金屬礦山采場爆破塵毒防控技術研究進展及展望

金龍哲 郭敬中，2 李 剛 王天暘 劉建國歐盛南 鞏 琦 王嘉瑩

（1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京100083；2.華北科技學院安全工程學院，河北廊坊065201；3.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽馬鞍山243000；4.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司，安徽馬鞍山243000；5.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽馬鞍山243000）

金屬礦山爆破塵毒防控是加強企業環保意識與構建綠色礦山的重要途徑，是實現礦業高質量發展的必然要求。爆破塵毒是指金屬礦山爆破破巖產生的大量微細顆粒和有毒有害氣體，嚴重污染作業場所及其周邊環境，降低礦山生產效率，致使中毒事故和矽肺病等職業病時有發生［1］。據2016年工業企業粉塵危害情況抽樣調查結果，57.4%的工業企業（約138萬家）存在粉塵和化學毒物危害，接害人數約2 300萬，塵毒污染相當嚴重。為此，《國家職業病防治規劃（2016—2020年）》、《安全生產“十三五”規劃》、《塵肺病防治攻堅行動方案》及《“健康中國2030”規劃綱要》中明確要求，要加強高危粉塵、高毒物品等職業病危害源頭治理，到2030年健康危險因素得到有效控制。因而，開展塵毒防控研究不僅符合健康中國發展戰略，而且為礦山職業病的有效控制提供理論和技術支撐。

為控制采場爆破塵毒，減少作業環境污染，國內外專家學者通過分析污染因子特征，基于“源頭減塵、過程控塵”的思路開展研究，取得了一定的進展。在礦塵理化特性研究方面，礦塵的潤濕、沉降效果與其粒徑、粒度分布，表面化學結構、官能團、荷電性等理化特征數據密切相關，粉塵潤濕性能通常用潤濕接觸角來定量表征［2］。KOLLIPARA等［3］詳細分析了美國某內陸盆地煤塵的理化特性，發現煤塵復雜的物理化學性質顯著影響其潤濕性能。粒徑是影響粉塵潤濕性的重要因素，粒徑越小，被潤濕的可能性越小。因為煤粉經過超細化粉碎后，表面潤濕性發生了很大變化，不同變質程度的超細煤粉表面都變成了強疏水表面［4］。GOSIEWSKA 等［5］通過試驗發現，煤塵表面礦物性質對其表面潤濕效果影響甚大，且親水礦物含量越大，其潤濕性越好。YANG等［2］較為系統地分析了呼吸性粉塵的表面特性及其潤濕機理，基于煤塵比表面積及孔隙結構參數得出，煤塵孔容、孔體積及表面粗糙度越大，煤塵潤濕性越差。LI等［6］采用低溫氮吸附法測定了煤塵表面孔隙參數，認為具有復雜多孔表面的粉塵潤濕能力相對較弱。但煤塵表面發生氧化效應可以提高粉塵潤濕能力［7］。粉塵粉碎后不僅表面發生變化，而且攜帶電荷［8］，直接影響其碰撞、凝結、沉降效果。影響粉塵電荷特征和強度的因素很多，主要為水分含量，環境濕度，粉塵成分（如礦物質含量、硫酸鹽含量），粉塵產生方式和粒徑分布等［9］。在試驗研究的基礎上，粉塵潤濕理論研究也不斷向前發展。1975年MANDELBROT首次提出分形理論［10］，為研究煤塵粒度分布提供了全新的數學手段和理論基礎。聶百勝等［11］基于粉塵大分子和表面結構特點，應用分子熱力學和表面物理化學理論分析了煤塵表面自由能特征和煤吸附水微觀機理，認為煤對水分子的吸附是多層吸附，吸附第一層水的動力主要來自于煤對水分子的氫鍵，分子力引起的長程力是促使對其余水分子層吸附的主要推動力，為研究煤塵潤濕性提供了理論基礎。隨著試驗研究與理論分析的深入，建立粉塵理化特性與其潤濕性之間關系的設想逐步獲得學術界的關注。OFORI等［12］建立了煤塵成分與潤濕接觸角的定量表征關系，用于評估粉塵的潤濕能力。孫勇［13］運用表面活性理論，進行了鋁粉塵潤濕性與溫度、荷電性等因素之間關系的探索。程衛民等［14-16］、楊靜等［17］通過大量試驗研究發現，煤塵潤濕能力與其表面基團種類及含量存在明顯關聯性，主要涉及煤塵表面無機礦物質官能團（以灰分和無機硅酸鹽為代表）、含氧官能團（以芳香羥基為代表）以及有機大分子結構（以C—H鍵為代表）；煤塵表面的脂肪烴、芳香烴等疏水基團是造成其疏水性較強的主要原因，煤塵表面賦存的羧基、羥基、羰基等含氧官能團及Si—O—Si礦物基團會提高粉塵的親水能力。與煤塵方面已開展的研究相比，金屬礦塵理化特性研究尚處于起步階段，有關礦塵潤濕性能與其理化特性之間的關聯體系尚未建立，加之金屬礦塵種類繁多、差異性大，亟待對金屬礦塵理化特性展開廣泛而深入的研究。

