李 剛 吳將有 金龍哲 郭敬中，5

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

能源與資源是人類社會(huì)生存和發(fā)展的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，在我國，礦產(chǎn)資源是工業(yè)生產(chǎn)的主要能源和原料。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人類物質(zhì)需求的快速增長，礦產(chǎn)資源的消耗量也與日俱增。為了能夠滿足人類社會(huì)對礦產(chǎn)資源的需求，礦山企業(yè)必須朝著大規(guī)模、大產(chǎn)能方向發(fā)展，不斷更新生產(chǎn)工藝與設(shè)備，提高自身的生產(chǎn)效率。隨著礦山開采強(qiáng)度和機(jī)械化程度的不斷提高，導(dǎo)致作業(yè)環(huán)境和生產(chǎn)崗位產(chǎn)生的粉塵濃度不斷增加，嚴(yán)重威脅到礦山的安全生產(chǎn)和作業(yè)人員的身心健康，同時(shí)也在一定程度上浪費(fèi)了礦物資源。

金屬礦山在采選生產(chǎn)過程中，均會(huì)有大量的粉塵產(chǎn)生。粉塵的產(chǎn)生，一方面污染工作場所，產(chǎn)生一系列的環(huán)境污染問題，尤其是粒徑小于5 μm的呼吸性粉塵，其分散度高、粒徑小、比表面積大、吸附能力強(qiáng)、不易沉降，在作業(yè)崗位環(huán)境氣流的擾動(dòng)下，長期懸浮于空氣環(huán)境中；另一方面，金屬礦山粉塵還會(huì)對生產(chǎn)作業(yè)人員造成安全與健康問題，由于金屬礦山粉塵大多含有游離二氧化硅，生產(chǎn)設(shè)備和工藝產(chǎn)塵濃度大且呼吸性粉塵所占比例很大，作業(yè)人員長時(shí)間處于這種生產(chǎn)環(huán)境中，大部分粉塵可以直接通過人體呼吸道進(jìn)入肺部，可能引發(fā)塵肺?。?-4］。

近年來，我國金屬礦山粉塵防治技術(shù)發(fā)展方面取得了顯著進(jìn)步，相關(guān)科研院所、高校、企業(yè)研究開發(fā)了一系列粉塵防治關(guān)鍵技術(shù)并應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。目前金屬礦山粉塵防治技術(shù)的主要研究對象為微細(xì)粉塵和無組織擴(kuò)散粉塵。經(jīng)過長期以來的摸索和實(shí)踐，在粉塵防治技術(shù)領(lǐng)域，除了濕式作業(yè)和個(gè)體防護(hù)等職業(yè)衛(wèi)生管理措施外，主要形成了通風(fēng)排塵、密閉控塵、噴霧除塵、抑塵劑降塵、除塵器捕塵、幕簾隔塵等6個(gè)方面的防塵控塵技術(shù)及裝備體系［5-9］，大多數(shù)學(xué)者主要在其中的某個(gè)單一粉塵防治技術(shù)方向開展研究，對于綜合防塵控塵技術(shù)及裝備的研究甚少［10-14］。隨著礦井開采深度和生產(chǎn)規(guī)模的日益增加以及機(jī)械化程度的不斷提高，粉塵污染治理變得日益復(fù)雜化［15-18］。目前，金屬礦山粉塵防治技術(shù)的相關(guān)研究也開始暴露出局限性：首先是礦山粉塵治理的復(fù)雜化與現(xiàn)有研究技術(shù)單一化之間的矛盾日益突出，礦山粉塵治理是一項(xiàng)綜合防治的系統(tǒng)工程，應(yīng)充分考慮到各產(chǎn)塵點(diǎn)的產(chǎn)塵機(jī)理不同，研究有針對性的綜合防控技術(shù)；其次是片面追求除塵設(shè)備的除塵效率和作業(yè)環(huán)境、生產(chǎn)崗位粉塵濃度仍然超標(biāo)之間的矛盾，目前對除塵技術(shù)的研究主要集中在對除塵器的研究，忽略了從生產(chǎn)環(huán)節(jié)的產(chǎn)塵點(diǎn)進(jìn)行源頭治理。同時(shí)，對于井下粉塵防治，礦井通風(fēng)系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著向礦井提供新鮮空氣、排除有害氣體與粉塵的重要任務(wù)，是礦山生產(chǎn)中不可或缺的關(guān)鍵系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)的有效性和可靠性關(guān)系到井下采礦作業(yè)安全及礦區(qū)周邊環(huán)境問題，但目前礦井通風(fēng)系統(tǒng)的研究未能與井下粉塵治理進(jìn)行更為緊密的結(jié)合。井下粉塵若無法得到有效治理，不僅會(huì)污染作業(yè)環(huán)境和危害作業(yè)人員身心健康，還會(huì)隨礦井排風(fēng)排入大氣，造成礦區(qū)周邊大氣環(huán)境二次污染。

為全面貫徹落實(shí)2018年國務(wù)院提出的“塵肺病防治攻堅(jiān)行動(dòng)”和2019年國家啟動(dòng)的《健康中國“2030”》戰(zhàn)略規(guī)劃，切實(shí)保障礦山勞動(dòng)者的職業(yè)健康，本研究綜述了近年來金屬礦山粉塵防治領(lǐng)域的研究成果，尤其是“十三五”期間我國在金屬礦山粉塵防治方面的研究進(jìn)展，同時(shí)指出了粉塵防治技術(shù)存在的主要問題，提出了金屬礦山粉塵防治研究的發(fā)展方向，為進(jìn)一步解決我國金屬礦山粉塵危害問題，改善礦山作業(yè)環(huán)境，預(yù)防塵肺病提供有益參考，為實(shí)現(xiàn)科學(xué)采礦、加快綠色礦山建設(shè)提供理論和技術(shù)支撐。

