龐葉青

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司通風(fēng)處,山西省大同市,037003)

大同礦區(qū)礦井通風(fēng)排放粉塵的實(shí)驗(yàn)研究

龐葉青

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司通風(fēng)處,山西省大同市,037003)

為了分析礦井通風(fēng)排放粉塵的特性以及其對(duì)大氣污染和人類(lèi)健康的影響,選取大同礦區(qū)兩組生產(chǎn)礦井,采集通風(fēng)排放粉塵樣本作為研究對(duì)象,對(duì)通風(fēng)粉塵的粒徑分布、粉塵粒子的形貌特征和重金屬元素種類(lèi)及含量等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),兩組樣本中粒徑為10～75μm的粉塵所占比例最高,重金屬元素Mn在重金屬元素分析中所占質(zhì)量百分比最大,而對(duì)人類(lèi)呼吸系統(tǒng)影響最大的粉塵粒徑為0～10μm,其所占比例在綜合防塵較差的礦井明顯高于實(shí)施綜合防塵的礦井。

粉塵 粒徑 綜合防塵 礦井通風(fēng)

礦井通風(fēng)是井下安全生產(chǎn)的前提和保障,但在風(fēng)井回風(fēng)流中,往往含有大量的粉塵、瓦斯和水等排放物,其中也含有少量的H2S、SO2和CO等有毒有害氣體,對(duì)環(huán)境造成一定影響。煤礦通風(fēng)排放物中的粉塵是重要的大氣污染物之一,其主要成份是煤炭開(kāi)采、掘進(jìn)和運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的巖粉和細(xì)微的煤炭顆粒。粉塵排出風(fēng)井后對(duì)空氣產(chǎn)生污染,危及人類(lèi)健康,在沉降后還會(huì)造成周?chē)寥赖闹亟饘傥廴?。因此?duì)通風(fēng)井回風(fēng)流中排放物特性進(jìn)行研究,從而制定相應(yīng)的節(jié)能減排措施。

1 煤礦通風(fēng)排放物形成過(guò)程及成分

礦井通風(fēng)排放粉塵的形成主要分3個(gè)階段。

(1)新鮮空氣匯入階段:礦井通風(fēng)的主要任務(wù)是將地面空氣連續(xù)供給井下作業(yè)場(chǎng)所。

(2)供給用風(fēng)階段:新鮮空氣在供給用風(fēng)地點(diǎn)的同時(shí)會(huì)發(fā)生物理和化學(xué)兩種變化,使其成分種類(lèi)增多,各種成分的濃度改變。

(3)匯總排出階段:各區(qū)段排出的污風(fēng)在礦井總回風(fēng)處匯合形成最終的通風(fēng)排放物并由風(fēng)井排出。礦井通風(fēng)排放物形成過(guò)程如圖1所示。

圖1 礦井通風(fēng)排放物形成過(guò)程示意圖

2 通風(fēng)排放粉塵的實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

2.1.1 實(shí)驗(yàn)分組

實(shí)驗(yàn)選取6座礦井,依據(jù)防塵措施的不同將其分為A、B兩組樣本,每組樣本各包含3座礦井。其中,A組為采取綜合防塵措施的礦井,B組為未采取綜合防塵措施的礦井。實(shí)驗(yàn)分組結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)分組結(jié)果

2.1.2 現(xiàn)場(chǎng)采樣

盡量使在采樣點(diǎn)收集的樣品能夠真實(shí)反映礦井通風(fēng)排放粉塵的特性。因此把采樣點(diǎn)布置在礦井回風(fēng)側(cè)與外界大氣相連接的最近地點(diǎn),即通風(fēng)井的擴(kuò)散塔處。整個(gè)采樣過(guò)程利用空氣采樣泵連續(xù)不間斷地持續(xù)工作4 h,把采集到的粉塵樣品裝入可封口的實(shí)驗(yàn)袋。

2.2 粒徑分布實(shí)驗(yàn)

粉塵粒徑分布指不同粒徑范圍內(nèi)顆粒的個(gè)數(shù)(質(zhì)量或表面積)所占的比例。實(shí)驗(yàn)使用激光粒徑分析儀對(duì)通風(fēng)粉塵的粒徑分布進(jìn)行測(cè)定,粒徑分布結(jié)果顯示通風(fēng)粉塵的粒徑區(qū)間為0～300μm。分級(jí)研究主要考察粉塵中顆粒物對(duì)人類(lèi)和環(huán)境的影響,區(qū)間劃分標(biāo)準(zhǔn)參照大氣中粉塵顆粒大小劃分標(biāo)準(zhǔn)和TSP顆粒物分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),將粉塵顆粒分為0～2.5μm、2.5～10μm、10～40μm、40～75μm、75～100μm和100～300μm,共計(jì)6個(gè)區(qū)間。

根據(jù)粒徑分布結(jié)果和新劃分的粉塵粒徑區(qū)間,統(tǒng)計(jì)了兩組樣本礦井的通風(fēng)粉塵在各區(qū)間的分布狀況,統(tǒng)計(jì)后的通風(fēng)粉塵粒徑測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2,通風(fēng)粉塵粒徑分布如圖2所示。

