我国金属矿山粉尘防治技术研究现状及展望

李 刚 吴将有 金龙哲 郭敬中，5

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，安徽马鞍山243000；2.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司，安徽马鞍山243000；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽马鞍山243000；4.北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083；5.华北科技学院安全工程学院，河北廊坊065201）

能源与资源是人类社会生存和发展的主要物质基础，在我国，矿产资源是工业生产的主要能源和原料。随着社会经济和人类物质需求的快速增长，矿产资源的消耗量也与日俱增。为了能够满足人类社会对矿产资源的需求，矿山企业必须朝着大规模、大产能方向发展，不断更新生产工艺与设备，提高自身的生产效率。随着矿山开采强度和机械化程度的不断提高，导致作业环境和生产岗位产生的粉尘浓度不断增加，严重威胁到矿山的安全生产和作业人员的身心健康，同时也在一定程度上浪费了矿物资源。

金属矿山在采选生产过程中，均会有大量的粉尘产生。粉尘的产生，一方面污染工作场所，产生一系列的环境污染问题，尤其是粒径小于5 μm的呼吸性粉尘，其分散度高、粒径小、比表面积大、吸附能力强、不易沉降，在作业岗位环境气流的扰动下，长期悬浮于空气环境中；另一方面，金属矿山粉尘还会对生产作业人员造成安全与健康问题，由于金属矿山粉尘大多含有游离二氧化硅，生产设备和工艺产尘浓度大且呼吸性粉尘所占比例很大，作业人员长时间处于这种生产环境中，大部分粉尘可以直接通过人体呼吸道进入肺部，可能引发尘肺病［1-4］。

近年来，我国金属矿山粉尘防治技术发展方面取得了显著进步，相关科研院所、高校、企业研究开发了一系列粉尘防治关键技术并应用于生产实践。目前金属矿山粉尘防治技术的主要研究对象为微细粉尘和无组织扩散粉尘。经过长期以来的摸索和实践，在粉尘防治技术领域，除了湿式作业和个体防护等职业卫生管理措施外，主要形成了通风排尘、密闭控尘、喷雾除尘、抑尘剂降尘、除尘器捕尘、幕帘隔尘等6个方面的防尘控尘技术及装备体系［5-9］，大多数学者主要在其中的某个单一粉尘防治技术方向开展研究，对于综合防尘控尘技术及装备的研究甚少［10-14］。随着矿井开采深度和生产规模的日益增加以及机械化程度的不断提高，粉尘污染治理变得日益复杂化［15-18］。目前，金属矿山粉尘防治技术的相关研究也开始暴露出局限性：首先是矿山粉尘治理的复杂化与现有研究技术单一化之间的矛盾日益突出，矿山粉尘治理是一项综合防治的系统工程，应充分考虑到各产尘点的产尘机理不同，研究有针对性的综合防控技术；其次是片面追求除尘设备的除尘效率和作业环境、生产岗位粉尘浓度仍然超标之间的矛盾，目前对除尘技术的研究主要集中在对除尘器的研究，忽略了从生产环节的产尘点进行源头治理。同时，对于井下粉尘防治，矿井通风系统担负着向矿井提供新鲜空气、排除有害气体与粉尘的重要任务，是矿山生产中不可或缺的关键系统，通风系统的有效性和可靠性关系到井下采矿作业安全及矿区周边环境问题，但目前矿井通风系统的研究未能与井下粉尘治理进行更为紧密的结合。井下粉尘若无法得到有效治理，不仅会污染作业环境和危害作业人员身心健康，还会随矿井排风排入大气，造成矿区周边大气环境二次污染。

为全面贯彻落实2018年国务院提出的“尘肺病防治攻坚行动”和2019年国家启动的《健康中国“2030”》战略规划，切实保障矿山劳动者的职业健康，本研究综述了近年来金属矿山粉尘防治领域的研究成果，尤其是“十三五”期间我国在金属矿山粉尘防治方面的研究进展，同时指出了粉尘防治技术存在的主要问题，提出了金属矿山粉尘防治研究的发展方向，为进一步解决我国金属矿山粉尘危害问题，改善矿山作业环境，预防尘肺病提供有益参考，为实现科学采矿、加快绿色矿山建设提供理论和技术支撑。