1 金屬礦粉塵危害現(xiàn)狀

1.1 塵肺病危害情況

粉塵是金屬礦山生產(chǎn)中最主要的職業(yè)病危害因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國各類金屬礦山已逾80 000座，在礦山采選過程中，作業(yè)場所和生產(chǎn)崗位粉塵污染非常嚴(yán)重。根據(jù)國家衛(wèi)生部門統(tǒng)計(jì)，近10年來，我國安全生產(chǎn)形勢雖然持續(xù)好轉(zhuǎn)，但塵肺病尤其是礦山塵肺病新增病例數(shù)量一直居高不下。2009—2018年我國各類職業(yè)病病例累計(jì)報(bào)告超過27萬例，其中超過23.5萬例職業(yè)病為塵肺病，塵肺病病例數(shù)量占職業(yè)病總病例的87%左右。從塵肺病病例行業(yè)分布來看，各類礦山塵肺病患者數(shù)量占全國塵肺病總?cè)藬?shù)的比例接近90%，圖1為2009—2018年我國新增職業(yè) 病和塵肺病患者統(tǒng)計(jì)情況。

由圖1可知：近10年來的職業(yè)病發(fā)病情況整體呈上升趨勢，預(yù)測未來數(shù)年，新發(fā)塵肺病例數(shù)仍將位列各類職業(yè)病第一位，塵肺病仍然是危害礦山井下作業(yè)人員身體健康最嚴(yán)重的職業(yè)病。造成礦山塵肺病危害的嚴(yán)重現(xiàn)狀，除了粉塵防治的相關(guān)技術(shù)研究無法有效滿足礦山粉塵危害防控的需求之外，還主要與礦山企業(yè)的職業(yè)健康管理水平、工藝裝備自動(dòng)化水平以及職業(yè)衛(wèi)生工程防護(hù)水平不高以及作業(yè)人員職業(yè)病危害防護(hù)意識(shí)淡薄密切相關(guān)。

1.2 作業(yè)崗位粉塵危害現(xiàn)狀

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，金屬礦山生產(chǎn)過程中主要產(chǎn)塵崗位有鑿巖、爆破、鏟裝、放礦、卸礦、破碎、篩分、轉(zhuǎn)運(yùn)、裝運(yùn)等［19-21］。根據(jù)對馬鋼（集團(tuán)）控股有限公司和銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司所屬金屬礦山的現(xiàn)場實(shí)測，在各作業(yè)崗位正常生產(chǎn)及采取工程防護(hù)措施的情況下，上述產(chǎn)塵崗位作業(yè)人員接觸的總粉塵濃度最高可達(dá)16.0～30.8 mg/m3，呼吸性粉塵濃度最高可達(dá)4.0～7.5 mg/m3?，F(xiàn)場粉塵濃度實(shí)測結(jié)果表明，所調(diào)查的金屬礦山企業(yè)盡管采取了相關(guān)防塵措施，其作業(yè)崗位仍然存在粉塵濃度超標(biāo)現(xiàn)象，作業(yè)崗位粉塵污染狀況未能得到有效改善。

粉塵中游離二氧化硅含量和粉塵分散度是引起塵肺的主要因素，也是評(píng)價(jià)粉塵危害性質(zhì)的主要指標(biāo)。含有游離二氧化硅的粉塵被吸入人體肺部后，在二氧化硅的毒理作用下，會(huì)引起肺組織纖維化，形成膠原纖維結(jié)節(jié)，使肺組織彈性喪失，硬度增大，造成通氣障礙，影響肺的呼吸活動(dòng)，即人吸入游離二氧化硅的粉塵可能引起矽肺［22-24］。粉塵分散度是指粉塵整體組成中各種粒度的塵粒所占的百分比，也叫粒度分布。粉塵中細(xì)小顆粒物越多，粉塵分散度就越高，被吸入人體肺部的可能性就越大。對上述各金屬礦山主要產(chǎn)塵崗位呼吸帶沉積塵進(jìn)行采集后分別進(jìn)行了游離二氧化硅含量和分散度測定。游離二氧化硅分析結(jié)果顯示：采集的粉塵樣品中80%以上的游離二氧化硅含量超過10%，最高達(dá)到50%，粉塵性質(zhì)為矽塵；粉塵樣品中約20%的游離二氧化硅含量在10%以下，但少數(shù)樣品中游離二氧化硅含量達(dá)到了8%～10%，為矽塵的臨界點(diǎn)。粉塵分散度的測定采用掃描電鏡對采集的粉塵樣品進(jìn)行觀察分析，通過對粉塵樣品電鏡掃描圖（圖2）上粉塵顆粒的分析，可得出粉塵樣品的分散度。分散度分析結(jié)果顯示：該樣品的粉塵分散度高，粉塵顆粒的粒徑主要集中在10 μm以下，占90%以上，其中小于5 μm的粉塵占80%左右。由圖2還可以看出：金屬礦山粉塵樣品形貌由眾多不同尺寸、形狀各異的顆粒組成，有片狀、塊狀、圓形、針狀、球狀等，大部分顆粒是在不同方向有不同的尺寸。金屬礦山粉塵顆粒的這種不規(guī)則性，有利于碰撞、凝集、捕集以及在過濾材料表面形成穩(wěn)定的粉塵初層。

通過對典型金屬礦山各主要產(chǎn)塵崗位的粉塵濃度及粉塵游離二氧化硅含量、分散度的采樣和檢測分析可知：“十三五”期間我國金屬礦山粉塵防治工作成效顯著，工作崗位粉塵濃度明顯降低，但是在主要的產(chǎn)塵崗位仍然存在粉塵濃度嚴(yán)重超標(biāo)的現(xiàn)象，尤其是金屬礦山粉塵大多為矽塵，且粉塵分散度高，作業(yè)崗位粉塵危害防控形勢仍然嚴(yán)峻。

