我國金屬礦山采運過程典型作業場所粉塵污染控制研究現狀與展望

蔣仲安 曾發鑌 王亞朋

（北京科技大學土木與資源工程學院，北京100083）

隨著我國經濟的快速發展，對金屬礦山資源的 消耗量日益加大。為滿足全社會對礦產資源日益增長的需求量，金屬礦山的開采強度及深度不斷增加。但開采過程中的巷道掘進、采場爆破、溜井卸礦、路面運輸等作業環節均易產生大量的粉塵，嚴重威脅著企業的安全生產與一線作業人員的身體健康，因此金屬礦山粉塵污染問題的治理刻不容緩。礦山粉塵治理難度體現在：粉塵粒徑小、表面積大，懸浮于風流中不易沉降，對作業環境產生持續影響；作業人員長時間接觸粉塵易使人體肺泡組織纖維病變而引起塵肺病，等效直徑為1～2μm的粉塵對人體的健康損害程度高達99%［1］。

為控制粉塵污染的影響，學者們對金屬礦山粉塵污染治理技術進行了不斷探索和實踐，分析了鐵礦石粉塵的潤濕性、道路粉塵的含水率、安息角、比表面積等物化性質［2-3］，并形成了通風除塵、噴霧降塵、泡沫及抑塵劑抑塵等若干個粉塵防治關鍵技術［4］。然而，大多數科研院所、高校的學者傾向于關注單一的防塵技術，而現場單一除塵技術對粉塵的控制能力有限；同時研究的粉塵物化性質種類少，覆蓋不全面、不系統，尚未充分掌握粉塵的特性。因此，為進一步提高金屬礦山粉塵污染治理技術，貫徹落實《“健康中國2030”規劃綱要》的相關要求，本研究對我國金屬礦山粉塵污染防治的研究進展進行綜述，分析現階段我國金屬礦山典型塵源防治中存在的問題，并對金屬礦山粉塵污染治理技術的研究方向進行展望。

1 金屬礦山粉塵危害及來源分析

1.1 金屬礦山粉塵職業病危害

1.1.1 金屬礦山粉塵職業病情況概述

塵肺病是金屬礦山粉塵對人體危害的主要表現形式，為跟蹤職業病發病率情況，國家衛生部門每年對職業病發病率進行統計［5］。圖1展示了我國自2001年以來，近20年新發職業病、塵肺病人數及其占比情況。根據圖1的發病數量，可以將我國塵肺病的發展進程大致分為4個時期：①緩慢增加期（2001—2007年）。隨著我國加入WTO，經濟發展較為迅速，對礦產的需求量逐步上升，職業病及塵肺病患病人數表現出曲折上升的趨勢。②急劇上升期（2008—2011年）。經濟的迅速發展，促進了礦產資源產量逐步提升，使得塵肺病患病人數激增。③平穩過渡期（2012—2015年）。面對職業病尤其是塵肺病新增人數不斷增加，職業病的危害情況受到全社會較為廣泛的關注，2011年我國修訂了《中華人民共和國職業病防治法》，相關的診斷及防治技術也不斷更新。④緩慢下降期（2016年至今）。2016年塵肺病新增人數為28 088例，達到20年內的峰值，但隨著我國《國家職業病防治規劃（2016—2020年）》的出臺及落實，我國職業病及塵肺病新增人數在緩慢下降。由圖1可預測未來數年，塵肺病仍將是我國危害最大的職業病。

1.1.2 金屬礦山粉塵致病機理研究現狀

對于粉塵致病機理的研究最早可追溯至1930年，南非約翰內斯堡第一屆國際塵肺會議的召開標志著世界各國開始重視并研究塵肺病的病變機理［6］，從金屬礦山粉塵防治角度分析，一線工人吸入的粉塵在呼吸道內的沉降部位取決于粉塵顆粒的大小、質量、空氣動力學特性等，粉塵在呼吸系統的沉積方式如圖2所示。

目前，學術界傾向于將粉塵在體內的沉積方式大致分為5類：①重力沉降。較大顆粒的粉塵受重力作用，其自由沉降速度大于自身的布朗運動。②慣性碰撞。含塵氣流進入呼吸道內遇到分叉或拐彎后會改變原有的方向繼續前進，由于慣性作用仍按原軌道向前沖擊，碰撞到氣管表面而沉積。③擴散作用。直徑小于5μm的粉塵由于布朗運動不斷的撞擊，從而導致顆粒擴散至支氣管壁或肺泡壁而沉積。④攔截作用。粉塵粒徑大小決定了是否因攔截作用而沉積，粉塵與氣管壁的距離小于粉塵粒徑時，則會與壁面接觸而黏結沉降。⑤靜電沉降。電活性高的粉塵進入呼吸道的附著作用也較為明顯，帶電粉塵在氣道表面上誘導的鏡像電荷也會引起附著作用。

