露天矿运输路面扬尘污染问题探究

1.1 路面扬尘的核心机理

在露天矿的特殊尘源条件下，粉尘的起尘机理一般遵循粉尘起锚载荷公式，即粉尘的起尘需要克服粉尘颗粒重力、颗粒间引力和黏聚力，具体由式(1)确定[2]。Fa = c + W + G(1)式中：Fa 为极限起锚力;c 为粉尘颗粒间的黏聚力;W 为粉尘颗粒自重力;G 为粉尘颗粒间的引力。由于粉尘间引力很小，所以起尘的主要影响因素为 W 和 c，即粉尘自身的电荷性质及质量等[3]，其中粉尘自重力在开采环境中主要受含水量影响。在干旱地区的露天矿，部分运输道路都是剥离刚形成的道路土质松散，粉尘颗粒间的黏聚力较小。当自卸卡车驶过时，在自卸卡车轮胎与地面旋转产生的摩擦力作用下，这些粉尘颗粒直接突破起锚载荷上升到空气中。此外，部分道路在洒水、降雨或者是结冰后，由于地面凹凸不平，导致了卡车在行驶过程中产生颠簸，进一步将路面碾压变形，同时还会使部分原本紧固的土质在振动时进一步碎化为松散尘土，加大了单位体积内的粉尘颗粒数量。当然洒水过后，会增大粉尘的质量，使大部分粉尘很难突破起锚载荷极限，有效降低粉尘浓度。

1.2 二次扬尘产生的机理

作用在运输路面上尘粒的力主要有气流的迎面阻力、尘粒的重力、上升力和冲击力等。尘粒的上升力主要与尘粒的旋转和气流速度的切变有关[4]，二者产生的升力均与气流和尘粒的相对速度成正相关，气流与尘粒的相对速度越大，上升的升力越大。在卡车行驶过程中，因冲破挤压前方静态的空气造成强大的负压，不仅引起了未碾压已经静置的地面扬尘再次扬起，更加速了尘粒的相对运动速度，给碾压产生的扬尘提供了上升力，使其与在运输过程中散落的尘粒共同造成了二次扬尘。

2 扬尘的扩散机制

2.1 点源扩散的高斯模型

在露天矿的实际环境中，空气运动规则因方向和大小在随时变化，可以规定为大气湍流。当卡车驶过路面扬尘开始扩散时，在空气层中存在明显的风速切变，扬尘污染物在大气湍流和剪切应力的作用下会迅速的分散开，这种现象在这一特定情况下称为基于湍流的高斯扩散模式[5]。高斯模型有 4 个假设：污染物浓度在空间呈高斯分布(正态分布);大气环境中风的平均流场稳定，风速均匀，风向平直;污染源的源强均匀、连续;污物在输送扩散中质量守恒[6-7]。在近地面条件下有：C=Qбz бy πuexp(- y22б2y)exp(- H22б2z)(2)式中：C 为污染源下风向空间任意一点(x，y，z)的污染物浓度，mg/m3;Q 为源强，mg/m3;u 为污染源高处的平均风速，m/s;H 为有效污染源高度(包含抬升高度)，m;бy 分别为横向和垂直方向的随下风向距离增大而增大的扩散参数，m。对于连续地面源下风向空间中任意一点(x，y，z)，x=0，y=0，z=0，H=0时，则有：C1=Qбz бy πuexp(- y2б2y)(3)C2=бz бy πu(4)式中：C1、C2 分别为地面源地面任意一点、轴线浓度。

2.2 线源扩散的高斯模型

当数学方法无法准确计算点源污染扩散规律，污染物沿一水平方向连续排放时，可将其视为一线源。这样，对点源扩散下高斯扩散模型的变量 y 积分，即可获得线源的高斯扩散公式，同时在地面附近时 H=0，则可知地面线源的地面扩散模式。在实际应用过程中，露天煤矿运输路上通常有连续的自卸卡车经过，当时间间隔远小于颗粒在无风条件下沉降到地面所需时间时，可以将卡车碾压造成的扬尘污染看作是均匀、连续的。同时可以将整条道路上的扬尘看为线源，进而计算其造成的污染在下风向空间上某点的分布规律。C3= 姨2Q姨π uбz(5)式中：C3 为线源下风向空间某点地面浓度根据此式可以看出，当气象条件和每台车碾压引起的源强不发生改变时，下风向空间的污染物地面浓度主要由垂直方向上的扩散参数决定。

