某露天采石場爆破粉塵的理化特性探索與研究

文 趙 嫵 卿惠廣 肖躍龍 （湖南安全技術職業學院）

據不完全統計，我國露天采石場約10萬個，多為小型采石場，基礎條件差、分布廣。隨著開采的深度下降，露天采石場逐漸形成一個深坑，在逆溫的作用下坑內風速急劇降低，粉塵難以向外逸散而在坑內聚集，對場內作業人員的職業健康構成嚴重威脅。露天采礦過程粉塵的來源主要有鉆孔、爆破、裝載、道路運輸和堆場原料輸送等，其中爆破過程產生的煙塵是由氣態物質、固態物質和液態物質組成的混合物，包含有毒有害氣體、粉塵等成分，對人體的危害極大。為掌握露天采石場爆破粉塵的特點，本文以湖南某石灰石礦采石場為實驗對象，對其理化特性進行探索與分析，為研究粉塵分布規律和粉塵控制技術提供依據。

一、湖南某露天采石場概況

湖南某露天采石場主要經營石灰石開采及加工，開采礦種為灰巖，開采方式為露天開采，設計生產規模為40萬t/a。礦山范圍面積為0.2182km2，準采高程+300m～+130m。露天采石場生產作業場所主要由生產工序和輔助設施系統組成，其中生產工序是露天采石場作業場所的構成主體。生產加工工序分為剝離工序、穿孔工序、破碎工序、鏟裝工序、破碎工序和裝車六種，每種工序下配有相應工序的機械設備進行加工生產，如鑿巖臺車、挖機、裝載車、破碎機、制砂機、振動篩等。場內輔助設施系統包括辦公室、休息室、配件房、清潔房等，其生產過程的主要原輔材料如表1。作業場所為全開放空間，在作業場所相應位置安裝有通風除塵設備。

表1 該單位生產過程中主要原輔材料消耗

二、實驗方法

（一）樣品采集

本文選擇湖南某石灰石礦露天采石場正常爆破作業時采集樣品，采樣點設置在距離作業點15m處，爆破20 s后，用 FCC-25 型防爆粉塵采樣器對堆料場粉塵采樣，采樣時長為2 min，采集的粉塵置于干燥箱內供檢測。

（二）粉塵的真密度

粉塵的真密度是指粉塵顆粒的干燥質量與真體積的比值，決定著粉塵在重力、慣性力和離心力等作用力下的沉降速度，是除塵設施選用的重要參數之一。粉塵真密度采用比重瓶法，其真密度ρ的計算式為：

式中：ρ、ρs分別為粉塵真密度和浸液密度，g/cm3；m1、mc、m2分別為比重瓶和浸液的總質量、粉塵的質量、比重瓶與浸液和粉塵的質量，g。

（三）粉塵形態

粉塵形態是指粉塵顆粒的輪廓或表面各點所構成的圖像。不同粉塵，其形態千差萬別，有針形、纖維狀、結晶狀等，對粉塵控制技術的選用具有直接的影響。粉塵形態采用x射線衍射法（XRD，X-Ray Diffraction），即利用x射線在固體顆粒中的衍射現象獲取衍射后x射線信號特征，得到衍射圖譜。

（四）粉塵粒度

粉塵粒度是指粉塵顆粒大小的尺寸。因粉塵顆粒具有不規則性，粉塵粒度很難用統一尺度標準來描述。當粉塵顆粒的某一物理特性與同質球形顆粒相同或相近時，就將這個球形顆粒的直徑視作其等效粒徑。目前測粉塵粒度的手段和儀器，都是在假設被測塵粒呈球形的基礎下進行的，稱為等效粒徑測試法。

（五）粉塵分散度

粉塵分散度，是指粉塵中不同粒徑粉塵數量或質量的百分比。根據各粒徑粉塵的百分比不同，可分為低分散度的粉塵、高分散度的粉塵。就是指粒徑較小的粉塵所占小的，為低分散度的粉塵；反之，為高分散度的粉塵。粒徑越小對作業人員的危害程度越大。根據塵肺病死者肺部的解剖數據可知，死者肺部沉積的粉塵粒徑中小于5μm的，占85%~99%。空氣動力學研究結果表明：粒徑＜10μm的粉塵顆粒，可直接經過呼吸道進入人體內部，進入無纖毛的細支氣管、支氣管、氣管和肺泡等區域；粒徑＜5μm的粉塵顆粒進入肺泡可以直接沉積，難以排出；其中粒徑為0.2-2.0μm范圍的粉塵對人體危害最大。粉塵的分散度檢測需要充分考慮作業人員在粉塵環境的停留情況和粉塵的特性、空間分布。合理選擇粉塵采樣點，與作業場所風速測定位置相同，要有很好的代表性。根據《粉塵濃度和分散度測定方法》（MT79-1984）的要求：首先在作業點用FCC-25型防爆采樣器采樣后，制成試樣片，將試樣片置于顯微鏡下，選擇適當的觀測視野，通過測量所有粉塵的粒徑，得出不同粒徑的粉塵占所有測量粉塵數量的百分比，即為該粒徑粉塵的分散度。粉塵分散度的計算采用濾膜溶解涂片法，計算公式如下：