2 金屬礦山粉塵危害防治技術(shù)研究現(xiàn)狀

金屬礦山粉塵的危害性和粉塵治理的重要性已被業(yè)內(nèi)充分認(rèn)識(shí)。近年來，在金屬礦山粉塵防治領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者開展了全方位的攻關(guān)研究，開發(fā)了一系列適合于金屬礦山粉塵治理的技術(shù)和裝備，并應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，顯著降低了作業(yè)崗位的粉塵濃度和危害。我國金屬礦山粉塵防治技術(shù)架構(gòu)如圖3所示，主要包括通風(fēng)排塵、密閉控塵、噴霧除塵、抑塵劑降塵、除塵器捕塵、幕簾隔塵等6個(gè)方面，各類技術(shù)的主要適用場所如表1所示。本研究結(jié)合近年來的相關(guān)研究成果，分別從上述6個(gè)方面對我國金屬礦山粉塵防治技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理和歸納。

2.1 通風(fēng)排塵

通風(fēng)排塵技術(shù)的基本原理是將礦井作業(yè)崗位產(chǎn)生的粉塵通過礦井通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)流帶出，從而使得作業(yè)崗位的粉塵濃度降低。礦井通風(fēng)系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著向礦井提供新鮮風(fēng)流，進(jìn)而排除粉塵和有害氣體的重要任務(wù)，是地下礦山開采不可或缺的關(guān)鍵系統(tǒng)［25-28］。隨著礦井開采強(qiáng)度和開采深度的增加導(dǎo)致形成更加復(fù)雜的地質(zhì)條件以及由于生產(chǎn)工藝和設(shè)備的發(fā)展而導(dǎo)致礦井開采規(guī)模不斷提高使得礦井通風(fēng)系統(tǒng)在井下生產(chǎn)安全、職業(yè)健康方面發(fā)揮的作用愈加顯著。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者針對礦井通風(fēng)理論與技術(shù)開展了大量的研究工作，產(chǎn)生了一系列的礦井通風(fēng)技術(shù)［29-33］。目前，礦井通風(fēng)技術(shù)的主要構(gòu)成如圖4所示。

由圖4可知：防塵與風(fēng)流凈化技術(shù)是礦井通風(fēng)排塵最主要的技術(shù)，通風(fēng)排塵技術(shù)研究的重點(diǎn)是通風(fēng)方式合理設(shè)計(jì)和最佳排塵風(fēng)速有效確定。周智勇等［34］針對深井通風(fēng)引起的粉塵污染問題，以湖南辰州礦業(yè)沃溪坑口掘進(jìn)工作面為研究對象，利用數(shù)值模擬手段分析了掘進(jìn)工作面在通風(fēng)系統(tǒng)不同布置參數(shù)下的排塵效果，為金屬礦山深部通風(fēng)排塵提供了參考。李剛等［35］以某金屬礦掘進(jìn)工作面為研究對象，開發(fā)了一種新型礦井通風(fēng)排塵凈化系統(tǒng)（圖5），該系統(tǒng)將壓風(fēng)筒布置在巷道中心位置的頂部，抽風(fēng)筒布置在巷道兩側(cè)的呼吸帶高度位置，濕式除塵風(fēng)機(jī)對于掘進(jìn)巷道粉塵的除塵效率達(dá)到了91%以上，徹底解決了該礦掘進(jìn)巷道粉塵污染問題，同時(shí)凈化后的風(fēng)流可以循環(huán)利用，節(jié)能效果顯著。

對于礦井粉塵治理，應(yīng)優(yōu)先考慮采用通風(fēng)排塵技術(shù)。工程實(shí)踐表明，通風(fēng)排塵技術(shù)是采掘作業(yè)面和巷道粉塵控制最有效的措施之一，在礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)綜合考慮井下粉塵濃度大小，選擇合理有效的通風(fēng)參數(shù)，確保礦井作業(yè)面和巷道取得良好的除塵效果。

2.2 密閉控塵

密閉控塵的基本原理是對產(chǎn)塵點(diǎn)或者產(chǎn)塵設(shè)備進(jìn)行有效密封，從而減少粉塵的產(chǎn)生量，是粉塵防治的主要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵技術(shù)。密閉控塵一般采用密閉罩，密閉罩按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為局部密閉罩、整體密閉罩和大容積密閉罩。對于金屬礦山而言，不同的產(chǎn)塵點(diǎn)和產(chǎn)塵設(shè)備由于生產(chǎn)工藝和產(chǎn)塵機(jī)理不同，其密閉方法和密閉形式也有所區(qū)別，因而有必要在不影響操作人員生產(chǎn)作業(yè)和便于設(shè)備檢修維護(hù)的前提下，設(shè)計(jì)合理有效的密閉結(jié)構(gòu)。任何產(chǎn)塵點(diǎn)或者產(chǎn)塵設(shè)備，在不影響生產(chǎn)作業(yè)的前提下，均應(yīng)優(yōu)先考慮采用密閉控塵措施［36］。本研究以金屬礦山粉礦倉移動(dòng)卸料作業(yè)為例，分析密閉控塵技術(shù)的具體應(yīng)用。

金屬礦山粉礦倉槽口為條形縫口，移動(dòng)卸料作業(yè)時(shí)，槽口部位會(huì)揚(yáng)起大量的含塵氣流，只有對其采取合理有效的密閉控塵措施，才能確保粉礦倉取得較好的除塵效果。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，李剛等［37］研究了一種粉礦倉移動(dòng)卸料槽口動(dòng)態(tài)密封裝置，并成功應(yīng)用于某鐵礦移動(dòng)卸料槽口，取得了良好的密閉效果。該密封裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。首先，利用橡膠皮帶將整個(gè)粉礦倉槽口沿著長度方向全部密封，然后采用4個(gè)轉(zhuǎn)向滾筒將卸料口處的橡膠皮帶頂開，在卸料口斷面形成類似“π”型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)隨著卸料小車的行走而移動(dòng)，構(gòu)成了動(dòng)態(tài)密封裝置，有效解決了粉礦倉移動(dòng)卸料車動(dòng)態(tài)塵源的密閉難題。