不同粒徑的粉塵在呼吸系統的沉積方式及效率是不同的，如圖3所示。1959年英國醫學委員會率先提出了呼吸性粉塵采樣器的RMRC分離曲線，1961年美國原子能委員會提出了AEC曲線，隨后1968年美國工業衛生協會對其進行修正，提出了相對完善的ACGIH曲線。目前，我國粉塵危害形勢依然嚴峻，因此在呼吸性粉塵采樣過程中，采用的是更為嚴格的RMRC分離曲線。

由圖2和圖3可知：粒徑大于10μm的粉塵由于慣性碰撞沉積在上呼吸道的咽喉與氣管內；粒徑為5～10μm的粉塵由于慣性碰撞和少量的重力沉降作用而沉積在上呼吸道的較大支氣管內；粒徑大于5 μm的粉塵由氣管黏膜分泌物及纖毛運動隨痰排出體外［1］。對礦山作業人員危害最大的是含塵氣流內粒徑小于7.07μm的呼吸性粉塵，其在肺泡內的布朗運動導致了肺組織纖維化，因此在金屬礦山各作業環節中，加強對呼吸性粉塵的防治是減少塵肺病的有效手段。

礦山粉塵對作業人員身體危害較大，通過對近年來職業病患病人數及塵肺病發病人數的占比分析可以看出，礦山粉塵危害并未得到完全控制，需要繼續探索新的粉塵控制技術及方法。

1.2 金屬礦山粉塵來源分析

金屬礦山礦巖的破碎過程往往伴隨著粉塵的產生，采運過程中礦巖的破碎工藝主要有鉆孔、爆破、裝載、卸礦、運輸作業等，這些作業環節均易產生大量的粉塵，嚴重威脅一線作業人員的身心健康。

（1）鉆孔作業產塵分析。在金屬礦山采場、巷道等場所進行鉆孔作業時，高速旋轉的鑿巖機鉆頭伴隨高壓空氣擠壓作業工作面，礦石在鉆頭的振動沖擊、劇烈摩擦作用下被粉碎并產生大量的粉塵［7］，粉塵在風流作用下吹出，大粒徑粉塵受重力作用逐漸沉降，小粒徑粉塵則在排出后向工作面附近擴散。

（2）爆破作業產塵分析。對于金屬礦山而言，大部分的粉塵是在爆破作業中產生［8］。爆破作業產塵主要包括兩個方面：一方面，炸藥爆炸能量使礦石破碎后的粉塵在沖擊波的作用下細化分解，形成分散度較高的粉塵顆粒，可長時間滯留在爆破作業工作面附近；另一方面，沖擊波激蕩起巖壁和地表的積塵，使其二次飛揚，加劇了爆破作業時的粉塵污染［9］。

（3）裝載作業產塵分析。在對爆破后產生的礦石進行裝載、轉運過程中，由于裝碴機的鏟裝、翻斗以及卡車的運輸使得渣堆、巖壁以及地表的粉塵再次被揚起，已沉降的小顆粒粉塵再次漂浮在空氣中，造成二次污染效應。

（4）卸礦過程產塵分析。卸礦過程中，由于落差的存在，礦石在下落過程中相互碰撞破碎將產生新生粉塵及沖擊氣流，產生的沖擊氣流會使粒徑小、質量輕的礦物粉塵揚起。

（5）運輸作業產塵分析。在運輸卡車荷載的作用下，使金屬礦山運輸路面泥土破碎形成松軟的粉塵，與此同時，車輪的旋轉作用與地面摩擦，使得粉塵的起錨載荷達到極限起錨力［10］，路面積塵在剪切摩擦力的作用下進一步細化，同時在誘導氣流的作用下使得粉塵脫離路面飛揚。

金屬礦山采運過程產塵量較大，產生的粉塵對作業場所及運輸系統將造成較大影響，并且礦石采運中作業人員較多，粉塵造成的影響范圍較廣。為降低粉塵的污染，從塵源角度降低粉塵的產生量，對重點產塵源周圍的粉塵進行捕捉、屏蔽，可有效控制粉塵傳播，提高降塵效率。

2 金屬礦山粉塵污染治理研究現狀

2.1 粉塵污染防治方法研究現狀

2.1.1 通風除塵

金屬礦山通風除塵可為作業區域的工作人員提供新鮮風流，同時可將作業過程中產生的粉塵稀釋排出，是防止粉塵過量積聚、保障良好作業環境的重要措施。

2.1.1.1 通風排塵

現階段，金屬礦山掘進巷道常用局部通風機進行通風除塵，即通過風筒導風將局部風機產生的新鮮風流送入獨頭掘進巷道，按布局方式可分為壓入式、抽出式和混合式3種［11］。混合式通風適用于大斷面、長距離的掘進巷道，具有風流作用距離長、通風除塵效果好的優點而被廣泛應用于金屬礦山。長壓短抽式通風除塵原理如圖4所示。

