露天矿卡车运输起尘时PM2.5和PM10变化规律研究

鲁文岐 周 伟 丁小华 徐 光 时旭阳 陆 翔

(1.神华准能集团有限责任公司黑岱沟露天煤矿，内蒙古自治区准格尔市，010300；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116;3.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221116;4.科廷大学西澳矿业学院，澳大利亚西澳大利亚州珀斯市，6430)

露天采矿作业一直以来被认为是粉尘污染的重要源头之一。在露天矿山中，卡车运输产生的粉尘量占全矿粉尘量的70%～80%[1]。进入新时代，随着生态文明的不断建设和“美丽中国”宏伟目标的践行，大众对大气污染问题关切度越来越高。2018年6月，国务院印发的《打赢蓝天保卫战三年行动计划》通知中明确要求加强露天矿山扬尘综合整治。环保压力与日俱增，已有多家矿山单位因为粉尘超限被国家勒令停产整改。

国内外学者对运输道路上起尘机理及起尘规律进行了大量的研究。王海宁[2]等研究人员研究了露天矿土质路面产尘机理，认为起尘主要原因在于土质道路土体内的土颗粒之间连接微弱，难以抵抗矿用卡车的荷载作用和轮胎的揉搓作用而被破坏，在空吸作用下形成扬尘；李春英[3]等研究人员研究了大孤山露天矿道路起尘现象及相应的抑尘措施，认为道路起尘强度的主要影响因素是路面含水量，根据现场监测数据拟合出起尘量与路面含水量之间的关系函数，得出两者呈负指数关系，并推导出路面洒水的最佳洒水量和抑尘时间；谭卓英[4]等研究人员研究了露天矿道路起尘机理，认为粉尘起锚荷载是粉尘颗粒物形成的临界条件，当卡车等施加给路面的力大于粉尘起锚荷载时，路面将形成细小颗粒物，并分析了扬尘气流的2种作用形式：轮胎剪切摩擦所产生的离心尘气流和车体机械风荷载与扬尘气流。前者将轮胎周边的细小颗粒物带起形成扬尘，后者影响范围更大，在卡车周边尤其是后方的颗粒物扬起形成扬尘；张承中[5-6]在市区道路现场监测实验的基础上，研究了汽车二次扬尘的机理和影响因素，认为汽车行驶过程中形成的诱导风流和剪切风流是形成二次扬尘的直接原因，而车速、车型等因素能够影响诱导和剪切风流从而影响二次扬尘强度，路面粉尘负荷也是影响二次扬尘强度的一个重要因素；吴丽萍、古金霞[7]对城市道路二次扬尘中的PM10浓度量化模型进行了研究，最终得到PM10的量化模型；Subrato Sinha和S. P. Banerjee[8]对运输道路的粉尘进行了研究，研究表明了运输道路所产生的粉尘粒径服从正态分布，且在所产生的粉尘中60%以上的粒径在0～10 μm之间。

以上研究皆对露天矿运输道路的起尘机理进行了深入研究，而针对露天矿卡车运输起尘规律及粉尘粒径分布情况研究较少，尤其是对人体健康和环境影响最大的PM2.5和PM10。本文以哈尔乌素露天矿运输卡车粉尘测量为基础，着重研究了卡车运输过程中PM2.5和PM10粉尘浓度的变化规律，对于掌握露天矿卡车运输过程中主要粉尘粒径和浓度变化规律有着重要的意义和价值，为进一步的针对性防尘降尘提供了基础。

1 监测设备与监测方案

粉尘监测仪器主要有β射线粉尘浓度监测仪和激光粉尘浓度监测仪，粉尘浓度监测仪如图1所示。前者精度较高，但尺寸较大，交流供电，移动不便；后者灵活小巧，自带可充电电池，对测量环境要求较低，但测量精度相对较低。考虑到本次测量条件的限制，结合本次现场试验工况以及监测方案，最终选用诺方牌SDL307型激光粉尘监测仪进行测量。

图1 粉尘浓度监测仪

本次现场试验地点为内蒙古自治区哈尔乌素露天煤矿，哈尔乌素露天煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗东部，属晋陕蒙交界地区，北邻黑岱沟露天煤矿。地表境界东西长度为9.59 km，南北宽度为7.03 km，面积为67.17 km2，可采原煤储量为1672 Mt，其中6#煤层为主要可采层，煤层平均厚度为28.2 m，全矿平均剥采比为6.626 m3/t。哈尔乌素露天煤矿土岩剥离采用单斗挖掘机-卡车间断开采工艺，采煤采用单斗挖掘机-卡车-地表半固定破碎站-带式输送机半连续工艺。

粉尘现场监测试验围绕哈尔乌素露天煤矿道路粉尘浓度进行监测，主要监测卡车起尘中出现的不同粒径的粉尘浓度。以运输队930E自卸式卡车211、212号车为研究对象，将SDL307型粉尘监测仪固定于930E运输车体，结合哈尔乌素露天煤矿的卡调系统，分别监测在不同行驶速度和行驶状态下粉尘浓度的变化情况，卡车上监测仪器布置位置如图2所示。

图2 卡车上监测仪器布置位置

2 粉尘监测结果分析

2.1 卡车运输粉尘监测结果及分析

通过对哈尔乌素露天煤矿运输队第2、3班作业时的卡车起尘数据进行监测，结合卡调系统中卡车实时运行轨迹及粉尘监测仪上的实时数据，将两者之间时间点对应，得到自卸式卡车在矿坑内不同位置作业的粉尘浓度信息，粉尘浓度随时间的变化曲线如图3所示。