表2 通風(fēng)粉塵粒徑測(cè)定結(jié)果

礦井生產(chǎn)時(shí)采取的防塵措施不同,風(fēng)井排出的通風(fēng)粉塵總量也一定不同。為了準(zhǔn)確對(duì)比分析兩組樣本的粒度分布數(shù)據(jù),依據(jù)年產(chǎn)量將其分為3個(gè)等級(jí),第一級(jí)為A1和B1(100萬(wàn)t/a);第二級(jí)為A2和B2(250萬(wàn)t/a);第三級(jí)為A3和B3(500萬(wàn)t/a)。

由表2可以看出,通過(guò)對(duì)兩組樣本礦井通風(fēng)粉塵的粒徑分布狀況進(jìn)行對(duì)比分析,可以看出,采取綜合防塵措施的礦井(A1、A2和A3)在0～2.5μm與2.5～10μm兩個(gè)區(qū)間所占比列明顯低于未采取綜合粉塵措施的礦井(A2、B2和B3)。呼吸性粉塵的產(chǎn)生量與礦井產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系。通過(guò)對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn),礦井在生產(chǎn)過(guò)程中采取綜合防塵措施可以有效降低通風(fēng)粉塵的排放量,從而減少其對(duì)人類(lèi)和環(huán)境的危害。

由圖2可以看出,粒徑為10～75μm的粉塵所占比例最多,約占50%。但是不同粒級(jí)的顆粒對(duì)污染物的含量有不同的貢獻(xiàn)率,一般情況下,顆粒物粒徑越小,其比表面積和表面吸附力越大,吸附的污染物含量越高。通風(fēng)粉塵中粒徑為0～2.5μm和2.5～10μm的粉塵所吸附的污染物含量最大,對(duì)人體造成的危害也最大。從粒徑分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,礦井通風(fēng)排放的粉塵在0～10μm區(qū)間所占比列介于5.2%～13.7%,雖然所占比例較小,但由于礦井全年不間斷地生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵,其年排放總量仍然很高。

圖2 通風(fēng)粉塵粒度分布圖

2.3 通風(fēng)粉塵掃描電鏡實(shí)驗(yàn)

通過(guò)掃描電鏡對(duì)A、B兩組通風(fēng)粉塵樣品進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)A組3個(gè)樣品中粒徑大于10μm的粒子占絕大部分,形狀多呈不規(guī)則的立方體,部分角狀粒子的表面有明顯裂隙;粒徑小于10μm的粒子多以依附狀態(tài)存在,形狀多為不規(guī)則的片狀,表面較光滑。B組3個(gè)樣品中以粒徑大于10μm的粒子為主,形狀不規(guī)則,有柱狀、角狀和塊狀,部分角狀粒子的表面較粗糙,存在不明顯的裂隙;B1、B2中粒徑小于10μm的粒子較少,少部分粒子以依附狀態(tài)存在;B3中粒徑小于10μm的粒子明顯增多,呈散狀分布。通風(fēng)粉塵樣品掃描電鏡圖如圖3所示。

A組在生產(chǎn)時(shí)采取了綜合防塵措施,粒徑小于10μm的粒子能夠以依附狀態(tài)固定在粒徑較大的粒子表面,大塊粒子在排出風(fēng)井后呈加速下降的趨勢(shì),從而間接降低了呼吸性粉塵的排放量。B組在生產(chǎn)時(shí)未采取綜合防塵措施,只有少量粒徑小于10μm的粉塵粒子以依附狀態(tài)排出風(fēng)井,大量粒徑小于10μm的呼吸性粉塵隨通風(fēng)系統(tǒng)直接排出風(fēng)井。

2.4 通風(fēng)粉塵中重金屬元素的實(shí)驗(yàn)分析

由于粉塵中含有Cr、Cu、Zn、Mn和Pb等重金屬元素,其在沉降后還會(huì)對(duì)礦井周邊的土壤造成污染。重金屬在土壤中的污染過(guò)程具有隱蔽性、長(zhǎng)期性和不可逆性的特點(diǎn),結(jié)果造成土壤中的重金屬難以清除。實(shí)驗(yàn)選用X射線(xiàn)熒光光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)定,由X射線(xiàn)管產(chǎn)生X射線(xiàn)激發(fā)被測(cè)樣品,受激發(fā)樣品中的每一種元素會(huì)放射出二次X射線(xiàn)。由于不同的元素所放出的二次射線(xiàn)具有特定的能量特性,探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量這些元素放射出來(lái)的二次射線(xiàn)的能量及數(shù)量,由儀器軟件將探測(cè)系統(tǒng)所收集的信息轉(zhuǎn)換成樣品中各種元素的種類(lèi)及含量的測(cè)試值。通過(guò)對(duì)兩組通風(fēng)粉塵中重金屬元素種類(lèi)及含量的實(shí)驗(yàn)研究,通風(fēng)粉塵中查金屬元素種類(lèi)及含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3,通風(fēng)粉塵中重金屬元素種類(lèi)及含量如圖4所示。

通過(guò)表3所列的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出:

