矿山粉尘及其防治技术
悬浮于空气中的颗粒物质主要来源于自然界的风砂尘土、火山爆发、森林火灾、海水喷溅以及人为的各种烟尘，如采矿过程中的粉碎、研磨、筛分装卸及运输过程中散发的粉尘，建筑工地和交通运输等产生的烟尘等。北京大气的主要污染源有风沙土壤，煤炭燃烧，汽车燃油和二次污染。据测，大气颗粒中约有39种元素：Si,Al,Fe,Ca,Na,Mg,Mn,Cu,Pb,Zn,Cr,Cd,Ba,Sr,Ti,V,Mo,Co,Ni,P,S,Sm,U,W,As,Ga,Br,La,Yb,Rb,Ce,Hf,Cs,Tb,Sc,Eu,Sb等。由于粉尘具有很强的吸附能力，能把SO
2、氮氧化物、苯并芘（致癌物质）等吸附在表面。长期吸入粉尘颗粒，超过呼吸系统保护能力，肺部就会产生弥漫性的纤维组织增生，即日常所谓的尘肺病，如支气管炎、肺结核、肺气肿、肺心病等症，尤其接触镍尘和石棉粉尘的人，易引起肺癌等症。镉尘对人体危害的主要靶器官是肾和肺。
露天采场生产因大量使用大型移动式机械设备和大爆破,使矿内空气产生一系列尘毒污染,如爆破和采用柴油机为动力的设备等。常见的污染物质主要有粉尘、有害有毒气体［H2S, SO2, C0, NO2等］和放射性气溶胶。由于生产工序的不同,产尘量与所用的机械设备类型、生产能力、岩石性质、作业方法及自然条件等许多因素有关。露天开采强度大,机械化程度高,受地面气象条件影响,产生的气体常具突发性,如爆破,不利的气象条件及不良的自然通风方式,甚至可使局部污染扩散全矿,使大气污染。选矿生产过程中产生的大量粉尘和有毒物质,也是矿区大气污染的重要因素,在自然及运输车辆产生的风流作用下,会将尾矿粉直接扬起,使大气中粉尘浓度非常高,严重地污染矿区空气。此外,矿区繁忙的交通运输产生的富含重金属物质的废气,矿区冶炼厂、烧结厂、电厂产生的浓烟以及矿区燃煤产生的有害物质,均构成矿区大气的污染。
矿山粉尘是矿井在建设和生产过程中所产生的各种岩矿微粒的总称。矿山生产的主要环节如采矿、掘进、运输、提升的几乎所有作业工序都不同程度地产生粉尘。采掘机械化和开采强度、采矿方法、作业地点的通风状况、地质构造及煤层赋存条件都是影响粉尘产生的因素。
(一)矿山粉尘的性质及危害 1．粉尘的概念
(1)全尘。全尘是指用一般敞口采样器采集到一定时间内悬浮在空气中的全部固体微粒。 (2)呼吸性粉尘。呼吸性粉尘是指能被吸入人体肺部并滞留于肺泡区的浮游粉尘。空气动力直径小于7.07 m的极细微粉尘，是引起尘肺病的主要粉尘。
(3)浮尘和落尘，悬浮于空气的粉尘称浮尘，沉积在巷道顶、帮、底板和物体上的粉尘称为落尘。
2．粉尘性质
(1)粉尘中游离二氧化硅的含量。粉尘中游离二氧化硅的含量是危害人体的决定因素，含量越高，危害越大。游离二氧化硅是引起矽肺病的主要因素。
(2)粉尘的粒度。粉尘粒度是指粉尘颗粒大小的尺度。一般来说，尘粒越小，对人的危害越大。
(3)粉尘的分散度。粉尘的分散度是指粉尘整体组成中各种粒级的尘粒所占的百分比。粉尘组成中，小于5 m的尘粒所占的百分数越大，对人的危害越大。
(4)粉尘的浓度。粉尘的浓度是指单位体积空气中所含浮尘的数量。粉尘浓度越高，对人体危害越大。
(5)粉尘的吸附性。粉尘的吸附能力与粉尘颗粒的表面积有密切关系，分散度越大，表面积也越大，其吸附能力也增强。主要指标有吸湿性、吸毒性。
(6)粉尘的荷电性。粉尘粒子可以带有电荷，其来源是煤岩在粉碎中因摩擦而带电，或与空气中的离子碰撞而带电，尘粒的电荷量取决于尘粒的大小并与温湿度有关，温度升高时荷电量增多，湿度增高时荷电量降低。
(7)煤尘的燃烧和爆炸性。煤尘在空气中达到一定的浓度时，在外界明火的引燃下能发生燃烧和爆炸。
3．尘的危害性
