呂文偉，張 禹，楊 洋，閆文彬

（國家能源集團準能公司 哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

露天開采一直以來都是國內(nèi)外礦產(chǎn)資源開采的重要方式。2018 年國外產(chǎn)煤國家煤炭產(chǎn)量3 975.8 Mt，其中露天煤礦產(chǎn)量3 224.0 Mt，約占全部煤炭產(chǎn)量的81.1%；我國煤炭產(chǎn)量3 680.0 Mt，其中露天煤礦產(chǎn)量670.0 Mt，約占煤炭產(chǎn)量的18.2%[1]。隨著我國露天開采技術和工藝的不斷發(fā)展，未來露天礦的數(shù)量和產(chǎn)量必然會繼續(xù)增長，但是露天開采會嚴重破壞生態(tài)環(huán)境，主要造成土地破壞、大氣污染、水污染、噪聲污染等環(huán)境污染問題。其中，大氣污染主要是露天礦開采過程中，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的大量固體粉末飄散物，粉塵不僅造成采坑作業(yè)環(huán)境惡劣，導致視線不佳存在安全風險，還對生產(chǎn)現(xiàn)場作業(yè)人員身體健康造成巨大損害[2-6]。國內(nèi)諸多學者對露天礦粉塵分布和粉塵治理進行了大量研究。王桂林[7]利用Fluent 數(shù)值模擬軟件研究坑底粉塵的時空分布特征，得出露天礦受地形影響，風速內(nèi)低外高，具有水平和垂直環(huán)流特征，大部分粉塵先聚于水平環(huán)流區(qū)域，后進入垂直環(huán)流層運動；羅懷廷等[8]選取北方干旱區(qū)域露天煤礦作為研究對象，設置粉塵監(jiān)測點對采場內(nèi)不同區(qū)域粉塵濃度實時監(jiān)測，對濕度、溫度、風速與粉塵濃度變化之間的關系進行了研究，指出低溫條件下濕度、溫度、溫差對粉塵濃度影響作用力逐步降低；劉宇等[9]針對露天礦采裝作業(yè)過程中產(chǎn)生大量粉塵的現(xiàn)象，制備并現(xiàn)場試驗了不同濃度的抑塵劑，獲得了適用于采裝作業(yè)降塵的抑塵劑配置參數(shù)。綜合以上論述，對露天礦坑內(nèi)氣流狀態(tài)、粉塵分布和抑塵劑配置等方面進行了詳細研究，但在粉塵形成機理和降塵設施設備并未進行系統(tǒng)性研究。為此，結合露天礦生產(chǎn)特點及粉塵運移規(guī)律，提出一種適用于露天礦的降塵方式，為同樣工況條件下的環(huán)境降塵提供了思路。

1 粉塵塵源分類

露天礦穿孔、爆破、采掘、運輸、排棄等生產(chǎn)環(huán)節(jié)都采用機械設備，作業(yè)過程中會產(chǎn)生大量粉塵，礦物露天開采勢必會破壞原始地表，將原本穩(wěn)定的地表巖土體損傷，受風力牽引造成揚塵。眾多研究結果表明：風速3～4 m/s 以上時，在氣候干燥地區(qū)會造成揚塵，風速超過6 m/s 時，大部分地區(qū)會形成一定程度的揚塵[10-13]。露天煤礦出露煤層自燃后受風力擾動后可形成煤灰揚塵。露天煤礦開采范圍較廣，形成粉塵的方式和位置比較復雜。

1）按粉塵形成的主要因素可分為：天然和人為塵源。天然塵源是指在風力等其他外力作用下形成的粉塵，人為塵源是指在生產(chǎn)實踐活動中形成的粉塵。

2）按形成的時間序列可分為：一次、二次和混合塵源。一次塵源是指自然條件下是粉塵的塵源；二次塵源是指一次塵源粉塵在處理后受各種擾動再次形成揚塵的塵源；混合塵源是指既有一次塵源粉塵，也有二次塵源粉塵的塵源。