2.3 运输道路扬尘污染随距离变化情况

仅以露天煤矿来分别讨论运煤道路和运煤土路的扬尘污染浓度随距离变化情况，其中以 PM10 的影响为主。运煤道路的扬尘污染浓度整体上是先加后下降的变化趋势[7]，在达到峰值 20 m 处后有所下降，并在 60 m 后继续下降，在 50 m 时已经低背景值点。运输土路的扩散距离比运煤道路远，运土道路的扬尘污染浓度在 15 m 时达到峰值，总体上也呈现先上升后下降的趋势，但在 200 m 后才低于背景值点。

3 现阶段的主要抑尘方法

随着监管部门的要求越来越严，生产者环保意识的增强，现阶段的露天矿抑尘形成了以黏结、凝并、吸湿和保水一体的综合抑尘方法[8]。以道路洒为主要手段，辅以根据土质情况添加各种抑尘剂。但是已有的抑尘理论少有从污染物扩散影响周围居民入手，但是在实际生产生活中，为了保证周围居民的环境安全和幸福指数，很多生产单位从实际出发，针对扬尘扩散使用的方法取得了很好的效果。

3.1 针对核心起尘机理的抑尘方法

3.1.1 抑尘剂及应用方法

根据不同的抑尘机理，抑尘剂可以分为湿润型、凝聚型、黏结型和复合型 4 类。湿润型抑尘剂主要适用于大多数疏水性的矿岩粉尘，可以提高粉尘的含湿量。无机盐和卤化物的加入可以使水溶液表面形成紧密的、定向排列的保护吸附膜，很大程度上减小了防尘用水的表面张力，同时对粉尘又有吸附作用，帮助湿润粉尘[9]。该类抑尘剂已经开始推广并发展迅速，目前 SDLY 粉尘湿润剂、CHJ-I 型湿润剂、HB 和 HY 湿润剂等目前在部分矿山被广泛使用[10]。凝聚型抑尘剂主要以 MgCl2、NaCl、CaCl2 等高吸水性无机盐为主，通过影响粉尘颗粒间的黏附力，溶液能够紧紧的包裹在粉尘的表面，形成一种水膜来减缓水分的蒸发，增强路面的湿润程度。在此基础上由北京劳保科学研究所开发出的 CDR 抑尘则兼顾了吸湿、渗透和凝结作用[11]，现场工业试验表明，该抑尘剂吸湿、保湿性能良好，即使在高温和低温的极端条件下，10d 内仍可保持路面含湿量在 4 %以上，较少粉尘产生，属于这类抑尘剂中功能较为综合的一种，且原料来源广泛，价格便宜。总体来看，该类抑尘剂不仅吸湿性良好，防尘的同时还能防冻。但是由于无机盐等都呈酸性，长期使用会对运输设备产生腐蚀作用，容易被黏附带走或被雨水冲走，对环境造成二次污黏结型抑尘剂通过黏结聚合粉尘的方法控制尘飞扬，主要以各种石油化工产品乳化后的乳化液为材料。乳状液喷洒到路面时，上层粉尘颗粒与乳化液的外相水接触湿润，疏水基会冲破包裹着下层尘粒的空气膜，增强外相水对粉尘的湿润和凝结作用。同时这些乳化后的粉尘表面会覆盖 1 层油膜，能够抑制其基底水的蒸发。目前抑尘剂的发展大致经历了乳化沥青抑尘剂，重油乳状液抑尘剂，渣油-水系乳化液抑尘剂这 3 个阶段。其中乳化沥青抑尘剂在经过高温暴晒后，会排放有害物质，且有火灾的危险，目前使用较少。路面重油乳状液抑尘剂的抑尘间特别在于抑尘时间较长，可达 2～3 d，约为洒水的120 倍左右，同时路面粉尘表面还会形成黑色重油油膜，使粉尘的湿润时间变长，效果更持久。渣油-水系乳化液抑尘剂相比于其他两种抑尘剂，有养路作用的特性，道路经过多次喷洒后会随着油膜覆盖会变得越来越好，单次有效抑尘时间也会越来越长，也是使用最为广泛的一种抑尘剂，约占 50%[12]，缺点则是会产生刺激性气味，对环境造成二次污染，所以在靠近村庄附近需要慎重择机使用。目前复合型抑尘剂在各个方面表现较为出色，吸取了前 3 种抑尘剂的不足和长处，适用广泛，也是近几年最受关注的抑尘剂，而且可以针对煤场、排场不同道路选择不同情况的抑尘剂。

