平頂山市矸石山揚塵基礎排放量研究

劉寶平

(平頂山市綜合利用環(huán)境保護研究所，河南 平頂山 467099)

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平頂山市矸石山揚塵基礎排放量研究

劉寶平

(平頂山市綜合利用環(huán)境保護研究所，河南 平頂山 467099)

利用實測空氣顆粒物數(shù)據(jù)和顆粒物體源擴散模式測算揚塵實際排放強度，修正矸石山風洞模擬揚塵擴散模式參數(shù)，確定平頂山市矸石山揚塵基礎排放量。

矸石山揚塵；顆粒物體源擴散模式；風洞模擬揚塵擴散模式；揚塵基礎排放量

平頂山市的煤炭開采和利用，給平頂山的大氣環(huán)境帶來了較重的污染。平頂山市是全國113個大氣污染防治重點城市之一，空氣中主要污染物是可吸入顆粒物。平頂山市空氣中的顆粒物主要來源于燃煤、揚塵、機動車排放。其中，遍布平頂山市區(qū)周邊大大小小的矸石山，因風化產(chǎn)生的矸石山揚塵是平頂山市大氣中顆粒物的一個重要來源。

矸石山風化揚塵排放量直接影響城市大氣環(huán)境中PM10、PM2.5含量，平頂山市綜合利用環(huán)境保護研究所在平頂山市環(huán)境監(jiān)測中心站、中國平煤神馬集團環(huán)保處、中國平煤神馬集團環(huán)保監(jiān)測站的配合下，對本地區(qū)矸石山基本情況、氣象數(shù)據(jù)進行了調(diào)查，對典型矸石山的理化指標、排塵濃度進行了監(jiān)測，通過大氣顆粒物體源擴散模式對矸石山風蝕揚塵排放強度進行了推算，并對 “錐形矸石山”風洞模擬試驗擴散模式矸石山風蝕揚塵排放強度計算參數(shù)進行了修正，確定了平頂山地區(qū)矸石山風蝕揚塵的基礎排放量。

1 平頂山市矸石山的基本情況

1.1 煤矸石來源及產(chǎn)生情況

平頂山地區(qū)煤矸石主要來源于建井(45%)、采煤(35%)、洗選(20%)三個環(huán)節(jié)。目前，平頂山市區(qū)周邊共有16座主要矸石山，煤矸石積存量1 279萬t，每年新排矸石135.1萬t。這些煤矸石，有的是在煤礦建井時期堆存的，有的是在礦井擴建時期堆存的，但大多數(shù)是在煤礦生產(chǎn)過程中排放的。它們主要分布在工業(yè)廣場附近，形狀呈近似圓錐體，底面積900～340 000 m2,高度10～200 m。

1.2 煤矸石的組成

平頂山地區(qū)煤矸石化學成分(不考慮洗煤廠排放的煤矸石)主要為SiO2和Al2O3，二者平均含量之和達65.64%，次要化學成分為CaO和 MgO，二者平均含量之和達9.43%，其它成分約占4.8%。

平頂山地區(qū)煤矸石的主要組成礦物為黏土礦物和石英。高嶺石和伊利石這兩種黏土礦物含量之和為54.02%～66.93%，居主要地位;石英的平均含量為15.50%～18.85%，占次要地位。

1.3 煤矸石顆粒含量及物理指標

平頂山地區(qū)矸石山表層樣品中，粒徑小于200 μm的矸石顆粒(可形成空氣揚塵)平均含量為1.64%，密度0.956 g/cm3，水分含量2.08%,粒徑小于100 μm的矸石顆粒(可形成空氣總懸浮顆粒物)平均含量為0.51%，密度0.770 g/cm3，水分含量2.10%。平頂山地區(qū)矸石山表層細顆粒物含量隨粒徑變小而減少，密度隨粒徑變小而降低，水分含量隨粒徑變化不大。平頂山市周邊矸石山排放利用情況及矸石山表層樣品監(jiān)測結(jié)果見表1和表2。

表1 平頂山市周邊矸石山排放利用情況調(diào)查匯總表

表2 平頂山市矸石山表層樣品監(jiān)測結(jié)果匯總表

2 矸石山揚塵排放強度測算

為研究矸石山風蝕揚塵量的實際排放情況，對典型矸石山在不同風速下的排塵量(總懸浮顆粒物)進行了實際監(jiān)測。按照《煤炭工業(yè)污染物排放標準》(GB20426-2006)、《大氣污染物無組織排放監(jiān)測技術導則》(HJ/T55-2000)和《環(huán)境空氣 總懸浮顆粒物的測定 重量法》(GB-T15432-1995)的有關規(guī)定,在監(jiān)測現(xiàn)場即時記錄了風向、風速、氣溫、氣壓、濕度、低云量、高云量等原始參數(shù)，在矸石山主導風向的上風向、矸石山邊界、下風向及下風向兩側(cè)分別設點同時監(jiān)測不同風速下的總懸浮顆粒物濃度，具體監(jiān)測結(jié)果見表3。