(1)兩組樣本礦井的通風(fēng)粉塵中共檢測(cè)出4種重金屬元素,分別是Cr、Mn、Cu和Zn。從通風(fēng)粉塵的形成過(guò)程考慮,檢測(cè)到的4種重金屬元素可能來(lái)自于采煤過(guò)程中產(chǎn)生的煤塵或是掘進(jìn)面放炮后排出的煙塵。

(2)Cr、Cu和Zn 3種重金屬元素在樣本中的含量分布較均勻,相差不是很大;重金屬元素Mn在樣本中的含量分布相差較大,最小值和最大值相差5倍以上。

從圖4可以看出,重金屬元素Mn在4種重金屬元素中所占比例最大。對(duì)于兩組樣本,重金屬元素Mn在A3的通風(fēng)粉塵中所占比例最大,在B1的通風(fēng)粉塵中所占比例最小。

重金屬進(jìn)入人體之后,不再以離子的形式存在,而是與體內(nèi)的有機(jī)成分結(jié)合成金屬絡(luò)合物,重金屬與人體內(nèi)的蛋白質(zhì)、核糖、維生素和激素等反應(yīng),致使他們喪失或改變?cè)瓉?lái)的生理化學(xué)功能而產(chǎn)生病變。另外,重金屬進(jìn)入人體之后還可能與酶發(fā)生置換反應(yīng),造成酶的活性降低,從而表現(xiàn)出毒性。通過(guò)實(shí)驗(yàn),在兩組樣本礦井的通風(fēng)粉塵中共檢測(cè)到4種重金屬元素Cr、Mn、Cu和Zn,未檢測(cè)到Pb、Cd和Ni等其他重金屬元素。可能是由于不同種類(lèi)的煤變質(zhì)程度不同,煤塵中重金屬組分也不相同。檢測(cè)到的4種重金屬元素雖然含量輕微,但是重金屬有一個(gè)特性就是生物累積性,進(jìn)入體內(nèi)后不容易被排出,達(dá)到一定的量就會(huì)發(fā)生病變。因此,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出樣本礦井的通風(fēng)粉塵中重金屬元素的含量雖然很小,但仍會(huì)對(duì)人類(lèi)及環(huán)境造成危害。

圖4 通風(fēng)粉塵重金屬元素種類(lèi)及含量圖

3 結(jié)論

大同礦區(qū)6座礦井按防塵措施的不同分為A, B兩組,每組中按礦井產(chǎn)量的不同分為3個(gè)級(jí)別(A1、A2、A3和B1、B2、B3),分別對(duì)不同樣本進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn),分別考察通風(fēng)粉塵的粒徑分布、粉塵粒子的形貌特征、重金屬元素種類(lèi)及含量等情況,可以得出如下結(jié)論。

(1)A、B兩組樣本礦井的通風(fēng)粉塵粒徑集中在10～40μm、40～75μm、75～100μm和100～300μm4個(gè)區(qū)間,粒徑為10～75μm的粉塵所占比例最多,約為50%。對(duì)人類(lèi)呼吸系統(tǒng)影響最大的粉塵粒徑為0～2.5μm和2.5～10μm2個(gè)區(qū)間,在B組中所占的比例明顯高于A組。

(2)A組通風(fēng)粉塵樣品中粒徑大于10μm的粒子占絕大部分,形狀多呈不規(guī)則的立方體;粒徑小于10μm的粒子多以依附狀態(tài)存在,形狀多為不規(guī)則的片狀。B組通風(fēng)粉塵樣品以粒徑大于10 μm的粒子為主,形狀不規(guī)則,有柱狀、角狀和塊狀;粒徑小于10μm的粒子多呈散狀分布。

(3)A、B兩組樣本礦井的通風(fēng)粉塵中共檢測(cè)出Cr、Mn、Cu和Zn 4種重金屬元素;重金屬元素Mn在已檢測(cè)到的4種重金屬元素中所占質(zhì)量百分比最大。

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(責(zé)任編輯 孫英浩)

Experimental studies on ventilation emission dust of Datong coal mine area

Pang Yeqing
(Ventilation Department of Datong Coal Mine Group Co．,Ltd．,Datong,Shanxi 037003,China)

In order to analyze characteristics of ventilation emission dust and how ventilation emission dust impact atmospheric pollution and human health,the author selected two production mines in Datong coal mine area,and collected samples of ventilation emission dusts as objects of study．According to compare experimental analysis on granulometric distribution of ventilation emission dusts,appearance features of dust particles and categories and contents of heavy metal element,the author found,in the two samples,the dust with 10～75μm of particle size had the highest proportion;in analysis of heavy metal elements,Mn had the largest percentage of quality;while the dust with 0～10μm of particle size had the greatest effect on human respiratory system,it apparently had higher proportion in low synthesis dust prevention coal mines than high synthesis dust prevention coal mines．

dust,particle size,synthesis dust prevention,coal mine ventilation

TD71

A

龐葉青(1986－),男,山西大同人,研究生學(xué)歷,助理工程師,現(xiàn)就職同煤集團(tuán)通風(fēng)處,從事一通三防技術(shù)及安全管理工作。