露天煤矿外排土场扬尘污染与生态整治关系研究

彭喜曦

(中环联新环境保护有限公司，北京 100020)

1 引言

露天煤矿在我国煤炭生产中占有重要地位，我国大型露天煤矿主要分布在内蒙古、山西、新疆等干旱半干旱地区，露天矿挖掘、运输和排土场堆放过程中的扬尘将影响周边大气环境质量[1，2]。位于人口密集地区的露天矿造成的影响可能更为严重，如内蒙古自治区锡林浩特市郊区分布的较多大型露天煤矿对市区空气质量造成了一定影响[3]。

露天矿外排土场土质是由露天矿排出的页岩、砂岩构成。由于采矿活动中，排弃沿途的无序性，造成土石混堆、物质组成复杂土体结构松散、粒径大小不均、土壤胶结性差。因此，在风速较大的情况下，外排土场极易起尘[4]。

近年来我国空气环境质量日益恶化，广大民众对空气质量关注度高涨。因此，研究露天煤矿外排土场扬尘污染与生态整治之间关系，为我国露天煤矿外排土场无组织扬尘污染防治管理提供依据具有重要意义。

2 露天矿外排土场起尘影响因素分析

常用露天矿排土场扬尘计算公式使用风蚀扬尘模式[5]。

该起沙方案中垂直通量计算公式为：

(1)

式(1)中：F为垂直通量；ρ为土壤表面的塑形压力；f为地表土壤小于20 μm的质量分数；ρb、ρP为土壤体密度和沙粒的质量密度；Cα、Cβ为常数。

其中水平通量计算公式为：

(2)

q(ds)=0，u*

式(2)中：u*是摩擦速度，u*t为临界摩擦速度，C是无量纲系数。

通过该公式，可以侧面反映出影响露天煤矿排土场扬尘的主要影响因素包括：风速、土壤表面的塑形压力、地表土壤小于20 μm的质量分数、土壤体密度和沙粒的质量密度等[6]。

3 外排土场整治中影响扬尘污染的关键环节

无论是排土场生态整治工程措施还是生态措施都能明显改变平台、边坡表层土壤的理化性质。根据有关研究，植物措施后或覆土后土壤含水率能从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%。并且排土场生态整治能明显提高表土土壤中大于20 μm粒径比例，生态整治后边坡土壤粒级20 μm以上的占46%，而未进行生态整治中的边坡土壤粒级20 μm以上的仅占27%[7～9]。因此，结合外排土场扬尘影响因素分析，可知露天矿外排土场生态整治能在很大程度上影响其扬尘产生量。

由于各种因素的制约，我国露天煤矿的生态整治工作始终滞后于采矿工程。现有尤其是新建露天矿外排土场的服务年限通常在10年以上，若不及时进行生态整治，在此期间排土场将会造成较为严重的扬尘大气污染以及水土流失问题。因此，对外排土场应在排弃到界形成第一个稳定平台开始起及时复垦，以减少地表裸露时间。

外排土场生态整治是集预防控制与工程措施、生物措施为一体的复杂系统工程。其生态整治措施将很大程度上影响扬尘污染。根据《水土保持法》、《土地复垦条例》等相关要求，在预防为主原则的指导下，首先应在排土前将外排土场表层土壤(含草皮)单独剥离、单独保存，及时回覆；在排土场外围先修筑拦渣堤，然后在围埂内弃土，以减轻排土对周边的扰动外；排土场排弃过程中应合理安排岩土次序，将含不良成分或易自燃的矸石等排弃于下部，采取土石混排-粘土-砂壤土分层排弃，既保证了土壤水分的入渗，防止地表径流的形成，又保证了土壤的通透性，易于植物生长。工程措施完工后，根据当地自然气候条件，选择适宜树草种进行植被重建，在平台进行撒播草籽种草，边坡采用沙障网格护坡并在其内种植灌木、播撒草籽恢复植被，排土场坡底种植防护林以固定剥离物的表面层，减少起尘。

4 整治前后露天矿外排土场扬尘对比

选取山西某露天煤矿外排土场整治前后的扬尘露天矿排土场边界外下风向10 m、200 m、500 m、1000 m处监测结果对比见图1。

未整治前，露天矿排土场下风向扬尘浓度较高，边界外下风向10 m处及100 m处的扬尘浓度分别达到了2.335 mg/m3和1.70 mg/m3，且影响距离较远，下风向1000 m处的扬尘浓度为0.397 mg/m3，依然高于上风向0.363 mg/m3的背景值，下风向影响距离大于1000 m。

采取整治后，露天矿排土场边界外下风向10 m处的扬尘浓度相对整治前减少了2.148 mg/m3，整治后扬尘影响距离明显变短，下风向200 m处的扬尘浓度与背景值0.156 mg/m3已接近，下风向影响距离为200 m左右。

图1 露天煤矿外排土场整治前后扬尘对比分析

5 不同整治方式对露天矿外排土场扬尘影响对比

选取我国新疆3个较为典型的露天煤矿排土场服务期的扬尘监测数据进行对比分析。其中：露天煤矿A未采取任何排土场整治措施；露天煤矿B边坡及平台进行了及时覆土，平台撒播了草籽，边坡采用沙柳网格护坡并在其内种植沙棘苗、播撒草籽恢复植被；露天煤矿C在该排土场平台碾压平整后，进行洒水和封育保护，边坡采用剥离的块石压盖，洒水后进行封育保护，已在边坡和平台表面形成稳定的天然结皮。

在各排土场下风向的单位周界10 m 范围内设置扬尘监控点，上风向设置对照点。排土场扬尘排放的污染物浓度执行《大气污染物综合排放标准》(GB16297-1996)无组织排放监控浓度限值(监测浓度最高点与对照点浓度差值≤1.0 mg/m3)。

表1 A露天矿扬尘监测结果一览

注：监测期间风速为4.2 m/s

表2 B露天矿扬尘监测结果一览

注：监测期间风速为5.2 m/s

表3 C露天矿扬尘监测结果一览

注：监测期间风速为3.9 m/s

根据监测结果，可以看出A露天矿监测浓度最高点与参考点浓度差值达到了1.889 mg/m3，超出了1.0 mg/m3的排放标准。事实上，未采取任何措施的排土场扬尘很难实现达标排放。

而B露天矿在风速高于A露天矿的情况下，实现了扬尘达标排放，监测浓度最高点与参考点浓度差值仅为0.033 mg/m3。

C露天矿所处地方气候极其恶劣，采取洒水后进行封育形成天然结皮后，对排土场扬尘依然有明显抑制作用。C露天矿监测浓度最高点与参考点浓度差值达到了0.636 mg/m3，实现了达标排放。

B露天矿采取的覆土绿化生态整治措施对扬尘抑制作用最为明显，其次为C露天矿采取的封育结皮措施。而不采取任何措施的A露天矿扬尘污染最为严重。

6 结论

及时对露天矿排土场平台和边坡采取生态整治措施后，能有效降低排土场扬尘排放量，通常能实现扬尘的达标排放。在排土场生态整治方案上，企业不能贪图一劳永逸，整治措施应早期介入。

各种生态措施对排土场扬尘排放的抑制效果差距较大，工程措施与生物措施相结合的方式抑制扬尘效果最好。即使采取最为简单的措施抑制扬尘效果也明显好于不采取任何措施。