3）按產(chǎn)生粉塵的作用機理分為：物理擾動型和化學反應型塵源。物理擾動型塵源是指各種顆粒物在拉伸、剪切等多種應力作用下產(chǎn)生破碎成為較小的顆粒物，經(jīng)風力擾動形成擾動；化學反應型是指煤層自燃、設備尾氣等各種氣體反應生成的顆粒物，在不同溫度、濕度的條件下附著于其他顆粒物表面會形成危害性較大的污染物。

2 起塵機理

露天礦是相對開放復雜的作業(yè)空間，按照粉塵形成的物理化學機理分類進行起塵機理分析是相對科學合理的。

1）物理擾動類型。物理擾動型塵源粉塵是有節(jié)理、裂隙的巖土體在剪切、拉伸、滑動等外力作用下將大塊顆粒物破壞成小塊顆粒物，這種環(huán)境作用長期下去逐漸會形成受風流擾動的細小顆粒物，大量細小顆粒物隨風飄散至礦坑各個區(qū)域[14-16]。較大的顆粒物隨風流飄散距離有限，再次沉降受外力作用繼續(xù)形成更小粒徑的顆粒物，逐步飄散可移動至坑外，較大顆粒物再次沉降，這種狀態(tài)周而復始，造成礦坑內(nèi)粉塵飄散。

2）化學反應類型?；瘜W反應類型塵源粉塵主要來自于設備尾氣和煤層自燃的污染氣體[17-18]，這部分粉塵在自身化學性質(zhì)比較活躍的情況下會與其他粉塵產(chǎn)生化學反應制造出新的粉塵。在陽光照射充足的地區(qū)，化學反應型粉塵會發(fā)生光化學反應，同樣會形成新型粉塵污染物。礦坑環(huán)境會形成渦流，底部粉塵長期聚集，不斷發(fā)生多種化學反應，可能會生產(chǎn)對人體危害較大的粉塵污染物，尤其是煤層區(qū)域。

3 粉塵運移規(guī)律分析

以哈爾烏素露天煤礦為研究對象，采用可以模擬液滴、粉塵等微粒運動軌跡的Fluent 軟件進行露天煤礦礦坑內(nèi)部粉塵運移規(guī)律分析。建立哈爾烏素露天煤礦坑口標高以上300 m 的三維流程模型。對于大型作業(yè)場所，粉塵運移主要受自身重力和風力影響。哈爾烏素露天煤礦地處鄂爾多斯地區(qū)巖層主要是泥巖，模擬粉塵密度確定為2 000 kg/m3。該地區(qū)風向主要以西北風為主，設置風速為1.5 m/s 的西北風為擾動條件。粒徑10 μm 以下粉塵可進入人體肺部稱為小顆粒粉塵，粒徑10 μm 以上的粉塵稱為大顆粒粉塵，研究選取PM3、PM9、PM20、PM60 的顆粒為主要研究對象。研究區(qū)域分別為排土場、采坑底部、工作幫，標記為1＃、2＃、3＃，模擬選取泥巖為主要粉塵巖土體。粉塵運移規(guī)律受風流影響，同時和自身直徑有一定關系。小顆粒粉塵擴散路徑如圖1，大顆粒粉塵擴散路徑如圖2。

圖1 小顆粒粉塵擴散路徑

圖2 大顆粒粉塵擴散路徑

由圖1 可知：小顆粒粉塵受自身重力影響較小，在風流擾動的作用下從塵源處擴散，直至飄散至采場外部。1＃、2＃、3＃塵源點處小顆粒粉塵均能擴散至礦坑外部，只是不同塵源位置擴散路徑不一致，但相同位置的PM3 和PM9 擴散路徑呈現(xiàn)較好的一致性。圖1（c）、圖1（d）中明顯顯示出礦坑底部存在環(huán)流現(xiàn)象，粉塵在礦坑底部的滯留時間較長，導致采場底部粉塵污染情況較為嚴重。

由圖2 可知：大顆粒粉塵由于重力影響較大，在風流的擾動作用下飄散的距離較短；1#粉塵點PM20顆粒由排土場進入采場后沉降，PM60 顆粒位移較??；2#粉塵點PM20、PM60 顆粒處于礦坑深部，受坑底環(huán)流影響，僅在底部產(chǎn)生位移；3#粉塵點PM20 顆粒向采場上部有部分位移，PM60 顆粒僅在原位置有移動。在重力的影響下，排土場上的粉塵擴散至采場，逐漸降落在采場中，一部分成為了二次塵源粉塵，但大部難以擴散至采坑外部。在設備連續(xù)作業(yè)環(huán)境中，采場底部會積聚大量粉塵，造成較大濃度的粉塵污染。

