鐵礦采場多組份水炮泥抑制爆破煙塵試驗研究
2020-05-11
金屬刺激窩在線視頻免費視頻采場爆破煙塵產生量大,不僅嚴重危害井下工人的職業健康,而且經回風井排放到地面也會造 成大氣污染;诖搜兄屏诵滦投嘟M份水炮泥配方,以梅山鐵礦巷道型采場作為試驗地點,利用在線監測的手段測定 了采場爆破后4種水炮泥裝填類型的粉塵變化情況以及炮煙中CO、NO的濃度變化規律,分析對比了不同裝填類型的 水炮泥對采場爆破煙塵的抑制效果。研究結果表明:采場爆破后 CO和 NO濃度變化均遵循“雙峰曲線”的規律,基本 具有普遍性;在抑制粉塵方面,多組份水炮泥的效果優于普通水炮泥,且其呼塵相對降塵率遠大于全塵相對降塵率,即 多組份水炮泥具有更為良好的呼塵抑制效果;在抑制有毒有害氣體方面,與普通水炮泥相比,...
Series No. 526 April 2020 金 屬 METAL MINE 礦 山 總第 526 期 2020 年第 4 期 鐵礦采場多組份水炮泥抑制爆破煙塵試驗研究 王天暘1,2 金龍哲1,2 郭敬中1,2 劉建國1,2 鞏 琦1,21 ( 1. 北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083;2. 金屬刺激窩在線視頻免費視頻高效開采與安全教育部重點實驗室,北京 100083) 摘 要 金屬刺激窩在線視頻免費視頻采場爆破煙塵產生量大,不僅嚴重危害井下工人的職業健康,而且經回風井排放到地面也會造 成大氣污染;诖搜兄屏诵滦投嘟M份水炮泥配方,以梅山鐵礦巷道型采場作為試驗地點,利用在線監測的手段測定 了采場爆破后 4種水炮泥裝填類型的粉塵變化情況以及炮煙中 CO、NO 的濃度變化規律,分析對比了不同裝填類型的 水炮泥對采場爆破煙塵的抑制效果。研究結果表明:采場爆破后 CO 和 NO 濃度變化均遵循“雙峰曲線”的規律,基本 具有普遍性;在抑制粉塵方面,多組份水炮泥的效果優于普通水炮泥,且其呼塵相對降塵率遠大于全塵相對降塵率,即 多組份水炮泥具有更為良好的呼塵抑制效果;在抑制有毒有害氣體方面,與普通水炮泥相比,多組份水炮泥對CO的抑 制效率提高了 51.9%,但對 NO 的抑制效果沒有明顯提升,即多組份水炮泥中的添加劑對 CO 的抑制效果明顯,而清水 在NO的抑制過程中起到了關鍵作用。 關鍵詞 采場爆破 多組份水炮泥 煙塵 抑制效果 中圖分類號 TD714 文獻標志碼 A 文章編號 1001-1250(2020)-04-194-06 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.202004030 Experimental Study on Suppression of Blasting Dust and Smoke by Multi-component Water Stemming in Iron Mine Stope 1 ,2 1,2 1,2 1,2 1,22 Wang Tianyang Jin Longzhe Guo Jingzhong Liu Jianguo Gong Qi ( 1. School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China; 2 . Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines of the Ministry of Education,Beijing 100083,China) Abstract Large amount of blasting dust are generated in the stope of metal mines,which not only seriously harms the occupational health of underground workers,but also causes air pollution when discharged to the ground through the return air shaft. Based on this,a new type of multi-component water stemming formula was developed. Taking the roadway stope of Meishan Iron Mine as the test site,the