平顶山市矸石山扬尘基础排放量研究

刘宝平

(平顶山市综合利用环境保护研究所，河南 平顶山 467099)



平顶山市矸石山扬尘基础排放量研究

刘宝平

(平顶山市综合利用环境保护研究所，河南 平顶山 467099)

利用实测空气颗粒物数据和颗粒物体源扩散模式测算扬尘实际排放强度，修正矸石山风洞模拟扬尘扩散模式参数，确定平顶山市矸石山扬尘基础排放量。

矸石山扬尘；颗粒物体源扩散模式；风洞模拟扬尘扩散模式；扬尘基础排放量

平顶山市的煤炭开采和利用，给平顶山的大气环境带来了较重的污染。平顶山市是全国113个大气污染防治重点城市之一，空气中主要污染物是可吸入颗粒物。平顶山市空气中的颗粒物主要来源于燃煤、扬尘、机动车排放。其中，遍布平顶山市区周边大大小小的矸石山，因风化产生的矸石山扬尘是平顶山市大气中颗粒物的一个重要来源。

矸石山风化扬尘排放量直接影响城市大气环境中PM10、PM2.5含量，平顶山市综合利用环境保护研究所在平顶山市环境监测中心站、中国平煤神马集团环保处、中国平煤神马集团环保监测站的配合下，对本地区矸石山基本情况、气象数据进行了调查，对典型矸石山的理化指标、排尘浓度进行了监测，通过大气颗粒物体源扩散模式对矸石山风蚀扬尘排放强度进行了推算，并对 “锥形矸石山”风洞模拟试验扩散模式矸石山风蚀扬尘排放强度计算参数进行了修正，确定了平顶山地区矸石山风蚀扬尘的基础排放量。

1 平顶山市矸石山的基本情况

1.1 煤矸石来源及产生情况

平顶山地区煤矸石主要来源于建井(45%)、采煤(35%)、洗选(20%)三个环节。目前，平顶山市区周边共有16座主要矸石山，煤矸石积存量1 279万t，每年新排矸石135.1万t。这些煤矸石，有的是在煤矿建井时期堆存的，有的是在矿井扩建时期堆存的，但大多数是在煤矿生产过程中排放的。它们主要分布在工业广场附近，形状呈近似圆锥体，底面积900～340 000 m2,高度10～200 m。

1.2 煤矸石的组成

平顶山地区煤矸石化学成分(不考虑洗煤厂排放的煤矸石)主要为SiO2和Al2O3，二者平均含量之和达65.64%，次要化学成分为CaO和 MgO，二者平均含量之和达9.43%，其它成分约占4.8%。

平顶山地区煤矸石的主要组成矿物为黏土矿物和石英。高岭石和伊利石这两种黏土矿物含量之和为54.02%～66.93%，居主要地位;石英的平均含量为15.50%～18.85%，占次要地位。

1.3 煤矸石颗粒含量及物理指标

平顶山地区矸石山表层样品中，粒径小于200 μm的矸石颗粒(可形成空气扬尘)平均含量为1.64%，密度0.956 g/cm3，水分含量2.08%,粒径小于100 μm的矸石颗粒(可形成空气总悬浮颗粒物)平均含量为0.51%，密度0.770 g/cm3，水分含量2.10%。平顶山地区矸石山表层细颗粒物含量随粒径变小而减少，密度随粒径变小而降低，水分含量随粒径变化不大。平顶山市周边矸石山排放利用情况及矸石山表层样品监测结果见表1和表2。

表1 平顶山市周边矸石山排放利用情况调查汇总表

表2 平顶山市矸石山表层样品监测结果汇总表

2 矸石山扬尘排放强度测算

为研究矸石山风蚀扬尘量的实际排放情况，对典型矸石山在不同风速下的排尘量(总悬浮颗粒物)进行了实际监测。按照《煤炭工业污染物排放标准》(GB20426-2006)、《大气污染物无组织排放监测技术导则》(HJ/T55-2000)和《环境空气 总悬浮颗粒物的测定 重量法》(GB-T15432-1995)的有关规定,在监测现场即时记录了风向、风速、气温、气压、湿度、低云量、高云量等原始参数，在矸石山主导风向的上风向、矸石山边界、下风向及下风向两侧分别设点同时监测不同风速下的总悬浮颗粒物浓度，具体监测结果见表3。

表3 矸石山风动起尘研究监测结果 mg/m3

根据国家环保部颁布的《环境影响评价导则—大气环境》(HJ/T2.2-93)中的颗粒物体源扩散模式,利用矸石山扬尘实际监测浓度，对颗粒物体源扩散模式进行逆推算，得出矸石山单位时间的扬尘排放强度。具体推算结果见表4。