3.1.2 道路抑尘技术的应用

目前主要的道路抑尘原理有 3 个方面：①增强土质地面的抗辗压性和硬度;②通过增加粉尘颗粒质量继而减少扬尘;③改善路况，减少因卡车颠簸造成的振动。以山煤集团河曲露天矿的扬尘污染为例，该矿除在使用传统的洒水车降尘外，还通过就地取材的方法，在土质路面中铺垫碎石、工业废渣等材料，既可以废物利用，又适当的提高了土质路面的硬度和强度，减轻重型卡车对于路面的破坏，继而提高了路面的抗碾压性能，从道路抑尘技术上解决尘源。同时结合当地实际情况，由于出入矿区的运煤道路距离工业园区和办公楼不足 100 m，为了保证人员身健康，将该路直接硬化为标准路段，大大减少了扬尘污染对周围空气的影响。

3.2 针对道路扬尘扩散采取的方法

根据高斯扩散的模型和公式，要控制住扬尘污染在矿区的扩散，必须从整条道路上的源头入手，将整条道路上所有起尘量的和看作源强。这其中除了碾压产生的扬尘外，还包括大气环境带来的风载荷、汽车行驶过程中的机械载荷、诱导气流形成的二次扬尘和卡车行驶过程中掉落的土质和煤渣等。明确源强后基于扩散规律考虑遮挡物对于扬尘扩散的影响，比如在有影响道路加装防尘网，对于堆放已经稳定的边坡及时进行复垦等，植树种草都可以从扩散范围上降低扬尘污染的扩散距离。同样，在周围有尚未搬迁安置居民时，合理设置排土场及排土场道路也可以使扬尘污染对于周围村落的影响大大减小。以山煤集团河曲露天矿为例，该矿的二号外排土场仅东侧支沟白泥沟未排，预计 6 个月达到排土标高1 120 m，该区域与大王家鄢村的最近距离约为 270m。为降低后续排土对大王家鄢村的影响，该矿设计施工时提出了在 1 110 m 标高平台上的排土道路应尽可能设置在远离大王家鄢村的位置，并加强道路洒水，排土运输车辆加盖篷布，排土过程中及时碾压并覆土复垦。在按照上述措施实施后，二号排土场后续排土工作对大王家鄢村的影响比以前大大减小。该区域的环境空气检测结果显示，TSP 日均浓度为0.243 ～0.288 mg/m3，PM10 日 均 浓 度 为 0.122 ～0.144mg/m3 ，均满足 GB 3095—2012 环境空气质量标准二级标准。

4 结 语

露天矿道路运输过程中的扬尘污染大约占到整个运输过程产尘的 90%，实际开采中，对周围居民和工作人员造成了严重影响。目前有关扬尘的起尘机理已经比较明确，扩散模型所采用的高斯模型也适用于多种情况。实际设计生产中应当参照不同区的年气候情况，周围居民所处位置，设备情况和成本等诸多因素，在满足环境要求的同时，将抑尘成本降到最小。同时针对于设计和施工影响的区域，做好环境监测和走访工作，依据不同的气象条件做出合理高效的抑尘措施。