2.1.1.2 通風控塵

目前，我國金屬礦山采用行之有效的通風控塵方式主要有空氣幕隔塵。空氣幕是指空氣以一定的速度從噴口射出而形成的隔斷氣簾［12］，如圖5所示。控塵原理是利用隔斷氣簾的射流將產塵源的粉塵封閉在一定的區域內，并將作業面釋放的高濃度粉塵與周圍空氣隔離，以保證工作區域的空氣質量。

2.1.1.3 凈化風流

凈化風流是指通過一定的設備或裝置將巷道含塵氣流中的礦塵捕獲進而使氣流得以凈化的技術。目前，我國金屬礦山較為常用的凈化風流技術有水幕隔塵（圖6）［13］，通過在巷道頂部與兩幫安設防塵水幕，以達到凈化含塵氣流的目的。

2.1.2 噴霧降塵

噴霧降塵是指將水分散成霧滴噴向塵源進而抑制和捕捉粉塵的方法與技術［14］。噴霧包括水噴霧及氣水噴霧兩種，氣水噴霧具有霧化效果好、耗水量小、除塵率高等優點，在金屬礦山運用較廣［15-16］，氣水噴霧裝置如圖7所示。

氣水噴霧霧化可分為一次霧化與二次霧化［15］。一次霧化是指液體破碎成液滴的過程，發生在液—氣的交界面上，液體受到氣體的擾動產生不穩定的波動。一次霧化形成的液滴與周圍空氣存在速度差，是否繼續破碎成更小的液滴取決于韋伯數We，若We大于臨界韋伯數Wec則液滴破碎，形成二次霧化。二次霧化可能發生多級破碎，每級液滴是否破碎仍取決于We。

目前，對于噴霧降塵原理的研究，普遍認為對塵源噴霧后，含塵氣流繞過霧滴，粉塵由于慣性作用會從繞流氣流中偏離而與霧滴相撞，進而被捕捉，如圖8所示，即通過粉塵粒子與液滴的慣性碰撞、攔截以及重力沉降等作用實現捕捉，其捕捉的概率與霧滴的直徑、粉塵受力情況等有關。

2.1.3 泡沫抑塵

泡沫抑塵是指將發泡劑按一定的比例與水混合形成發泡溶液，通過發泡器將空氣引入發泡劑溶液進行發泡，利用噴頭將泡沫噴射于塵源，實現對粉塵的抑制與捕捉，如圖9所示［17］。

對于泡沫除塵而言，穩定性高、潤濕效果好及發泡量大的泡沫對粉塵的捕捉效率高。通過試驗分析發現，影響泡沫發泡效果的因素主要包括泡沫配方及發泡器結構兩個方面。為優化發泡效果，蔣仲安等［18］從泡沫配方的角度，以泡沫綜合指數、表面張力、接觸角及反向滲透速度為指標，優選出的最佳泡沫抑塵劑配方為α-烯烴磺酸鈉、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉、十二烷基二甲基甜菜堿和椰子油單乙醇酰胺，各成分質量分數分別為0.15%，0.20%，0.05%和0.50%；優選出的泡沫潤濕效果較好，具有較強的捕塵能力。陳舉師等［19］從優化泡沫發生器結構的角度來提高發泡效果，采用數值模擬方法分析了發泡器內部氣液流場的變化情況，如圖10所示。通過模擬確定了泡沫發生器的基本尺寸與發泡參數，有助于解決現有發泡器發泡速度慢、泡沫含水量高的問題。

由于泡沫除塵具有耗水量少、降塵效果好等優勢，逐漸在礦山粉塵治理中得到發展。現階段對于泡沫除塵技術的研究，主要集中在對泡沫配方的優選方面，對于發泡設備的研究相對較少，泡沫配方的環保性考慮也不足。發泡設備沒有標準的規格，研究出的泡沫配方在發泡過程中受到發泡設備的限制，達不到預期的發泡效果。因此，為了進一步發展金屬礦山泡沫除塵技術，應充分考慮泡沫配方的環保性和成本，并對發泡設備進行研發，形成配套的發泡系統。

2.1.4 抑塵劑抑塵

抑塵劑是抑制金屬礦山粉塵二次揚起的有效途徑之一，目前抑塵劑根據其作用原理可分為潤濕型、黏結型、凝聚型和復合型4類［20］，如表1所示。現階段我國抑塵劑的研發與制備朝著多功能型、環保型以及經濟型于一體的方向發展。如圖11所示，李俊杰等［21］對抑塵劑在鐵礦、煤礦、石灰石礦等不同類型露天礦山運輸路面現場應用效果進行了測試，分析了抑塵劑相比灑水抑塵存在的優勢。