dust changes of four types of water stemming and the changes of CO and NO concentra tion in the fumes after blasting were measured by means of on-line monitoring,and the inhibition effect of different types of water stemming on the fumes and dust of stope blasting was analyzed. The results show that: the changes of CO and NO con centration follow the law of "double peak curve" after stope blasting,which is basically universal;the multi-component water stemming has a better performance in dust suppression than that of the common water stemming,and its relative respirable dust reduction rate is much higher than that of total dust,that is to say,multi-component water stemming has better respira ble dust suppression effect;in the aspect of toxic and harmful gas suppression,compared with common water stemming,the multi-component water cannon mud increased the inhibition efficiency of CO by 51.9%,but has not significant inhibition ef fect on NO,that is,the additives in multi-component water stemming has an obvious inhibition effect on CO,while the clear water plays a key role in the inhibition of NO. Keywords Stope blasting,Multi-component water stemming,Dust and smoke,Suppression effect [1] 采場爆破是金屬刺激窩在線視頻免費視頻井下最主要的生產方式 , 掘爆破監測發現,爆破后瞬間作業地點粉塵濃度最 3 在爆破瞬間會產生一種集氣體、液體及固體的多相 高可達 2 000 mg/m ,此外由于裝藥量大、裝藥結構不 [2] 混合物,俗稱炮煙 。炮煙中含有大量粉塵,根據采 合理等因素會造成炸藥爆破反應氧平衡的偏離,進 收稿日期 · 194 · 王天暘等:鐵礦采場多組份水炮泥抑制爆破煙塵試驗研究 2020年第4期 而生成以 CO、NO等為主的有毒有害氣體。這一工序 生成的爆破煙塵不僅嚴重危害井下工作人員的身體 [3] 健康、引發塵肺病 、中毒,而且經回風井排至井上也 [4] 會對大氣環境造成污染,引發霧霾 ,因此采取有效 措施降低采場爆破煙塵具有重大意義。 多組份水炮泥作為一種從源頭治理粉塵的技 術,其實質是對普通水炮泥的改進,即在水炮泥袋中 加入定量的高效抑塵劑,并與清水混合形成溶液充 填于炮孔內,在爆破時抑塵劑被高溫高壓充分汽化 形成霧滴,并與同時產生的粉塵相接觸、潤濕、凝結, 漸增加,潤濕效果越來越好,其中 J3 的表面張力最 低,潤濕速度最快,分別為 27.66 mN/m 和 1.76 mg/s。 由于試驗條件與時間受限,最終選擇潤濕效果較好 的 J2、J3 作為現場試驗開展的水炮泥添加劑配方,添 加劑與水比例均為最佳比例 1∶10。 [5-6] 從而起到降塵除煙的作用 。 近年來,針對多組份水炮泥,國內外學者已開展 [7] 了一些相關研究,如金龍哲 等對水炮泥加入一定量 的添加劑,證明可以降低溶液的表面張力,提高爆破 [8] 1. 