4 降塵方式

目前，露天礦的主要降塵方法是利用灑水車，由集中加水點加水后沿露天礦道路邊行駛邊灑水，降低道路的起塵量。對于采裝、排棄過程中產(chǎn)生的粉塵不能有效除塵。為最大程度改善作業(yè)環(huán)境，減少因粉塵污染導致的問題，設計開發(fā)了空中降塵裝置[19]。

4.1 降塵裝置結構和原理

降塵裝置總體結構示意圖如圖3。降塵裝置主要由主支架、繩索、管道等部分組成。其中，主支架由2 個間隔布置的行走支架組成。繩索主要用于連接2個行走支架；管道通過懸掛件懸掛于繩索下方用于輸水。

圖3 降塵裝置總體結構示意圖

降塵裝置主要包含的部件有：

1）主支架。主支架包括2 個間隔的行走支架，行走支架包括底座、行走車輪、支撐架、伸縮油缸等組成，用于連接繩索和管道，2 個行走支架距離可調(diào)節(jié)。

2）懸掛件。懸掛件有上下2 個掛鉤，分別懸掛繩索和管道，掛鉤設計為凸起狀形成倒鉤作用，提高穩(wěn)定性。

3）噴頭。噴頭包括連接管和噴嘴，連接管中心為蓄水腔，上大下小呈喇叭狀。噴嘴中空為噴嘴水腔，上小下大呈倒錐形狀，噴嘴設置多個噴水孔。噴頭與管道直接相連，且管道上可設置多個噴頭。

降塵裝置工作原理：利用行走支架架空輸水管道，通過輸水管道從蓄水池或加水車等設施設備處向架空管道進行輸水，管道由2 個行走支架間連接的繩索固定在空中，管道上設置多個噴頭裝置，可進行實際情況調(diào)節(jié)灑水量。行走支架可利用車輛牽引進行移設，頂部配備有伸縮油缸，可適時進行高度調(diào)節(jié)。通過該裝置可對露天礦各區(qū)域進行灑水降塵。

4.2 實施方式

露天煤礦粉塵主要集中于礦坑地勢較低區(qū)域，其余作業(yè)區(qū)域也會產(chǎn)生大量粉塵。因此，可在露天礦礦坑深部及設備作業(yè)區(qū)域布置該降塵裝置。降塵裝置現(xiàn)場布置方式如圖4。

圖4 降塵裝置現(xiàn)場布置方式

在實際的礦山環(huán)境中，可以由底部集水坑直接供水，2 臺行走支架間的輸水管道對坡面進行降塵?？捎傻乇硖峁┲鬏斔艿赖那闆r下，可直接供水多臺該除塵裝置對多個工作平盤和運輸?shù)缆愤M行降塵作業(yè)。對于礦坑底部粉塵濃度較大且不易擴散區(qū)域，可設置兩組降塵裝置進行循環(huán)灑水，最大限度地降低粉塵。該灑水方式不僅不受地域限制，并可對采掘、排棄工作面和爆破作業(yè)區(qū)域等施工區(qū)域進行定點除塵，從粉塵塵源直接控制。對于采深比較大的深凹露天礦，可將工作平盤進行分組，設置多組除塵裝置，在露天礦各區(qū)域進行實時運行除塵。

5 結語

1）小顆粒粉塵大部可隨風流擴散至采坑外部，大顆粒粉塵運移距離較短，降落后大部成為二次塵源顆粒，同一位置不同粒徑的粉塵顆粒，PM3 和PM9擴散規(guī)律有著較好的一致性，礦坑底部存在渦流現(xiàn)象，使得粉塵在此積聚，粉塵濃度較大。

2）露天礦底部積聚大量粉塵，嚴重威脅作業(yè)人員安全和健康，智能化礦山建設過程中可考慮運用空中降塵裝置實現(xiàn)整體和局部的降塵工作。