在現有的除塵方法中，通風、噴霧、泡沫以及抑塵劑是金屬礦山粉塵治理最為實用且常見的技術手段。由于不同的除塵方式有相應的適用范圍及場所，因而在現場采用單一的除塵方式很難得到較好的控塵效果。因此，根據不同的塵源特點對除塵方式的選擇、組合使用以及借助自動化手段建立自動降塵系統是未來金屬礦山粉塵治理技術的發展方向。

2.2 典型作業場所粉塵污染規律及防治技術研究現狀

2.2.1 采場爆破粉塵

采場爆破產生的粉塵污染一直是金屬礦山粉塵防治工作的重點，據實測數據顯示，采場爆破時的粉塵濃度最高可達到3 500 mg/m3，亟待采取有效的除塵措施［22］。

2.2.1.1 采場爆破粉塵污染規律研究現狀

目前，針對金屬礦山采場爆破粉塵污染規律的研究方法主要有現場測定與數值模擬兩類。蔣仲安課題組［23-25］依據氣溶膠力學與氣固兩相流理論，運用Fluent軟件對巷道型采場爆破粉塵質量濃度分布規律進行了數值模擬，并與現場實測數據進行了對比驗證，結果如圖12和圖13所示。

李鋒等［26］基于氣固兩相流理論及扁平型硐室采場特點，對采場爆破后通風20 min內粉塵濃度變化，以及在不同入口風速下粉塵的運動軌跡進行了數值模擬，通過模擬得出爆破0～50 s內粉塵受回流作用聚集在硐室左側隅角及邊壁附近，50 s之后粉塵開始由主風流帶出硐室，60 s后開始進入循環凈排階段，0～70 s內粉塵濃度下降最快，70s以后采場內的粉塵主要是呼吸性粉塵，沉降時間較長。李雨成等［27］構建了某金屬礦1100工作面三維幾何模型并劃分網格，確定氣相流場邊界條件，模擬得出掘進面60 m范圍內粉塵沿巷道縱向、垂向擴散規律及巷道沿程粉塵粒徑分布規律與空間分布規律。曹楊［28］以某礦采掘面炮煙為研究對象，分析了采掘爆破條件對炮煙中有害成分及其變化的誘發規律，討論了采掘面炮煙有害成分時空演化特征，并提出采掘面炮煙濃度控制方案，如圖14所示。

綜上分析，學者們針對金屬礦山采場爆破產塵特點，根據現場實測數據，建立了采場爆破粉塵運移數學模型，通過數值模擬軟件分析了采場流場分布規律、粉塵濃度分布規律以及不同風流中粉塵擴散運移規律，但是缺少對爆破產塵機理的分析。采場爆破是金屬礦山生產中產煙塵量較大的作業，爆破后除產生大量粉塵外，還產生了有毒有害氣體。對于采場爆破粉塵的分析，應通過力學分析的手段，充分研究炸藥爆炸壓力對巖體的破壞過程，探究巖塵的形成過程以及爆炸生成物成分，以便針對采場爆破粉塵提出更為有效的治理措施。

2.2.1.2 采場爆破粉塵防治技術研究現狀

近年來，國內學者針對采場爆破粉塵污染問題研究并提出了水炮泥、云霧等降塵措施。如金龍哲等［29-30］通過在水炮泥溶液加入添加劑，可有效降低其表面張力和提高潤濕能力，通過試驗對比分析，該溶液的霧化降塵效果較好［31］。杜翠鳳等［32］根據水炮泥的抑塵降毒機理，通過正交試驗，對不同配方溶液的表面張力、潤濕能力及降毒性能進行了測定，得出水炮泥煙塵抑制劑的最優配方，同時考慮了爆破產物中的粉塵及有毒有害氣體的治理，彌補了現有水炮泥未能有效降低有害氣體的不足。郭敬中等［33］以表面張力和接觸角為優選指標，通過對比試驗完成了基料和輔料的初選與復配，得到了用于優化水泡泥降塵的多組份潤濕劑配方，配方的全塵降塵效率為63.61%，呼吸性粉塵降塵效率達61.63%，較普通水炮泥降塵效率提高了35%左右。鄒常富等［34-35］通過添加表面活性劑制成高效水炮泥，并在爆破采場對高效水炮泥的布置方式及合理填塞長度進行了現場試驗（圖15），對比分析其降塵效率。

與水泡泥除塵相比，云霧除塵作為一種新型除塵技術，其除塵原理包含霧化機理與噴霧降塵機理兩個方面［33，36］。在對爆破粉塵治理中，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連續噴霧，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［37］，如圖16所示。

現階段，我國對采場爆破粉塵污染防治技術的研究主要集中在水炮泥及噴霧兩個方面，現有的除塵措施對采場爆破粉塵防治有一定的效果，但仍無法完全滿足對爆破粉塵治理的要求，爆破粉塵治理仍存在以下問題：①我國金屬礦山種類較多，粉塵的物化性質差異較大，這對水炮泥配方的適用性提出了更高的要求；②水炮泥配方研制流程尚不規范，評估機制尚未建立；③水炮泥配方的經濟性、環保性、可操作性以及對作業人員是否有危害、對礦石的冶煉是否有影響等問題在研制過程中未充分體現。