图3 粉尘浓度随时间变化曲线

由图3可以看出，卡车运输过程中不同粒径的粉尘颗粒浓度变化规律基本相同，PM10相较于PM2.5浓度更大，在17∶30左右时达到了粉尘浓度的峰值之后迅速下降，这是由于在现场进行了洒水降尘作业，在洒水后1 h左右粉尘浓度达到最小值，在保持了2.3 h后，粉尘浓度又开始上升，之后维持在一个较高的粉尘浓度水平。

空气质量分指数(AQI)是指根据单项污染物计算得出的空气质量指数，是用来衡量空气污染程度的一个重要参数。根据IAQI的计算方法见式(1)：

式中：IAQI——污染项目的空气质量分指数；

IAQIH——与BPH对应的空气质量分指数；

IAQIL——与BPL对应的空气质量分指数；

BPH——与Cp相近的污染物浓度限值的高位值；

BPL——与Cp相近的污染物浓度限值的低位值；

Cp——污染物项目p的质量浓度值。

其中AQI可通过表1查出。

根据现场监测数据，计算得到哈尔乌素露天矿全天PM2.5和PM10的IAQI和污染程度分级见表2。

表1 空气质量分指数及对应污染物浓度限值

表2 IAQI计算及污染分级

根据中华人民共和国环保部计算AQI的标准，计算PM2.5和PM10的IAQI，粉尘浓度IAQI变化曲线如图4所示。

图4 粉尘浓度IAQI变化曲线

由图4可以看出，PM10的IAQI一直大于PM2.5的IAQI，这说明哈尔乌素露天矿的PM10污染比PM2.5污染严重。

PM10的IAQI曲线的拐点为(142.2，200)，由图4可知，当PM2.5浓度小于142.2 μg/m3时，PM2.5比PM10的污染程度略小；当PM2.5浓度大于142.2 μg/m3时，PM10的IAQI快速增长，与PM2.5的IAQI差距快速拉大，由于AQI统计的是IAQI中的最大值，所以AQI也将快速增加，矿坑内空气质量恶化速度加快。

通过PM2.5和PM10与车速之间的对比可知，PM2.5大小在变化趋势上受矿内整体起尘量的影响，微小的起降是车速的变化影响下造成的，起尘量随着车速的增大而增大，但起尘量的变化要滞后于车速的变化。通过PM2.5与PM10之间的对比可知，PM2.5与PM10的整体变化趋势相同，通过对两者标准偏差的对比，PM10的标准偏差明显大于PM2.5，所以PM10较PM2.5变化幅度略大，这说明了矿区内存在的主要粉尘粒径大于2.5 μm，车辆通过时激起的粉尘粒径大于2.5 μm的部分为主要部分，所以会在图像上显示出激增或激减的状态。

2.2 车辆运行状态对粉尘浓度的影响

对卡调系统车辆速度的数据及车辆实际运行情况进行分析，可将车辆运行状态分为等待停止、换班停止、重车运行、轻车运行这4种状态，其中等待停止是在班中作业时间，由于车辆排队、等铲等原因而导致卡车停止的状态。

速度为0代表卡车处于静止状态，静止状态有2种，即换班静止状态和班中停车等待状态，根据运行方向，可以判断该车是重车运行还是空车运行，以此4种状态将采样点分组，卡车运行状态占比如图5所示。

图5 卡车运行状态占比图

根据4种卡车运行状态，取空车运行状态与重车运行状态进行分析，通过重车与空车之间行驶速度与粉尘浓度状态的对比，可得出运输卡车载重对起尘量的影响，轻车与重车之间粉尘量对比如图6所示。

由图6可以看出，当运输车辆为重车行驶时所激起的粉尘量普遍大于空车行驶时所激起的粉尘量，由矿上卡调系统中的车辆行驶速度数据可知，车辆空车行驶时的速度明显大于车辆重车行驶时的速度，一方面为运输车辆与路面发生相互挤压而形成的空吸作用而产生空吸扬尘，另一方面为车辆行驶时形成扬尘气流，在气流作用下产生气流扬尘。这2种运输状态下存在如下特点：空车行驶速度快，车辆与路面的挤压作用较小；重车行驶速度较慢，车辆与路面的挤压作用大。基于两者的特点可知，空车行驶时主要起尘原因为车辆行驶时形成的扬尘气流而导致粉尘的产生，重车行驶时起尘的主要原因为车辆与路面挤压形成的空吸作用而产生空吸扬尘。空吸扬尘所产生的扬尘效果要强于扬尘气流产生的扬尘，所以会在图像上表现为重车行驶的粉尘浓度高于空车行驶的粉尘浓度。

图6 轻车与重车之间粉尘量对比

3 结论

(1)哈尔乌素露天煤矿卡车运输过程中不同粒径的粉尘颗粒浓度变化规律基本相同，PM10相较于PM2.5浓度更大。

(2)根据空气质量分指数(AQI)计算方法，哈尔乌素露天煤矿卡车运输产尘中，PM10比PM2.5污染更为严重。

(3)通过重车行驶与空车行驶两种运输状态的对比，当运输车辆为重车行驶时所激起的粉尘量普遍大于空车行驶时所激起的粉尘量，空车行驶时主要起尘原因为车辆行驶时形成的扬尘气流而导致粉尘的产生，重车行驶时起尘的主要原因为车辆与路面挤压形成的空吸作用而产生空吸扬尘。空吸扬尘所产生的扬尘效果要强于扬尘气流产生的扬尘。