矿尘防治体系，实现防尘效果的优化提升。