劉一臻，馮智敏

（1.上海海事大學(xué)，上海 201306；2.山煤集團(tuán)河曲露天礦，山西 太原 030006）

粉塵污染是露天礦環(huán)境影響評(píng)價(jià)中的重要指標(biāo)，露天煤礦的運(yùn)輸路面揚(yáng)塵是礦山粉塵污染的重要來(lái)源之一。特殊的開(kāi)采條件和重型自卸卡車的自身特性導(dǎo)致了露天礦運(yùn)輸?shù)缆焚|(zhì)量較差，部分礦山缺乏對(duì)路面的維護(hù)，更加劇了露天礦運(yùn)輸路面的揚(yáng)塵問(wèn)題。在冬季－5 ℃時(shí)，部分未采取抑塵措施的運(yùn)輸路面所測(cè)的粉塵濃度為200～250 mg/m3，自卸卡車駕駛室內(nèi)的粉塵濃度為3～5 mg/m3，在我國(guó)北方的露天礦中，隨著溫度下降，路面的揚(yáng)塵濃度會(huì)高達(dá)750～800 mg/m3，卡車駕駛室內(nèi)的粉塵濃度則會(huì)增加到7.8～8.2 mg/m3，遠(yuǎn)高于目前的職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[1]。與此同時(shí)，由于部分礦山在開(kāi)采過(guò)程中，周圍的拆遷安置居民尚未搬走，在自然氣候條件下，運(yùn)輸?shù)缆沸纬傻膿P(yáng)塵污染源會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散，對(duì)周圍居民的生產(chǎn)生活及個(gè)人身體健康造成極大的影響。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)揚(yáng)塵產(chǎn)生的機(jī)理、控制都有了一定研究，特別是在揚(yáng)塵的產(chǎn)生上，基于揚(yáng)塵產(chǎn)生機(jī)理研發(fā)出了多種抑塵劑，在實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)中取得了良好的表現(xiàn)。但是由于不同露天礦山的開(kāi)采條件、氣象條件和成本效益等都相差甚遠(yuǎn)，造成部分控制措施無(wú)法廣泛應(yīng)用。

1 抑塵原理

1.1 路面揚(yáng)塵的核心機(jī)理

在露天礦的特殊塵源條件下，粉塵的起塵機(jī)理一般遵循粉塵起錨載荷公式，即粉塵的起塵需要克服粉塵顆粒重力、顆粒間引力和黏聚力，具體由式（1）確定[2]。

式中：Fa為極限起錨力；c 為粉塵顆粒間的黏聚力；W 為粉塵顆粒自重力；G 為粉塵顆粒間的引力。

由于粉塵間引力很小，所以起塵的主要影響因素為W 和c，即粉塵自身的電荷性質(zhì)及質(zhì)量等[3]，其中粉塵自重力在開(kāi)采環(huán)境中主要受含水量影響。

在干旱地區(qū)的露天礦，部分運(yùn)輸?shù)缆范际莿冸x后立即碾壓修成的道路，道路本身質(zhì)量低劣，且由于剛形成的道路土質(zhì)松散，粉塵顆粒間的黏聚力較小。當(dāng)自卸卡車駛過(guò)時(shí)，在自卸卡車輪胎與地面旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦力作用下，這些粉塵顆粒直接突破起錨載荷上升到空氣中。此外，部分道路在灑水、降雨或者是結(jié)冰后，由于地面凹凸不平，導(dǎo)致了卡車在行駛過(guò)程中產(chǎn)生顛簸，進(jìn)一步將路面碾壓變形，同時(shí)還會(huì)使部分原本緊固的土質(zhì)在振動(dòng)時(shí)進(jìn)一步碎化為松散的塵土，加大了單位體積內(nèi)的粉塵顆粒數(shù)量。當(dāng)然灑水過(guò)后，會(huì)增大粉塵的質(zhì)量，使大部分粉塵很難突破起錨載荷極限，有效降低粉塵濃度。

1.2 二次揚(yáng)塵產(chǎn)生的機(jī)理

作用在運(yùn)輸路面上塵粒的力主要有氣流的迎面阻力、塵粒的重力、上升力和沖擊力等。塵粒的上升力主要與塵粒的旋轉(zhuǎn)和氣流速度的切變有關(guān)[4]，二者產(chǎn)生的升力均與氣流和塵粒的相對(duì)速度成正相關(guān)，氣流與塵粒的相對(duì)速度越大，上升的升力越大。在卡車行駛過(guò)程中，因沖破擠壓前方靜態(tài)的空氣造成強(qiáng)大的負(fù)壓，不僅引起了未碾壓已經(jīng)靜置的地面揚(yáng)塵再次揚(yáng)起，更加速了塵粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，給碾壓產(chǎn)生的揚(yáng)塵提供了上升力，使其與在運(yùn)輸過(guò)程中散落的塵粒共同造成了二次揚(yáng)塵。