為了進(jìn)一步分析該動(dòng)態(tài)密封裝置的密閉效果，選擇某金屬礦山粉礦倉槽口（圖7）為應(yīng)用對象，并對該裝置應(yīng)用前后礦倉槽口周邊的產(chǎn)塵情況進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測。結(jié)果表明：采用動(dòng)態(tài)密封裝置后，粉礦倉槽口密閉效果顯著增強(qiáng)，礦倉槽口揚(yáng)塵量減少了約85%。

圖7所示的動(dòng)態(tài)密封裝置可以與除塵排風(fēng)罩、連接管道等連接至移動(dòng)式除塵通風(fēng)口裝置，移動(dòng)式除塵通風(fēng)口裝置由移動(dòng)通風(fēng)口、固定通風(fēng)槽和密封皮帶組成，其中移動(dòng)通風(fēng)口主要由機(jī)架、行走輪、防偏輪、柔性密封膠帶以及伸縮套等構(gòu)成。固定通風(fēng)槽布置在礦倉槽口上方與卸料小車頂部齊平高度，固定通風(fēng)槽沿著卸料小車軌道安裝，其安裝軸線與膠帶機(jī)軸線平行，其出風(fēng)口通過連接管道連接至廠房外除塵器對含塵氣流進(jìn)行凈化。

2.3 噴霧除塵

噴霧除塵技術(shù)的基本原理是向漂浮于空氣中的粉塵顆粒噴射水霧，水霧與粉塵顆粒黏結(jié)，使粉塵顆粒的質(zhì)量增加，從而達(dá)到降塵的目的。金屬礦山粉塵一般為親水性粉塵，噴霧除塵是一種經(jīng)濟(jì)有效的除塵方式，因此，金屬礦山粉塵防治應(yīng)優(yōu)先考慮采取噴霧除塵技術(shù)。噴霧除塵技術(shù)機(jī)理主要與重力沉降、慣性碰撞、攔截捕集、靜電捕集、布朗擴(kuò)散、凝結(jié)等多種作用機(jī)理有關(guān)（圖8）［38-43］。為了提高噴霧除塵技術(shù)對粉塵（尤其是呼吸性粉塵）的除塵效率，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者先后研發(fā)了高壓噴霧除塵、氣水噴霧除塵、超聲波霧化除塵、磁化水噴霧除塵、荷電水霧除塵等技術(shù)［44-48］。

2.3.1 高壓噴霧除塵

高壓噴霧除塵技術(shù)是近年來在金屬礦山普遍使用的一種除塵技術(shù)，以高壓水流為介質(zhì)，通過調(diào)節(jié)噴霧系統(tǒng)參數(shù)，從而得到優(yōu)良的霧化效果，除塵效果十分顯著。其原因是高壓噴霧具有霧化效果好、射程遠(yuǎn)、覆蓋面積大等優(yōu)點(diǎn)，水霧與粉塵顆粒的凝結(jié)效率高，尤其是高壓噴霧的水霧顆粒較細(xì)，對呼吸性粉塵的除塵效率很高。通常情況下，噴霧壓力越高，除塵效率便越高。但是當(dāng)壓力增加到一定值時(shí)，再提高噴霧壓力，除塵效果不再提升，同時(shí)，壓力過高也會(huì)造成能耗增加，對水泵、管道也會(huì)造成損傷，縮短其使用壽命。因此，在保證一定噴霧降塵效果的前提下，應(yīng)選擇合適的噴霧壓力，降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

2.3.2 氣水噴霧除塵

氣水噴霧是以一定壓力的水和壓縮空氣形成低速液體射流與高速空氣產(chǎn)生相互剪切作用的一種新型噴霧方式。與常規(guī)噴霧方式相比，氣水噴霧以壓縮空氣和壓力水作為雙動(dòng)力，使水破碎成細(xì)小顆粒，具有霧化效果好、霧化粒徑小、耗水量小及除塵效率高等優(yōu)點(diǎn)。近年來，該技術(shù)被應(yīng)用于國內(nèi)外井下粉塵防治中，既能有效提高噴霧除塵效率（尤其是呼吸性粉塵），又可以改善井下作業(yè)環(huán)境。一般情況下，隨著氣液比的增加或者空氣流速的增加，氣水噴霧的霧化效果越好，霧化粒徑越小。氣水噴霧系統(tǒng)的氣液比、氣壓、水壓均對霧化粒徑和霧化效果具有較大影響。針對不同類型的粉塵，有必要通過不同氣液比、氣壓、水壓的正交試驗(yàn)，確定最佳霧化參數(shù)，實(shí)現(xiàn)噴霧除塵效果最優(yōu)。

2.3.3 超聲波霧化除塵

超聲波霧化除塵是一種新型噴霧除塵技術(shù)，該技術(shù)與常規(guī)噴霧除塵技術(shù)的區(qū)別在于，它是利用壓縮空氣沖擊共振腔形成超聲波，借助超聲波的特殊性能使液態(tài)水滴充分霧化成粒徑為1～50 μm的微細(xì)水霧，微細(xì)水霧能夠有效凝聚微細(xì)粉塵，實(shí)現(xiàn)微細(xì)水霧就地捕塵。因此，該技術(shù)具有耗水量極少、除塵效率高、運(yùn)行成本低、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)。

在我國，中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司于20世紀(jì)90年代研發(fā)了超聲波霧化除塵技術(shù)，并成功應(yīng)用于金屬礦山采選作業(yè)崗位的粉塵治理［49］。陳秀廳等［50］將超聲波霧化除塵技術(shù)應(yīng)用于選礦除塵系統(tǒng)，該技術(shù)與常規(guī)噴霧除塵技術(shù)相比，系統(tǒng)能耗降低了50%～70%，各產(chǎn)塵點(diǎn)的粉塵除塵效率達(dá)到87%左右，對呼吸性粉塵的除塵效率可達(dá)80%。李冠文等［51］系統(tǒng)總結(jié)了超聲波霧化除塵技術(shù)的研究進(jìn)展及發(fā)展方向，認(rèn)為該技術(shù)仍處于發(fā)展階段，需要深入研究超聲波霧化除塵機(jī)理，以便進(jìn)一步優(yōu)化霧化參數(shù)。李剛等［52］采用自行設(shè)計(jì)的超聲波霧化參數(shù)及除塵效果測試裝置，對超聲波霧化除塵的最佳運(yùn)行參數(shù)及其除塵效率進(jìn)行了試驗(yàn)和分析，得出超聲波霧化除塵的最佳運(yùn)行參數(shù)為水量30 L/h、氣壓0.35 MPa。在該參數(shù)取值條件下，超聲波霧化除塵技術(shù)對呼吸性粉塵的除塵效率可達(dá)98.6%，超聲波霧化效果見圖9，露天破碎站堆場應(yīng)用效果見圖10。

