魯文岐 周 偉 丁小華 徐 光 時(shí)旭陽 陸 翔

(1.神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾市，010300；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116;3.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116;4.科廷大學(xué)西澳礦業(yè)學(xué)院，澳大利亞西澳大利亞州珀斯市，6430)

露天采礦作業(yè)一直以來被認(rèn)為是粉塵污染的重要源頭之一。在露天礦山中，卡車運(yùn)輸產(chǎn)生的粉塵量占全礦粉塵量的70%～80%[1]。進(jìn)入新時(shí)代，隨著生態(tài)文明的不斷建設(shè)和“美麗中國”宏偉目標(biāo)的踐行，大眾對(duì)大氣污染問題關(guān)切度越來越高。2018年6月，國務(wù)院印發(fā)的《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》通知中明確要求加強(qiáng)露天礦山揚(yáng)塵綜合整治。環(huán)保壓力與日俱增，已有多家礦山單位因?yàn)榉蹓m超限被國家勒令停產(chǎn)整改。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)運(yùn)輸?shù)缆飞掀饓m機(jī)理及起塵規(guī)律進(jìn)行了大量的研究。王海寧[2]等研究人員研究了露天礦土質(zhì)路面產(chǎn)塵機(jī)理，認(rèn)為起塵主要原因在于土質(zhì)道路土體內(nèi)的土顆粒之間連接微弱，難以抵抗礦用卡車的荷載作用和輪胎的揉搓作用而被破壞，在空吸作用下形成揚(yáng)塵；李春英[3]等研究人員研究了大孤山露天礦道路起塵現(xiàn)象及相應(yīng)的抑塵措施，認(rèn)為道路起塵強(qiáng)度的主要影響因素是路面含水量，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合出起塵量與路面含水量之間的關(guān)系函數(shù)，得出兩者呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，并推導(dǎo)出路面灑水的最佳灑水量和抑塵時(shí)間；譚卓英[4]等研究人員研究了露天礦道路起塵機(jī)理，認(rèn)為粉塵起錨荷載是粉塵顆粒物形成的臨界條件，當(dāng)卡車等施加給路面的力大于粉塵起錨荷載時(shí)，路面將形成細(xì)小顆粒物，并分析了揚(yáng)塵氣流的2種作用形式：輪胎剪切摩擦所產(chǎn)生的離心塵氣流和車體機(jī)械風(fēng)荷載與揚(yáng)塵氣流。前者將輪胎周邊的細(xì)小顆粒物帶起形成揚(yáng)塵，后者影響范圍更大，在卡車周邊尤其是后方的顆粒物揚(yáng)起形成揚(yáng)塵；張承中[5-6]在市區(qū)道路現(xiàn)場監(jiān)測實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了汽車二次揚(yáng)塵的機(jī)理和影響因素，認(rèn)為汽車行駛過程中形成的誘導(dǎo)風(fēng)流和剪切風(fēng)流是形成二次揚(yáng)塵的直接原因，而車速、車型等因素能夠影響誘導(dǎo)和剪切風(fēng)流從而影響二次揚(yáng)塵強(qiáng)度，路面粉塵負(fù)荷也是影響二次揚(yáng)塵強(qiáng)度的一個(gè)重要因素；吳麗萍、古金霞[7]對(duì)城市道路二次揚(yáng)塵中的PM10濃度量化模型進(jìn)行了研究，最終得到PM10的量化模型；Subrato Sinha和S. P. Banerjee[8]對(duì)運(yùn)輸?shù)缆返姆蹓m進(jìn)行了研究，研究表明了運(yùn)輸?shù)缆匪a(chǎn)生的粉塵粒徑服從正態(tài)分布，且在所產(chǎn)生的粉塵中60%以上的粒徑在0～10 μm之間。

以上研究皆對(duì)露天礦運(yùn)輸?shù)缆返钠饓m機(jī)理進(jìn)行了深入研究，而針對(duì)露天礦卡車運(yùn)輸起塵規(guī)律及粉塵粒徑分布情況研究較少，尤其是對(duì)人體健康和環(huán)境影響最大的PM2.5和PM10。本文以哈爾烏素露天礦運(yùn)輸卡車粉塵測量為基礎(chǔ)，著重研究了卡車運(yùn)輸過程中PM2.5和PM10粉塵濃度的變化規(guī)律，對(duì)于掌握露天礦卡車運(yùn)輸過程中主要粉塵粒徑和濃度變化規(guī)律有著重要的意義和價(jià)值，為進(jìn)一步的針對(duì)性防塵降塵提供了基礎(chǔ)。

1 監(jiān)測設(shè)備與監(jiān)測方案

粉塵監(jiān)測儀器主要有β射線粉塵濃度監(jiān)測儀和激光粉塵濃度監(jiān)測儀，粉塵濃度監(jiān)測儀如圖1所示。前者精度較高，但尺寸較大，交流供電，移動(dòng)不便；后者靈活小巧，自帶可充電電池，對(duì)測量環(huán)境要求較低，但測量精度相對(duì)較低。考慮到本次測量條件的限制，結(jié)合本次現(xiàn)場試驗(yàn)工況以及監(jiān)測方案，最終選用諾方牌SDL307型激光粉塵監(jiān)測儀進(jìn)行測量。