2 揚(yáng)塵的擴(kuò)散機(jī)制

2.1 點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯模型

在露天礦的實(shí)際環(huán)境中，空氣運(yùn)動(dòng)規(guī)則因方向和大小在隨時(shí)變化，可以規(guī)定為大氣湍流。當(dāng)卡車駛過(guò)路面揚(yáng)塵開(kāi)始擴(kuò)散時(shí)，在空氣層中存在明顯的風(fēng)速切變，揚(yáng)塵污染物在大氣湍流和剪切應(yīng)力的作用下會(huì)迅速的分散開(kāi)，這種現(xiàn)象在這一特定情況下稱為基于湍流的高斯擴(kuò)散模式[5]。

高斯模型有4 個(gè)假設(shè)：污染物濃度在空間呈高斯分布（正態(tài)分布）；大氣環(huán)境中風(fēng)的平均流場(chǎng)穩(wěn)定，風(fēng)速均勻，風(fēng)向平直；污染源的源強(qiáng)均勻、連續(xù)；污染物在輸送擴(kuò)散中質(zhì)量守恒[6-7]。

在近地面條件下有：

式中：C 為污染源下風(fēng)向空間任意一點(diǎn)（x，y，z）的污染物濃度，mg/m3；Q 為源強(qiáng)，mg/m3；u 為污染源高處的平均風(fēng)速，m/s；H 為有效污染源高度（包含抬升高度），m；бy、бz分別為橫向和垂直方向的隨下風(fēng)向距離增大而增大的擴(kuò)散參數(shù)，m。

對(duì)于連續(xù)地面源下風(fēng)向空間中任意一點(diǎn)（x，y，z），x＝0，y＝0，z＝0，H＝0 時(shí)，則有：

式中：C1、C2分別為地面源地面任意一點(diǎn)、軸線濃度。

2.2 線源擴(kuò)散的高斯模型

當(dāng)數(shù)學(xué)方法無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算點(diǎn)源污染擴(kuò)散規(guī)律，污染物沿一水平方向連續(xù)排放時(shí)，可將其視為一線源。這樣，對(duì)點(diǎn)源擴(kuò)散下高斯擴(kuò)散模型的變量y 積分，即可獲得線源的高斯擴(kuò)散公式，同時(shí)在地面附近時(shí)H＝0，則可知地面線源的地面擴(kuò)散模式。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，露天煤礦運(yùn)輸?shù)缆飞贤ǔＳ羞B續(xù)的自卸卡車經(jīng)過(guò)，當(dāng)時(shí)間間隔遠(yuǎn)小于顆粒在無(wú)風(fēng)條件下沉降到地面所需時(shí)間時(shí)，可以將卡車碾壓造成的揚(yáng)塵污染看作是均勻、連續(xù)的。同時(shí)可以將整條道路上的揚(yáng)塵看為線源，進(jìn)而計(jì)算其造成的污染在下風(fēng)向空間上某點(diǎn)的分布規(guī)律。

式中：C3為線源下風(fēng)向空間某點(diǎn)地面濃度。

根據(jù)此式可以看出，當(dāng)氣象條件和每臺(tái)車碾壓引起的源強(qiáng)不發(fā)生改變時(shí)，下風(fēng)向空間的污染物地面濃度主要由垂直方向上的擴(kuò)散參數(shù)決定。

2.3 運(yùn)輸?shù)缆窊P(yáng)塵污染隨距離變化情況

僅以露天煤礦來(lái)分別討論運(yùn)煤道路和運(yùn)煤土路的揚(yáng)塵污染濃度隨距離變化情況，其中以PM10 的影響為主。運(yùn)煤道路的揚(yáng)塵污染濃度整體上是先增加后下降的變化趨勢(shì)[7]，在達(dá)到峰值20 m 處后有所下降，并在60 m 后繼續(xù)下降，在50 m 時(shí)已經(jīng)低于背景值點(diǎn)。運(yùn)輸土路的擴(kuò)散距離比運(yùn)煤道路遠(yuǎn)，運(yùn)土道路的揚(yáng)塵污染濃度在15 m 時(shí)達(dá)到峰值，總體上也呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，但在200 m 后才低于背景值點(diǎn)。

3 現(xiàn)階段的主要抑塵方法

隨著監(jiān)管部門的要求越來(lái)越嚴(yán)，生產(chǎn)者環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，現(xiàn)階段的露天礦抑塵形成了以黏結(jié)、凝并、吸濕和保水一體的綜合抑塵方法[8]。以道路灑水為主要手段，輔以根據(jù)土質(zhì)情況添加各種抑塵劑。但是已有的抑塵理論少有從污染物擴(kuò)散影響周圍居民入手，但是在實(shí)際生產(chǎn)生活中，為了保證周圍居民的環(huán)境安全和幸福指數(shù)，很多生產(chǎn)單位從實(shí)際出發(fā)，針對(duì)揚(yáng)塵擴(kuò)散使用的方法取得了很好的效果。

