露天礦卡車運輸起塵時PM2.5和PM10變化規律研究

魯文岐 周 偉 丁小華 徐 光 時旭陽 陸 翔

(1.神華準能集團有限責任公司黑岱溝露天煤礦，內蒙古自治區準格爾市，010300；2.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221116;3.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221116;4.科廷大學西澳礦業學院，澳大利亞西澳大利亞州珀斯市，6430)

露天采礦作業一直以來被認為是粉塵污染的重要源頭之一。在露天礦山中，卡車運輸產生的粉塵量占全礦粉塵量的70%～80%[1]。進入新時代，隨著生態文明的不斷建設和“美麗中國”宏偉目標的踐行，大眾對大氣污染問題關切度越來越高。2018年6月，國務院印發的《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》通知中明確要求加強露天礦山揚塵綜合整治。環保壓力與日俱增，已有多家礦山單位因為粉塵超限被國家勒令停產整改。

國內外學者對運輸道路上起塵機理及起塵規律進行了大量的研究。王海寧[2]等研究人員研究了露天礦土質路面產塵機理，認為起塵主要原因在于土質道路土體內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塵；李春英[3]等研究人員研究了大孤山露天礦道路起塵現象及相應的抑塵措施，認為道路起塵強度的主要影響因素是路面含水量，根據現場監測數據擬合出起塵量與路面含水量之間的關系函數，得出兩者呈負指數關系，并推導出路面灑水的最佳灑水量和抑塵時間；譚卓英[4]等研究人員研究了露天礦道路起塵機理，認為粉塵起錨荷載是粉塵顆粒物形成的臨界條件，當卡車等施加給路面的力大于粉塵起錨荷載時，路面將形成細小顆粒物，并分析了揚塵氣流的2種作用形式：輪胎剪切摩擦所產生的離心塵氣流和車體機械風荷載與揚塵氣流。前者將輪胎周邊的細小顆粒物帶起形成揚塵，后者影響范圍更大，在卡車周邊尤其是后方的顆粒物揚起形成揚塵；張承中[5-6]在市區道路現場監測實驗的基礎上，研究了汽車二次揚塵的機理和影響因素，認為汽車行駛過程中形成的誘導風流和剪切風流是形成二次揚塵的直接原因，而車速、車型等因素能夠影響誘導和剪切風流從而影響二次揚塵強度，路面粉塵負荷也是影響二次揚塵強度的一個重要因素；吳麗萍、古金霞[7]對城市道路二次揚塵中的PM10濃度量化模型進行了研究，最終得到PM10的量化模型；Subrato Sinha和S. P. Banerjee[8]對運輸道路的粉塵進行了研究，研究表明了運輸道路所產生的粉塵粒徑服從正態分布，且在所產生的粉塵中60%以上的粒徑在0～10 μm之間。

以上研究皆對露天礦運輸道路的起塵機理進行了深入研究，而針對露天礦卡車運輸起塵規律及粉塵粒徑分布情況研究較少，尤其是對人體健康和環境影響最大的PM2.5和PM10。本文以哈爾烏素露天礦運輸卡車粉塵測量為基礎，著重研究了卡車運輸過程中PM2.5和PM10粉塵濃度的變化規律，對于掌握露天礦卡車運輸過程中主要粉塵粒徑和濃度變化規律有著重要的意義和價值，為進一步的針對性防塵降塵提供了基礎。

1 監測設備與監測方案

粉塵監測儀器主要有β射線粉塵濃度監測儀和激光粉塵濃度監測儀，粉塵濃度監測儀如圖1所示。前者精度較高，但尺寸較大，交流供電，移動不便；后者靈活小巧，自帶可充電電池，對測量環境要求較低，但測量精度相對較低。考慮到本次測量條件的限制，結合本次現場試驗工況以及監測方案，最終選用諾方牌SDL307型激光粉塵監測儀進行測量。

圖1 粉塵濃度監測儀

本次現場試驗地點為內蒙古自治區哈爾烏素露天煤礦，哈爾烏素露天煤礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市準格爾旗東部，屬晉陜蒙交界地區，北鄰黑岱溝露天煤礦。地表境界東西長度為9.59 km，南北寬度為7.03 km，面積為67.17 km2，可采原煤儲量為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-卡車間斷開采工藝，采煤采用單斗挖掘機-卡車-地表半固定破碎站-帶式輸送機半連續工藝。

粉塵現場監測試驗圍繞哈爾烏素露天煤礦道路粉塵濃度進行監測，主要監測卡車起塵中出現的不同粒徑的粉塵濃度。以運輸隊930E自卸式卡車211、212號車為研究對象，將SDL307型粉塵監測儀固定于930E運輸車體，結合哈爾烏素露天煤礦的卡調系統，分別監測在不同行駛速度和行駛狀態下粉塵濃度的變化情況，卡車上監測儀器布置位置如圖2所示。

圖2 卡車上監測儀器布置位置

2 粉塵監測結果分析

2.1 卡車運輸粉塵監測結果及分析

通過對哈爾烏素露天煤礦運輸隊第2、3班作業時的卡車起塵數據進行監測，結合卡調系統中卡車實時運行軌跡及粉塵監測儀上的實時數據，將兩者之間時間點對應，得到自卸式卡車在礦坑內不同位置作業的粉塵濃度信息，粉塵濃度隨時間的變化曲線如圖3所示。

