魯文岐 周 偉 丁小華 徐 光 時(shí)旭陽(yáng) 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(guó)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(kāi)采國(guó)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(lái)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(guó)”宏偉目標(biāo)的踐行,大眾對(duì)大氣污染問(wèn)題關(guān)切度越來(lái)越高。2018年6月,國(guó)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(guó)家勒令停產(chǎn)整改。
國(guó)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(chǎng)監(jiān)測(cè)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(chǎng)監(jiān)測(cè)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(guò)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(cè)量為基礎(chǔ),著重研究了卡車運(yùn)輸過(guò)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(guò)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)。
粉塵監(jiān)測(cè)儀器主要有β射線粉塵濃度監(jiān)測(cè)儀和激光粉塵濃度監(jiān)測(cè)儀,粉塵濃度監(jiān)測(cè)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(cè)量環(huán)境要求較低,但測(cè)量精度相對(duì)較低??紤]到本次測(cè)量條件的限制,結(jié)合本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工況以及監(jiān)測(cè)方案,最終選用諾方牌SDL307型激光粉塵監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量。
圖1 粉塵濃度監(jiān)測(cè)儀
本次現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)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(kāi)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(chǎng)監(jiān)測(cè)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(cè),主要監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)儀器布置位置如圖2所示。
圖2 卡車上監(jiān)測(cè)儀器布置位置
通過(guò)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(cè),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(cè)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(guò)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(chǎng)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(kāi)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(lái)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(jiàn)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(guò)表1查出。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(jiàn)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(guó)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(shuō)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?。划?dāng)PM2.5濃度大于142.2 μg/m3時(shí),PM10的IAQI快速增長(zhǎng),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(guò)PM2.5和PM10與車速之間的對(duì)比可知,PM2.5大小在變化趨勢(shì)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(guò)PM2.5與PM10之間的對(duì)比可知,PM2.5與PM10的整體變化趨勢(shì)相同,通過(guò)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(shuō)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(guò)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)。
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(guò)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?。恢剀囆旭偹俣容^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??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,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
(1)哈爾烏素露天煤礦卡車運(yùn)輸過(guò)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(guò)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。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。