表3 矸石山風動起塵研究監(jiān)測結(jié)果 mg/m3

根據(jù)國家環(huán)保部頒布的《環(huán)境影響評價導則—大氣環(huán)境》(HJ/T2.2-93)中的顆粒物體源擴散模式,利用矸石山揚塵實際監(jiān)測濃度，對顆粒物體源擴散模式進行逆推算，得出矸石山單位時間的揚塵排放強度。具體推算結(jié)果見表4。

式中：CP為地面濃度，mg/m3；Q為單位時間排塵量, mg/s;a為塵粒子的地面反射系數(shù)，其取值見表2；u為風速，m/s;He為排塵有效高度；σy，σz為體源在y和Z方向的邊長；X為下風向距離；Y為水平面軸向垂直距離；ay為體源在Y在方向的長度；aZ為體源在Z在方向的高度；a1為橫向擴散參數(shù)回歸指數(shù)；a2為鉛直擴散參數(shù)回歸指數(shù)；r1為橫向擴散參數(shù)回歸系數(shù)；r2為鉛直擴散參數(shù)回歸系數(shù)；Vg為粒子沉降速度。

Vg=(d2ρg) /(18μ)

式中：d、ρ為分別為塵粒子的直徑和密度；g為重力加速度；μ為空氣動力黏性系數(shù)。

表4 平頂山地區(qū)特征矸石山揚塵排放強度 mg/s

取不同粒徑、大于起塵風速段的排放強度進行平均，以平均值代表矸石山楊塵的實際排放強度，反映平頂山地區(qū)矸石山風蝕揚塵的實際排放情況。經(jīng)計算，平頂山地區(qū)矸石山風蝕揚塵的實際排放強度為33 745 mg/s。

由平頂山市相關氣象參數(shù)可知,平頂山市全年雨雪天數(shù)平均為113 d，起塵時間為21 772 800 s/a，結(jié)合矸石山表面積、綠化面積和實際排放強度，可得出矸石山單位面積風蝕揚塵年排放量實際推算結(jié)果為11.62 kg。

3 平頂山市矸石山揚塵排放量計算公式修正及基礎排放量的確定

平頂山市矸石山揚塵量計算模式采用山西平朔露天礦礦區(qū)對“錐形矸石山”風洞模擬試驗的擴散模式，其表達式為：

Q年=λ2Q1

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

對于實際矸石山而言，年起塵量推算式為：

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

式中：λ為實際矸石堆和試驗矸石堆的縮尺比；A為有效年起塵時間(s/a)；B為風速風頻修正系數(shù)；w為矸石堆表面含水率(%)V0為矸石山揚塵的起塵風速(m/s);V為矸石山的年平均起塵風速(m/s)。

V=V10(H/10)n

式中：V10為10 m高度處年平均起塵風速(m/s)；H為矸石山平均高度(m)；n為各穩(wěn)定度下風速廓線冪指數(shù)加權平均值。

根據(jù)平頂山市氣象局提供的相關氣象數(shù)據(jù)及平頂山市周邊主要矸石山調(diào)查分析結(jié)果，經(jīng)計算各參數(shù)為：A=21 772 800 s/a；B=0.065 6；W=2.10% (外加灑水量為0，自然干燥狀態(tài)下);V=8.315 m/s。

利用實際監(jiān)測推算結(jié)果對矸石山揚塵排放理論計算模式進行修訂，重新計算該模式的修正系數(shù)，得到修正后的平頂山地區(qū)矸石山風蝕揚塵排強度的計算公式為：

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

(1)

利用式(1)計算平頂山市周邊矸石山的年起塵量如表5所示。

表5 平頂山市周邊矸石山年起塵量匯總表

由表5可知，平頂山市區(qū)周邊主要矸石山矸石堆存量為1 279萬t，矸石山表面積583 802 m2，在不灑水的自然干燥狀態(tài)下，年矸石風化揚塵理論排放量為6 722.4 t，矸石山表面積583 802 m2，在不灑水的自然干燥狀態(tài)下，單位面積揚塵年基礎排放量為11.51 kg/(a·m2)。

[1]平頂山煤業(yè)集團,焦作工學院.平煤集團煤矸石綜合利用技術可行性研究[R].2003.

[2]國家環(huán)境保護總局環(huán)境工程評估中心.環(huán)境影響評價技術方法[M].北京：中國環(huán)境科學出版社，2007.

[2]GB20426-2006.煤炭工業(yè)污染物排放標準[S].

[3]HJ/T55-2000. 大氣污染物無組織排放監(jiān)測技術導則[S].

[4]劉寶平.矸石山風能揚塵起風速確定研究[J].河南城建學院學報，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

劉寶平(1969-)，男，河南許昌人，工程師。

1674-7046(2015)02-0064-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.02.014

X513

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