3.1 針對(duì)核心起塵機(jī)理的抑塵方法

3.1.1 抑塵劑及應(yīng)用方法

根據(jù)不同的抑塵機(jī)理，抑塵劑可以分為濕潤(rùn)型、凝聚型、黏結(jié)型和復(fù)合型4 類。

濕潤(rùn)型抑塵劑主要適用于大多數(shù)疏水性的礦巖粉塵，可以提高粉塵的含濕量。無(wú)機(jī)鹽和鹵化物的加入可以使水溶液表面形成緊密的、定向排列的保護(hù)吸附膜，很大程度上減小了防塵用水的表面張力，同時(shí)對(duì)粉塵又有吸附作用，幫助濕潤(rùn)粉塵[9]。該類抑塵劑已經(jīng)開(kāi)始推廣并發(fā)展迅速，目前SDLY 粉塵濕潤(rùn)劑、CHJ－I 型濕潤(rùn)劑、HB 和HY 濕潤(rùn)劑等目前在部分礦山被廣泛使用[10]。

凝聚型抑塵劑主要以MgCl2、NaCl、CaCl2等高吸水性無(wú)機(jī)鹽為主，通過(guò)影響粉塵顆粒間的黏附力，使溶液能夠緊緊的包裹在粉塵的表面，形成一種水化膜來(lái)減緩水分的蒸發(fā)，增強(qiáng)路面的濕潤(rùn)程度。在此基礎(chǔ)上由北京勞?？茖W(xué)研究所開(kāi)發(fā)出的CDR 抑塵劑則兼顧了吸濕、滲透和凝結(jié)作用[11]，現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)表明，該抑塵劑吸濕、保濕性能良好，即使在高溫和低溫的極端條件下，10 d 內(nèi)仍可保持路面含濕量在4 %以上，較少粉塵產(chǎn)生，屬于這類抑塵劑中功能較為綜合的一種，且原料來(lái)源廣泛，價(jià)格便宜?？傮w來(lái)看，該類抑塵劑不僅吸濕性良好，防塵的同時(shí)還能防凍。但是由于無(wú)機(jī)鹽等都呈酸性，長(zhǎng)期使用會(huì)對(duì)運(yùn)輸設(shè)備產(chǎn)生腐蝕作用，容易被黏附帶走或被雨水沖走，對(duì)環(huán)境造成二次污染。

黏結(jié)型抑塵劑通過(guò)黏結(jié)聚合粉塵的方法控制粉塵飛揚(yáng)，主要以各種石油化工產(chǎn)品乳化后的乳化液為材料。乳狀液噴灑到路面時(shí)，上層粉塵顆粒與乳化液的外相水接觸濕潤(rùn)，疏水基會(huì)沖破包裹著下層塵粒的空氣膜，增強(qiáng)外相水對(duì)粉塵的濕潤(rùn)和凝結(jié)作用。同時(shí)這些乳化后的粉塵表面會(huì)覆蓋1 層油膜，能夠抑制其基底水的蒸發(fā)。目前抑塵劑的發(fā)展大致經(jīng)歷了乳化瀝青抑塵劑，重油乳狀液抑塵劑，渣油－水系乳化液抑塵劑這3 個(gè)階段。其中乳化瀝青抑塵劑在經(jīng)過(guò)高溫暴曬后，會(huì)排放有害物質(zhì)，且有火災(zāi)的危險(xiǎn)，目前使用較少。路面重油乳狀液抑塵劑的抑塵時(shí)間特別在于抑塵時(shí)間較長(zhǎng)，可達(dá)2～3 d，約為灑水的120 倍左右，同時(shí)路面粉塵表面還會(huì)形成黑色重油油膜，使粉塵的濕潤(rùn)時(shí)間變長(zhǎng)，效果更持久。渣油－水系乳化液抑塵劑相比于其他兩種抑塵劑，有養(yǎng)路作用的特性，道路經(jīng)過(guò)多次噴灑后會(huì)隨著油膜覆蓋會(huì)變得越來(lái)越好，單次有效抑塵時(shí)間也會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)，也是使用最為廣泛的一種抑塵劑，約占50%[12]，缺點(diǎn)則是會(huì)產(chǎn)生刺激性氣味，對(duì)環(huán)境造成二次污染，所以在靠近村莊附近需要慎重?fù)駲C(jī)使用。

目前復(fù)合型抑塵劑在各個(gè)方面表現(xiàn)較為出色，吸取了前3 種抑塵劑的不足和長(zhǎng)處，適用廣泛，也是近幾年最受關(guān)注的抑塵劑，而且可以針對(duì)煤場(chǎng)、排土場(chǎng)不同道路選擇不同情況的抑塵劑。