圖3 粉塵濃度隨時間變化曲線

由圖3可以看出，卡車運輸過程中不同粒徑的粉塵顆粒濃度變化規律基本相同，PM10相較于PM2.5濃度更大，在17∶30左右時達到了粉塵濃度的峰值之后迅速下降，這是由于在現場進行了灑水降塵作業，在灑水后1 h左右粉塵濃度達到最小值，在保持了2.3 h后，粉塵濃度又開始上升，之后維持在一個較高的粉塵濃度水平。

空氣質量分指數(AQI)是指根據單項污染物計算得出的空氣質量指數，是用來衡量空氣污染程度的一個重要參數。根據IAQI的計算方法見式(1)：

式中：IAQI——污染項目的空氣質量分指數；

IAQIH——與BPH對應的空氣質量分指數；

IAQIL——與BPL對應的空氣質量分指數；

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——污染物項目p的質量濃度值。

其中AQI可通過表1查出。

根據現場監測數據，計算得到哈爾烏素露天礦全天PM2.5和PM10的IAQI和污染程度分級見表2。

表1 空氣質量分指數及對應污染物濃度限值

表2 IAQI計算及污染分級

根據中華人民共和國環保部計算AQI的標準，計算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，這說明哈爾烏素露天礦的PM10污染比PM2.5污染嚴重。

PM10的IAQI曲線的拐點為(142.2，200)，由圖4可知，當PM2.5濃度小于142.2 μg/m3時，PM2.5比PM10的污染程度略小；當PM2.5濃度大于142.2 μg/m3時，PM10的IAQI快速增長，與PM2.5的IAQI差距快速拉大，由于AQI統計的是IAQI中的最大值，所以AQI也將快速增加，礦坑內空氣質量惡化速度加快。

通過PM2.5和PM10與車速之間的對比可知，PM2.5大小在變化趨勢上受礦內整體起塵量的影響，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PM2.5與PM10之間的對比可知，PM2.5與PM10的整體變化趨勢相同，通過對兩者標準偏差的對比，PM10的標準偏差明顯大于PM2.5，所以PM10較PM2.5變化幅度略大，這說明了礦區內存在的主要粉塵粒徑大于2.5 μm，車輛通過時激起的粉塵粒徑大于2.5 μm的部分為主要部分，所以會在圖像上顯示出激增或激減的狀態。

2.2 車輛運行狀態對粉塵濃度的影響

對卡調系統車輛速度的數據及車輛實際運行情況進行分析，可將車輛運行狀態分為等待停止、換班停止、重車運行、輕車運行這4種狀態，其中等待停止是在班中作業時間，由于車輛排隊、等鏟等原因而導致卡車停止的狀態。

速度為0代表卡車處于靜止狀態，靜止狀態有2種，即換班靜止狀態和班中停車等待狀態，根據運行方向，可以判斷該車是重車運行還是空車運行，以此4種狀態將采樣點分組，卡車運行狀態占比如圖5所示。

圖5 卡車運行狀態占比圖

根據4種卡車運行狀態，取空車運行狀態與重車運行狀態進行分析，通過重車與空車之間行駛速度與粉塵濃度狀態的對比，可得出運輸卡車載重對起塵量的影響，輕車與重車之間粉塵量對比如圖6所示。

由圖6可以看出，當運輸車輛為重車行駛時所激起的粉塵量普遍大于空車行駛時所激起的粉塵量，由礦上卡調系統中的車輛行駛速度數據可知，車輛空車行駛時的速度明顯大于車輛重車行駛時的速度，一方面為運輸車輛與路面發生相互擠壓而形成的空吸作用而產生空吸揚塵，另一方面為車輛行駛時形成揚塵氣流，在氣流作用下產生氣流揚塵。這2種運輸狀態下存在如下特點：空車行駛速度快，車輛與路面的擠壓作用較小；重車行駛速度較慢，車輛與路面的擠壓作用大。基于兩者的特點可知，空車行駛時主要起塵原因為車輛行駛時形成的揚塵氣流而導致粉塵的產生，重車行駛時起塵的主要原因為車輛與路面擠壓形成的空吸作用而產生空吸揚塵。空吸揚塵所產生的揚塵效果要強于揚塵氣流產生的揚塵，所以會在圖像上表現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比

3 結論

(1)哈爾烏素露天煤礦卡車運輸過程中不同粒徑的粉塵顆粒濃度變化規律基本相同，PM10相較于PM2.5濃度更大。

(2)根據空氣質量分指數(AQI)計算方法，哈爾烏素露天煤礦卡車運輸產塵中，PM10比PM2.5污染更為嚴重。

(3)通過重車行駛與空車行駛兩種運輸狀態的對比，當運輸車輛為重車行駛時所激起的粉塵量普遍大于空車行駛時所激起的粉塵量，空車行駛時主要起塵原因為車輛行駛時形成的揚塵氣流而導致粉塵的產生，重車行駛時起塵的主要原因為車輛與路面擠壓形成的空吸作用而產生空吸揚塵。空吸揚塵所產生的揚塵效果要強于揚塵氣流產生的揚塵。