圖1 粉塵濃度監(jiān)測儀

本次現(xiàn)場試驗(yàn)地點(diǎn)為內(nèi)蒙古自治區(qū)哈爾烏素露天煤礦，哈爾烏素露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗東部，屬晉陜蒙交界地區(qū)，北鄰黑岱溝露天煤礦。地表境界東西長度為9.59 km，南北寬度為7.03 km，面積為67.17 km2，可采原煤儲(chǔ)量為1672 Mt，其中6#煤層為主要可采層，煤層平均厚度為28.2 m，全礦平均剝采比為6.626 m3/t。哈爾烏素露天煤礦土巖剝離采用單斗挖掘機(jī)-卡車間斷開采工藝，采煤采用單斗挖掘機(jī)-卡車-地表半固定破碎站-帶式輸送機(jī)半連續(xù)工藝。

粉塵現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)圍繞哈爾烏素露天煤礦道路粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測，主要監(jiān)測卡車起塵中出現(xiàn)的不同粒徑的粉塵濃度。以運(yùn)輸隊(duì)930E自卸式卡車211、212號(hào)車為研究對(duì)象，將SDL307型粉塵監(jiān)測儀固定于930E運(yùn)輸車體，結(jié)合哈爾烏素露天煤礦的卡調(diào)系統(tǒng)，分別監(jiān)測在不同行駛速度和行駛狀態(tài)下粉塵濃度的變化情況，卡車上監(jiān)測儀器布置位置如圖2所示。

圖2 卡車上監(jiān)測儀器布置位置

2 粉塵監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 卡車運(yùn)輸粉塵監(jiān)測結(jié)果及分析

通過對(duì)哈爾烏素露天煤礦運(yùn)輸隊(duì)第2、3班作業(yè)時(shí)的卡車起塵數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合卡調(diào)系統(tǒng)中卡車實(shí)時(shí)運(yùn)行軌跡及粉塵監(jiān)測儀上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將兩者之間時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)，得到自卸式卡車在礦坑內(nèi)不同位置作業(yè)的粉塵濃度信息，粉塵濃度隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。

圖3 粉塵濃度隨時(shí)間變化曲線

由圖3可以看出，卡車運(yùn)輸過程中不同粒徑的粉塵顆粒濃度變化規(guī)律基本相同，PM10相較于PM2.5濃度更大，在17∶30左右時(shí)達(dá)到了粉塵濃度的峰值之后迅速下降，這是由于在現(xiàn)場進(jìn)行了灑水降塵作業(yè)，在灑水后1 h左右粉塵濃度達(dá)到最小值，在保持了2.3 h后，粉塵濃度又開始上升，之后維持在一個(gè)較高的粉塵濃度水平。

空氣質(zhì)量分指數(shù)(AQI)是指根據(jù)單項(xiàng)污染物計(jì)算得出的空氣質(zhì)量指數(shù)，是用來衡量空氣污染程度的一個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)IAQI的計(jì)算方法見式(1)：

式中：IAQI——污染項(xiàng)目的空氣質(zhì)量分指數(shù)；

IAQIH——與BPH對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)；

IAQIL——與BPL對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)；

BPH——與Cp相近的污染物濃度限值的高位值；

BPL——與Cp相近的污染物濃度限值的低位值；

Cp——污染物項(xiàng)目p的質(zhì)量濃度值。

其中AQI可通過表1查出。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，計(jì)算得到哈爾烏素露天礦全天PM2.5和PM10的IAQI和污染程度分級(jí)見表2。

表1 空氣質(zhì)量分指數(shù)及對(duì)應(yīng)污染物濃度限值

表2 IAQI計(jì)算及污染分級(jí)

根據(jù)中華人民共和國環(huán)保部計(jì)算AQI的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算PM2.5和PM10的IAQI，粉塵濃度IAQI變化曲線如圖4所示。

圖4 粉塵濃度IAQI變化曲線

由圖4可以看出，PM10的IAQI一直大于PM2.5的IAQI，這說明哈爾烏素露天礦的PM10污染比PM2.5污染嚴(yán)重。

PM10的IAQI曲線的拐點(diǎn)為(142.2，200)，由圖4可知，當(dāng)PM2.5濃度小于142.2 μg/m3時(shí)，PM2.5比PM10的污染程度略小；當(dāng)PM2.5濃度大于142.2 μg/m3時(shí)，PM10的IAQI快速增長，與PM2.5的IAQI差距快速拉大，由于AQI統(tǒng)計(jì)的是IAQI中的最大值，所以AQI也將快速增加，礦坑內(nèi)空氣質(zhì)量惡化速度加快。