1 金属矿粉尘危害现状

1.1 尘肺病危害情况

粉尘是金属矿山生产中最主要的职业病危害因素。据统计，目前我国各类金属矿山已逾80 000座，在矿山采选过程中，作业场所和生产岗位粉尘污染非常严重。根据国家卫生部门统计，近10年来，我国安全生产形势虽然持续好转，但尘肺病尤其是矿山尘肺病新增病例数量一直居高不下。2009—2018年我国各类职业病病例累计报告超过27万例，其中超过23.5万例职业病为尘肺病，尘肺病病例数量占职业病总病例的87%左右。从尘肺病病例行业分布来看，各类矿山尘肺病患者数量占全国尘肺病总人数的比例接近90%，图1为2009—2018年我国新增职业 病和尘肺病患者统计情况。

由图1可知：近10年来的职业病发病情况整体呈上升趋势，预测未来数年，新发尘肺病例数仍将位列各类职业病第一位，尘肺病仍然是危害矿山井下作业人员身体健康最严重的职业病。造成矿山尘肺病危害的严重现状，除了粉尘防治的相关技术研究无法有效满足矿山粉尘危害防控的需求之外，还主要与矿山企业的职业健康管理水平、工艺装备自动化水平以及职业卫生工程防护水平不高以及作业人员职业病危害防护意识淡薄密切相关。

1.2 作业岗位粉尘危害现状

根据现场调研，金属矿山生产过程中主要产尘岗位有凿岩、爆破、铲装、放矿、卸矿、破碎、筛分、转运、装运等［19-21］。根据对马钢（集团）控股有限公司和铜陵有色金属集团控股有限公司所属金属矿山的现场实测，在各作业岗位正常生产及采取工程防护措施的情况下，上述产尘岗位作业人员接触的总粉尘浓度最高可达16.0～30.8 mg/m3，呼吸性粉尘浓度最高可达4.0～7.5 mg/m3。现场粉尘浓度实测结果表明，所调查的金属矿山企业尽管采取了相关防尘措施，其作业岗位仍然存在粉尘浓度超标现象，作业岗位粉尘污染状况未能得到有效改善。

粉尘中游离二氧化硅含量和粉尘分散度是引起尘肺的主要因素，也是评价粉尘危害性质的主要指标。含有游离二氧化硅的粉尘被吸入人体肺部后，在二氧化硅的毒理作用下，会引起肺组织纤维化，形成胶原纤维结节，使肺组织弹性丧失，硬度增大，造成通气障碍，影响肺的呼吸活动，即人吸入游离二氧化硅的粉尘可能引起矽肺［22-24］。粉尘分散度是指粉尘整体组成中各种粒度的尘粒所占的百分比，也叫粒度分布。粉尘中细小颗粒物越多，粉尘分散度就越高，被吸入人体肺部的可能性就越大。对上述各金属矿山主要产尘岗位呼吸带沉积尘进行采集后分别进行了游离二氧化硅含量和分散度测定。游离二氧化硅分析结果显示：采集的粉尘样品中80%以上的游离二氧化硅含量超过10%，最高达到50%，粉尘性质为矽尘；粉尘样品中约20%的游离二氧化硅含量在10%以下，但少数样品中游离二氧化硅含量达到了8%～10%，为矽尘的临界点。粉尘分散度的测定采用扫描电镜对采集的粉尘样品进行观察分析，通过对粉尘样品电镜扫描图（图2）上粉尘颗粒的分析，可得出粉尘样品的分散度。分散度分析结果显示：该样品的粉尘分散度高，粉尘颗粒的粒径主要集中在10 μm以下，占90%以上，其中小于5 μm的粉尘占80%左右。由图2还可以看出：金属矿山粉尘样品形貌由众多不同尺寸、形状各异的颗粒组成，有片状、块状、圆形、针状、球状等，大部分颗粒是在不同方向有不同的尺寸。金属矿山粉尘颗粒的这种不规则性，有利于碰撞、凝集、捕集以及在过滤材料表面形成稳定的粉尘初层。

通过对典型金属矿山各主要产尘岗位的粉尘浓度及粉尘游离二氧化硅含量、分散度的采样和检测分析可知：“十三五”期间我国金属矿山粉尘防治工作成效显著，工作岗位粉尘浓度明显降低，但是在主要的产尘岗位仍然存在粉尘浓度严重超标的现象，尤其是金属矿山粉尘大多为矽尘，且粉尘分散度高，作业岗位粉尘危害防控形势仍然严峻。