3.1.2 道路抑塵技術(shù)的應(yīng)用

目前主要的道路抑塵原理有3 個(gè)方面：①增強(qiáng)土質(zhì)地面的抗輾壓性和硬度；②通過(guò)增加粉塵顆粒質(zhì)量繼而減少揚(yáng)塵；③改善路況，減少因卡車顛簸造成的振動(dòng)。以山煤集團(tuán)河曲露天礦的揚(yáng)塵污染為例，該礦除在使用傳統(tǒng)的灑水車降塵外，還通過(guò)就地取材的方法，在土質(zhì)路面中鋪墊碎石、工業(yè)廢渣等材料，既可以廢物利用，又適當(dāng)?shù)奶岣吡送临|(zhì)路面的硬度和強(qiáng)度，減輕重型卡車對(duì)于路面的破壞，繼而提高了路面的抗碾壓性能，從道路抑塵技術(shù)上解決塵源。同時(shí)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，由于出入礦區(qū)的運(yùn)煤道路距離工業(yè)園區(qū)和辦公樓不足100 m，為了保證人員身體健康，將該路直接硬化為標(biāo)準(zhǔn)路段，大大減少了揚(yáng)塵污染對(duì)周圍空氣的影響。

3.2 針對(duì)道路揚(yáng)塵擴(kuò)散采取的方法

根據(jù)高斯擴(kuò)散的模型和公式，要控制住揚(yáng)塵污染在礦區(qū)的擴(kuò)散，必須從整條道路上的源頭入手，將整條道路上所有起塵量的和看作源強(qiáng)。這其中除了碾壓產(chǎn)生的揚(yáng)塵外，還包括大氣環(huán)境帶來(lái)的風(fēng)載荷、汽車行駛過(guò)程中的機(jī)械載荷、誘導(dǎo)氣流形成的二次揚(yáng)塵和卡車行駛過(guò)程中掉落的土質(zhì)和煤渣等。明確源強(qiáng)后基于擴(kuò)散規(guī)律考慮遮擋物對(duì)于揚(yáng)塵擴(kuò)散的影響，比如在有影響道路加裝防塵網(wǎng)，對(duì)于堆放已經(jīng)穩(wěn)定的邊坡及時(shí)進(jìn)行復(fù)墾等，植樹(shù)種草都可以從擴(kuò)散范圍上降低揚(yáng)塵污染的擴(kuò)散距離。同樣，在周圍有尚未搬遷安置居民時(shí)，合理設(shè)置排土場(chǎng)及排土場(chǎng)道路也可以使揚(yáng)塵污染對(duì)于周圍村落的影響大大減小。以山煤集團(tuán)河曲露天礦為例，該礦的二號(hào)外排土場(chǎng)僅東側(cè)支溝白泥溝未排，預(yù)計(jì)6 個(gè)月達(dá)到排土標(biāo)高1 120 m，該區(qū)域與大王家鄢村的最近距離約為270 m。為降低后續(xù)排土對(duì)大王家鄢村的影響，該礦設(shè)計(jì)施工時(shí)提出了在1 110 m 標(biāo)高平臺(tái)上的排土道路應(yīng)盡可能設(shè)置在遠(yuǎn)離大王家鄢村的位置，并加強(qiáng)道路灑水，排土運(yùn)輸車輛加蓋篷布，排土過(guò)程中及時(shí)碾壓并覆土復(fù)墾。在按照上述措施實(shí)施后，二號(hào)排土場(chǎng)后續(xù)排土工作對(duì)大王家鄢村的影響比以前大大減小。該區(qū)域的環(huán)境空氣檢測(cè)結(jié)果顯示，TSP 日均濃度為0.243～0.288 mg/m3，PM10 日均濃度為0.122～0.144 mg/m3，均滿足GB 3095—2012 環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

露天礦道路運(yùn)輸過(guò)程中的揚(yáng)塵污染大約占到整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程產(chǎn)塵的90%，實(shí)際開(kāi)采中，對(duì)周圍居民和工作人員造成了嚴(yán)重影響。目前有關(guān)揚(yáng)塵的起塵機(jī)理已經(jīng)比較明確，擴(kuò)散模型所采用的高斯模型也適用于多種情況。實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)參照不同地區(qū)的年氣候情況，周圍居民所處位置，設(shè)備情況和成本等諸多因素，在滿足環(huán)境要求的同時(shí)，將抑塵成本降到最小。同時(shí)針對(duì)于設(shè)計(jì)和施工影響的區(qū)域，做好環(huán)境監(jiān)測(cè)和走訪工作，依據(jù)不同的氣象條件做出合理高效的抑塵措施。