露天煤礦外排土場揚塵污染與生態(tài)整治關(guān)系研究

彭喜曦

(中環(huán)聯(lián)新環(huán)境保護有限公司，北京 100020)

1 引言

露天煤礦在我國煤炭生產(chǎn)中占有重要地位，我國大型露天煤礦主要分布在內(nèi)蒙古、山西、新疆等干旱半干旱地區(qū)，露天礦挖掘、運輸和排土場堆放過程中的揚塵將影響周邊大氣環(huán)境質(zhì)量[1，2]。位于人口密集地區(qū)的露天礦造成的影響可能更為嚴(yán)重，如內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特市郊區(qū)分布的較多大型露天煤礦對市區(qū)空氣質(zhì)量造成了一定影響[3]。

露天礦外排土場土質(zhì)是由露天礦排出的頁巖、砂巖構(gòu)成。由于采礦活動中，排棄沿途的無序性，造成土石混堆、物質(zhì)組成復(fù)雜土體結(jié)構(gòu)松散、粒徑大小不均、土壤膠結(jié)性差。因此，在風(fēng)速較大的情況下，外排土場極易起塵[4]。

近年來我國空氣環(huán)境質(zhì)量日益惡化，廣大民眾對空氣質(zhì)量關(guān)注度高漲。因此，研究露天煤礦外排土場揚塵污染與生態(tài)整治之間關(guān)系，為我國露天煤礦外排土場無組織揚塵污染防治管理提供依據(jù)具有重要意義。

2 露天礦外排土場起塵影響因素分析

常用露天礦排土場揚塵計算公式使用風(fēng)蝕揚塵模式[5]。

該起沙方案中垂直通量計算公式為：

(1)

式(1)中：F為垂直通量；ρ為土壤表面的塑形壓力；f為地表土壤小于20 μm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ρb、ρP為土壤體密度和沙粒的質(zhì)量密度；Cα、Cβ為常數(shù)。

其中水平通量計算公式為：

(2)

q(ds)=0，u*

式(2)中：u*是摩擦速度，u*t為臨界摩擦速度，C是無量綱系數(shù)。

通過該公式，可以側(cè)面反映出影響露天煤礦排土場揚塵的主要影響因素包括：風(fēng)速、土壤表面的塑形壓力、地表土壤小于20 μm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤體密度和沙粒的質(zhì)量密度等[6]。

3 外排土場整治中影響揚塵污染的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

無論是排土場生態(tài)整治工程措施還是生態(tài)措施都能明顯改變平臺、邊坡表層土壤的理化性質(zhì)。根據(jù)有關(guān)研究，植物措施后或覆土后土壤含水率能從16%提高至26%左右，土壤容重由17%下降至14%，土壤容重由38%提高至50%。并且排土場生態(tài)整治能明顯提高表土土壤中大于20 μm粒徑比例，生態(tài)整治后邊坡土壤粒級20 μm以上的占46%，而未進(jìn)行生態(tài)整治中的邊坡土壤粒級20 μm以上的僅占27%[7～9]。因此，結(jié)合外排土場揚塵影響因素分析，可知露天礦外排土場生態(tài)整治能在很大程度上影響其揚塵產(chǎn)生量。

由于各種因素的制約，我國露天煤礦的生態(tài)整治工作始終滯后于采礦工程。現(xiàn)有尤其是新建露天礦外排土場的服務(wù)年限通常在10年以上，若不及時進(jìn)行生態(tài)整治，在此期間排土場將會造成較為嚴(yán)重的揚塵大氣污染以及水土流失問題。因此，對外排土場應(yīng)在排棄到界形成第一個穩(wěn)定平臺開始起及時復(fù)墾，以減少地表裸露時間。

外排土場生態(tài)整治是集預(yù)防控制與工程措施、生物措施為一體的復(fù)雜系統(tǒng)工程。其生態(tài)整治措施將很大程度上影響揚塵污染。根據(jù)《水土保持法》、《土地復(fù)墾條例》等相關(guān)要求，在預(yù)防為主原則的指導(dǎo)下，首先應(yīng)在排土前將外排土場表層土壤(含草皮)單獨剝離、單獨保存，及時回覆；在排土場外圍先修筑攔渣堤，然后在圍埂內(nèi)棄土，以減輕排土對周邊的擾動外；排土場排棄過程中應(yīng)合理安排巖土次序，將含不良成分或易自燃的矸石等排棄于下部，采取土石混排-粘土-砂壤土分層排棄，既保證了土壤水分的入滲，防止地表徑流的形成，又保證了土壤的通透性，易于植物生長。工程措施完工后，根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粴夂驐l件，選擇適宜樹草種進(jìn)行植被重建，在平臺進(jìn)行撒播草籽種草，邊坡采用沙障網(wǎng)格護坡并在其內(nèi)種植灌木、播撒草籽恢復(fù)植被，排土場坡底種植防護林以固定剝離物的表面層，減少起塵。