矿尘的危害性主要表现在以下4个方面： (1)污染工作场所，危害人体健康，引起职业病； (2)某些矿尘(如煤尘、硫化尘)在一定条件下可以爆炸； (3)加速机械磨损，缩短精密仪器使用寿命； (4)降低工作场所能见度，增加工伤事故的发生。 (二)矿山粉尘防治技术
矿山防尘技术包括风、水、密、净和护等5个方面，并以风、水为主。风就是通风除尘；水是指湿式作业；密是指密闭抽尘；净是净化风流；护是采取个体防护措施。下面分别叙述矿山生产过程中的主要防尘技术。
2.掘进工作面防尘
(1)炮掘工作面防尘。风动凿岩机或电煤钻打眼是炮掘工作面持续时间长，产尘量高的工序。一般干打眼工序的产尘量占炮掘工作面总产尘量的80％～90％，湿式打眼时占40％～60％。所以，打眼防尘是炮掘工作面防尘的重点。
①打眼防尘。打眼防尘的主要技术有湿式凿岩、干式凿岩捕尘等。 风钻湿式凿岩：这是国内外岩巷掘进行之有效的基本防尘方法。
干式凿岩捕尘：在无法实施湿式作凿岩时，如岩石遇水会膨胀，岩石裂隙发育，实施湿式作业其防尘效果差等情况下，可用于式孔口捕尘器等干式孔口除尘技术。
煤电钻湿式打眼：在煤巷、半煤巷炮掘中，采用煤电钻湿式打眼能获得良好的降尘效果，降尘率可达75％～90％。
②放炮防尘。放炮是炮掘工作面产尘最大的工序，采取的防尘措施主要有以下几种： 水炮泥：这是降低放炮时产尘量最有效的措施。
放炮喷雾：这是简单有效的降尘措施，在放炮时进行喷雾可以降低粉尘浓度和炮烟。 (2)机掘工作面通风除尘。掘进工作面虽然采取了相应的防尘措施，但一些细微的粉尘仍然是悬浮于空气中，尤其是掘进机械化程度的不断提高，产尘强度剧增，机掘工作面的产尘强度就大大高于炮掘工作面，用一般的防尘措施难于控制粉尘，因此国内外研究了通风除尘技术，以便有效控制高浓度尘源。
①通风除尘系统。合理的通风除尘系统是控制工作面悬浮粉尘运动和扩散的必要条件、主要有三种通风系统在国内外使用：长压短抽通风除尘系统、长抽通风除尘系统和长抽短压通风除尘系统。
②通风除尘设备。主要设备有湿式除尘风机、湿式除尘器、袋式除尘器以及配套的抽出式伸缩风筒、附壁风筒等。
③通风工艺的要求。压、抽风筒口相互位置的关系：压抽风量的匹配；局部通风机安装位置；抽出式局部通风机与除尘局部通风机的串联要求。
(3)锚喷支护防尘。锚喷支护技术发展很快，它也是煤矿的主要产尘源之一。锚喷支护的粉尘主要来自打锚杆眼、混合料转运、拌料和上料、喷射混凝土以及喷射机自身等生产工序和设备。
针对这些产尘源，锚喷文护主要采取配制潮料向喷射机上料、双水环加水、加接异径葫芦管、低压近喷、水幕净化和通风除尘等。
3．运输、转载防尘
(1)机械控制自动喷雾降尘装置。该类装置的特点是结构简单、容易制造，使用和维护方便而且降尘效果较好。
(2)电器控制自动喷雾降尘装置。该装置适用于煤矿转载运输系统中不同的尘源，它是靠电器控制实现自动喷雾，有光控、声控、触控、磁控等多种形式。
4．综合防尘措施
综合防尘措施包括湿式钻眼、冲刷井壁巷帮、使用水炮泥、放炮喷雾、装岩(煤)洒水和净化风流等措施。
（二）矿山防尘技术
矿山防尘技术包括风、水、密、净和护等5个方面，并以风、水为主。风就是通风除尘；水是指湿式作业；密是指密闭抽尘；净是净化风流；护是采取个体防护措施。
1．防尘技术
采煤工作面防尘。包括煤层注水、合理选择采煤机截割机构和喷雾降尘。
掘进工作面防尘。包括掘进工作面防尘、机掘工作面通风除尘和锚喷支护防尘。运输、转载防尘。包括机械控制自动喷雾降尘装置和电器控制自动喷雾降尘装置。
综合防尘措施。包括湿式钻眼、冲刷井壁巷帮、使用水炮泥、放炮喷雾、装岩(煤)洒水和净化风流等措施。
2．煤尘防、隔爆措施
煤尘爆炸必须在3个条件同时具备时才可能发生，即粉尘本身具有爆炸性；粉尘悬浮在空气中并达到一定浓度；有足以点燃粉尘的热源。