2.2.2 巷道掘進粉塵

巷道掘進過程中也易產生大量粉塵。近年來，學術界對掘進巷道粉塵擴散規律、通風除塵、噴霧降塵以及泡沫抑塵技術等進行了大量的試驗和數值模擬研究。

2.2.2.1 巷道掘進粉塵污染規律研究現狀

巷道掘進工作面粉塵分布及擴散受復雜的作業工序、產塵位置、產塵源強度以及局部通風系統等多種因素的影響。為掌握巷道掘進粉塵變化規律，杜翠鳳等［38］運用數值分析與現場測試相結合的方法，對掘進巷道長壓短抽通風除塵系統粉塵質量濃度分布規律進行了研究，研究發現長壓短抽式通風相比于壓入式通風，更容易控制粉塵的擴散，如圖17所示。

秦躍平等［39］結合氣固兩相流理論和數值模擬技術，研究了長壓短抽式除塵通風時掘進巷道中粉塵運移和分布規律，對比分析了壓入風量、抽壓比及抽（壓）風筒口位置等通風參數對粉塵濃度及分布范圍的影響，提出了壓風分流通風方式。研究表明：壓入風筒距離掘進面越近，高濃度粉塵的影響范圍越大，排塵效果越差；抽出風筒距離掘進面越近，高濃度粉塵存在范圍和巷道中粉塵濃度越小。上述結論的得出，有效指導了現場通風設備的安裝。在上述研究的基礎上，蔣仲安等［40］以巖巷掘進工作面為研究對象，通過數值模擬與現場試驗優化了長壓短抽通風除塵參數，得出了吸塵罩罩口最優寬、高分別為0.6 m、0.8 m，掘進巷道通風系統負壓風筒高度最優為2 m，不同負壓風罩高度下巷道內粉塵變化情況如圖18所示。

2.2.2.2 巷道掘進粉塵防治技術研究現狀

依據巷道掘進過程中粉塵擴散及運移規律，大量學者對巷道掘進粉塵污染防治進行了研究。蔣仲安等［41-42］針對巷道掘進過程中噴霧灑水除塵效率低的問題，通過理論研究、實驗室實驗以及工業試驗，研制了一款體積小、質量輕的自激式水浴水膜除塵器，除塵效率達97%。李剛等［43］開發了一種適用于掘進巷道的新型通風除塵系統（圖19），該系統將壓風筒布置在巷道中心位置的頂部，抽風筒布置在巷道兩側的呼吸帶高度，使得掘進工作面的風流位置控制在1.5 m以下，有效保障了作業人員的作業環境。

在巷道掘進粉塵防治中，除了通風除塵技術外，噴霧、空氣幕以及化學除塵技術也發展較快。張小康等［44］提出了由高效掘進機外噴霧、空氣幕封閉除塵、化學除塵3種降塵技術構成的全巖巷綜掘工作面高效綜合除塵技術。朱小龍［45］針對現有泡沫降塵設備降塵效果不佳的問題，利用圖20所示的Scheludko液膜測量系統，分析了粉塵顆粒接觸下泡沫液膜排液機理與規律，改進了發泡劑的成分使泡沫捕獲疏水粉塵后的穩定時間大幅提高，降塵效果得到明顯改善。根據巷道掘進中粉塵運移特點，學者們提出的綜合除塵技術有效解決了巷道內粉塵污染問題，但是除塵設備均需要手動控制，缺少自動化控制手段，無法根據粉塵濃度變化實現有效的動態調整控制，控塵過程不靈活，易造成水、發泡劑等材料的浪費。

2.2.3 溜井卸礦粉塵

溜井作為礦石和廢石裝載與運輸的重要通道，在金屬礦山開采中起著至關重要的作用［46］。溜井運輸過程中的卸礦氣流攜帶粉塵運動造成了井下卸礦硐室及卸礦平巷粉塵污染［47］。為防止溜井卸礦粉塵污染，近年來學者們對溜井產塵機理及溜井控塵方式進行了大量研究。