2 金属矿山粉尘危害防治技术研究现状

金属矿山粉尘的危害性和粉尘治理的重要性已被业内充分认识。近年来，在金属矿山粉尘防治领域，国内外学者开展了全方位的攻关研究，开发了一系列适合于金属矿山粉尘治理的技术和装备，并应用于生产实践，显著降低了作业岗位的粉尘浓度和危害。我国金属矿山粉尘防治技术架构如图3所示，主要包括通风排尘、密闭控尘、喷雾除尘、抑尘剂降尘、除尘器捕尘、幕帘隔尘等6个方面，各类技术的主要适用场所如表1所示。本研究结合近年来的相关研究成果，分别从上述6个方面对我国金属矿山粉尘防治技术的研究现状进行梳理和归纳。

2.1 通风排尘

通风排尘技术的基本原理是将矿井作业岗位产生的粉尘通过矿井通风系统的风流带出，从而使得作业岗位的粉尘浓度降低。矿井通风系统担负着向矿井提供新鲜风流，进而排除粉尘和有害气体的重要任务，是地下矿山开采不可或缺的关键系统［25-28］。随着矿井开采强度和开采深度的增加导致形成更加复杂的地质条件以及由于生产工艺和设备的发展而导致矿井开采规模不断提高使得矿井通风系统在井下生产安全、职业健康方面发挥的作用愈加显著。近年来，国内外许多学者针对矿井通风理论与技术开展了大量的研究工作，产生了一系列的矿井通风技术［29-33］。目前，矿井通风技术的主要构成如图4所示。

由图4可知：防尘与风流净化技术是矿井通风排尘最主要的技术，通风排尘技术研究的重点是通风方式合理设计和最佳排尘风速有效确定。周智勇等［34］针对深井通风引起的粉尘污染问题，以湖南辰州矿业沃溪坑口掘进工作面为研究对象，利用数值模拟手段分析了掘进工作面在通风系统不同布置参数下的排尘效果，为金属矿山深部通风排尘提供了参考。李刚等［35］以某金属矿掘进工作面为研究对象，开发了一种新型矿井通风排尘净化系统（图5），该系统将压风筒布置在巷道中心位置的顶部，抽风筒布置在巷道两侧的呼吸带高度位置，湿式除尘风机对于掘进巷道粉尘的除尘效率达到了91%以上，彻底解决了该矿掘进巷道粉尘污染问题，同时净化后的风流可以循环利用，节能效果显著。

对于矿井粉尘治理，应优先考虑采用通风排尘技术。工程实践表明，通风排尘技术是采掘作业面和巷道粉尘控制最有效的措施之一，在矿井通风系统设计阶段，应综合考虑井下粉尘浓度大小，选择合理有效的通风参数，确保矿井作业面和巷道取得良好的除尘效果。

2.2 密闭控尘

密闭控尘的基本原理是对产尘点或者产尘设备进行有效密封，从而减少粉尘的产生量，是粉尘防治的主要环节和关键技术。密闭控尘一般采用密闭罩，密闭罩按其结构特点可分为局部密闭罩、整体密闭罩和大容积密闭罩。对于金属矿山而言，不同的产尘点和产尘设备由于生产工艺和产尘机理不同，其密闭方法和密闭形式也有所区别，因而有必要在不影响操作人员生产作业和便于设备检修维护的前提下，设计合理有效的密闭结构。任何产尘点或者产尘设备，在不影响生产作业的前提下，均应优先考虑采用密闭控尘措施［36］。本研究以金属矿山粉矿仓移动卸料作业为例，分析密闭控尘技术的具体应用。

金属矿山粉矿仓槽口为条形缝口，移动卸料作业时，槽口部位会扬起大量的含尘气流，只有对其采取合理有效的密闭控尘措施，才能确保粉矿仓取得较好的除尘效果。根据现场调查，李刚等［37］研究了一种粉矿仓移动卸料槽口动态密封装置，并成功应用于某铁矿移动卸料槽口，取得了良好的密闭效果。该密封装置结构如图6所示。首先，利用橡胶皮带将整个粉矿仓槽口沿着长度方向全部密封，然后采用4个转向滚筒将卸料口处的橡胶皮带顶开，在卸料口断面形成类似“π”型结构，该结构随着卸料小车的行走而移动，构成了动态密封装置，有效解决了粉矿仓移动卸料车动态尘源的密闭难题。

为了进一步分析该动态密封装置的密闭效果，选择某金属矿山粉矿仓槽口（图7）为应用对象，并对该装置应用前后矿仓槽口周边的产尘情况进行了现场实测。结果表明：采用动态密封装置后，粉矿仓槽口密闭效果显著增强，矿仓槽口扬尘量减少了约85%。