如果不让这些条件同时存在，或者破坏已经形成的这些条件，就可以防止煤尘爆炸的发生和发展。这是制定各种防止煤尘爆炸措施的出发点和基本原则。
第一，采取防尘措施。一般情况下，生产场所的浮游煤尘浓度是远低于爆炸下限浓度的。但是，因空气震荡(放炮的冲击波)等原因使沉积煤尘重新飞扬起来，这时的煤尘浓度大大超过爆炸下限浓度。据估算4㎡断面小巷道的周边上，只要沉积0．04mm厚的一层煤尘，当它全部飞扬起来，就达到了爆炸下限。实际上，井下的沉积煤尘都超过了这个厚度，所以，减少巷道内的沉积煤尘量并清除出井，是最简单有效的防爆措施。
各生产环节采用有效的防尘，降尘措施，减少煤尘的产生，降低空气中的煤尘浓度，也就降低了沉积煤尘量。因此，综合防尘措施既是减少粉尘危害工人健康的措施，也是防止煤尘爆炸的治本措施。
第二，杜绝着火源。井下能引起煤尘爆炸的着火源有电气火花、摩擦火花、摩擦热、煤自燃而形成的高温点、爆破作业出现的爆燃以及瓦斯爆炸所产生的高温产物等。消除这类着火源的主要技术措施有：保持矿用电气设备完好的防爆性能，加强管理防止出现电器设备失爆现象；选用非着火性轻合金材料避免产生危险的摩擦火花；胶带、风筒、电缆等常用的非金属材料必须具有阻燃，抗静电性能；采用阻化剂、凝胶或氮气防止煤柱、采空区残留煤发生自燃，同时，加强瓦斯管理防止瓦斯爆炸事故的发生。
由于煤矿自然条件十分复杂，发生煤尘爆炸的随机性很大，除了上述一般性的安全技术措施外，针对煤尘爆炸的特点，各国还研究了防止煤尘爆炸的专门技术，其中使用历史最长，应用面广、简单易行的防止煤尘爆炸技术措施是撒布岩粉法。
第三，撒布岩粉法。这种方法是定期向巷道周边撒布惰性岩粉，用它覆盖沉积在巷道周边上的沉积煤尘。岩粉层在巷道风速很低时，它的粘滞性起到了阻碍沉积煤尘重新扬起的作用。
3．防止煤尘爆炸传播技术
防止煤尘爆炸传播技术也称为隔绝煤尘爆炸传播技术(以下简称隔爆技术)，是指把已经发生的爆炸控制在一定范围内并扑灭，防止爆炸向外传播的技术措施。该技术不仅适于对煤尘爆炸的控制，也适用于对瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸的控制。该技术分为两大类，被动式隔爆技术和自动式隔爆技术。
被动式隔爆技术(也称隔爆措施)。发生爆炸的初期，爆炸火焰峰面是超前于爆炸压力波向前传播，随着爆炸反应的继续和加强，压力波逐渐赶上并超前于火焰峰面传播，两者之间有一时间差。被动式隔爆技术就是利用这一规律，利用压力波的能量使隔爆措施动作，在巷道内形成扑灭火焰的消焰抑制剂尘云，后续到达到的火焰进入抑制剂尘云时被扑灭，阻止了爆炸继续向前传播。被动式隔爆技术主要有：岩粉棚，水槽棚和水袋棚，统称为被动式隔爆棚。被动式隔爆棚的设置方式有3种形式，集中式布置，分散式布置和集中分散式混合布置。根据隔爆棚在井巷系统中限制煤尘爆炸的作用和保护范围，可将它们分为主要隔爆棚(重型棚)和辅助隔爆棚(轻型棚)，重型棚的作用是保护全矿性的安全，设置在矿井两翼与井筒相通的主要运输大巷和回风大巷；相邻煤层之间的运输巷和回风石门；相邻采区之间的集中运输巷和回风巷。轻型棚的作用是保护一个采区的安全，在采煤工作面的进风、回风巷；采区内的煤及半煤岩掘进巷道；采用独立通风并有煤尘爆炸危险的其他巷道内设置。
自动隔爆技术。被动式隔爆技术的作用原理决定了该技术措施只能在距爆源60～200m(岩粉棚300m)范围内发挥抑制爆炸的作用。因此，在爆炸发生的初期该技术是无效的。此外，在低矮、狭窄和拐弯多的巷道中使用也极其不利，不能发挥抑爆效果。针对这些缺点，各国研究并使用了自动隔爆技术。