2 試驗參數 瞬間的霧化效果,加快粉塵的沉降速度;杜翠鳳 等 開展了富水膠凍炮泥降塵機理的實驗研究,得出炮 泥與粉塵的吸附作用主要是以物理吸附作用為主, 選取南京梅山鐵礦-318 m水平西區北 16巷道型 采場作為試驗地點,試驗參數如下:采礦方法為無底 柱分段崩落法,通風方式采用多級機站通風,巷道斷 面為5.5 m×4 m的五分之一拱型;采礦炮孔為垂直上 向扇形中深孔,孔徑 91 mm,崩礦步距 2.4 m,單排炮 孔數量 9 個,炮孔布置示意圖如圖 1 所示;回采爆破 采用逐孔微差爆破,孔內炸藥為工業乳化粒狀銨油 [9] 化學吸附占吸附總量的很少一部分。李向東 等研 制了一種新型水炮泥,設計了添加劑在水炮泥袋中 的添加方案和制作工藝,并進行了現場對比試驗,結 果顯示加入添加劑后水炮泥爆破全塵降塵率提高了 3 4 0%以上;谖墨I研究發現,多組份水炮泥降塵技 炸藥,裝藥密度 0.95~1.05 g/cm ,炸藥量 950 kg/次, 術較多應用于煤礦,在金屬刺激窩在線視頻免費視頻、尤其是垂直中深孔 爆破的刺激窩在線視頻免費視頻應用極少,此外,目前研究多側重于降低 粉塵,并未系統開展抑制采場 CO、NO 等有毒有害氣 體的機理分析以及現場試驗。 每個炮孔內均裝填 1 個水炮泥,由于炮孔是上向孔, 特研制了水炮泥輸送器,防止水炮泥在輸送過程中 從孔中滑落,同時也提高了炮孔的封堵質量,孔內多 組份水炮泥裝填示意圖如圖 2所示。 為此,本項目研制了新型多組份水炮泥配方,并 以南京梅山鐵礦為試驗地點,開展了典型金屬刺激窩在線視頻免費視頻 采場多組份水炮泥抑制爆破煙塵的現場試驗,以期 為采場爆破粉塵及有毒有害氣體的治理提供理論指 導和試驗數據。 1 試驗材料與方法 1 . 1 試驗材料 在現場試驗開始前,首先在實驗室進行了多組 份水炮泥配方的研制。通過對多種表面活性劑、降 毒劑進行了正交復配,得到了新型表面活性劑,隨后 將其與吸濕性無機鹽混合、通過熱合成工藝得到了 多組份水炮泥添加劑配方,根據表面活性劑添加量 不同 3 種配方記為 J1、J2、J3,利用 QBZY-2 表面張力 儀和 Walker 法測定了純水和 3 種配方的表面張力和 潤濕速度,測定結果如表1所示。 在試驗過程中,采用 2 臺 GCD-1000 粉塵濃度傳 感器以及 2臺 CCZ-20粉塵采樣器測定采場的粉塵濃 度,2 臺采樣器分別測量呼吸塵和全塵,且用于對傳 感器在線監測數據的校準。設定 2 臺采樣器的采樣 實驗結果顯示:3 種配方 J1、J2、J3 相較于純水, 密度略有增大,表面張力降低明顯,潤濕速度大幅度 提高;且隨著表面活性劑添加量逐漸增加,J1、J2、J3 密度沒有明顯變化,表面張力逐漸降低,潤濕速度逐 · 195 · 總第526期 金 屬 礦 山 2020年第4期 流量均為 15 L/min,全塵采樣 5 min,呼吸塵采樣 10 min。此外采用 3 臺 SJ-2104Jlus 系列傳感器分別對 3 種有毒有害氣體 CO、NO、SO2 進行在線監測。所有測 量數據直接傳輸到計算機和無紙記錄儀。為避免采 場爆破沖擊波對設備的影響,塵、煙監測點設置在距 離爆破迎頭正前方 40 m 處,且設計了移動防爆監測 車對測量設備進行了集成防護,最后在靠近巷旁高 度 1.5 m 處安設了 2 組錨桿,利用鐵索將監測車與錨 桿固定,增加了測量的穩定性及可靠性。監測點及 塵、煙在線監測系統如圖 3所示。 爆破前首先完成監測系統的布置,并在井下完 成多組份水炮泥的灌裝。為保證試驗的可比性,使 每次爆破的炸藥量及采樣距離保持一致,本研究通 過定點監測與在線監測相結合的手段測定了采場爆 破后不裝水炮泥、裝清水、裝 2種配方 J2、J3多組份水 炮泥的粉塵濃度變化以及有毒有害氣體濃度變化, 經儀器校準、地面稱重等得到了各項試驗數據。 2 結果分析與討論 2 . 1 多組份水炮泥抑塵效果分析 為了分析對比多組份水炮泥的降塵效果,參照 行業標準《MT/T 712-1997 煤礦防塵措施的分級除塵 [10] 效率》 ,引入 2 個計算式,全塵相對降塵率 β1 及呼 塵相對降塵率 β ,分別如式(1)、式(2)所示。本次試 β2 = C1 - C2 2 × 100% , (2) 驗的粉塵效果檢驗以 CCZ20 呼吸性粉塵采樣器定點 C 1 3 監測的數據為主,主要數據如表2所示。 式中,C1 為不添加水炮泥時的呼塵濃度,mg/m ;C2 為 β1 = Q1 - Q2 添加普通水炮泥或多組份水炮泥時的呼塵濃度, × 100% , (1) Q 3 1 mg/m 。 