水炮泥作為一種源頭降塵措施引發廣泛關注。自20世紀80年代起，礦山采掘面水炮泥的使用經歷了兩個階段，分別為普通水炮泥和新型水炮泥（添加一種或若干種化學試劑的混合溶液）。普通水炮泥主要用于水平、淺孔爆破，且結構簡單，其水炮泥袋是由聚乙烯或聚氯乙烯壓延的塑料薄膜袋，水袋周邊熱壓封閉，一端為注水口，另一端封閉。袋口處向內折疊成雙層“亞”字形壓制。當袋內注滿清水時，封口處薄膜在袋內水壓作用下閉合形成自動封口［18］。此類水炮泥袋存在質量較差、不能長期存放、承受壓力不強、破損率高的缺點。水炮泥安放位置好壞與否直接影響其爆破及降塵效果，蔡如法［19］分別將水炮泥放于炮眼底部、緊跟引藥、炮眼口、封口泥與封頭泥之間4個位置，試驗結果表明：利用封頭泥避開水炮泥與引藥直接接觸，能夠有效傳遞爆炸應力波，增強爆破效果，避開引藥與水炮泥接觸，可以大幅降低因使用水炮泥而造成的瞎炮、燃爆現象，具有良好的除塵效果。大量水炮泥現場試驗效果表明［18］：普通水炮泥對于大顆粒粉塵具有很好的潤濕及降塵效果，全塵降塵率可達72.5%，但小顆粒粉塵（呼吸性粉塵）潤濕與沉降效果不佳。由于水溶液表面張力大、易蒸發，潤濕、凝聚微細粉塵能力弱，表面活性劑、潤濕劑等化學試劑能夠降低水溶液表面張力，提高小顆粒粉塵被潤濕的概率［20-23］，因而在采掘面爆破、轉載點噴霧、路面灑水等方面得到廣泛應用。在普通水炮泥中加入一定數量的表面活性劑、潤濕劑等化學試劑可升級為新型水炮泥。目前新型水炮泥概念比較籠統，種類繁多，蔣仲安等［24］、杜翠鳳等［25-26］、李向東等［27］、鄒常富等［28］都開展了新型水炮泥的研究與試驗，盡管配方不同，但都認為新型水炮泥具有降低水溶液表面張力、提高溶液潤濕能力、減少塵毒產生的效果。隨著表面活性劑及其復配溶液研究的大量開展，人們對其功能與使用范圍提出了更高的期望。受作業環境復雜性影響，水炮泥中化學試劑成分與種類呈多樣化發展趨勢，功能也從降塵為主向降塵消毒［29-32］、增濕保濕、環境友好等多重功效發展；水炮泥的使用從淺孔、水平孔爆破拓展到中深孔、傾斜孔爆破領域，從巷道掘進擴大到采場爆破，從煤礦拓展到金屬礦山，使用范圍逐步加大。

噴霧降塵是指將水分散成霧滴噴向塵源，抑制和捕捉粉塵的方法與技術。在巷道內安裝低壓噴霧裝置、高壓噴霧裝置［33-34］具有一定的降塵效果，但缺點明顯：一是噴霧粒徑較大，沉降大顆粒粉塵尚可，捕集呼吸性粉塵能力不足；二是單位耗水量巨大，濕滑路面，不利于安全生產。空氣霧化是一種新型霧化方式，其霧化原理為剪切破碎，利用氣液兩相相互碰撞與摩擦實現液體霧化。與傳統壓力噴霧相比，空氣霧化具有耗水量低、水壓低、不易堵塞及降塵效率高等特點［35-37］。但是，空氣霧化噴嘴結構和霧化過程復雜，空氣霧化噴嘴霧化性能的研究依賴于氣體動力學、兩相流體動力學、數值方法等學科的發展，當前除部分理論探究外，數值模擬和試驗研究為主要研究手段［38-40］。蔣仲安等［41］、侯騰彥等［42］、王曉英等［43］結合理論分析與實驗室試驗，推導出空氣霧化噴嘴降塵效率關系式，分析表明：空氣霧化噴嘴的霧化特性受噴嘴的水流量、氣流量、氣壓和水壓影響，水流量隨著水壓的增大而增大，隨著氣壓的增大而減小；當水流量一定時，氣體流量越大，除塵效果越好；粉塵粒徑越大，噴霧霧滴的有效作用距離越長，粉塵越容易被沉降。由于空氣霧化噴嘴種類繁多、結構各異，試驗結果差異性也比較大，根據空氣霧化噴頭霧化特性及最佳工況點等研究成果，可單獨或組合使用，或研制除塵裝置，用于不同作業地點減少污染。劉國慶等［44］研制了氣動高壓微霧除塵裝置，與傳感器組合構成自動噴霧降塵系統，在回風巷噴霧形成一道水幕墻，在短距離內捕捉浮游煤塵，實現回風巷粉塵濃度超限報警與凈化，取得一定的效果。但在金屬礦山［45-47］，空氣霧化主要用于破碎硐室、掘進巷道等相對狹小、風流不暢的區域，在采場、回風巷等區域的應用鮮有涉及。

