關于露天煤礦粉塵擴散模擬與分析

曹文潔

(水利部新疆水利水電勘測設計研究院環(huán)境影響評價所，新疆烏魯木齊 830000)

1 引言

露天煤礦粉塵量估算難點在于源強種類多，面積大，分布廣，且為無組織排放，源強位置及排放量均不好控制和預測［1］。本文煤礦由A、B、C、D、E 五個煤礦組成，地處荒漠區(qū)，常年干旱少雨，自然條件惡劣，且礦區(qū)為露天開采，揚塵情況較嚴重。

2 源強估算

本次模擬污染源的原始數(shù)據(jù)由企業(yè)調查提供，如“環(huán)境監(jiān)測站的檢驗報告”、“企業(yè)生態(tài)環(huán)境建設治理工作報告”以及礦區(qū)規(guī)劃、現(xiàn)場監(jiān)測等。以這些為基礎數(shù)據(jù)，研究相關文獻，選擇合適的方法推算礦區(qū)各個流程的粉塵源強，為下一步的濃度模擬提供數(shù)據(jù)基礎。

露天煤礦粉塵污染源主要來自:礦坑采煤產(chǎn)塵、礦坑爆破產(chǎn)塵、煤炭運輸?shù)缆樊a(chǎn)塵、排土場堆煤場產(chǎn)產(chǎn)塵。

2.1 礦坑采煤產(chǎn)塵源強估算

在模擬無組織的污染源排放量時，目前，國內外的專家學者均利用高斯反推模型。

(1)箱模型原理:箱模型是以質量輸入/輸出這樣的模式上建立起來的，它主要受到了動力和熱力因子的影響，時常被用于閉合的地形條件下和預測城市下墊面大氣污染物的濃度變化情況［2］。箱模型還充分得想到了干沉積、濕沉積、還有化學轉化等作用對污染物的濃度所產(chǎn)生的影響［3］。這類計算對無組織污染面源中的長期污染物，對大氣中濃度值的貢獻率，具有一定的好處。其機理如下:

式中字母意義是，Q去除為子箱體中因為化學或物理作用，去除的污染物總質量。Q出為流出子箱體的污染物總質量，Q進為流入子箱體內的污染物總質量［3］。

(2)本應用中箱模型實現(xiàn)的形式:利用箱模型模擬露天煤礦礦坑的無組織大氣污染源。本次模擬一共建立了兩個子箱體，箱體1 號應包含煤礦礦坑本身，即無組織污染源，2 號箱體位于1 號箱體的下風向處，其作用是承接1 號箱體隨風傳遞的污染物。

平衡方程，如式(2)和(3)。

箱體1 號:

式中字母意義:C1為為箱體1 號中的粉塵含量平均濃度(mg/m3)，用監(jiān)測濃度值表示;C2為箱體2 號中的粉塵含量平均濃度(mg/m3)，用監(jiān)測濃度值表示;Ei—為箱體i 號豎直方向的擴撒參數(shù)(m2/s)，σZ豎直擴散參數(shù)，計算方法依照《環(huán)境影響評價技術導則 大氣環(huán)境》(HJ/T2.2－93)附錄B;為箱體i 號橫風方向的擴撒參數(shù)(m2/s)橫向擴散參數(shù)計算方法依照《環(huán)境影響評價技術導則 大氣環(huán)境》(HJ/T2.2－93)附錄B;h 為箱體的高度(m);W 為為箱體的寬度(m)，應該包括礦坑的無組織排放源，由于無組織排放源的寬度不等同于礦坑的寬度，所以可用其初始化橫向擴撒參數(shù)，是W=σ0=LY/4，Ly為無組織源在Y 方向的長度;Vg為干沉積速度(m/s)，用Stocks 沉降公式進行計算，即其中:g 取9.81m/s2;μ 是空氣的黏度(取0.18228 ×10－5Pa* s)，ρ 是空氣的密度(取1.206kg/m3)，dp是含重金屬顆粒的平均粒徑(m)，ρp是顆粒物的真密度(kg/m3)。U 為平均風速(m/s);Li為i 號箱體的長度(m);Q 為箱體1號中粉塵的排放源強(mg/s):

反推(2)、(3)式得出如下公式:

利用上述兩式將其代入實際監(jiān)測值C2以及計算、測量出的數(shù)據(jù)中后，即可推算出無組織粉塵源的排放源強Q。經(jīng)過計算得到如表1 的源強位置及排放量。

表1 面源輸入文件的相關參數(shù)

2.2 礦坑爆破產(chǎn)塵源強估算

在露天礦采煤時，利用爆破使煤層松動出露，回使地表土層釋放出大量的煤炭粉塵和灰塵。爆破粉塵的污染源可歸為空間源，這是由于在沖擊運動下，粉塵在爆破的一瞬間會被拋向到大氣環(huán)境中。在露天采場中，煤炭爆堆面積不過幾百平方米，然而采場真正的范圍為幾平方公里到幾十平方公里，所以，這類爆破粉塵的污染源可作為瞬間點源。在煤礦安全指標和環(huán)境指標中，監(jiān)測指標之一就是爆破粉塵的排放強度，如果爆破產(chǎn)生的粉塵量越大則對周邊環(huán)境的危害性越大。

消耗單位重量的炸藥排放強度放量如下［4］:

通過以上分析可以看出，應變法實測是等效于加載點的載荷，包括實際飛行中作用于起落架上的外載荷和起落架系統(tǒng)本身的慣性載荷，即作用于起落架加載點的結構載荷。