目前，超聲波霧化除塵技術(shù)主要在金屬礦山地表除塵系統(tǒng)中應(yīng)用，其在井下工作面和巷道中的應(yīng)用較少。在井下工作面和巷道風(fēng)流場和霧化場的復(fù)合流場作用下，超聲波霧化除塵技術(shù)應(yīng)用會(huì)受到井下通風(fēng)風(fēng)流擾動(dòng)影響，從而會(huì)對超聲波霧化除塵效果產(chǎn)生一定的影響。下一步應(yīng)針對礦井通風(fēng)風(fēng)流場和霧化場的復(fù)合流場作用下的超聲波霧化抑塵機(jī)理及其應(yīng)用開展攻關(guān)研究。

2.3.4 磁化水噴霧除塵

磁化水噴霧除塵是一種對普通噴霧除塵進(jìn)行改善的方法，也是為了有效提高呼吸性粉塵除塵效率的一種途徑。水是抗磁性物質(zhì)，當(dāng)施加外磁場時(shí)，水就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)方向與外磁場相反的附加磁場。由于外磁場與分子力之間的相互作用，最終促使水分子間內(nèi)聚力削弱，黏滯力下降，使得水的基本結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，成為磁化水，導(dǎo)致水的表面張力降低。采用物理方法改變水的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，增強(qiáng)水的霧化能力，使水的霧化能力增大，是一種行之有效的方法。由于水的黏度和表面張力下降，霧化效果得到改善，從而提高了水霧除塵效率，對總粉塵的除塵效率提高了約14.7%，對呼吸性粉塵的除塵效率提高了約14%［39］。

2.3.5 荷電水霧除塵

荷電水霧除塵是使水霧粒子帶上與粉塵顆粒極性相反的電荷，這樣水霧粒子與粉塵顆粒之間就形成了較強(qiáng)的靜電引力，從而提高了噴霧除塵效率。相關(guān)研究表明［39］：懸浮在空氣中的粉塵顆粒大多帶有電荷，荷電水霧對呼吸性粉塵的除塵效率比普通水霧顯著提高，并且除塵效率隨著水霧荷質(zhì)比的增加而線性提高。荷電水霧除塵的關(guān)鍵是研發(fā)霧化效果好、耗水量少、霧粒密度大并且能夠使水霧帶上一定電荷的電介噴嘴。

2.4 抑塵劑降塵

抑塵劑降塵是一種新穎、有效的粉塵防治方法。抑塵劑按照抑塵機(jī)理的不同可以分為傳統(tǒng)型（如濕潤型抑塵劑、黏結(jié)型抑塵劑、凝聚型抑塵劑）和復(fù)合型兩類［53］。抑塵劑除塵主要是通過吸附、團(tuán)聚、捕捉粉塵等作用達(dá)到除塵目的，特別適合于疏水性粉塵。抑塵劑降塵機(jī)理可以描述為：在水中添加抑塵劑，改變了水的物理化學(xué)性質(zhì)，使水的表面張力下降，從而提高了水溶液對粉塵的吸附能力和濕潤能力。

在我國，抑塵劑降塵技術(shù)研究起步較晚，在20世紀(jì)70年代末，相關(guān)高校、科研院所的研究人員開始研究抑塵劑。到了20世紀(jì)80年代取得了一定的研究進(jìn)展，20世紀(jì)90年代以來，取得了豐碩的研究成果并在礦山除塵系統(tǒng)開始應(yīng)用。近年來，柏美迪康環(huán)保科技（上海）有限公司研發(fā)的生物納米膜抑塵劑是一種無毒、無刺激性、可降解、無二次污染的生物材料抑塵劑，該抑塵劑可取得95%以上的抑塵效率［54］。在水泡泥中添加濕潤型抑塵劑等物質(zhì)，升級(jí)為新型水炮泥，可大大提高降塵效率。郭敬中等［55］采用優(yōu)化濕潤劑配方自制了多組份水炮泥應(yīng)用于某金屬礦山爆破作業(yè)，總粉塵抑塵效率達(dá)到63.61%，呼吸性粉塵抑塵效率達(dá)到61.63%，與普通水炮泥相比，抑塵效率提高了約35%。

2.5 除塵器捕塵

除塵器捕塵是通過負(fù)壓抽風(fēng)使作業(yè)崗位產(chǎn)生的粉塵氣流吸入除塵器內(nèi)部進(jìn)行除塵，從而凈化含塵氣流。除塵器分為濕式除塵器和干式除塵器，用于礦山的除塵器主要為高效濕式除塵器和袋式除塵器。在金屬礦山領(lǐng)域，由于濕式除塵器對濕度大的粉塵和微細(xì)粉塵具有較高的除塵效率，且礦山大多含有豐富的循環(huán)水資源，因此，濕式除塵器在金屬礦山應(yīng)用較早且非常廣泛。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和我國對粉塵排放標(biāo)準(zhǔn)要求的提高，袋式除塵器因其除塵效率高且成本較低，是金屬礦山首選的干式除塵器。另外，除塵器捕塵技術(shù)在金屬礦山領(lǐng)域也有濕式除塵器和袋式除塵器組合應(yīng)用的情況［36］。