目前粉塵顆粒監測方法有濾膜稱重法、光散射法、β射線法、微量振蕩天平法等［48-49］。濾膜稱重法為人工測塵，只能測得單點設定時間內的粉塵濃度平均值，無法實現連續監測；光散射法具有非接觸、監測速度快、重復性好、數據處理及時、可長時間連續監測粉塵質量濃度等優點，逐步成為粉塵濃度監測研究熱點。近年來，國內外粉塵濃度連續監測設備研究方面取得了顯著進展［50-52］，如美國粉塵雷達、英國西姆斯林測塵儀、德國紅外數碼測塵儀、我國重慶煤科院粉塵傳感器等，在井下粉塵濃度連續在線監測方面發揮了重要作用。與煤礦相比，金屬礦山塵煙監測手段相對落后，普遍采用濾膜稱重法，采場爆破塵毒在線監測研究處于起步階段。

綜上所述，與煤礦防塵研究投入相比，金屬礦山爆破塵毒防治投入嚴重不足。目前主要采用優化通風網絡、濕式噴霧等常規措施進行塵毒防治，因井下爆破場所差異性大，塵毒防控效果有限。在金屬礦山塵毒防控研究中，防塵研究優于防毒，有毒有害氣體防控未引起足夠重視。因此，金屬礦山爆破塵毒防控面臨基礎性研究不足、先進技術手段缺乏、檢測方法與標準落后等一系列問題，加強爆破塵毒防控研究勢在必行。金屬礦山爆破塵毒防控是一個復雜的系統性問題，涉及面廣、影響因素多、過程復雜。因此，梳理爆破塵毒源頭解析、典型金屬礦塵理化特性與其潤濕性關系、水炮泥降塵技術、塵毒在線監測系統、巷道云霧除塵技術等方面的研究成果，探討礦山塵毒防控的不足與未來發展方向，可為國內外類似條件下的礦山爆破塵毒防控提供技術參考。

1 爆破塵毒源頭解析

1.1 礦塵源頭分析

爆破是金屬礦山采場粉塵產生的重要來源。爆破作業時，礦體在爆破功作用下，產生大量裂隙、孔隙，并被破碎成粉塵顆粒和碎石屑；在強大爆炸沖擊波作用下，粉塵和碎石屑被細化分解，裂解成粒徑更小的浮塵。爆炸沖擊波不但會產生大量粉塵，而且會揚起巖壁和地表附著的粉塵。

爆破粉塵生成后，在脫離礦體的短時間內，不同粒徑的顆粒物運動軌跡各不相同，不同運動軌跡的顆粒物疊加形成粉塵云。由于固相顆粒密度大于氣相物質密度，因此，固相顆粒慣性大于氣相物質慣性，固相顆粒及顆粒團位于粉塵云前端，且以慣性運動為主；隨著時間推移，受空氣阻力作用，粉塵動量逐漸變小，固相顆粒速度下降，氣相物質頂替固相顆粒占據粉塵云前端，以擴散運動為主［53］。

爆破生產的粉塵濃度及粒徑分布受爆破巖體性質、爆破工藝等影響，產異性明顯。當爆破巖體含水率高時產生粉塵量少而粗，當爆破巖體含水率低時產生粉塵量大而細。此外，裝藥參數、起爆方式、炸藥類型、炮泥類型及堵塞參數等也會影響爆破礦塵的產生量及其特征。

1.2 有毒有害氣體源頭分析

采場爆破時，爆炸產物以氣體為主，主要有CO2、H2O、CO、NO2、O2、N2、SO2、H2S等，習慣上稱為炮煙。其中CO，氮化物（NO、NO2），H2S等都是有毒有害氣體［54］。有毒有害氣體產生與否與產生量大小受多種因素影響［55］：

（1）炸藥的氧平衡。爆破采礦炸藥大多由碳、氫、氧、氮4種元素組成。炸藥發生爆炸時，氧元素分別與碳、氫元素發生劇烈的氧化反應，生成爆炸產物。零氧平衡是最理想狀態，炸藥發生完全化學反應后，幾乎無有毒有害氣體產生。正氧平衡會產生氮氧化物，負氧平衡會產生一氧化碳。在實際應用中，正氧平衡或負氧平衡是常態，有毒有害氣體的產生難以避免。

（2）炸藥反應的完全程度。炸藥反應的完全程度與炸藥組成、成分性質、炸藥密度、粒度、裝藥直徑等因素有關，如：當炸藥組成成分相同時，粒度越小，混合越均勻，反應就越完全，毒氣產生量便越小。

（3）周圍介質的影響。炸藥發生爆炸時，瞬間產生大量熱，為炸藥周圍介質發生化學反應提供了環境條件，造成礦石中某些元素可能會產生有毒有害氣體；爆炸產生的二氧化碳在高溫下也有可能被周圍碳元素還原成一氧化碳。

2 典型爆破粉塵潤濕性影響機制分析

潤濕特性是礦山粉塵的主要理化性質之一，是礦山降塵技術的重要理論依據。以江蘇梅山鐵礦、山東羅山金礦、江西德興銅礦及安徽神山石灰石礦采掘面爆破粉塵為研究對象，探索典型金屬非金屬礦塵理化特性對其潤濕特性的影響效應，并對礦塵潤濕特性進行定量表征。

