露天煤矿粉尘浓度现场监测系统研究

刘燕平

（山西省忻州生态环境监测中心，山西 忻州 034000）

引言

我国新开工露天煤矿大多数在西部的内蒙和新疆等地，而这些地区存在干燥少雨，水资源匮乏，甚至还有沙尘暴，这些客观条件导致了煤矿生产过程中更容易产生大量的粉尘。粉尘污染对作业人员的健康安全、设备的正常运行都会造成严重的影响，甚至还能引发安全事故。随着全社会对环境保护要求的提高，在煤炭的生产和使用环节，控制粉尘的排放量显得尤为重要。

为了有针对性的高效性的对粉尘治理，首先必须掌握粉尘浓度的分布及运移规律，因此需要开展露天煤矿粉尘浓度现场监测方案的研究，明确粉尘浓度的监测对象和监测内容，分析现场监测前的调查内容和监测注意事项，通过对比分析确定浓度监测方法以及监测仪器的选用，根据监测点布置原则确定了浓度监测的布置方案。粉尘浓度的监测，对于煤矿粉尘的分布状况和运动规律有积极效果，同时对露天矿除尘降尘具有实际的指导意义。

1 露天煤矿粉尘及分类

煤矿粉尘有很多种分类方法。PM2.5就是根据粉尘粒径和危害程度进行分类的，全称为细颗粒物，根据粒径从大到小还有全尘（简称TSP）、可见粉尘、呼吸性粉尘、可吸入颗粒物（又称为PM10）等类别。

此外，矿尘、煤尘、岩尘和烟尘是根据粉尘里面存在的成分进行分类的。矿区内产生的粉尘总称为矿尘；而在煤炭或岩石破碎过程产生的粉尘就是煤尘或岩尘；烟尘是一种微细固体粒子，是煤炭自燃过程中或者卡车尾气中形成的[1]。

粉尘组分有无机粉尘和有机粉尘之分，无机物破碎后形成的是机性粉尘，而有机物破碎后形成的是有机性粉尘，既有有机物又有无机物破碎后形成的是混合型粉尘。

另外，粉尘产生的过程中，如果是直接产生的粉尘就是一次颗粒物，如果是一次颗粒物之间发生反应后而产生的颗粒物就称为二次颗粒物，这两种颗粒物都是粉尘颗粒物。

2 露天煤矿粉尘监测内容

2.1 监测对象

通常PM10为可吸入颗粒物，而沉积到肺泡中的大多数为PM2.5，这两种类型的粉尘对人体健康的威胁最大，因此，选定PM2.5和PM10作为重要的监测对象。

2.2 现场监测内容

在煤矿现场，需要对以下的三种情况下的粉尘浓度进行监测：首先是最外围的露天矿周边，需要对这个区域的粉尘浓度进行监测；其次是对爆破、道路等主要粉尘源主的周边进行粉尘浓度的监测；最后需要监测粉尘浓度的区域是露天矿坑内并且远离粉尘源的区域。

根据各个位置测量的PM2.5和PM10的粉尘浓度值，可以绘制出粉尘浓度分布的等值曲线图，这对于分析粉尘源的起尘强度以及粉尘的扩散规律有重要的作用，能够对露天矿在矿坑内和矿区周边的粉尘治理提供基础数据[2]。

3 现场监测调查及注意事项

3.1 现场调查内容

在进行煤矿粉尘浓度的现场监测点、采样对象、采样方法和采样时机的选择时，必须根据现场实际情况进行确定。因此在现场监测采样之前，就要对露天矿的实地情况进行勘查，复杂的情形还需要进行预采样。调查内容具体包含以下4 点：记录当天的风向、风力、温度、湿度、降水量等天气和气象情况；记录监测对象的运行参数以及是否造成了起尘等情况；监测过程中需要用到实验用电源和车辆，需要提前准备；对于监测点位有具体要求的，要提前选定好。

3.2 现场监测注意事项

监测粉尘数据时要注意天气情况，在降雨、降雪天气时，由于会起到净化空气的作用，大气中粉尘浓度会降低，不能监测到实际的理想数据，因此要选择合适的天气情况；当天如有爆破作业时，优先安排监测爆破后粉尘浓度；当爆破作业的当天有降水情况时，虽然原则上不进行粉尘浓度的监测，但是需要携带监测仪器随时待命，一旦降水停止，可以随时监测爆破后粉尘浓度；在监测期间如果没有进行爆破作业，则只需要监测其他待测项目。

4 粉尘浓度现场监测方案

4.1 监测方法确定

针对粉尘浓度监测的方法，从技术的角度分析，取样法和非取样法都是可行的两种方法。取样法是国标认可的监测方法，称重法、微量振荡天平法、β 射线吸收法是取样法中常见的方法。称重法有较大的人工误差，从本质上来看，称重法测得的结果是一段时间范围内的平均值，对于瞬时变化较大的粉尘浓度测量就不适宜，比如爆破、车辆等粉尘浓度。β 射线吸收法能够用在实时监测方法中，计算速度快，并且精确度很高，缺点时价格较高，以一个测量点的价格在20 万左右进行计算，如果需要监测30 个点，监测设备的投资就高达600 万，还不包括建网所需的服务器等，因此若采用该方法进行大规模布网则需要巨大投资。另外微量震荡天平价格更高，投资更大[3]。