2.5.1 高效濕式除塵器捕塵

近年來，我國金屬礦山高效濕式除塵器研究進(jìn)展顯著，文丘里濕式除塵器、濕式旋風(fēng)除塵器、濕式旋流除塵器、濕式過濾除塵器等相繼問世，并成功應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。針對傳統(tǒng)高效濕式除塵器存在耗水量大、阻力大等不足，李剛等［56-57］先后研發(fā)了適合礦山地表除塵系統(tǒng)的旋流帷幕除塵器和適合礦山井下使用的移動(dòng)式礦用濕式振弦旋流除塵器，兩類除塵器結(jié)構(gòu)分別見圖11、圖12。

將噴霧帷幕除塵和旋流霧化除塵有機(jī)結(jié)合，在除塵器內(nèi)部采用超聲波霧化器和壓力式噴霧器兩級(jí)組合式噴霧結(jié)構(gòu)，研制出了旋流帷幕除塵器。該除塵器超聲波霧化器產(chǎn)生的微細(xì)水霧和壓力式噴霧器產(chǎn)生的水霧形成封閉的噴霧帷幕，有效提高了除塵效率，特別是呼吸性粉塵的除塵效率，同時(shí)設(shè)置了具有雙向旋流葉片的旋流脫水筒，脫水效果顯著。試驗(yàn)研究表明：綜合考慮除塵效率和阻力（能耗）因素，除塵器最佳除塵風(fēng)速為14～16 m/s，此時(shí)阻力為800～1 000 Pa，除塵器對總粉塵的除塵效率為99.8%以上，對呼吸性粉塵的除塵效率達(dá)到97%以上［56］。

針對除塵器在金屬礦山井下應(yīng)用存在空間受限的問題，研究開發(fā)了一種高效低阻且體積小、布置靈活的移動(dòng)式礦用濕式振弦旋流除塵器，適用于礦山井下巷道和工作面的粉塵治理。該除塵器綜合了噴霧降塵理論、振弦柵捕塵理論、旋流除塵理論與PLC控制系統(tǒng)理論，除塵風(fēng)速設(shè)計(jì)為10～12 m/s，對總粉塵的除塵效率超過98%，對呼吸性粉塵的除塵效率超過96%［57］。

2.5.2 袋式除塵器捕塵

與濕式除塵器相比，袋式除塵器除塵效率更高，有效解決了金屬礦山粉塵排放難以達(dá)標(biāo)的問題。我國袋式除塵器的應(yīng)用始于20世紀(jì)50年代，由于袋式除塵器具有穩(wěn)定高效的除塵效果，20世紀(jì)90年代以后在金屬礦山得到了廣泛應(yīng)用。過濾材料是袋式除塵器的核心部分，其性能優(yōu)劣程度對袋式除塵器的運(yùn)行效果有很大影響。性能良好的過濾材料具有容塵量大、吸濕性小、效率高、阻力低、使用壽命長等特點(diǎn)，同時(shí)具備耐溫、耐磨、耐腐蝕、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。袋式除塵器過濾材料的發(fā)展概況見表2。

袋式除塵器在金屬礦山應(yīng)用過程中也存在濾袋粘袋、濾袋使用壽命短、檢修困難等問題。針對上述問題，蘇文湫等［58］以金屬礦山除塵系統(tǒng)為研究對象，分析了高效濾筒除塵器在礦山除塵系統(tǒng)的應(yīng)用效果，現(xiàn)場應(yīng)用表明，濾筒除塵器的除塵效率約為99%，可以滿足礦山粉塵控制要求。

金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)除塵研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了新型高效硬化波紋過濾除塵器［59］，該除塵器過濾材料選用滌綸針刺氈，采用特殊加工工藝和表面處理技術(shù)研制了硬化波紋過濾材料。其制作工藝為：①將剪裁好的針制氈濾料放進(jìn)裝有主要成分為硅酸鹽的硬化劑的液槽中，使其被硬化劑充分浸透，并不斷緩慢平移濾料，最后對其進(jìn)行干燥，此時(shí)，濾料的硬化過程完成。②將干燥后的硬化濾料剪裁成一定寬度和長度的生料，而后由人工卷制成濾管，在搭接處涂膠黏劑，晾干10 min后合攏，加壓片刻即可，固化24 h后即可裝過濾元件。③硬化波紋濾料加工裝置由加熱的移動(dòng)齒板和兩個(gè)上下運(yùn)動(dòng)的壓頭組成。工藝流程為：壓頭1先壓下，使過濾材料的一端固定；然后壓頭2壓下，使硬化濾料成褶；最后再先后抬起壓頭1、2，壓頭抬起后，移動(dòng)齒板。依此類推，即可連續(xù)生產(chǎn)出波紋濾料。

采用電鏡對該濾料進(jìn)行微觀分析（圖13）可知：該濾料為三維立體型結(jié)構(gòu)，由單纖維層層交錯(cuò)排列構(gòu)成，其孔隙細(xì)密且直徑?。ㄆ骄s5 μm以內(nèi)），孔隙分布均勻，孔隙率高達(dá)80%以上。由于濾料的孔隙直徑非常接近呼吸性粉塵的粒徑，因此對呼吸性粉塵的過濾效率較高，同時(shí)具有透氣、防水憎水的效果。

本研究將該新型高效硬化波紋過濾除塵器應(yīng)用于安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司除塵系統(tǒng)改造工程并經(jīng)正常運(yùn)行使用后，對其井下粗破碎硐室、干磁拋尾車間、中細(xì)碎車間、篩分車間的崗位粉塵濃度進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測，并與改造前的崗位粉塵濃度進(jìn)行了比較，結(jié)果見表3。

新型高效硬化波紋過濾除塵器布袋組件及現(xiàn)場安裝情況見圖14、圖15。

根據(jù)新型高效硬化波紋過濾除塵器具有的體積小、能耗低、凈化效率高等優(yōu)點(diǎn)，粉礦倉移動(dòng)卸料作業(yè)除塵系統(tǒng)的另一技術(shù)改造思路是在卸料小車上直接設(shè)置小型硬化波紋過濾除塵器，形成卸料小車聯(lián)動(dòng)除塵裝置，在車間內(nèi)直接凈化捕集的揚(yáng)塵。硬化波紋過濾除塵器中設(shè)有高效過濾裝置，過濾效率高，含塵氣體過濾后可直接排入廠房內(nèi)，其現(xiàn)場安裝情況如圖16所示。