（六）粉塵潤濕性

粉塵的潤濕性是粉塵與液體接觸相互附著的難易程度。當液體在粉塵的表面鋪展時，若液體間的表面張力小于粉塵與液體間表面張力，則粉塵可被液體潤濕；反之則不能潤濕。粉塵潤濕性能強弱決定了除塵的難易程度，因此潤濕性能對粉塵防治具有重要意義。從宏觀看，潤濕可以看作是液體將其他液體從表面替換的一種過程。從微觀看，液體在固體表面展開后，將原來在固體表面附著的分子替換，但液體和表面之間并沒有進行分子的替換。如圖1所示固體表面的液體與氣體的接觸角是氣液界面與固液界面的夾角，因此接觸角的問題可以通過固體基質表面上液滴所受的三個界面張力的作用來處理。當三個界面張力達到平衡時，得出下述方程：

圖1 在固體表面上液滴的接觸角

該式即為楊氏方程。應當指出楊氏方程所應用的固體基質表面指的是水平、均勻、不發生形變的理想表面，只有在理想表面上，液滴才能有恒定的平衡接觸角，因此這種表面只能通過特定的實驗儀器精心制備。

三、實驗結果分析

（一）粉塵的真密度

粉塵的真密度決定含塵氣體在除塵器內的流動速度，真密度越大，粉塵顆粒受重力作用的影響越大，越容易沉降。經檢測，湖南某石灰石礦露天采石場粉塵的真密度為2.32g/cm3，略高于飛灰的真密度，低于硅酸鹽水泥粉塵的密度。

（二）粉塵形態

自然界中有規則和不規則的粉塵形態。通常情況下，形態規則的粉塵比表面積小，不宜捕集；而不規則的粉塵比表面積大，容易捕獲。經XRD圖譜分析（圖2）分析，本粉塵的晶格常數為3.034 nm，以方解石組分為主，還有白云石、石英、云母石和高嶺石等組分。粉塵顆粒的衍射峰高且尖銳，晶相含量較高；峰寬比較窄，晶粒尺寸比較大。從SEM表征圖（圖3）可看出本粉塵為塊狀晶體顆粒，屬于規則形粉塵，不易被布袋除塵器等通過濾布等攔截或凝聚。

圖2 XDR定性分析結果

圖3 粉塵的SEM表征圖

（三）粉塵粒度分布

粉塵的粒徑分布不同，對人體的危害程度也不同，是評價粉塵危害的重要特性。通常，粒徑為0.5～10μm的吸入性粉塵能沉降在氣管和支氣管內，尤其是7μm以下的粉塵顆粒能進入肺泡并長期滯留在內或穿過肺泡膜進入淋巴系統，危害極大；0.5μm以下的粉塵因重力小而阻留率低，對人體影響較小。因此，0.5～7μm的粉塵對人體健康的危害較大，尤其是0.5～5μm的顆粒。經激光粒度分析儀分析（圖4），本粉塵的粒徑分布中0.1～7μm的顆粒含量約占40%，0.1～5μm的顆粒占比為31.39%。

圖4 粉塵的粒度分布圖

（四）粉塵分散度

粉塵在空氣中呈浮游狀態存在的持續時間與粉塵分散度密切相關。懸浮時間越長，沉降越慢，人體吸入概率越大。由表2可知，通過濾膜溶解涂片分析，粒徑范圍在2.6～10μm之間的粉塵顆粒占64.36%，高于粒徑為2.6μm以下、26μm以上和10～26μm之間的總和。從粉塵的職業危害情況來看，粒徑小于10μm的粉塵占比77.23%，因此，露天采石場作業產生的粉塵可沉積在人體氣管、支氣管和肺泡等器官，對人體健康造成嚴重危害。

表2 粉塵分散度

（五）粉塵潤濕性

根據上節的式（1-2）可知，提高粉塵的潤濕性可通過提高γSG、同時減小γLG和γSL來實現。但γSG提高難度較大，而γLG和γSL改變較為簡單，因此最簡便的方法為在液體中添加潤濕劑，其作用機理為降低溶液與粉塵的接觸角從而使γLG和γSL的夾角下降。

如圖5所示，在常溫常壓下清水與該粉塵的接觸角為42.13°。親水性粉塵的接觸角一般小于40°；疏水性粉塵的接觸角在40°到90°之間，而強疏水性粉塵的接觸角大于90°。該粉塵為疏水性粉塵，潤濕性較差，采用水除塵方式降塵時需添加表面活性劑來降低粉塵與液體間的表面張力。

圖5 粉塵的接觸角

四、結論

通過對湖南某石灰石礦露天采石場的真密度、形態、粒度、分散度和潤濕性等參數的測定，得出以下結論：

（一）粉塵的真實密度較大，除塵宜選用重力除塵器、慣性除塵器、旋風除塵器等以重力場或離心力場為主的除塵器，也可選用依靠粉塵其他除塵性能優越的除塵方式，如噴霧除塵等。

（二）作業粉塵的微觀結構主要表現粉塵顆粒的衍射峰高且尖銳，晶相含量較高；峰寬比較窄，晶粒尺寸比較大，不利于采用依靠慣性力來攔截或凝聚的除塵器來除塵。

（三）作業粉塵的分散度集中在10μm以下，占粉塵顆粒總數量的77.23%，可沉積在人體氣管、支氣管、肺泡等器官，對人體造成嚴重危害。

（四）礦石以方解石組分為主，還有白云石、石英、云母石和高嶺石，露天采石場作業粉塵的主要成分是CaO、MgO、Al2O3、SiO2、Fe2O3， 均 不 具 有 自 燃和爆炸特性，降塵設施可不采取防爆措施。

（五）露天采石場作業粉塵與清水的接觸角為42.13°，為疏水性粉塵，潤濕性較差，利用此特性降塵需要添加表面活性劑降低固液界面的表面張力。