图7所示的动态密封装置可以与除尘排风罩、连接管道等连接至移动式除尘通风口装置，移动式除尘通风口装置由移动通风口、固定通风槽和密封皮带组成，其中移动通风口主要由机架、行走轮、防偏轮、柔性密封胶带以及伸缩套等构成。固定通风槽布置在矿仓槽口上方与卸料小车顶部齐平高度，固定通风槽沿着卸料小车轨道安装，其安装轴线与胶带机轴线平行，其出风口通过连接管道连接至厂房外除尘器对含尘气流进行净化。

2.3 喷雾除尘

喷雾除尘技术的基本原理是向漂浮于空气中的粉尘颗粒喷射水雾，水雾与粉尘颗粒黏结，使粉尘颗粒的质量增加，从而达到降尘的目的。金属矿山粉尘一般为亲水性粉尘，喷雾除尘是一种经济有效的除尘方式，因此，金属矿山粉尘防治应优先考虑采取喷雾除尘技术。喷雾除尘技术机理主要与重力沉降、惯性碰撞、拦截捕集、静电捕集、布朗扩散、凝结等多种作用机理有关（图8）［38-43］。为了提高喷雾除尘技术对粉尘（尤其是呼吸性粉尘）的除尘效率，国内外相关学者先后研发了高压喷雾除尘、气水喷雾除尘、超声波雾化除尘、磁化水喷雾除尘、荷电水雾除尘等技术［44-48］。

2.3.1 高压喷雾除尘

高压喷雾除尘技术是近年来在金属矿山普遍使用的一种除尘技术，以高压水流为介质，通过调节喷雾系统参数，从而得到优良的雾化效果，除尘效果十分显著。其原因是高压喷雾具有雾化效果好、射程远、覆盖面积大等优点，水雾与粉尘颗粒的凝结效率高，尤其是高压喷雾的水雾颗粒较细，对呼吸性粉尘的除尘效率很高。通常情况下，喷雾压力越高，除尘效率便越高。但是当压力增加到一定值时，再提高喷雾压力，除尘效果不再提升，同时，压力过高也会造成能耗增加，对水泵、管道也会造成损伤，缩短其使用寿命。因此，在保证一定喷雾降尘效果的前提下，应选择合适的喷雾压力，降低系统的运行成本。

2.3.2 气水喷雾除尘

气水喷雾是以一定压力的水和压缩空气形成低速液体射流与高速空气产生相互剪切作用的一种新型喷雾方式。与常规喷雾方式相比，气水喷雾以压缩空气和压力水作为双动力，使水破碎成细小颗粒，具有雾化效果好、雾化粒径小、耗水量小及除尘效率高等优点。近年来，该技术被应用于国内外井下粉尘防治中，既能有效提高喷雾除尘效率（尤其是呼吸性粉尘），又可以改善井下作业环境。一般情况下，随着气液比的增加或者空气流速的增加，气水喷雾的雾化效果越好，雾化粒径越小。气水喷雾系统的气液比、气压、水压均对雾化粒径和雾化效果具有较大影响。针对不同类型的粉尘，有必要通过不同气液比、气压、水压的正交试验，确定最佳雾化参数，实现喷雾除尘效果最优。

2.3.3 超声波雾化除尘

超声波雾化除尘是一种新型喷雾除尘技术，该技术与常规喷雾除尘技术的区别在于，它是利用压缩空气冲击共振腔形成超声波，借助超声波的特殊性能使液态水滴充分雾化成粒径为1～50 μm的微细水雾，微细水雾能够有效凝聚微细粉尘，实现微细水雾就地捕尘。因此，该技术具有耗水量极少、除尘效率高、运行成本低、无二次污染等优点。

在我国，中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司于20世纪90年代研发了超声波雾化除尘技术，并成功应用于金属矿山采选作业岗位的粉尘治理［49］。陈秀厅等［50］将超声波雾化除尘技术应用于选矿除尘系统，该技术与常规喷雾除尘技术相比，系统能耗降低了50%～70%，各产尘点的粉尘除尘效率达到87%左右，对呼吸性粉尘的除尘效率可达80%。李冠文等［51］系统总结了超声波雾化除尘技术的研究进展及发展方向，认为该技术仍处于发展阶段，需要深入研究超声波雾化除尘机理，以便进一步优化雾化参数。李刚等［52］采用自行设计的超声波雾化参数及除尘效果测试装置，对超声波雾化除尘的最佳运行参数及其除尘效率进行了试验和分析，得出超声波雾化除尘的最佳运行参数为水量30 L/h、气压0.35 MPa。在该参数取值条件下，超声波雾化除尘技术对呼吸性粉尘的除尘效率可达98.6%，超声波雾化效果见图9，露天破碎站堆场应用效果见图10。