2.6 幕簾隔塵

通風(fēng)排塵、噴霧除塵、除塵器捕塵等是金屬礦山井下最常見的粉塵防治技術(shù)，但是采用這些技術(shù)后仍然會(huì)有部分粉塵（尤其是呼吸性粉塵）擴(kuò)散到井下其他區(qū)域，此時(shí)，可以采用隔塵方式進(jìn)行補(bǔ)救，防止這部分粉塵擴(kuò)散和與人體接觸。幕簾隔塵技術(shù)的基本原理是在井下工作面或者巷道，利用噴出的氣流或者水霧形成空氣幕、水幕以及安裝隔塵簾阻止工作面或者巷道產(chǎn)生的粉塵向外擴(kuò)散，在相同的排風(fēng)量下，設(shè)計(jì)幕簾后，在控制點(diǎn)的控制風(fēng)速明顯增加，控塵凈化效果得以提升［60-62］。現(xiàn)階段，幕簾隔塵技術(shù)在我國煤礦系統(tǒng)應(yīng)用廣泛［60-62］。

3 存在問題

金屬礦山粉塵防治技術(shù)研究是預(yù)防礦山塵肺病的主要手段，也是提升我國金屬礦山行業(yè)職業(yè)危害防護(hù)技術(shù)及裝備水平，改善作業(yè)環(huán)境及礦區(qū)周邊大氣環(huán)境質(zhì)量，保障作業(yè)人員職業(yè)健康強(qiáng)有力的技術(shù)手段。“十三五”期間，我國金屬礦山行業(yè)粉塵防治技術(shù)發(fā)展方面取得了顯著進(jìn)展，不少技術(shù)成果已達(dá)到國際先進(jìn)水平。但是，金屬礦山開采與煤礦不同，存在多中段、多個(gè)作業(yè)點(diǎn)同時(shí)采礦的特點(diǎn)，隨著礦山開采規(guī)模和強(qiáng)度的提升，作業(yè)崗位粉塵污染問題日益突出，與此同時(shí)，人們對生產(chǎn)環(huán)境的要求越來越高，現(xiàn)有的粉塵防治技術(shù)無法有效滿足礦山職業(yè)危害防治需求。目前，我國金屬礦山粉塵防治技術(shù)主要存在如下問題。

（1）通風(fēng)排塵技術(shù)存在的問題。礦井通風(fēng)系統(tǒng)是保障礦山安全生產(chǎn)和作業(yè)人員職業(yè)健康的重要手段，目前的各種先進(jìn)通風(fēng)方法和技術(shù)已成為礦井安全生產(chǎn)的重要保障。礦井工作面和巷道既是井下無組織粉塵產(chǎn)生的典型場所，又是井下主要的作業(yè)區(qū)域。由于井下缺乏貫通風(fēng)流，導(dǎo)致通風(fēng)不暢，粉塵易積聚，加之現(xiàn)階段井下常用的粉塵控制和凈化措施僅僅是排除工作面和巷道產(chǎn)生的部分粉塵，并未實(shí)現(xiàn)粉塵的根本性去除。主要原因是我國金屬礦山主要采用濕式作業(yè)方式凈化井下作業(yè)面粉塵，即使增加水量，也難以取得理想的降塵效果?，F(xiàn)有的井下通風(fēng)技術(shù)未能與礦井除塵相結(jié)合，導(dǎo)致礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)質(zhì)難以滿足循環(huán)利用要求。僅依靠通風(fēng)排塵，導(dǎo)致井下其他巷道和作業(yè)面出現(xiàn)粉塵交叉污染，通風(fēng)排塵同時(shí)還會(huì)使井下粉塵通過回風(fēng)井排入地表，污染礦區(qū)周邊大氣環(huán)境。相關(guān)研究表明［35］，礦井通風(fēng)系統(tǒng)配備有效的除塵凈化技術(shù)裝備可以有效提高通風(fēng)排塵效果和礦井通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)流利用效率，實(shí)現(xiàn)金屬礦山井下循環(huán)通風(fēng)控塵、抑塵。

（2）密閉控塵存在的問題。對于負(fù)壓抽風(fēng)除塵系統(tǒng)而言，對產(chǎn)塵點(diǎn)和產(chǎn)塵設(shè)備的密閉是保證崗位除塵效果的關(guān)鍵和前提條件。金屬礦山產(chǎn)塵點(diǎn)和產(chǎn)塵設(shè)備多，產(chǎn)塵機(jī)理復(fù)雜，產(chǎn)塵源又分為固定塵源和移動(dòng)塵源。目前金屬礦山除塵系統(tǒng)采取的密閉控塵措施未能有效解決嚴(yán)密性、靈活性、便捷性等技術(shù)難題，尤其是對于受限空間和移動(dòng)塵源。在實(shí)際應(yīng)用中，大多會(huì)出現(xiàn)密閉設(shè)施不合理或者由于密閉設(shè)施影響作業(yè)人員生產(chǎn)操作、檢（維）修工作而被隨意拆卸的現(xiàn)象。

（3）噴霧除塵存在的問題。噴霧除塵在金屬礦山應(yīng)用中，為防止噴嘴堵塞，采用的噴嘴基本為大流量、大孔徑噴嘴，所產(chǎn)生的水霧粒徑較大，對微細(xì)粉塵的除塵效果不佳。同時(shí)，由于金屬礦山噴霧除塵系統(tǒng)的理論研究不夠深入，目前重點(diǎn)僅關(guān)注噴霧系統(tǒng)水霧粒徑、噴霧距離和霧化角，對噴霧系統(tǒng)的水霧濃度、噴霧速度以及基于通風(fēng)風(fēng)流場和霧化場的復(fù)合流場特征的研究涉及較少。

