王榮軍，董平波，侯運炳

(1.五礦邯邢礦業(yè)有限公司北洺河鐵礦， 河北 邯鄲市 056000; 2.中國礦業(yè)大學（北京）能源與礦業(yè)學院， 北京 100083)

0 引言

隨著工業(yè)化進程的加深，揚塵問題日趨嚴重，揚塵污染不僅造成大量資源損失，還危及環(huán)境和人體健康[1]。關于礦山揚塵污染問題，國內外學者們進行了許多研究。劉琴[2]為預測鐵礦砂在堆放和裝卸過程中的粉塵污染情況，在風洞中進行了模擬試驗，得到了鐵礦砂堆垛起塵后降塵擴散情況及裝卸起塵量與風速的關系。陳景序[3]進行了煤堆起塵特性試驗研究，利用自制試驗裝置進行模擬試驗，對不同風速下煤堆起塵情況進行研究，探究了煤堆起塵特性與風速間的關系。劉琛[4]運用流體力學基本理論，以山谷型鐵礦尾礦庫為研究對象，構建尾礦庫揚塵污染災害影響因素指標體系，分析表征揚塵污染災害的特征因子，建立尾礦庫揚塵污染數值模型，實現揚塵污染監(jiān)測網的優(yōu)化設計，并進行可視化研究。朱曙光等[5]對某鐵礦尾礦庫尾砂樣進行了揚塵試驗研究，分析了風速、含水率與起塵量之間的關系。劉一臻等[6]從揚塵的產生和擴散兩個方面對露天礦運輸路面揚塵污染問題進行了歸納，通過對氣象數據和相關檢測數據分析，針對不同環(huán)境需求提供了相應解決思路。魯文岐等[7]通過對某露天礦運輸過程中粉塵質量濃度和粒徑分布的監(jiān)測，研究了卡車運輸過程中PM2.5和PM10粉塵質量濃度的變化規(guī)律及各自占比，研究結果表明重車行駛時粉塵量普遍大于空車行駛時。文獻[8-9]分析了YCH抑塵劑、Resinator化學抑制劑、常規(guī)鹵化物和高分子材料等化學抑塵劑對礦山運輸道路路面揚塵的防治機理及效果。

北洺河鐵礦擬開展塌陷區(qū)全尾砂固結堆排項目，該方案需將來自選廠的全尾砂漿添加少量膠凝材料，混合后用壓濾機將物料壓縮成含水率約為20%的濾餅，并將濾餅運輸至塌陷區(qū)堆排放置于自然狀態(tài)下，濾餅通過汽車運輸到塌陷區(qū)的過程中會因鏟運和卸載而使濾餅破碎成碎散的小塊，本文通過模擬試驗測試濾餅運輸和堆存過程中碎散體揚塵的情況，探究將尾砂添加少量水泥固結后，在運輸和堆排的過程中產生空氣揚塵的情況，確定能否滿足環(huán)保要求。

1 試驗器材

1.1 試驗材料

試驗以北洺河鐵礦全尾砂和普通硅酸鹽水泥為原材料，按照料漿質量濃度分別為78%和80%，水泥添加量分別為1%、2%、3%和5%的配比制備試塊，將試塊置于實驗室自然環(huán)境下（溫度20℃左右，濕度30%左右）進行養(yǎng)護形成尾砂固結體，待養(yǎng)護齡期達到7 d或28 d后，模擬鏟運和裝卸過程將其破碎小塊，取試塊碎散體為試驗材料進行揚塵性能測試（見圖1）。

圖1 尾砂固結體揚塵測試試樣

1.2 試驗儀器

試驗主要儀器儀表包括風洞試驗筒（直徑Ф20 cm、長度1.5 m）、風機、塵埃粒子計數器（粉塵質量濃度檢測儀）、熱敏式風速儀。試驗裝置由這些儀器所組成，試驗裝置原理見圖2。

圖2 揚塵測試裝置

2 揚塵測試試驗

2.1 試驗方案

在測試強度完成后將養(yǎng)護7 d和28 d的試塊碎散體進行揚程測試。試驗采用Ф20 cm、長度1.5 m的風洞試驗筒作為測試環(huán)境，從風筒一側用風機進行吹風，并根據風速儀顯示調整好風速范圍，熱敏式風速儀從風筒上部插入筒內，風速感應元件靠近所需測試部分，以實時監(jiān)測試驗時的風速，在風筒另一端距離出口不遠處安裝粉塵質量濃度檢測儀，以測量環(huán)境中的粉塵質量濃度（PM2.5和PM10），并 對測試前后的試塊進行稱重，以計算質量損失率。為了保證試驗結果的準確性，試驗前需在不開啟風機的情況下對測試風筒中的粉塵質量濃度值進行測試，以該值作為測試環(huán)境粉塵質量濃度值，并以實測粉塵質量濃度值減去測試環(huán)境中粉塵質量濃度的凈值作為衡量尾砂固結體產生揚塵的情況。

查閱網絡數據可知，北洺河鐵礦所屬地邯鄲市年平均風速基本都在6 m/s及以下，根據風力等級及其對應的陸地地面物征象描述（見表1），試驗設計風力采用4級風所對應的風速范圍進行揚程監(jiān)測，試驗時將風速定為6 m/s。

表1 風力等級劃分

2.2 試驗結果

根據料漿質量濃度和水泥添加量對試驗進行編號，例如料漿質量濃度為78%，水泥添加量2%編號為78-2，其余試驗編號依次類推，共計8個編號。每個編號試驗測試7 d和28 d揚塵情況，試驗結果見表2和表3。