目前，超声波雾化除尘技术主要在金属矿山地表除尘系统中应用，其在井下工作面和巷道中的应用较少。在井下工作面和巷道风流场和雾化场的复合流场作用下，超声波雾化除尘技术应用会受到井下通风风流扰动影响，从而会对超声波雾化除尘效果产生一定的影响。下一步应针对矿井通风风流场和雾化场的复合流场作用下的超声波雾化抑尘机理及其应用开展攻关研究。

2.3.4 磁化水喷雾除尘

磁化水喷雾除尘是一种对普通喷雾除尘进行改善的方法，也是为了有效提高呼吸性粉尘除尘效率的一种途径。水是抗磁性物质，当施加外磁场时，水就会产生一个方向与外磁场相反的附加磁场。由于外磁场与分子力之间的相互作用，最终促使水分子间内聚力削弱，黏滞力下降，使得水的基本结构发生变化，成为磁化水，导致水的表面张力降低。采用物理方法改变水的结构和性质，增强水的雾化能力，使水的雾化能力增大，是一种行之有效的方法。由于水的黏度和表面张力下降，雾化效果得到改善，从而提高了水雾除尘效率，对总粉尘的除尘效率提高了约14.7%，对呼吸性粉尘的除尘效率提高了约14%［39］。

2.3.5 荷电水雾除尘

荷电水雾除尘是使水雾粒子带上与粉尘颗粒极性相反的电荷，这样水雾粒子与粉尘颗粒之间就形成了较强的静电引力，从而提高了喷雾除尘效率。相关研究表明［39］：悬浮在空气中的粉尘颗粒大多带有电荷，荷电水雾对呼吸性粉尘的除尘效率比普通水雾显著提高，并且除尘效率随着水雾荷质比的增加而线性提高。荷电水雾除尘的关键是研发雾化效果好、耗水量少、雾粒密度大并且能够使水雾带上一定电荷的电介喷嘴。

2.4 抑尘剂降尘

抑尘剂降尘是一种新颖、有效的粉尘防治方法。抑尘剂按照抑尘机理的不同可以分为传统型（如湿润型抑尘剂、黏结型抑尘剂、凝聚型抑尘剂）和复合型两类［53］。抑尘剂除尘主要是通过吸附、团聚、捕捉粉尘等作用达到除尘目的，特别适合于疏水性粉尘。抑尘剂降尘机理可以描述为：在水中添加抑尘剂，改变了水的物理化学性质，使水的表面张力下降，从而提高了水溶液对粉尘的吸附能力和湿润能力。

在我国，抑尘剂降尘技术研究起步较晚，在20世纪70年代末，相关高校、科研院所的研究人员开始研究抑尘剂。到了20世纪80年代取得了一定的研究进展，20世纪90年代以来，取得了丰硕的研究成果并在矿山除尘系统开始应用。近年来，柏美迪康环保科技（上海）有限公司研发的生物纳米膜抑尘剂是一种无毒、无刺激性、可降解、无二次污染的生物材料抑尘剂，该抑尘剂可取得95%以上的抑尘效率［54］。在水泡泥中添加湿润型抑尘剂等物质，升级为新型水炮泥，可大大提高降尘效率。郭敬中等［55］采用优化湿润剂配方自制了多组份水炮泥应用于某金属矿山爆破作业，总粉尘抑尘效率达到63.61%，呼吸性粉尘抑尘效率达到61.63%，与普通水炮泥相比，抑尘效率提高了约35%。

2.5 除尘器捕尘

除尘器捕尘是通过负压抽风使作业岗位产生的粉尘气流吸入除尘器内部进行除尘，从而净化含尘气流。除尘器分为湿式除尘器和干式除尘器，用于矿山的除尘器主要为高效湿式除尘器和袋式除尘器。在金属矿山领域，由于湿式除尘器对湿度大的粉尘和微细粉尘具有较高的除尘效率，且矿山大多含有丰富的循环水资源，因此，湿式除尘器在金属矿山应用较早且非常广泛。随着人们环保意识的增强和我国对粉尘排放标准要求的提高，袋式除尘器因其除尘效率高且成本较低，是金属矿山首选的干式除尘器。另外，除尘器捕尘技术在金属矿山领域也有湿式除尘器和袋式除尘器组合应用的情况［36］。