式中：CP为地面浓度，mg/m3；Q为单位时间排尘量, mg/s;a为尘粒子的地面反射系数，其取值见表2；u为风速，m/s;He为排尘有效高度；σy，σz为体源在y和Z方向的边长；X为下风向距离；Y为水平面轴向垂直距离；ay为体源在Y在方向的长度；aZ为体源在Z在方向的高度；a1为横向扩散参数回归指数；a2为铅直扩散参数回归指数；r1为横向扩散参数回归系数；r2为铅直扩散参数回归系数；Vg为粒子沉降速度。

Vg=(d2ρg) /(18μ)

式中：d、ρ为分别为尘粒子的直径和密度；g为重力加速度；μ为空气动力黏性系数。

表4 平顶山地区特征矸石山扬尘排放强度 mg/s

取不同粒径、大于起尘风速段的排放强度进行平均，以平均值代表矸石山杨尘的实际排放强度，反映平顶山地区矸石山风蚀扬尘的实际排放情况。经计算，平顶山地区矸石山风蚀扬尘的实际排放强度为33 745 mg/s。

由平顶山市相关气象参数可知,平顶山市全年雨雪天数平均为113 d，起尘时间为21 772 800 s/a，结合矸石山表面积、绿化面积和实际排放强度，可得出矸石山单位面积风蚀扬尘年排放量实际推算结果为11.62 kg。

3 平顶山市矸石山扬尘排放量计算公式修正及基础排放量的确定

平顶山市矸石山扬尘量计算模式采用山西平朔露天矿矿区对“锥形矸石山”风洞模拟试验的扩散模式，其表达式为：

Q年=λ2Q1

Q1=0.683(V-V0)2.5e-0.82W(mg/s)

对于实际矸石山而言，年起尘量推算式为：

Q年=λ2×A×B×10-9×0.683(V-V0)2.5e-0.82W(t/a)

式中：λ为实际矸石堆和试验矸石堆的缩尺比；A为有效年起尘时间(s/a)；B为风速风频修正系数；w为矸石堆表面含水率(%)V0为矸石山扬尘的起尘风速(m/s);V为矸石山的年平均起尘风速(m/s)。

V=V10(H/10)n

式中：V10为10 m高度处年平均起尘风速(m/s)；H为矸石山平均高度(m)；n为各稳定度下风速廓线幂指数加权平均值。

根据平顶山市气象局提供的相关气象数据及平顶山市周边主要矸石山调查分析结果，经计算各参数为：A=21 772 800 s/a；B=0.065 6；W=2.10% (外加洒水量为0，自然干燥状态下);V=8.315 m/s。

利用实际监测推算结果对矸石山扬尘排放理论计算模式进行修订，重新计算该模式的修正系数，得到修正后的平顶山地区矸石山风蚀扬尘排强度的计算公式为：

Q年=λ2×A×B×10-9×0.956(V-V0)2.5e-0.82W(t/a)

(1)

利用式(1)计算平顶山市周边矸石山的年起尘量如表5所示。

表5 平顶山市周边矸石山年起尘量汇总表

由表5可知，平顶山市区周边主要矸石山矸石堆存量为1 279万t，矸石山表面积583 802 m2，在不洒水的自然干燥状态下，年矸石风化扬尘理论排放量为6 722.4 t，矸石山表面积583 802 m2，在不洒水的自然干燥状态下，单位面积扬尘年基础排放量为11.51 kg/(a·m2)。

[1]平顶山煤业集团,焦作工学院.平煤集团煤矸石综合利用技术可行性研究[R].2003.

[2]国家环境保护总局环境工程评估中心.环境影响评价技术方法[M].北京：中国环境科学出版社，2007.

[2]GB20426-2006.煤炭工业污染物排放标准[S].

[3]HJ/T55-2000. 大气污染物无组织排放监测技术导则[S].

[4]刘宝平.矸石山风能扬尘起风速确定研究[J].河南城建学院学报，2014，23(5)：72-76.

On basic discharge amount of dust raising of gangue dump in Pingdingshan

LIU Bao-ping

(ComprehensiveUtilizationEnvironmentalProtectionInstituteofPingdingshanCity,Pingdingshan467099，China)

Using the measured data and objects in the air particulate matter sources of dust particle diffusion model estimates the actual emissions intensity, corrects the parameters of wind tunnel simulation dust dispersion model to determine the basic discharge amount of dust raising of gangue dump.

dust raising; dust dispersion model of wind tunnel simulation; wind tunnel simulation dust dispersion model; basic discharge amount of dust raising

2015-01-09

刘宝平(1969-)，男，河南许昌人，工程师。

1674-7046(2015)02-0064-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.02.014

X513

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