表2 養(yǎng)護7 d揚塵測試數據

表3 養(yǎng)護28 d揚塵測試數據

2.3 試驗結果分析與討論

從試驗數據來看，測試環(huán)境中污染顆粒物指標（PM2.5和PM10）質量濃度越大，實際測量的污染指標數值也就越大，為了排除測試環(huán)境中PM2.5和PM10對試驗結果的影響，單獨分析尾砂固結體的起塵性能，以PM2.5和PM10凈值作為分析對象，對尾砂固結體的起塵特性進行分析。

2.3.1 質量損失率

在試驗風速和吹風時間相同的條件下，測試尾砂固結試樣質量損失的大小，并計算出質量損失率，因損失的質量就是起塵量，故質量損失率即為起塵率。

從表2、表3中數據可知，養(yǎng)護7 d，料漿質量濃度為78%和80%的質量損失率平均值分別為0.268%和0.298%；養(yǎng)護28 d，料漿質量濃度為78%和80%的質量損失率平均值分別為0.249%和0.236%；隨著養(yǎng)護時間的增加，平均質量損失率有所減少，這是因為隨著時間的增加，水泥水化反應進行得更徹底，水化反應生成的鈣礬石和C-S-H凝膠將粒徑較小的尾砂顆粒凝結成更大的顆粒，從而使全尾砂固結體在吹風時揚塵量相對降低[10]。

從質量損失率來看，所有測量值中質量損失率的最大值為0.363%，該值遠小于全尾砂中粒徑小于10 μm的含量，甚至沒有全尾砂中粒徑小于2.5 μm的含量多，可見，添加水泥對全尾砂進行固結可以明顯降低污染顆粒的含量，防止尾砂中粒徑較小的顆粒被風大量吹起，造成空氣揚塵，污染大氣環(huán)境。

2.3.2 PM2.5和PM10濃度

在水泥添加量、料漿質量濃度和養(yǎng)護齡期等都不同的情況下，PM10凈值普遍比PM2.5凈值要大，這可能與尾砂粒徑分布有關，從尾砂粒徑分析結果中可以看出，全尾砂中粒徑小于2.5 μm的含量不足1%，而粒徑小于10 μm的含量接近4%（見圖3）。

圖3 尾砂粒徑分布

從PM2.5和PM10凈值數據來看，與料漿質量濃度、水泥添加量、尾砂固結體養(yǎng)護時間之間并無明顯規(guī)律，試驗數據較為離散，但是試驗時各組數據值都小于《環(huán)境空氣質量標準》（GB 3095—2012）中質量濃度限值的2級標準24 h平均值，且比該值小很多，說明尾砂固結體產生的揚塵中污染顆粒物質量濃度遠小于環(huán)境空氣質量標準，符合環(huán)保要求（見表4）。

表4 環(huán)境空氣質量標準（GB 3095—2012）

實測PM2.5和PM10值都普遍較高，這是因為試驗時的外界環(huán)境為充填實驗室，環(huán)境相對封閉，由于尾砂的堆存和使用，導致實驗室本身污染物質量濃度較高，因此我們在考慮將全尾砂添加少量水泥形成尾砂固結體后是否會造成環(huán)境污染時，應該 根據實際工作環(huán)境中污染顆粒物的質量濃度加以判斷。

2.4 揚塵影響因素理論分析

尾砂固結體濾餅散體揚塵的產生原因復雜，裝卸、運輸、堆存等環(huán)節(jié)均會導致揚塵產生，其起塵量的大小受尾砂濾餅固結散體自身內部因素和外界條件的影響，粒徑、含水率、風速等都對揚塵特性有影響。

相同物質在同一種外界環(huán)境條件下顆粒的粒徑越大，起動條件越高；粒徑越小越容易起動，產塵量隨風速的增加而增大。當顆粒粒徑小于某一臨界值（直徑小于10 μm）時，在風速較低時粉塵懸浮于空氣中。尾砂顆粒的運動與其含水率有很大的關聯，含水率越高，尾砂顆粒間的黏附性、濕潤性就越強，導致起塵量減少；反之起塵量就越大。尾砂顆粒的含水量決定尾砂顆粒最小起動風速，以及起塵量的決定因素，同時含水量的增加可大規(guī)模減少揚塵產生量，風的流動是粉塵運動的主要因素，風速的大小決定了粉塵顆粒的揚塵大小。

3 結論

（1）隨著養(yǎng)護時間的增加，水泥水化反應進行得更徹底，對全尾砂固結能力增強，平均適量損失率有所減小，全尾砂固結體在吹風時揚塵量相對較低。

（2）從質量損失率來看，所有試驗中質量損失率值相對較小，這說明添加水泥對全尾砂固結后再堆存到塌陷區(qū)的方式可以防止尾砂中粒徑較小的顆粒被風大量吹起，造成空氣揚塵，影響空氣 質量。

（3）尾砂固結體產生的PM2.5和PM10凈值與料漿質量濃度、水泥添加量、養(yǎng)護齡期之間并無明顯規(guī)律，但測試值都符合環(huán)境空氣質量標準。在實際工程應用中，還應結合工作場所空氣污染顆粒物質量濃度來判斷尾砂固結體的揚塵是否會造成嚴重的空氣污染，從而確定將尾砂固結后排放是否滿足環(huán)保要求。