2.2.3.1 溜井卸礦氣流及粉塵產運規律研究現狀

在卸礦氣流形成機理方面，早期劉啟覺［48］、嚴興忠［49］根據流體力學的相關原理，推導出了理想落料過程誘導氣流量的計算公式；李小川等［50］、張桂芹等［51］通過試驗對落料誘導氣流及揚塵規律進行了研究；王英敏等［52］通過將礦石簡化為球體，對礦石自由下落過程中前后形成的壓差進行了分析，推導了卸礦時最大沖擊氣流與其影響因素之間的關系；暨朝頌［53］從礦石與溜井內空氣能量交換的角度進行分析，探討了溜井內沖擊氣流的產生過程和計算方法；陳亮等［54］、姚貴佳［55］等通過將卸礦礦石假設為一個整體進行了溜井卸礦沖擊氣流的數值模擬研究。上述研究對物料下落中氣流的產生機理進行了分析，但是研究過程中缺少對溜井結構影響卸礦氣流的分析。礦石在溜井內運動，與溜井壁存在連續的碰撞，導致礦石在溜井內的運動軌跡發生變化，礦石對流場的擾動也與垂直下落的物料有一定的區別。

在對物料下落粉塵及氣流產生理論研究的基礎上，蔣仲安［56-59］課題組以紫金山礦業集團某礦四中段溜井為研究背景，采用相似原理推導了溜井卸礦氣流及粉塵的相似準則數，以相似準則數為基礎建立了溜井卸礦產塵研究相似試驗模型（圖21），并對不同卸礦流量、礦石粒徑及卸礦高度下的溜井內氣流變化規律進行了研究。結果表明：溜井卸礦后，一、二中段以誘導氣流為主，而三、四中段以沖擊氣流為主；隨著卸礦流量增加，各中段卸礦口的最大風速及產塵量均呈現先增大后減小的趨勢，其中，在各流量下，最大風速及產塵量出現在卸礦流量為1.0 kg/s時；各中段卸礦口最大風速及產塵量隨著礦石粒徑和含水率增加而降低；各中段卸礦口最大風速及產塵量隨著卸礦高度增加而增大［59-62］。此外，在溜井粉塵時空分布規律方面，鄒常富等［60］通過現場實測對溜井卸礦口的產塵能力、含塵氣流時空演化規律及粒度分布規律進行了分析，卸礦口逸散的含塵氣流中，粒徑10μm以上的粉塵占比為7%，粒徑在10 μm以下的粉塵占比93%，呼吸性粉塵占比高，明確了溜井卸礦粉塵粒徑的分布范圍。上述研究充分分析了溜井卸礦粉塵的產生及擴散規律，揭示了溜井卸礦粉塵污染產塵機理，對卸礦粉塵治理提供了可靠的理論支撐。

2.2.3.2 溜井卸礦防治技術研究現狀

針對溜井粉塵防治問題，楊凱等［63］提出了在卸礦硐室與支岔溜井的連接口安裝細水霧噴霧系統進行降塵，同時在各支岔溜井安裝密閉鏈式防塵擋板進行密閉封堵的綜合性防塵措施；李海亮［64］針對某鐵礦的實際需求和現有條件，利用干霧除塵技術設計了溜井干霧除塵控制系統，有效控制了礦井-280 m采層溜井卸礦硐室的粉塵；蔣仲安等［16］采用激光粒徑分析儀及噴霧實驗設備對氣—水噴頭霧化特性、沖擊氣流對噴霧捕塵能力的影響規律進行了分析，確定出氣、水流量比為100～150時，霧化效果最佳，最佳氣壓和水壓區間分別為0.4～0.6 MPa和0.3～0.5 MPa；在最佳氣壓和水壓區間內，霧化角度隨著氣壓的增加而增大，隨著水壓的增大先增大后減小，最大霧化角度為40°（圖22和圖23）。

除了溜井內的噴霧除塵手段外，學者們對于采 用泡沫治理溜井卸礦粉塵也進行了研究。李孜軍等［65］通過正交法和單因素法優選出了最佳的泡沫抑塵配方，并模擬了溜井卸礦不同泡沫高度的抑塵效率為85%～95%，呼吸性粉塵的抑塵效率為87%左右，其時效可達2 h以上；王亞朋等［66］為了控制多中段高溜井卸礦時引起的粉塵污染，研究了泡沫除塵技術在卸礦時的應用，分析了礦倉中泡沫高度與降塵率之間的關系，發現礦井中泡沫高度為15 cm時，可獲得最佳的除塵效果。通過對礦倉內噴射泡沫，有效控制了溜井卸礦過程中的礦倉粉塵，并潤濕了礦倉內的浮塵，有效抑制了浮塵的二次飛揚。

溜井卸礦過程中，由于卸礦氣流的存在，對下部中段造成了嚴重的影響。溜井卸礦粉塵治理也成為礦山粉塵治理中較為重要的工作之一。為治理卸礦粉塵，有學者提出了溜井口密封、建立卸壓井等手段，在一定程度上控制了粉塵污染，但是設備建設及維護工作量大；而噴霧及泡沫噴射等控塵手段更為方便。溜井卸礦會造成溜井系統粉塵污染，上中段卸礦后下部中段粉塵得不到及時控制，除塵設備達不到預期控塵效果。