2.5.1 高效湿式除尘器捕尘

近年来，我国金属矿山高效湿式除尘器研究进展显著，文丘里湿式除尘器、湿式旋风除尘器、湿式旋流除尘器、湿式过滤除尘器等相继问世，并成功应用于生产实践中。针对传统高效湿式除尘器存在耗水量大、阻力大等不足，李刚等［56-57］先后研发了适合矿山地表除尘系统的旋流帷幕除尘器和适合矿山井下使用的移动式矿用湿式振弦旋流除尘器，两类除尘器结构分别见图11、图12。

将喷雾帷幕除尘和旋流雾化除尘有机结合，在除尘器内部采用超声波雾化器和压力式喷雾器两级组合式喷雾结构，研制出了旋流帷幕除尘器。该除尘器超声波雾化器产生的微细水雾和压力式喷雾器产生的水雾形成封闭的喷雾帷幕，有效提高了除尘效率，特别是呼吸性粉尘的除尘效率，同时设置了具有双向旋流叶片的旋流脱水筒，脱水效果显著。试验研究表明：综合考虑除尘效率和阻力（能耗）因素，除尘器最佳除尘风速为14～16 m/s，此时阻力为800～1 000 Pa，除尘器对总粉尘的除尘效率为99.8%以上，对呼吸性粉尘的除尘效率达到97%以上［56］。

针对除尘器在金属矿山井下应用存在空间受限的问题，研究开发了一种高效低阻且体积小、布置灵活的移动式矿用湿式振弦旋流除尘器，适用于矿山井下巷道和工作面的粉尘治理。该除尘器综合了喷雾降尘理论、振弦栅捕尘理论、旋流除尘理论与PLC控制系统理论，除尘风速设计为10～12 m/s，对总粉尘的除尘效率超过98%，对呼吸性粉尘的除尘效率超过96%［57］。

2.5.2 袋式除尘器捕尘

与湿式除尘器相比，袋式除尘器除尘效率更高，有效解决了金属矿山粉尘排放难以达标的问题。我国袋式除尘器的应用始于20世纪50年代，由于袋式除尘器具有稳定高效的除尘效果，20世纪90年代以后在金属矿山得到了广泛应用。过滤材料是袋式除尘器的核心部分，其性能优劣程度对袋式除尘器的运行效果有很大影响。性能良好的过滤材料具有容尘量大、吸湿性小、效率高、阻力低、使用寿命长等特点，同时具备耐温、耐磨、耐腐蚀、机械强度高等优点。袋式除尘器过滤材料的发展概况见表2。

袋式除尘器在金属矿山应用过程中也存在滤袋粘袋、滤袋使用寿命短、检修困难等问题。针对上述问题，苏文湫等［58］以金属矿山除尘系统为研究对象，分析了高效滤筒除尘器在矿山除尘系统的应用效果，现场应用表明，滤筒除尘器的除尘效率约为99%，可以满足矿山粉尘控制要求。

金属矿山安全与健康国家重点实验室的通风除尘研发团队开发了新型高效硬化波纹过滤除尘器［59］，该除尘器过滤材料选用涤纶针刺毡，采用特殊加工工艺和表面处理技术研制了硬化波纹过滤材料。其制作工艺为：①将剪裁好的针制毡滤料放进装有主要成分为硅酸盐的硬化剂的液槽中，使其被硬化剂充分浸透，并不断缓慢平移滤料，最后对其进行干燥，此时，滤料的硬化过程完成。②将干燥后的硬化滤料剪裁成一定宽度和长度的生料，而后由人工卷制成滤管，在搭接处涂胶黏剂，晾干10 min后合拢，加压片刻即可，固化24 h后即可装过滤元件。③硬化波纹滤料加工装置由加热的移动齿板和两个上下运动的压头组成。工艺流程为：压头1先压下，使过滤材料的一端固定；然后压头2压下，使硬化滤料成褶；最后再先后抬起压头1、2，压头抬起后，移动齿板。依此类推，即可连续生产出波纹滤料。

采用电镜对该滤料进行微观分析（图13）可知：该滤料为三维立体型结构，由单纤维层层交错排列构成，其孔隙细密且直径小（平均约5 μm以内），孔隙分布均匀，孔隙率高达80%以上。由于滤料的孔隙直径非常接近呼吸性粉尘的粒径，因此对呼吸性粉尘的过滤效率较高，同时具有透气、防水憎水的效果。