（4）抑塵劑降塵存在的問題。抑塵劑降塵技術(shù)在金屬礦山領(lǐng)域應(yīng)用程度不高，由于部分產(chǎn)塵崗位使用抑塵劑后可能產(chǎn)生細(xì)粒礦石結(jié)塊現(xiàn)象，對生產(chǎn)造成一定的影響，導(dǎo)致該技術(shù)的應(yīng)用推廣受到限制。同時(shí)，目前抑塵效率高且無毒、無害、不產(chǎn)生二次污染的化學(xué)抑塵劑普遍存在費(fèi)用昂貴的問題。

（5）除塵器捕塵存在的問題。由于礦山粉塵具有高濕、高濃度、分散度高、腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，除塵器捕塵在實(shí)際應(yīng)用過程中經(jīng)常出現(xiàn)除塵效果不佳、檢（維）修頻繁、使用壽命短、能耗高等問題。尤其是在大風(fēng)量的除塵系統(tǒng)應(yīng)用中，除塵效率普遍偏低。此外，除塵器在礦井應(yīng)用時(shí)，時(shí)常會(huì)發(fā)生由于設(shè)備體積較大、移動(dòng)困難而導(dǎo)致無法安裝使用的現(xiàn)象。

（6）幕簾隔塵存在的問題?，F(xiàn)階段，幕簾隔塵理論還不夠完善，隔塵技術(shù)在金屬礦山除塵系統(tǒng)的應(yīng)用成果鮮見報(bào)道。同時(shí)，幕簾隔塵技術(shù)與其他除塵措施相結(jié)合的粉塵控制技術(shù)在國內(nèi)關(guān)注較少。

4 展 望

近年來，隨著我國金屬礦山開采深度和生產(chǎn)規(guī)模逐漸加大，導(dǎo)致生產(chǎn)作業(yè)面和崗位的粉塵污染日益嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅到礦山安全生產(chǎn)和作業(yè)人員身心健康。盡管我國有關(guān)科研院所、高校、企業(yè)在金屬礦山粉塵防治方面取得了一系列創(chuàng)新成果，但現(xiàn)有技術(shù)仍不能完全解決金屬礦山粉塵污染難題。結(jié)合我國金屬礦山粉塵防治技術(shù)研究現(xiàn)狀及存在的問題，對該領(lǐng)域未來研究重點(diǎn)提出了以下建議。

（1）粉塵防治技術(shù)重點(diǎn)關(guān)注的產(chǎn)塵源應(yīng)為井下作業(yè)面和巷道、深凹露天礦作業(yè)面。隨著地下礦山和露天礦山開采深度不斷延伸，作業(yè)面有效通風(fēng)變得越來越困難，導(dǎo)致粉塵排除受阻。深井作業(yè)面和巷道、深凹露天礦作業(yè)面通風(fēng)不暢，產(chǎn)生的微細(xì)粉塵長期漂浮在作業(yè)環(huán)境中，已成為制約地下礦山、深凹露天礦山生產(chǎn)安全、職業(yè)健康與生態(tài)環(huán)境的突出問題。在礦山微細(xì)粉塵防治方面，圍繞地下礦山和深凹露天礦山微細(xì)粉塵源強(qiáng)、產(chǎn)塵機(jī)理及擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行深入研究，開發(fā)粉塵濃度監(jiān)測預(yù)警和除塵關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備。在通風(fēng)防塵方面，圍繞可控循環(huán)通風(fēng)與通風(fēng)風(fēng)流凈化技術(shù)如何有效結(jié)合的難題，研發(fā)深井礦山可控循環(huán)通風(fēng)除塵技術(shù)；圍繞深凹露天礦山自然通風(fēng)風(fēng)壓、風(fēng)流形成機(jī)理及其利用進(jìn)行深入研究，開發(fā)深凹露天礦山采場自然風(fēng)流的利用與控制技術(shù)。

（2）大風(fēng)量、高濕、高濃度粉塵凈化技術(shù)及設(shè)備研究。隨著地下礦山開采規(guī)模和深度不斷增加，開采設(shè)備機(jī)械化、大型化程度提高，產(chǎn)塵濃度和通風(fēng)量也逐漸增加，現(xiàn)有的粉塵防治技術(shù)難以滿足職業(yè)病危害防治需求。因此，有必要進(jìn)一步研發(fā)適合地下礦山大風(fēng)量、高濕、高濃度粉塵凈化技術(shù)及設(shè)備。

（3）高效、低能耗礦用干式、濕式除塵器研發(fā)。隨著我國對呼吸性粉塵排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，一方面，應(yīng)研發(fā)體積小、阻力低、呼吸性粉塵捕集效率高的新型礦用干式、濕式除塵器。對于礦用干式除塵器，應(yīng)重點(diǎn)研究耐磨損、耐腐蝕的過濾材料以及延長過濾材料使用壽命的后處理技術(shù)；對于礦用濕式除塵器，應(yīng)重點(diǎn)研究具有多種除塵機(jī)理的噴霧裝置和噴霧方式。另一方面，應(yīng)開發(fā)集干式、濕式于一體的小型化組合式礦用除塵器。

（4）高效率、低配比、低成本的環(huán)保型抑塵劑研究。目前市面上的化學(xué)抑塵劑雖然抑塵效率高且為環(huán)保型，但因過高的成本費(fèi)用導(dǎo)致無法廣泛推廣應(yīng)用。下一步要深入研究新型抑塵劑，開發(fā)高效、低成本的環(huán)保型抑塵劑。

（5）系統(tǒng)化、智能化防塵技術(shù)研究。在大力開發(fā)各種高效低阻礦用除塵技術(shù)裝備的同時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步研究集粉塵在線監(jiān)測、數(shù)字化信息化控制、控塵除塵等功能于一體的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)金屬礦山除塵系統(tǒng)、凈化設(shè)備向系統(tǒng)化、智能化方向發(fā)展。