2.1 粉塵潤濕機理分析

潤濕性常被用于評定粉塵對同一液體的親和能力，接觸角是固體粉塵潤濕性的量化體現［56］。液體滴在固體表面上，在平衡液滴的固、液、氣三相交界處，自固—液界面經液體內部到氣—液界面的夾角稱為接觸角，通常以θ表示（圖1）。固—液γls、液—氣γgl和氣—固γgs之間作用力的關系可用潤濕方程（Young equation）（式1）來表示：

自發進行的潤濕過程的潤濕功必須為正數，因此，θ≥90°時，為不易潤濕狀態，表現為疏水性；θ＜90°時，為容易潤濕狀態，表現為親水性。

Young方程是基于理想光滑固體界面的潤濕方程，但實際固體表面基本均為粗糙界面。WENZEL等認為，對于表面粗糙而化學成分均勻的固體界面，實際接觸角要大于觀測接觸角，記作

式中，γ為粗糙界面的實際表面積與其投影面積的比值，并且γ始終大于1；θw為表觀接觸角，（°）；θ為平衡接觸角，（°）。

式（2）說明：親水表面會增大其親水性，疏水表面會增大其疏水性。但當γcosθ＜-1時，此式將不再適用。

CASSIE認為，對于多相接觸的表面，會有部分氣體被阻斷在液滴下面，即液滴并不能與實際粗糙界面完全接觸。故在實際條件下，固—液接觸面實則為固—液、固—氣的混合接觸界面（圖2），混合界面的表面接觸角θCB可由Cassie-Baxter方程計算：

式中，θCB為固體表面接觸角，（°）；f1是在整個接觸底面中，固—液接觸面的占比，%；f2為（孔隙凹處等）液—氣接觸面的占比，%；θ1為固—液接觸角，（°）；θ2為氣—液接觸角，（°）。

因f1+f2=1，θ2通常定為180°，故式（3）可進一步轉化為

對于極度粗糙的表面，f1→ 0，θCB→ 180°。

礦塵理化特性會影響θ1、f1與f2的比例。固—液接觸角θ1值會受到礦塵自身化學性質的影響，主要涉及顆粒表面基團及組成物相等因子。f1與f2的比例關系主要與顆粒表面的自由能、表面活性、表面粗糙度等參數有關，主要涉及粉塵的物理特性，包括粒徑、比表面積、表面孔隙特征等。

2.2 典型爆破礦塵潤濕性影響機制

礦塵粒徑及顆粒表面孔結構是影響粉塵潤濕強弱的重要因素。從圖3可以看出：隨著金屬礦爆破粉塵顆粒粒徑逐漸變小，其表面孔體積有增大的趨勢，這與YANG等［2］的觀點基本一致。這是因為粉塵在破碎細化過程中，較大孔隙易破壞而多生成介孔和微孔孔隙，且在破碎過程中顆粒中的一些盲孔也會被打開，導致顆粒表面的孔隙進一步增多。說明礦塵粒徑減小及顆粒表面孔體積增大共同弱化了礦塵的潤濕特性。

由圖4可知：典型金屬非金屬礦爆破粉塵顆粒表面總孔體積隨著粉塵顆粒粒徑變小有明顯增大趨勢，當粒徑小于30μm時，該規律尤為明顯。

Cassie-Baxter公式可表示為

由式（5）可知：物相組成會影響固—液接觸角θ1大小。因粉塵粒徑會影響顆粒表面自由能及表面活性強弱，通常粒徑越小的粉塵，其表面孔隙結構越復雜，顆粒表面孔體積會影響表面粗糙度大小。表面自由能及表面粗糙度會進一步影響顆粒表面的空氣吸附能力及表面空氣膜效應的強弱，而空氣膜效影響了f1與f2的比例關系。

進一步分析圖3和圖4可知：礦山爆破粉塵顆粒粒徑越小、表面孔隙結構越多，致使顆粒表面自由能及表面活性越大、表面粗糙度越大，進而使得顆粒表面的空氣吸附能力越強，空氣膜效應更為明顯，那么當液滴與固體表面接觸時，f2會變大，則f1會變小，使得θCB變大，粉塵的潤濕性會變弱。

綜上所述，典型爆破礦塵理化特性對其潤濕性的影響機制（圖5）可進行如下闡釋［57-60］：

（1）粉塵物相組成是界定其親疏水性的主要指標。金屬非金屬礦山爆破粉塵的組成物相基本均為親水物質，直接導致了礦塵的潤濕特性表現為親水性，使得固—液接觸角θ1小于90°。

（2）對于親水性粉塵，顆粒粒徑及表面孔結構是影響粉塵潤濕性強弱的重要指標。具體表現為：粒徑越小及表面孔體積越大，潤濕接觸角有明顯變大趨勢，具體通過影響固—液接觸面占比f1和固—氣接觸面占比f2的配比關系，進而影響礦塵的潤濕進程。