本研究将该新型高效硬化波纹过滤除尘器应用于安徽马钢罗河矿业有限责任公司除尘系统改造工程并经正常运行使用后，对其井下粗破碎硐室、干磁抛尾车间、中细碎车间、筛分车间的岗位粉尘浓度进行了现场实测，并与改造前的岗位粉尘浓度进行了比较，结果见表3。

新型高效硬化波纹过滤除尘器布袋组件及现场安装情况见图14、图15。

根据新型高效硬化波纹过滤除尘器具有的体积小、能耗低、净化效率高等优点，粉矿仓移动卸料作业除尘系统的另一技术改造思路是在卸料小车上直接设置小型硬化波纹过滤除尘器，形成卸料小车联动除尘装置，在车间内直接净化捕集的扬尘。硬化波纹过滤除尘器中设有高效过滤装置，过滤效率高，含尘气体过滤后可直接排入厂房内，其现场安装情况如图16所示。

2.6 幕帘隔尘

通风排尘、喷雾除尘、除尘器捕尘等是金属矿山井下最常见的粉尘防治技术，但是采用这些技术后仍然会有部分粉尘（尤其是呼吸性粉尘）扩散到井下其他区域，此时，可以采用隔尘方式进行补救，防止这部分粉尘扩散和与人体接触。幕帘隔尘技术的基本原理是在井下工作面或者巷道，利用喷出的气流或者水雾形成空气幕、水幕以及安装隔尘帘阻止工作面或者巷道产生的粉尘向外扩散，在相同的排风量下，设计幕帘后，在控制点的控制风速明显增加，控尘净化效果得以提升［60-62］。现阶段，幕帘隔尘技术在我国煤矿系统应用广泛［60-62］。

3 存在问题

金属矿山粉尘防治技术研究是预防矿山尘肺病的主要手段，也是提升我国金属矿山行业职业危害防护技术及装备水平，改善作业环境及矿区周边大气环境质量，保障作业人员职业健康强有力的技术手段。“十三五”期间，我国金属矿山行业粉尘防治技术发展方面取得了显著进展，不少技术成果已达到国际先进水平。但是，金属矿山开采与煤矿不同，存在多中段、多个作业点同时采矿的特点，随着矿山开采规模和强度的提升，作业岗位粉尘污染问题日益突出，与此同时，人们对生产环境的要求越来越高，现有的粉尘防治技术无法有效满足矿山职业危害防治需求。目前，我国金属矿山粉尘防治技术主要存在如下问题。

（1）通风排尘技术存在的问题。矿井通风系统是保障矿山安全生产和作业人员职业健康的重要手段，目前的各种先进通风方法和技术已成为矿井安全生产的重要保障。矿井工作面和巷道既是井下无组织粉尘产生的典型场所，又是井下主要的作业区域。由于井下缺乏贯通风流，导致通风不畅，粉尘易积聚，加之现阶段井下常用的粉尘控制和净化措施仅仅是排除工作面和巷道产生的部分粉尘，并未实现粉尘的根本性去除。主要原因是我国金属矿山主要采用湿式作业方式净化井下作业面粉尘，即使增加水量，也难以取得理想的降尘效果。现有的井下通风技术未能与矿井除尘相结合，导致矿井通风系统风质难以满足循环利用要求。仅依靠通风排尘，导致井下其他巷道和作业面出现粉尘交叉污染，通风排尘同时还会使井下粉尘通过回风井排入地表，污染矿区周边大气环境。相关研究表明［35］，矿井通风系统配备有效的除尘净化技术装备可以有效提高通风排尘效果和矿井通风系统的风流利用效率，实现金属矿山井下循环通风控尘、抑尘。

（2）密闭控尘存在的问题。对于负压抽风除尘系统而言，对产尘点和产尘设备的密闭是保证岗位除尘效果的关键和前提条件。金属矿山产尘点和产尘设备多，产尘机理复杂，产尘源又分为固定尘源和移动尘源。目前金属矿山除尘系统采取的密闭控尘措施未能有效解决严密性、灵活性、便捷性等技术难题，尤其是对于受限空间和移动尘源。在实际应用中，大多会出现密闭设施不合理或者由于密闭设施影响作业人员生产操作、检（维）修工作而被随意拆卸的现象。