3 式中,Q1 為不裝水炮泥時的全塵濃度,mg/m ;Q2 為添 試驗結果顯示,采用多組份水炮泥后,全塵濃度 以及呼塵濃度都有了非常明顯的降低,其中采用 J3 3 加普通水炮泥或多組份水炮泥時的全塵濃度,mg/m 。 · 196 · 王天暘等:鐵礦采場多組份水炮泥抑制爆破煙塵試驗研究 2020年第4期 配方全塵濃度和呼塵濃度達到了最低,說明J3配方的 多組份水炮泥降塵效果最好,這與之前實驗室表面張 力的測定結果是一致的。此外在全塵相對降塵率方 面,J2 配方相較于普通水炮泥提高了 6.8%,J3 配方提 高了 13.2%;在呼塵降塵率方面 J2配方相較于普通水 炮泥提高了30%,J3配方提高了47.2%;說明多組份水 炮泥在降低呼吸性粉塵方面相較于全塵效果更為明 顯。究其原因,是多組份水炮泥中加入的無機鹽類和 表面活性劑,表面活性劑降低了溶液的表面張力,提 高了對 5 μm 以下微細粉塵的潤濕能力和捕捉能力, 另外由于加入無機鹽類后,多組份水炮泥水溶液的密 度相較于清水略大,在爆破時更加具有迸發力,提高 了霧化程度,也提高了與粉塵的碰撞效果。因此多組 份水炮泥具有更好的呼吸性粉塵抑制效果。 2. 2 多組份水炮泥抑制有毒有害氣體效果分析 基于塵煙在線監測系統的監測數據,由于 SO2 濃 度太低,所以忽略不計,最終得到了不裝水炮泥,裝 普通水炮泥,裝 J2、J3 多組份水炮泥 4 種裝填類型的 CO、NO 濃度變化規律,繪制了累積峰值擬合曲線,分 別如圖4、圖5所示,并進行了對比分析。 通過觀察圖 4發現,采場爆破不同水炮泥裝填類 型的 CO 濃度擴散均有著相似的規律,即在擴散過程 中存在 2個峰值,可稱為“雙峰曲線”。分析產生這種 規律的原因,以圖 5(a)不裝水炮泥為例,從 10 min 處 爆破開始階段,部分炮煙及粉塵在沖擊波的作用下迅 速涌出,導致監測點處 CO 迅速攀升,首先達到第 1個 步抑制CO濃度,縮短CO排出采場的時間。 通過分析對比不同裝填類型水炮泥產生 CO 的 濃度最大值,得出多組份水炮泥對 CO 的抑制效果顯 著,其中裝 J3 配方的多組份水炮泥抑制 CO 效果最 好,最大值相較于不裝水炮泥降低了 52.5%,相較于 普通水炮泥降低了 51.9%。此外,參照《GBZ2-2007 - 6 [11] 峰值,即最大值 2 254×10 。隨后由于爆破產生的局 部負壓,使得聯絡道中的大量新鮮空氣涌入采場內 部,沖淡了部分煙塵,所示監測點CO濃度迅速下降至 工作場所有害因素職業接觸限值》 引入 NO 和 CO - 6 的職業接觸限值,經換算 NO 為 11.2×10 ,CO 為 - 6 16×10 。通過觀察圖 4 發現,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 有著顯著抑制 CO 的效果;谝灾刑岬降 CO 的 產生原因,進一步分析多組份水炮泥對 CO 的抑制機 理,主要有以下3點。 -6 1 119 ×10 。然后待采場內部壓力平衡后,在多級機 站通風的作用下,采場內部存留的炮煙在風流作用下 向采場外部擴散,再次經過監測點使得CO緩慢上升, 達到第 2 個峰值。最后炮煙不斷在風流的作用下排 出采場,CO濃度逐漸下降至監測結束;凇半p峰曲 線”的規律,建議礦井在 CO 濃度二次上升前,在采場 口布置噴嘴噴灑水炮泥添加劑溶液,形成霧幕,進一 (1)加入多組份水炮泥以及水炮泥輸送器后提 高了炮孔的裝藥結構和封泥質量,在爆破瞬間能夠 · 197 · 總第526期 金 屬 礦 山 2020年第4期 將炸藥爆炸產物在短時間內密閉在炮孔內,使炸藥 的靜壓膨脹作用得到充分利用,有利于炮眼內保持 高溫、高壓狀態,使炸藥充分反應,接近零氧平衡狀 (3)式化學反應的發生,降低了CO濃度。 催化劑Fe O 2 3 CO + H O CO + H2 . (3) 2 2 高溫 [12] (3)多組份水炮泥的添加劑中含有弱堿性化學 活性劑,其 pH 值為 8左右,爆破后產生的氣體與水發 生化學反應后形成的產物為酸性物質,再與多組份 水炮泥中的堿性溶液發生中和反應,加速了(3)式的 態 ,從而減少CO生成量。 (2)相較于清水,多組份水炮泥中添加劑溶液密 度較高,提高了爆破時的迸發力,也提高了溶液在爆 破瞬間的霧化程度,加大了水霧與煙氣的接觸面積; 由于爆破產生的高溫高壓,且梅山鐵礦礦粉的主要 成分是赤鐵礦,含有大量的 Fe2O3,所以進而促成了如 [13] 正向反應,也加速了有害氣體的溶解和分解 ,提高 了除煙效率。 