通過PM2.5和PM10與車速之間的對(duì)比可知，PM2.5大小在變化趨勢上受礦內(nèi)整體起塵量的影響，微小的起降是車速的變化影響下造成的，起塵量隨著車速的增大而增大，但起塵量的變化要滯后于車速的變化。通過PM2.5與PM10之間的對(duì)比可知，PM2.5與PM10的整體變化趨勢相同，通過對(duì)兩者標(biāo)準(zhǔn)偏差的對(duì)比，PM10的標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯大于PM2.5，所以PM10較PM2.5變化幅度略大，這說明了礦區(qū)內(nèi)存在的主要粉塵粒徑大于2.5 μm，車輛通過時(shí)激起的粉塵粒徑大于2.5 μm的部分為主要部分，所以會(huì)在圖像上顯示出激增或激減的狀態(tài)。

2.2 車輛運(yùn)行狀態(tài)對(duì)粉塵濃度的影響

對(duì)卡調(diào)系統(tǒng)車輛速度的數(shù)據(jù)及車輛實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行分析，可將車輛運(yùn)行狀態(tài)分為等待停止、換班停止、重車運(yùn)行、輕車運(yùn)行這4種狀態(tài)，其中等待停止是在班中作業(yè)時(shí)間，由于車輛排隊(duì)、等鏟等原因而導(dǎo)致卡車停止的狀態(tài)。

速度為0代表卡車處于靜止?fàn)顟B(tài)，靜止?fàn)顟B(tài)有2種，即換班靜止?fàn)顟B(tài)和班中停車等待狀態(tài)，根據(jù)運(yùn)行方向，可以判斷該車是重車運(yùn)行還是空車運(yùn)行，以此4種狀態(tài)將采樣點(diǎn)分組，卡車運(yùn)行狀態(tài)占比如圖5所示。

圖5 卡車運(yùn)行狀態(tài)占比圖

根據(jù)4種卡車運(yùn)行狀態(tài)，取空車運(yùn)行狀態(tài)與重車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，通過重車與空車之間行駛速度與粉塵濃度狀態(tài)的對(duì)比，可得出運(yùn)輸卡車載重對(duì)起塵量的影響，輕車與重車之間粉塵量對(duì)比如圖6所示。

由圖6可以看出，當(dāng)運(yùn)輸車輛為重車行駛時(shí)所激起的粉塵量普遍大于空車行駛時(shí)所激起的粉塵量，由礦上卡調(diào)系統(tǒng)中的車輛行駛速度數(shù)據(jù)可知，車輛空車行駛時(shí)的速度明顯大于車輛重車行駛時(shí)的速度，一方面為運(yùn)輸車輛與路面發(fā)生相互擠壓而形成的空吸作用而產(chǎn)生空吸揚(yáng)塵，另一方面為車輛行駛時(shí)形成揚(yáng)塵氣流，在氣流作用下產(chǎn)生氣流揚(yáng)塵。這2種運(yùn)輸狀態(tài)下存在如下特點(diǎn)：空車行駛速度快，車輛與路面的擠壓作用較小；重車行駛速度較慢，車輛與路面的擠壓作用大?；趦烧叩奶攸c(diǎn)可知，空車行駛時(shí)主要起塵原因?yàn)檐囕v行駛時(shí)形成的揚(yáng)塵氣流而導(dǎo)致粉塵的產(chǎn)生，重車行駛時(shí)起塵的主要原因?yàn)檐囕v與路面擠壓形成的空吸作用而產(chǎn)生空吸揚(yáng)塵。空吸揚(yáng)塵所產(chǎn)生的揚(yáng)塵效果要強(qiáng)于揚(yáng)塵氣流產(chǎn)生的揚(yáng)塵，所以會(huì)在圖像上表現(xiàn)為重車行駛的粉塵濃度高于空車行駛的粉塵濃度。

圖6 輕車與重車之間粉塵量對(duì)比

3 結(jié)論

(1)哈爾烏素露天煤礦卡車運(yùn)輸過程中不同粒徑的粉塵顆粒濃度變化規(guī)律基本相同，PM10相較于PM2.5濃度更大。

(2)根據(jù)空氣質(zhì)量分指數(shù)(AQI)計(jì)算方法，哈爾烏素露天煤礦卡車運(yùn)輸產(chǎn)塵中，PM10比PM2.5污染更為嚴(yán)重。

(3)通過重車行駛與空車行駛兩種運(yùn)輸狀態(tài)的對(duì)比，當(dāng)運(yùn)輸車輛為重車行駛時(shí)所激起的粉塵量普遍大于空車行駛時(shí)所激起的粉塵量，空車行駛時(shí)主要起塵原因?yàn)檐囕v行駛時(shí)形成的揚(yáng)塵氣流而導(dǎo)致粉塵的產(chǎn)生，重車行駛時(shí)起塵的主要原因?yàn)檐囕v與路面擠壓形成的空吸作用而產(chǎn)生空吸揚(yáng)塵?？瘴鼡P(yáng)塵所產(chǎn)生的揚(yáng)塵效果要強(qiáng)于揚(yáng)塵氣流產(chǎn)生的揚(yáng)塵。