（3）喷雾除尘存在的问题。喷雾除尘在金属矿山应用中，为防止喷嘴堵塞，采用的喷嘴基本为大流量、大孔径喷嘴，所产生的水雾粒径较大，对微细粉尘的除尘效果不佳。同时，由于金属矿山喷雾除尘系统的理论研究不够深入，目前重点仅关注喷雾系统水雾粒径、喷雾距离和雾化角，对喷雾系统的水雾浓度、喷雾速度以及基于通风风流场和雾化场的复合流场特征的研究涉及较少。

（4）抑尘剂降尘存在的问题。抑尘剂降尘技术在金属矿山领域应用程度不高，由于部分产尘岗位使用抑尘剂后可能产生细粒矿石结块现象，对生产造成一定的影响，导致该技术的应用推广受到限制。同时，目前抑尘效率高且无毒、无害、不产生二次污染的化学抑尘剂普遍存在费用昂贵的问题。

（5）除尘器捕尘存在的问题。由于矿山粉尘具有高湿、高浓度、分散度高、腐蚀性强等特点，除尘器捕尘在实际应用过程中经常出现除尘效果不佳、检（维）修频繁、使用寿命短、能耗高等问题。尤其是在大风量的除尘系统应用中，除尘效率普遍偏低。此外，除尘器在矿井应用时，时常会发生由于设备体积较大、移动困难而导致无法安装使用的现象。

（6）幕帘隔尘存在的问题。现阶段，幕帘隔尘理论还不够完善，隔尘技术在金属矿山除尘系统的应用成果鲜见报道。同时，幕帘隔尘技术与其他除尘措施相结合的粉尘控制技术在国内关注较少。

4 展 望

近年来，随着我国金属矿山开采深度和生产规模逐渐加大，导致生产作业面和岗位的粉尘污染日益严重，严重威胁到矿山安全生产和作业人员身心健康。尽管我国有关科研院所、高校、企业在金属矿山粉尘防治方面取得了一系列创新成果，但现有技术仍不能完全解决金属矿山粉尘污染难题。结合我国金属矿山粉尘防治技术研究现状及存在的问题，对该领域未来研究重点提出了以下建议。

（1）粉尘防治技术重点关注的产尘源应为井下作业面和巷道、深凹露天矿作业面。随着地下矿山和露天矿山开采深度不断延伸，作业面有效通风变得越来越困难，导致粉尘排除受阻。深井作业面和巷道、深凹露天矿作业面通风不畅，产生的微细粉尘长期漂浮在作业环境中，已成为制约地下矿山、深凹露天矿山生产安全、职业健康与生态环境的突出问题。在矿山微细粉尘防治方面，围绕地下矿山和深凹露天矿山微细粉尘源强、产尘机理及扩散规律进行深入研究，开发粉尘浓度监测预警和除尘关键技术及设备。在通风防尘方面，围绕可控循环通风与通风风流净化技术如何有效结合的难题，研发深井矿山可控循环通风除尘技术；围绕深凹露天矿山自然通风风压、风流形成机理及其利用进行深入研究，开发深凹露天矿山采场自然风流的利用与控制技术。

（2）大风量、高湿、高浓度粉尘净化技术及设备研究。随着地下矿山开采规模和深度不断增加，开采设备机械化、大型化程度提高，产尘浓度和通风量也逐渐增加，现有的粉尘防治技术难以满足职业病危害防治需求。因此，有必要进一步研发适合地下矿山大风量、高湿、高浓度粉尘净化技术及设备。

（3）高效、低能耗矿用干式、湿式除尘器研发。随着我国对呼吸性粉尘排放标准的不断提高，一方面，应研发体积小、阻力低、呼吸性粉尘捕集效率高的新型矿用干式、湿式除尘器。对于矿用干式除尘器，应重点研究耐磨损、耐腐蚀的过滤材料以及延长过滤材料使用寿命的后处理技术；对于矿用湿式除尘器，应重点研究具有多种除尘机理的喷雾装置和喷雾方式。另一方面，应开发集干式、湿式于一体的小型化组合式矿用除尘器。

（4）高效率、低配比、低成本的环保型抑尘剂研究。目前市面上的化学抑尘剂虽然抑尘效率高且为环保型，但因过高的成本费用导致无法广泛推广应用。下一步要深入研究新型抑尘剂，开发高效、低成本的环保型抑尘剂。

（5）系统化、智能化防尘技术研究。在大力开发各种高效低阻矿用除尘技术装备的同时，应进一步研究集粉尘在线监测、数字化信息化控制、控尘除尘等功能于一体的技术手段，实现金属矿山除尘系统、净化设备向系统化、智能化方向发展。