（3）溶液表面張力是影響粉塵潤濕進程的重要指標。上述礦塵的試驗結果均表明：降低溶液表面張力，粉塵的初始潤濕接觸角會變小，礦塵的潤濕過程會明顯加快。大部分礦塵表現出溶液表面張力越小，其對粉塵的潤濕效果越明顯的規律。

（4）礦塵潤濕性基本不受其表面基團影響，且礦塵潤濕性與其真密度之間并無明顯關聯。

結合礦山實際工況條件及理化特性間的相互作用關系（圖6）可知：粉塵粒徑分布、孔隙結構及組成物相均會顯著影響粉塵的潤濕特性（①、②、③）。粉塵的產生工藝（如粉碎、切割、摩擦及爆炸等）直接影響粉塵的孔隙結構與粒徑分布（④和⑤），產生工藝的能量越大，粉塵粒徑越小，孔隙度越發達，潤濕性越差。在相同作用力下，不同力學性質（硬度、彈性等）的巖石的破壞效果不同，直接影響產生粉塵的孔隙結構與粒徑分布（⑥和⑦），而巖石的力學特性又由其所含的礦物質種類與含量決定（⑧）。同時，巖石中所含礦物質的特性直接影響其真密度大小（⑨）；盡管粉塵真密度對其潤濕性沒有直接影響，但可影響粉塵在水中的沉降特性（⑩），因此為保證試驗數據的可比較性，在利用沉降法測定粉塵潤濕性時需要對其真密度進行表征。

3 多組份水炮泥試驗研究

采場爆破塵毒產生及分布規律研究發現［61-62］，巷道型采場內粉塵濃度呈中間高、兩側低的分布態勢，采場進路內有風流漩渦存在；在斷面方向，塵毒濃度以斷面中心為圓心徑向逐步降低；在軸線方向，沿遠離工作面方向塵毒濃度逐步降低。以通風排塵為主要降塵措施的金屬礦山，粉塵凈化主要依靠重力沉降，呼吸性粉塵因難以沉降，排出時間相對較長，不利于提高勞動生產效率和改善作業環境。

在采掘面，采用水炮泥代替傳統炮泥，可以從源頭實現降塵消煙效果。水炮泥指用水袋或添加化學添加劑的水袋代替或部分代替傳統炮泥，利用爆炸產生的高溫高壓條件，使得炮孔內水炮泥袋爆裂，袋內液體以高速射流形式向四周發散并被汽化，形成水霧將爆破云包裹，霧滴與粉塵接觸后，使粉塵濕潤并凝結沉降，起到消減源頭塵毒的效果。

3.1 水炮泥塵毒防控機理

多組份水炮泥具有降低水溶液表面張力、增強粉塵被潤濕效果、強化液體爆破霧化效果的能力，其作用機理［63-65］為：

（1）增強粉塵與液滴碰撞與沉降效果。吸濕性無機鹽等化學試劑的加入，使得水炮泥溶液密度大于清水，爆炸時更具迸發力，形成的液滴粒徑更細更小、數量更多、分布范圍更廣，大幅增加了氣化霧滴與粉塵的碰撞概率；霧滴與粉塵碰撞結合，形成的凝結核或被潤濕的礦塵密度均較大，加快了粉塵，尤其是呼吸性粉塵的沉降速度。

（2）改善粉塵被潤濕能力。由于加入了陰離子表面活性劑溶液和CaCl2、MgCl2等電解質，能改善礦塵的潤濕能力［64-65］。這是因為表面活性劑與添加劑結合，使礦塵表面的疏水晶格吸附表面活性劑產生親水作用；高價負離子吸附在礦塵表面的親水晶格上，使其保持親水性；在礦塵表面疏水晶格的表面活性劑的密實填充作用和半膠束形成，改善其親水性。陰離子表面活性劑溶液添加CaCl2、MgCl2后能改善潤濕作用，對難于潤濕的煤塵更有效。

（3）降低二次揚塵。水炮泥中吸濕性無機鹽除了加速其凝結核沉降外，還可以使潤濕后的粉塵能繼續吸收空氣中水分，保持一定的含水率，使微細粉塵保持長時間的濕潤性，從根本上降低二次揚塵。

（4）源頭降低毒氣產生量。水炮泥的有效封堵作用，使得炸藥在炮孔內發生充分反應，接近零氧平衡狀態，減少有毒有害氣體；在有限空間內，爆炸產生的高溫、高壓、高濕條件為各種化學反應提供了條件，水炮泥分解產生的多種離子、礦物分子，與產生的有毒有害氣體等相互發生反應，特別是礦巖中含有 Fe2O3、Al2O3、SiO2、MgO等催化劑的情況下反應加快，可從源頭減少有毒有害氣體產生［66］。

3.2 試驗材料

在普通水炮泥中添加一定數量的粘塵劑，能夠降低水溶液的表面張力、增大潤濕粉塵能力、提高粉塵捕集能力［67］。本研究課題組在新型水炮泥研發和現場試驗方面進行了大量的工作，建立了以溶液的表面張力和潤濕速度等為量化指標，以正交復配試驗為手段，以基料與輔料為組成成分的水炮泥研發流程［63-64］。為減少梅山鐵礦爆破工作面垂直中深孔（圖7）爆破塵毒污染，課題組首次提出了應用多組份水炮泥降低爆破塵毒污染的技術思路。