2.2.4 破碎硐室粉塵

在破碎硐室內板式給礦機給礦及顎式破碎機破碎的過程中，會產生大量的粉塵，給現場作業人員身體健康和安全生產帶來了極大威脅。為掌握破碎硐室的粉塵擴散規律，提高破碎硐室粉塵治理的針對性，陳舉師等［67］以西石門鐵礦提升車間系統27號破碎硐室為研究背景，依據氣固兩相流理論，運用計算流體力學的離散相模型（DPM）對破碎硐室粉塵濃度分布進行了數值模擬（圖24），硐室空間內破碎機及給礦機附近區域粉塵濃度較大，并以破碎機及給礦機為中心徑向逐步降低；捕捉壁面條件下粉塵濃度較反彈壁面要低；當27/40斜坡道進風且風速為1 m/s時，硐室空間內粉塵沉降效果較好。通過研究分析得出了連接破碎硐室的斜坡道的最近通風風流，從破碎硐室通風的角度改善了破碎硐室的粉塵污染問題。

除了采用通風方式對破碎硐室粉塵進行控制外，設置吸塵罩，建立抽風除塵系統，也能夠避免粉塵對其他巷道的污染，實現對粉塵的有效控制。國內學者對破碎硐室內的除塵系統安裝進行了一定的研究，陳舉師等［68-69］結合氣固兩相流的運動方程，導出了模擬破碎硐室粉塵運動的相似準則數，建立了破碎硐室相似模型（圖25和圖26），并運用Fluent軟件對破碎硐室相似模型粉塵質量濃度分布進行了數值模擬。研究表明：入口風速為0.2～0.5 m/s時，粉塵質量濃度隨著風速的增大逐步降低，安裝抽風除塵系統后，粉塵質量濃度基本保持在2 mg/m3以內，平均除塵率高達90%以上。通過研究建立的破碎硐室抽風除塵系統，對控制破碎產塵具有較好的效果。

2.2.5 卸礦站粉塵

卸礦站卸礦過程中，由于礦石相互碰撞將產生大量粉塵，同時產生的沖擊氣流會使巷道積塵二次飛揚，并進入巷道通風系統，造成巷道內粉塵濃度超標，嚴重污染工作區域環境。為了充分掌握卸礦站粉塵擴散規律，為卸礦站粉塵治理提供更有針對性的控塵措施，陳記合等［70］基于相似性原理，運用Fluent軟件對安徽開發礦業有限公司-425 m水平2#卸礦站卸礦時巷道內粉塵濃度分布進行了模擬，得出不同監測面粉塵濃度隨時間變化規律（圖27）。研究表明：卸礦時粉塵濃度分布受沖擊風流影響較大，卸礦站巷道內粉塵主要由卸礦坑產生，經沖擊風流攜帶而出，造成巷道內粉塵濃度較大；定期對卸礦站壁面進行灑水，不僅能清除卸礦站壁面粉塵，而且能在一定程度上吸附新產生粉塵，降低巷道內粉塵濃度。

此外，有學者從卸礦參數與卸礦產塵量的大小的關系角度來研究卸礦產塵控制方法，蔣仲安等［71］采用ANSYS軟件對西石門鐵礦27#卸礦站進行了建模分析，研究了巷道粉塵濃度與卸礦量、巷道風速、礦石粒徑和壁面條件之間的關系（圖28）。研究表明：下風向巷道粉塵濃度大小與卸礦量成正比例關系，與風速、礦石粒徑成反比例關系；在滿足生產條件的情況下，卸礦量5 000 kg/s、巷道風速1.5 m/s時，盡可能增大礦石粒徑、定期清掃巷道壁面，可有效降低巷道粉塵濃度。

在對卸礦站粉塵污染規律及卸礦參數與產塵間關系研究的基礎上，粟闖等［72］根據湖北某銅鐵礦卸礦站的工藝流程與產塵特點，設計了濕潤劑噴霧防塵系統，有效抑制了粉塵產生；在此基礎上，吳江等［73］設計了由高壓噴霧降塵系統、通風排塵系統和超限噴霧系統3個部份組成綜合防護系統（圖29），解決了冬瓜山銅礦卸礦站粉塵污染問題。通過上述研究可知，卸礦站產塵的規律性較強，在完善通風系統的基礎上，配備自動化的噴霧及除塵機除塵設備，可以十分有效地控制卸礦站粉塵的污染。

2.2.6 路面運輸粉塵

金屬礦山除了采用溜井及皮帶運輸礦石外，無軌礦車起到了同樣重要的運輸作用。但礦車在運輸過程中，易造成嚴重的路面揚塵。針對路面揚塵，王海寧等［74］分別對渣油、水系乳化液抑塵劑和高倍吸水樹脂抑塵劑的耐蒸發性等進行了研究，對比了兩種抑塵劑的抑塵性能；杜翠鳳等［75］研制出了具有吸濕、保濕、凝并、固結等多重性能的YCH抑塵劑，并在礦山采場路面進行試驗，抑塵效率可達98.4%。