4 整治前后露天礦外排土場揚塵對比

選取山西某露天煤礦外排土場整治前后的揚塵露天礦排土場邊界外下風(fēng)向10 m、200 m、500 m、1000 m處監(jiān)測結(jié)果對比見圖1。

未整治前，露天礦排土場下風(fēng)向揚塵濃度較高，邊界外下風(fēng)向10 m處及100 m處的揚塵濃度分別達(dá)到了2.335 mg/m3和1.70 mg/m3，且影響距離較遠(yuǎn)，下風(fēng)向1000 m處的揚塵濃度為0.397 mg/m3，依然高于上風(fēng)向0.363 mg/m3的背景值，下風(fēng)向影響距離大于1000 m。

采取整治后，露天礦排土場邊界外下風(fēng)向10 m處的揚塵濃度相對整治前減少了2.148 mg/m3，整治后揚塵影響距離明顯變短，下風(fēng)向200 m處的揚塵濃度與背景值0.156 mg/m3已接近，下風(fēng)向影響距離為200 m左右。

圖1 露天煤礦外排土場整治前后揚塵對比分析

5 不同整治方式對露天礦外排土場揚塵影響對比

選取我國新疆3個較為典型的露天煤礦排土場服務(wù)期的揚塵監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。其中：露天煤礦A未采取任何排土場整治措施；露天煤礦B邊坡及平臺進(jìn)行了及時覆土，平臺撒播了草籽，邊坡采用沙柳網(wǎng)格護坡并在其內(nèi)種植沙棘苗、播撒草籽恢復(fù)植被；露天煤礦C在該排土場平臺碾壓平整后，進(jìn)行灑水和封育保護，邊坡采用剝離的塊石壓蓋，灑水后進(jìn)行封育保護，已在邊坡和平臺表面形成穩(wěn)定的天然結(jié)皮。

在各排土場下風(fēng)向的單位周界10 m 范圍內(nèi)設(shè)置揚塵監(jiān)控點，上風(fēng)向設(shè)置對照點。排土場揚塵排放的污染物濃度執(zhí)行《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB16297-1996)無組織排放監(jiān)控濃度限值(監(jiān)測濃度最高點與對照點濃度差值≤1.0 mg/m3)。

表1 A露天礦揚塵監(jiān)測結(jié)果一覽

注：監(jiān)測期間風(fēng)速為4.2 m/s

表2 B露天礦揚塵監(jiān)測結(jié)果一覽

注：監(jiān)測期間風(fēng)速為5.2 m/s

表3 C露天礦揚塵監(jiān)測結(jié)果一覽

注：監(jiān)測期間風(fēng)速為3.9 m/s

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，可以看出A露天礦監(jiān)測濃度最高點與參考點濃度差值達(dá)到了1.889 mg/m3，超出了1.0 mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)。事實上，未采取任何措施的排土場揚塵很難實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

而B露天礦在風(fēng)速高于A露天礦的情況下，實現(xiàn)了揚塵達(dá)標(biāo)排放，監(jiān)測濃度最高點與參考點濃度差值僅為0.033 mg/m3。

C露天礦所處地方氣候極其惡劣，采取灑水后進(jìn)行封育形成天然結(jié)皮后，對排土場揚塵依然有明顯抑制作用。C露天礦監(jiān)測濃度最高點與參考點濃度差值達(dá)到了0.636 mg/m3，實現(xiàn)了達(dá)標(biāo)排放。

B露天礦采取的覆土綠化生態(tài)整治措施對揚塵抑制作用最為明顯，其次為C露天礦采取的封育結(jié)皮措施。而不采取任何措施的A露天礦揚塵污染最為嚴(yán)重。

6 結(jié)論

及時對露天礦排土場平臺和邊坡采取生態(tài)整治措施后，能有效降低排土場揚塵排放量，通常能實現(xiàn)揚塵的達(dá)標(biāo)排放。在排土場生態(tài)整治方案上，企業(yè)不能貪圖一勞永逸，整治措施應(yīng)早期介入。

各種生態(tài)措施對排土場揚塵排放的抑制效果差距較大，工程措施與生物措施相結(jié)合的方式抑制揚塵效果最好。即使采取最為簡單的措施抑制揚塵效果也明顯好于不采取任何措施。