多組份水炮泥［68］是一種由基料和輔料，按照一定比例，經熱合成加工工藝而制成的一種液體，其中基料為吸濕性無機鹽，輔料為表面活性劑、凝膠劑和凝膠劑復配溶液。氯化鈣和氯化鎂不僅都具有良好的吸濕性能（圖8），而且能夠滿足化工產品在井下應用的條件，即：無毒無臭，對環境不造成污染；能溶于任何礦井水中，且溶解度較大；無燃燒、爆炸性；無明顯的腐蝕性。該類材料來源廣泛，價格低，是十分理想的吸濕性材料。輔料則是多種表面活性劑的復配物，主要具有降低基料溶解液的表面張力，增強其潤濕、分散、增稠、緩蝕等性能。選擇與CaCl2和MgCl2具有良好配伍性的功能表面活性劑，是對多組份水炮泥配方優化研究的技術關鍵。因此，在選擇表面活性劑時，不僅要考慮表面活性劑在無機鹽溶液中的添加濃度等問題，還要解決好表面活性劑與無機鹽的匹配問題。

通過對多種表面活性劑、降毒劑進行正交復配，獲得復合試劑，隨后將其與吸濕性無機鹽復配，經過熱合成工藝獲得3種多組份水炮泥配方，分別記為M1、M2、M3。基于配方的表面張力和潤濕速度，最終選擇配方M1、M2作為現場試驗材料。考慮到現場爆破鉆孔深度達21 m，直徑為90 mm，鉆孔內壁粗糙，且局部區域出現孔徑變小的現象，研制了耐摩擦、防滑落的大尺寸水炮泥袋，如圖9所示。

3.3 塵毒在線監測系統

為實現對梅山鐵礦巷道型采場爆破粉塵及炮煙的在線連續監測，綜合考慮實用性及經濟性，在該礦井下巷道型采場搭建了占地面積小、實用性強、精度高的塵煙在線監測系統。

塵煙在線監測系統［69］主要由“感知端”、“傳輸端”、“應用端”三大模塊組成，設備包括礦用本安型電源、呼吸性粉塵采樣器、粉塵濃度傳感器、有毒有害氣體傳感器、計算機等，通過硬件集成共同完成巷道型采場粉塵及有毒有害氣體在線監測，塵煙在線監測系統設計方案如圖10所示。為有效應對采場爆破沖擊波對監測設備的破壞風險，研發了移動防爆監測車對測量設備進行集成防護，可在各個采場內來回移動。

3.4 試驗結果與分析

3.4.1 有毒有害氣體抑制效果

利用塵煙在線監測系統，獲得不裝水炮泥，裝普通水炮泥，裝M1、M2多組份水炮泥情況爆破時CO、NO濃度的變化數據，并繪制了峰值擬合曲線［31-32］，如圖11和圖12所示，其中SO2產生量可忽略不計，故不作分析。

由圖11可知：采場爆破中不同水炮泥裝填類型的CO濃度擴散均有著相似的規律，即在擴散過程中存在兩個峰值，可稱為“雙峰曲線”。通過分析不裝水泡泥情形下的試驗結果（圖11（a））可以發現，起爆后，部分炮煙及粉塵在沖擊波的作用下迅速涌出，流經監測點處的CO濃度迅速攀升，進而出現第1個峰值2 254.0×10-6；由于爆破產生的局部負壓，聯絡道中的新鮮空氣涌入采場內部，沖淡部分煙塵，監測點的CO濃度迅速降至1 119.0×10-6；采場內部壓力平衡后，在風流作用下采場內部存留的炮煙向聯絡巷擴散，再次經過監測點使得CO濃度緩慢上升，形成第2個峰值；在風流作用下，炮煙不斷被排出采場，CO濃度逐漸下降至監測結束。根據上述分析，建議礦井在CO濃度第2次上升前，及時采取有效措施抑制CO濃度，縮短CO排出采場的時間。

現場試驗結果表明：添加多組份水炮泥可有效抑制CO生成，其中裝M1配方的多組份水炮泥抑制CO效果最佳，CO濃度相較于不裝水炮泥時降低了52.5%，相較于普通水炮泥降低了51.9%［32］。根據《工作場所有害因素職業接觸限值》（GB Z2—2007），本研究設定的NO和CO的職業接觸濃度限值分別為11.2×10-6和16.0×10-6。由圖12可知：相較于不裝水炮泥和普通水炮泥，多組份水炮泥CO濃度達到職業接觸限值的時間平均縮短了30～50 min，說明多組份水炮泥抑制CO效果較為明顯。

通過對比圖11與圖12發現：多組份水炮泥和普通水炮泥對于NO的抑制效果均很顯著，在NO抑制過程中，水炮泥添加劑起到的作用十分有限，而清水起到了至關重要的作用。這是因為NO化學性質非常活潑，當它與氧氣相遇即可發生反應生成NO2，NO2再與爆破后水炮泥產生的水霧發生反應可生成硝酸，從而減少了NO的生成量［32］。