近年來，謝振華等［76］研制出了兩種性能優良的復合抑塵劑，并進行了性能測試和對比分析，現場試驗表明：研制的復合抑塵劑能使粉塵質量濃度控制在4 mg/m3以下，有效抑塵時間為6 h；杜翠鳳等［77］針對露天采場路面負溫環境下的揚塵特點及機理，研制出了一種防凍型路面抑塵劑，該抑塵劑能夠抵御30 m/s的風力侵蝕，在-33.4℃時依然不結冰，且成本低廉，為露天礦冬季路面揚塵治理提供了良好的技術保障，隨后該課題組又針對露天采場路面揚塵特點及機理，研制出了一種吸濕型路面抑塵劑，該抑塵劑的有效抑塵時間為10 d，與傳統灑水方法相比，抑塵費用降低了30.71%，節水效率達到94.67%（圖 30）［78］。

金屬礦山產塵點較多，但作業人員密集的場所主要集中在采場、巷道掘進頭、溜井口、破碎硐室、卸礦站等。上述研究表明：現有的除塵方式不系統、針對性差、缺少必要的監控措施，對現場的除塵效果沒有連續的量化性的數據。

3 金屬礦山粉塵污染治理技術展望

金屬礦山采場爆破、巷道掘進、溜井卸礦及路面運輸等作業過程中的粉塵污染問題日益突出。近年來，有關學者針對粉塵污染防治進行了大量的研究，并取得了一定的成果。然而，我國金屬礦山開采過程中產塵量大、塵源多、礦石種類多、差異性強，現有對粉塵治理的研究，缺乏對不同礦石粉塵物理性質的分析；采用的路面抑塵及水泡泥材料對環境保護、經濟性等因素考慮不全面，并且缺乏自動化添加和調控手段；粉塵控制設備的開關及處理風量的大小不能隨產塵情況動態變化。因此，粉塵污染治理技術仍然有較大的發展空間，為進一步提高粉塵治理效果，根據本文對金屬礦山粉塵污染治理研究現狀的總結分析，提出如下建議與展望：

（1）建立金屬礦山粉塵理化性質數據庫。由于金屬礦山粉塵種類多，其理化性質差異性較強，如對于鎂、鋁等特殊金屬礦山的開采，產生的粉塵在一定的高溫和點火能的熱源作用下，可能發生爆炸；不同的金屬礦石粉塵的潤濕性不同，對水炮泥與抑塵劑等配方的適用性提出了更高的要求。因此，可借助SEM掃描、大數據、人工智能等技術手段，分類分級測定典型金屬礦山粉塵的理化性質并建立相應的數據庫，分別分析典型金屬礦山粉塵的物化性質與其爆炸性、潤濕性之間的關聯矩陣，為金屬礦山粉塵控制提供數據支持。

（2）建立健全金屬礦山粉塵防治技術及裝備體系。由于礦井地質構造復雜，通風系統在安全生產、節能環保、職業健康等方面發揮的作用越來越顯著，因此需要在理論方面，研究金屬礦山采運過程（鉆孔、爆破、鏟裝、運輸、卸礦、破碎）產塵量與各影響因素間的相互關系，建立產塵量預測模型，研究高溜井卸礦沖擊氣流形成機制及多相多場耦合下采運過程粉塵的時空分布特征；在通風排塵方面，研發采掘工作面智能變頻通風技術；在粉塵治理方面，研發呼吸性粉塵除塵效率高、體積小、質量輕且集干式、濕式、干濕混合式于一體的多功能除塵器，研發高溜井多中段聯動粉塵控制裝置，研制集風流—粉塵—汽車尾氣多組分耦合條件下的協同防治技術裝備體系，實現單一防塵技術手段向多樣化復合技術轉變。

（3）研制金屬礦山高效、環保、經濟的水炮泥與抑塵劑。水炮泥與抑塵劑雖然作用于不同的工藝作業環境下，但復雜的金屬礦山粉塵種類對二者的適用性、經濟性、環保性均提出了更高的要求。需要在微觀層面進一步探索與完善水炮泥與抑塵劑的塵毒防控機理和評估機制，研發水炮泥和抑制劑的自動添加調配、溶液自動加注填塞封孔成套技術及裝備，研發運輸路面長效環保抑塵劑及其自動添加、噴灑流量智能調控技術與裝備。

（4）金屬礦山機械化、自動化和智能化聯合防塵控塵體系構建。利用大數據、人工智能、PLC等技術手段，結合粉塵在線監測、數字化信息控制、動態數據傳輸系統，建立粉塵作業環境評價體系與監測、預警平臺，實時監測監控工人作業過程中的粉塵濃度，實現采場爆破、巷道掘進、溜井卸礦、路面運輸等典型作業過程中的噴霧降塵、泡沫除塵向機械化、自動化、智能化方向發展。