传感器、控制器和喷洒装置是自动隔爆装置三大组成部分，由若干台自动隔爆装置组成的隔爆系统即为自动式隔爆措施，采用的传感器主要有3类：接受瓦斯煤尘爆炸动力效应的压力传感器，利用爆炸热效应的热电传感器和利用爆炸火焰发出的光效应的光电传苎器。控制器是向喷洒抑制剂的执行机构发出动作指令的仪器；喷洒机构一般由执行机构，喷洒器和抑制剂贮存容器组成。它的作用是将抑制剂(岩粉、干粉或水)扩散于巷道空间形成粉尘云或水雾带。它的动作应迅速、可靠、能适应爆炸的快速发展。
（三）对策与建议
3.1 完善相关法律法规，依法保护矿山环境
目前，业内学者对《矿山环境管理条例》的出台呼声很高。通过法律形式明确界定各主管部门及矿山企业的责权利，依法规范矿山环境恢复治理的资金来源、使用管理、以及复垦土地的有偿转让等，建立垂直领导的矿山环境监管体系，减少重复交叉管理。借鉴美国在露天采矿环境保护标准和配套法规制定方面的经验,在我国的矿产开发生态保护与恢复标准的制定中,应从以下4方面予以考虑。
（1）涵盖矿产开发造成生态影响的每个环节和所有受扰地区。
矿产开发生态保护与恢复标准包含两方面的技术规定:矿产开发过程中采取哪些适当措施、采取的措施达到什么程度,可以将生态影响减轻到尽可能小的程度； 矿产开发过程中和采矿结束后对受扰地区采取什么样的生态恢复措施,将其恢复到何种程度。
矿产开发中造成生态影响的环节很多,对露天开采来说,包括剥离、排土、钻孔、爆破、采装、选矿、排尾砂(矸石)、修路、运输、生活办公区建设、电力设施建设、通讯设施建设、排水设施建设等,对所有这些造成生态影响的环节,均应规定减轻生态影响的技术要求。
对破坏后的生态恢复,除采空区、排土场、尾砂库、矸石堆等主要地区外,对开采期间所使用的临时设施,包括道路、排水沟、挡渣墙等,均应作出技术规定。
2）尽量考虑各种具体情况。
我国矿山的具体情况千差万别,需要考虑多种具体情况来提出生态保护与恢复的适用技术要求。如我国大多数
矿区对表土未实行单独剥离,在进行生态恢复时就存在表土资源不足的情况。因此,可规定在本系列标准出台前,未对表土实行单独剥离的矿区,可根据剥离物的肥力情况,直接进行植物种植或借土覆盖后种植；而本系列标准出台后,应对表土进行单独剥离、存放和回填。再如对植被恢复到一定标准所需的时间,应依降水情况而不同,干旱区植被恢复时间应长一些。关于侵蚀控制的技术要求,也要结合降水情况而定,降水丰富地区应对水力侵蚀控制提出较高要求,而对西北干旱区则对风力侵蚀控制提出较高要求。
（3）体现生态恢复的全面性。
为体现生态恢复的全面性,在制定我国矿产开发生态保护与恢复标准时,应注意以下3点: ①除恢复土壤层和植被外,生态恢复还包括地形和水系格局的恢复；
②生态恢复时应注意与周围土地利用和自然环境相协调；
③废弃地用作建设用地时,也应有生态恢复的要求。
（4）完善相关法规,保障标准实施。
①完善采矿许可证制度,规定采矿许可证申请书中必须包含满足矿产开发生态保护与恢复标准的生态保护与恢复方案；
②制定违反矿产开发生态保护与恢复标准的处罚评估方法及相应的检查与处罚执行制度；
③建立与矿产开发生态保护与恢复标准相挂钩的矿山生态环境恢复治理保证金制度,将按照标准规定的要求完成生态恢复的程度作为确定保证金返还比例的依据。
3.2 开展矿山环境调查，建设矿山地质环境信息系统
通过全国矿山地质环境调查评估，建设矿山环境监测数据库及信息系统，对矿山环境实行动态监测，即时预报；建立预警机制，促进政府与矿山企业的及时交流与沟通，保障矿山环境管理工作顺利开展。
3.3 加快矿山环境治理技术的科研与转化
着重研究矿业开发过程中引起的环境变化及防治技术、“二废”处理及综合利用回收技术，先进的采、选技术，提高资源利用率。加快矿山环境保护防治新技术、新工艺的开发与应用转化。引进和开发适于矿区土地复垦的生态重建新技术，开展示范性工程。实行清洁生产，发展绿色矿山。