3.4.2 降塵效果

《金屬非金屬礦山安全規程》（GB l6423—2006）規定，當粉塵中游離SiO2含量小于10%時，井下作業場所空氣中粉塵最高允許濃度為10 mg/m3。在炮眼數量、裝藥量、水炮泥裝入數量等外界條件等同的情況下，利用塵煙在線監測系統，從裝藥開始開機，直至爆破后可安全下井時結束，分別記錄采場巷幫、巷中處粉塵濃度，并分別對不裝水炮泥、裝普通水炮泥、裝M1/M2多組份水炮泥4種爆破條件下的粉塵數據進行了記錄，結果見圖13。

由圖13可知：起爆后，在爆炸沖擊波作用下，大量粉塵迅速沖入巷道內。短時間（約2 min）內，經過測站的粉塵濃度達到最大值，為453.77 mg/m3（圖13（a）），高濃度粉塵持續12 min左右，之后粉塵濃度呈間歇性減弱。巷幫與巷中處粉塵濃度變化趨勢基本一致，但峰值較小，為371.21 mg/m3。經過大約1.5 h的通風排塵，粉塵濃度仍高于20 mg/m3，說明采用通風排塵方法不僅無法降低粉塵產生量，而且凈化時間長、效果差、成本高。

統計4種爆破條件下粉塵濃度數據發現，巷幫區域全塵濃度峰值分別為371.27、265.51、118.62、132.29 mg/m3，降塵率分別為28.49%、68.08%、64.37%。通風排塵1.5 h后，全塵濃度分別為56.24、34.21、2.52、6.54 mg/m3，降塵率分別為39.17%、95.52%、88.37%；呼塵濃度分別為37.61、25.87、2.09、4.86 mg/m3，降塵率分別為31.22%、94.44%、87.08%。巷中區域全塵濃度峰值分別為453.77、291.85、125.87、139.82 mg/m3，降塵率分別為35.68%、72.26%、69.19%。通風排塵1.5 h后，全塵濃度分別為73.39、49.83、4.82、8.12 mg/m3，降塵率分別為32.10%、93.43%、88.94%；呼塵濃度分別為42.68、28.91、3.28、7.26 mg/m3，降塵率分別為 32.26%、92.31%、82.99%。說明應用多組份水炮泥可有效地從源頭減少粉塵產生量；在1.0 h內粉塵濃度值降到安全規程規定的最高允許濃度以下，通風排塵時間減小，可降低通風成本，提高工作面效率；與普通水炮泥相比，多組份水炮泥全塵降塵率提高了90%以上，呼塵降塵率提高了80%以上。

4 巷道云霧除塵試驗研究

云霧除塵裝置［70］包括云霧除塵主機和氣水源處理裝置兩個部分。云霧除塵主機解決云霧噴嘴及其他組件的布局問題。氣水源處理裝置完成對云霧噴嘴工作介質的處理，提高云霧噴嘴的工作效率和使用壽命。

4.1 技術集成

4.1.1 云霧除塵主機

云霧除塵主機的工作原理是利用云霧噴嘴按照一定角度與方向固定在拱形鋼架結構上，分別向巷道四周和內部噴霧，使云霧充滿巷道整個斷面，形成巷道全斷面霧簾，阻截粉塵擴散并加速其沉降。由于金屬礦山爆破地點多且較為分散，故本研究將云霧除塵裝置設計為手推車形式，可隨爆破地點靈活移動，除塵裝置的其他組件集成于小車上方的箱體內［70］。

為了能使超聲霧化噴頭的噴霧充滿巷道全斷面，且各處霧滴粒徑較為均勻，參照井下巷道斷面形狀——三心拱，云霧除塵裝置上部設計為底角45°的等腰梯形，下部為矩形的鋼架結構（圖14）。將超聲霧化噴頭固定于鋼架的四周和正面，四周的噴頭向四周噴霧，使云霧充滿整個斷面，正面的噴頭正對著風流方向噴霧，它的作用是填補四周噴霧的空缺同時抵擋風壓，并將粉塵排向四周。

相對于傳統除塵方式，云霧除塵主機特點有：①云霧除塵主機體積小、占用空間小、移動方便，尤其適用于金屬礦山井下巷道類區域等狹小空間內的除塵；②云霧除塵主機單位時間內產生的霧滴顆粒數量大，霧滴粒徑小，分布更加均勻細密，吸附能力強，能充分增加與粉塵顆粒的接觸面積，定向抑塵，可有效消除呼吸性粉塵［70］。

4.1.2 氣水源處理裝置

井下氣、水源供給的質量好壞直接影響到云霧噴嘴的使用性能及壽命。為凈化井下氣、水源質量，分別設計了氣、水源兩級處理裝置（圖15）。水源兩級處理裝置包括水源預處理和水質過濾器，采用不銹鋼超濾網對水路中的鐵銹、泥沙、懸浮物等進行預處理；利用水質過濾器對水源進行二級凈化，水中顆粒物粒徑降到5 μm以下，且具有反沖洗功能，完全能夠滿足云霧噴嘴對水質的要求。參照水源兩級凈化思路，自制了氣源預處理器對氣源進行預處理，然后經過氣體精密過濾器，使之滿足云霧噴嘴對氣源的要求。