對比圖 4 與圖 5 可知,不同水炮泥裝填類型的 NO 濃度變化與 CO 濃度變化有著幾乎相同的趨勢, 說明 NO 濃度變化同樣滿足“雙峰曲線”的規律。再 對比圖 5 的 NO 濃度最大值以及爆破后達到 NO 職業 接觸限值的時間,發現多組份水炮泥與普通水炮泥 對 NO 的抑制效果均有著明顯的效果,最大值相較 于不裝水炮泥降低了 40% 左右,爆破后達到 NO 職 業接觸限值的時間平均縮短了 14 min。即在降低 NO 濃度方面,水炮泥的應用起到了良好效果。且由 于普通水炮泥有著與多組份水炮泥有著近乎等同的 效果,說明在抑制 NO 的過程中,水炮泥添加劑本身 起到的作用十分有限,反而清水起到了至關重要的 作用,分析認為 NO 的化學性質非;顫,當它與氧 氣遇到即可發生反應生成 NO2,NO2 再與爆破后水炮 泥產生的水霧發生反應可生成硝酸,進而減少了 NO 的生成量。 3 結 論 (1)J3配方的多組份水炮泥降塵效果最好,與實 驗室表面張力的測定結果一致,相較于普通水炮泥, 全塵相對降塵率提高了 13.2%,呼塵相對降塵率提高 了 47.2%,說明多組份水炮泥在降低呼吸性粉塵方面 相較于全塵效果更為顯著。 (2)不同水炮泥裝填類型采場爆破的 NO 和 CO 濃度變化都滿足“雙峰曲線”規律,基本具有普遍性。 基于“雙峰曲線”,建議礦井在炮煙濃度二次上升前, 在采場口布置噴嘴噴灑水炮泥添加劑溶液,形成霧 幕,進一步抑制炮煙濃度,縮短炮煙排出采場的時 間。 (3)多組份水炮泥對 NO 和 CO 均有著明顯的抑 制效果,在抑制 CO 方面,最大值降低了 52.5%,爆破 后達到職業接觸限值的時間平均縮短了 30~50 min; 在抑制 NO 方面,最大值相較于不裝水炮泥提高了 · 198 · 王天暘等:鐵礦采場多組份水炮泥抑制爆破煙塵試驗研究 2020年第4期 Zhao Xue,Jin Longzhe,Ou Shengnan. Research on efficient water stemming dust control technology and its application[J]. China Safety Science Journal,2015,25(4):128-132. 4 0% 左右,爆破后達到 NO 職業接觸限值的時間平均 縮短了14 min。 (4)在抑制 CO 方面,多組份水炮泥明顯優于普 [7] [ 金龍哲,劉結友,于 猛 . 高效水炮泥的降塵機理及應用研究 通水炮泥,說明多組份水炮泥中的添加劑對抑制 CO 效果顯著;而在抑制 NO 方面,普通水炮泥有著與多 組份水炮泥近乎相同的效果,說明清水對 NO 的抑制 起到了關鍵作用。 J].北京科技大學學報,2007(11):1079-1082. Jin Longzhe,Liu Jieyou,Yu Meng.Dust-reduction mechanism and application research of efficient water-stemming[J]. Journal of Uni versity of Science and Technology Beijing,2007(11):1079-1082. [ 8] 杜翠鳳,別鳳喜,李懷宇 . 富水膠凍炮泥降塵機理的實驗研究 [ J].金屬刺激窩在線視頻免費視頻,1998(8):41-43. 參 考 文 獻 Du Cuifeng,Bie Fengxi,Li Huaiyu. Experimental study on dust re moval mechanism of rich water gel gun [J]. Metal Mine,1998 [1] 馬紅柯 . 會寶嶺鐵礦采場爆破粉塵濃度分布及運移規律模擬研 ( 8): 41-43. 究[D]. 淮南:安徽理工大學,2016. [ 9] 李向東,孫萌苑 .新型水炮泥降低爆破煙塵的試驗[J].煤炭科學 Ma Hongke.Concentration Distribution and Migration Pattern Simu lation Study of Blasting Dust of Huibaoshan Iron Ore Quarry[D]. 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