3.4 强化监管，预防和控制矿山环境的恶化
对新建矿山应建立环境影响评价制度，实行环境准入制，行政审批，一票否决。在矿山建设过程中严格执行“二同时”制度，即环境保护治理措施与主体工程同时设计、同时施工、同时投用，否则不准生产，违者吊销采矿许可证。对生产矿山要加大监管力度，规范矿山开采行为，确保环保投入，达到“二废”的合理排放与潜在隐患的及早防治。对已破坏的环境，应限期恢复治理。严禁在划定的保护区(禁采区)内开矿，尽可能杜绝交通干线两侧可视范围内的开采行为。对污染大、资源浪费严重、安全性差的矿山(点)应尽早予以关闭取缔。
本着“谁破坏谁治理”的原则,明确矿山地质环境治理的责任主体,责令采矿权人根据闭坑矿山地质环境问题制定科学合理的治理方案,充分利用矿区废弃资源回填采空,因矿制宜进行闭坑后的全面治理。闭坑矿山实行地质环境恢复治理和土地复垦、绿化,不能给当地生态环境、农业生产和附近居民生活造成新的危害。对于露天开采的闭坑矿山治理主要对策应放在削坡排危岩,加固和保护再生矿渣边坡,清整采矿平台,因地制宜地实施生态重建;根据闭坑矿山的区位和现状,区别对待,从实际出发采取相应对策;对于地下开采闭坑矿山重点是地下采矿中的采空区潜存的或已出现的各种矿山环境地质问题,采矿诱发的地质灾害。严禁无序堆放废矿渣,应采取固坡绿化或返回地下,充填浅部废弃坑洞,对于选矿产生的尾矿泥沙严禁乱排乱放,要严格控制二次污染,变废为利。
3.5生产矿山治理
有松散覆盖层的,要重视剥离表层土的堆放、存储、复垦再利用的统筹规划,特别是表层土中富集有适于本地生长的植物种子、腐植土等,要注意独立存储,不能与废弃矿渣混堆。矿山开发过程中产生的废土、废渣、废石、尾矿等的堆放要符合设计规范要求,废水、粉尘、有毒有害气体排放和治理以及噪音污染控制等要达到国家和省的有关标准要求。对于已出现的突出地质环境问题,要有合理的治理方案并切实遵照实施。对于预测的或可能出现的地质环境问题,要制定科学合理的预防措施或方案。
3.6积极推进“绿色矿山”示范工程建设
以河北省为例，河北省是矿产资源大省。据河北省国土资源厅统计,每年因矿山开采造成无法耕种的土地在上千亩,大量植被遭受破坏,地质灾害频发。河北省建立“谁开发、谁保护,谁破坏、谁治理”的矿山环境生态恢复责任机制,并出台行政法规,对省内矿山企业征收矿山生态环境恢复治理保证金,采矿权人履行矿山生态环境恢复治理义务,经验收合格后,保证金本息再返还采矿权人。针对矿山开采破坏环境的问题,这个省大力实施“绿色矿山”建设,5年来全省累计治理矿区面积3万多亩。500多个因矿山开采而饱受环境破坏之害的村庄重焕生机,50余万矿区群众从中受益。同时,还推出打造“绿色矿山”精品工程,推出了一大批绿色矿山建设的典型企业。像金牛能源股份公司的邢东矿,把矸石回填等先进科学技术引入“绿色矿山”建设中,实现了“产煤不见煤”和生产文明向生态文明的转变。大力开展矿井综合环境治理,被授予“全国花园式矿井”称号。今年六月,省委书记张云川专门视察邢东矿,对其绿色生态矿山建设给予高度评价。绿色矿山建设,不仅有效地改善了所在城市和主要交通干线的生态环境,推进了城市环保建设,而且达到了环境、资源和社会良性循环的效果。
3.7构建数字矿山管理新模式
数字矿山是实现矿区资源绿色开发的有力支点。全省矿山开采留下大量的数字资料,可以结合室内实验,重点对城市郊区、水源保护区进行动态监测。通过综合分析这些矿区的采矿数据及区域资源数据、社会经济历史数据等,进行模拟仿真、地学信息分析与空间决策,推演出矿区资源环境与矿产开采的关系,再现矿区资源环境受矿产资源开采的动态演化过程,提示矿产不同开发模式及方法对矿区主要资源环境因子的作用机理,建立绿色开发新模式,了解和掌握并发挥其潜能,启发创新意识,提高环保力度。