4.2 現場試驗結果與分析

試驗場所選在梅山鐵礦-318 m水平西區，在云霧除塵裝置前后5 m分別布置觀察點，記作凈化前、凈化后觀察點。每個觀測點分別安放一臺觀測臺車，觀測臺車上方固定一臺CCZ20呼吸性粉塵采樣器和一臺ICF-2粉塵采樣儀，分別進行呼吸塵和全塵采樣，現場應用效果見圖16。

爆破落礦前，風流未經云霧除塵裝置凈化前，全塵、呼吸塵濃度分別為 44.00 mg/m3、25.01 mg/m3，經云霧除塵裝置凈化后，全塵、呼吸塵濃度降為1.24 mg/m3、1.20 mg/m3，降塵效率分別為97.18%、95.20%；爆破后，應用云霧除塵裝置，全塵、呼吸塵的降塵效率分別為96.89%、96.04%。由此可知，無論是爆破前，還是爆破后，云霧除塵裝置都可以將粉塵濃度降到最高許可濃度以下，說明云霧除塵裝置對爆破粉塵的控制效果非常有效。

5 存在不足及展望

倡導環境友好、礦地和諧的綠色礦業發展模式已逐步成為世界各國共識。金屬礦山爆破塵毒防治是綠色礦山發展的重要內容，經過多年發展，金屬礦山爆破塵毒防控技術取得了一定的進展，新技術、新工藝、新材料和新產品不斷涌現，但仍與現場實際需求存在一定的差距，主要體現在以下幾個方面：

（1）金屬礦塵種類繁多、差異性強、數量大，截至目前，各類礦塵理化特性測試樣本采集基數小，金屬礦塵理化特性數據庫尚未建立，有毒有害氣體防治鮮有涉及。

（2）水炮泥塵毒防控機理有待于從微觀角度進一步探索；水炮泥配方研發流程規范性不足，評價標準相對落后，多數配方僅停留于實驗室探索階段，未得到現場驗證。

（3）現有塵毒傳感器精度普遍不高，無線化和智能化傳輸方式尚處于探索階段；未實現基于大數據、物聯網云平臺等技術聯網的在線塵毒監測，缺少對在線監測數據的深度處理與分析。

（4）云霧除塵作為一種新型除塵技術，其研究與應用還處于探索階段。云霧除塵設備的核心部件是空氣霧化噴嘴，空氣霧化噴嘴噴霧降塵理論尚不完善，導致云霧除塵技術在實際應用中存在很大的盲目性，氣、水流量等主要參數設定僅憑經驗。有關若干空氣霧化噴嘴組合噴霧特征及降塵效果的研究鮮有成果問世。

（5）隨著新材料、新工藝等不斷出現，粉塵危害分級監管、接觸限值、檢測方法等標準存在規定過于籠統、年代比較久遠等問題，很多內容要求與現實情況脫節嚴重。

（6）礦井作業場所環境復雜，工作人員操作水平參差不齊，科研成果技術轉化存在優化周期長、使用效果差、投入成本高等一系列問題，降低了企業的應用意愿。

為更好地進行金屬礦山塵毒防控研究，今后的發展方向主要有：

（1）借助三維激光掃描儀、CT掃描、大數據等技術手段，分級分類測定典型金屬礦塵物理化學特性基礎數據，如微觀形態結構、物相組成、官能團等，建立典型金屬礦塵理化特性數據庫；探索典型金屬礦塵物理性質、化學性質、不同尺度與其潤濕性之間的關聯矩陣，為采用物理化學方法降解塵毒提供基礎數據及技術支撐。

（2）提高水炮泥潤濕保濕能力、炮煙降解能力，降低對礦石與環境的影響，以表面張力、接觸角、臨界膠束濃度、防蒸發性等為篩選指標，建立水炮泥降塵消毒優選體系；優化多組份水炮泥配方，拓寬其適用范圍；采用理論分析、試驗研究、現場試驗等相結合的方法，從微觀上進一步探索多組份水炮泥塵毒防控機理。

（3）開展空氣霧化噴霧霧化特性、降塵效果及其影響因子的研究，獲得最佳工況參數；研發氣源、水源過濾凈化措施，為云霧除塵技術應用提供保障條件；通過數值模擬及現場實測方法研究巷道內風流時空演化規律，借鑒傳統巷道噴霧及除塵器優點，研發占地空間小、成本低、移動方便的移動式全斷面巷道云霧凈化裝置，通過優化噴嘴排列組合形成霧簾，凈化污染風流，加速微細粉塵凝結與沉降。

（4）研發高精度、多點連續測量、耐污染、使用壽命長的粉塵濃度檢測技術和在線濃度監測裝備，研發適用于工礦潮濕、沖擊等復雜環境的高精度粉塵監控體系，實現粉塵監控的自動化、智能化。

（5）組織開展標準頂層設計與發展規劃，完善粉塵監管強制性標準體系，加快標準的整合精減和“立、改、廢”工作，提高標準的針對性和適用性。

（6）應注重一線作業人員實操技術培養，加強新技術、新裝備在一線的適用性研究，加大新技術、新裝備的推廣應用。