而非取样法中包含有激光衰减法、激光散射法、激光监测等，其中激光监测是以激光测量理论为基础，并且已经能够做到实时在线监测。激光监测法得到的数据，其精度还不如称重法测得的数据，但是已经能够满足监测需求。并且其优点是数据处理较快，对于爆破等粉尘浓度瞬时变化较大的尘源，能够实时的计算各时刻的粉尘浓度，同时所需设备的价格较低，进行组网监测的成本不高。

通过以上分析，粉尘浓度监测方法采用取样法和非取样法相结合的方法，综合β 射线吸收法和激光监测法的优势，以β 射线法得到的数据为基准，同时对激光法的监测数据进行修订。

4.2 监测仪器确定

粉尘浓度监测仪的型号较多，需要进行选型；此外在进行粉尘浓度监测时，还需要配套风速风向仪、温度湿度计等小设备。

β 射线粉尘浓度监测仪和手持式激光粉尘浓度监测仪是两种常见的粉尘浓度监测仪，优缺点互补，一种是国家标准认可的监测方式，一种不是国家标准认可的监测方法。β 射线粉尘浓度监测仪的监测结果数据精度高，能够自动连续自动监测湿度和温度等数据，缺点是造价高，需要电源，且不易移设。而手持式激光粉尘浓度监测仪的监测结果精度略低，但是可装电池，能独立监测，容易移设，价格便宜，能够达到布网条件。

因此针对煤矿粉尘浓度现场监测，结合实际需求和成本上的考虑，采用1 台β 射线粉尘浓度监测仪和若干台激光粉尘浓度监测仪组合的方式。即在同一个现场监测点布置1 台β 射线粉尘浓度监测仪和1台激光粉尘浓度监测仪，以国标认可的β 射线粉尘浓度监测仪的数据为基准，对比两者误差，同时用激光粉尘浓度监测仪进行布网，建立在线监测系统。

4.3 监测点位布置

根据监测点的实际情况以及起尘的特点，监测点的布置方式有密集和稀疏两种方案，如图1 所示。

图1 煤矿粉尘浓度监测点布置原理示意图

爆破粉尘浓度监测需要按点尘源类型布置监测点，而按照网格法布置监测点的方法用来监测整个矿区粉尘的扩散对周边环境影响。监测点测量得到的爆破或道路的起尘浓度并不是由一个尘源点引起，而是由露天煤矿内多个尘源点生成的粉尘相互混合后的结果，因此不能独立的考虑某一个独立的监测点的数据，需要将单个监测点的数据放在露天煤矿整体环境中进行考虑，因此在露天矿坑内的其它位置，也需要有监测点来监测粉尘浓度[4]。综上，全矿的粉尘浓度监测点布置方式采用密集和稀疏两种方式，即在主要的尘源点的区域采用密集布置的方式，比如道路、爆破等区域，而其它位置则采用相对稀疏的方式，间距一般采用1 000 m。以上方法可以确定监测点的大概位置，同时还要结合矿坑内的尘源具体位置来决定具体的布置位置。

以哈尔乌素露天煤矿为例，首先对整个矿区的主要尘源点和矿区周边的地形地貌进行现场勘查，在此基础上，结合具体尘源设备的作业位置，考虑实际布点的可行性和必要性，确定了粉尘浓度监测点布置点位，并用GPS 进行标定，形成了具体的粉尘浓度监测点位，如第185 页图2 所示。图中的实心圆、空心圆和五角星分别代表的是三类监测点，实心圆监测点的区域用来监测工作帮、中间桥、端帮、内排土场等这些远离具体尘源区域的粉尘浓度，空心圆监测点的区域用来监测卡车、钻机、电铲等在矿坑内作业的大型设备周边的粉尘浓度，五角星监测点的区域相对偏远，布置在矿坑周边，作为矿坑内粉尘浓度的背景值[5]。

图2 哈尔乌素矿现场粉尘浓度监测点布置

5 结论

粉尘污染对作业人员的健康安全、设备的正常运行都会造成严重的影响，甚至还能引发安全事故。选定对人体健康的威胁最大的PM2.5和PM10作为重要的监测对象，重点监测露天矿周边、主要粉尘源周边、矿坑内并且远离粉尘源等位置的粉尘浓度，从精度和成本等方面考虑，采用1 台β 射线粉尘浓度监测仪和若干台激光粉尘浓度监测仪相结合的方式，完成煤矿粉尘浓度现场监测。该研究有利于掌握煤矿粉尘的分布和运移规律，为进一步对露天矿除尘降尘具有实际的指导意义。