式中:A—一次爆破炸藥用量，t;

B—爆破粉塵排放強度，kg/t。

在露天礦內，一次爆破用炸藥量一般都是幾噸到幾十噸，這樣反推排放強度是B=54.2kg/t，如炸藥量是10t 的時候，粉塵的排放量是542kg，當炸藥量是50t時，粉塵的排放量是2710kg，由此可以看出，爆破粉塵可導致露天煤礦采場自身及周邊的空氣含塵量嚴重超標，造成采場周邊的大氣質量下降。

通過對各煤礦炸藥使用情況的調查及公式計算，得到爆破時瞬時面源的源強情況如下表2，其中因為冬季煤礦不進行爆破作業(yè)，所以1月各煤礦的瞬時源強不計。

表2 瞬時面源輸入文件的相關參數(shù)

2.3 煤炭運輸?shù)缆樊a(chǎn)塵

煤炭在運輸過程中，道路上往往積有較厚的粉塵，運輸汽車往往重達40～50t 甚至更多，在運輸汽車行駛的過程中會帶起大量揚塵，所以道路運輸產(chǎn)塵也是露天煤礦塵源的一個重要方面。

汽車在有散狀物料的道路上行駛，揚塵量估算采用上海港環(huán)境保護中心和武漢水運工程學院提出的經(jīng)驗公式［5］:

式中:Q 為汽車行駛的起塵量(kg/輛);V 為汽車行駛速度(km/h);M 為汽車載重量(t);P 為道路表面物料量(kg/m2);L 為道路長度(km)。

通過對各煤礦及其之間的道路位置、長度、寬度及道路表面物料量的調查和分析得下表3，由此得到汽車行駛過程中線面源的源強情況。

2.4 煤堆、排土場產(chǎn)塵

式中:P 為煤場年累計堆煤量，t/a;W 為粉塵表面含水率，%;U0為粉塵的啟動風速，m/s，取3.0m/s;U 為煤場平均風速，m/s;K 為經(jīng)驗系數(shù)，是煤含水量的函數(shù)，取K=0.96;Qp為煤堆起塵量，kg/a。

表3 線面源輸入文件的相關參數(shù)

計算排土場的起塵量采用日本三菱重工業(yè)公司的長崎研究所得出的計算公式［5］:

式中:β 為經(jīng)驗系數(shù)，8.0 ×10－3;Ap為煤場的面積，m2;U 為煤場平均風速，取鶴山市平均風速2.1m/s;Qp為起塵量，mg/s;w 為煤的含水率，取6%。

通過對各煤礦的排土場、堆煤場的測量計算得到粉塵源強體源的大小如下表4。

3 模擬方案

濃度模擬使用大氣模型軟件CALPUFF，以礦區(qū)為中心，模擬范圍40km ×40km，網(wǎng)格格距0.5km，格點數(shù)為80 ×80。

考慮到礦區(qū)一年四季的開采強度不同，故在春、夏、秋、冬、四季各選一個代表月模擬礦區(qū)的粉塵擴散情況，并且多取上月一天時間的計算結果作為預處理場，對當月30 天時間選取逐日逐時數(shù)據(jù)，進行粉塵擴散的時間序列分析。濃度模擬時間選擇如表5。

表4 體源輸入文件相關參數(shù)

4 成果分析

對模型模擬的PM10濃度值和監(jiān)測值的對比，能更好的證明源強估算方法的準確性。礦區(qū)中，總共有5 個環(huán)境空氣監(jiān)測中心:①D 辦公樓前(辦公區(qū));②D 電廠(生產(chǎn)區(qū));③C 采坑(生產(chǎn)區(qū));④A 篩分場(生產(chǎn)區(qū));⑤E 礦業(yè)辦公區(qū)(辦公區(qū))。

表5 濃度模擬時間

表6 模擬與監(jiān)測相關統(tǒng)計變量

通過觀察圖1 至圖5 及表6 發(fā)現(xiàn):

(1)各監(jiān)測點模擬值和監(jiān)測值對比，兩者的趨勢性很好，二者濃度變化大致相同。

(2)在夏天，模擬值超出監(jiān)測值0.4～1.2 倍;在冬天，監(jiān)測值大概為模擬值的0.7～1.1 倍。出現(xiàn)這種關系是因為，在本文中，是使用了全年平均法來處理排放源的速率的。

(3)監(jiān)測和模擬值的相似系數(shù)在0.82 左右，礦區(qū)平均濃度的最高相似性系數(shù)值為0.88。

(4)綜上所述，所選源強計算公式能較好的模擬礦區(qū)粉塵在氣象及地形條件作用下，在礦區(qū)地面的濃度分布情況。

圖1 D 辦公樓前PM10監(jiān)測值和模擬值對比

圖2 D 電廠PM10監(jiān)測值和模擬值對比

圖3 A 篩分場PM10監(jiān)測值和模擬值對比

圖4 E 礦業(yè)辦公區(qū)PM10監(jiān)測值和模擬值對比

圖5 C 采坑PM10監(jiān)測值和模擬值對比

［1］高峰．草原區(qū)露天煤礦大氣環(huán)境影響后評以神華勝利一號露天礦為例［D］．內蒙古大學，2011:33－52．

［2］吳麗芳．北京市大氣PM10及SO2 環(huán)境容量與達標消減規(guī)劃研究［D］．北京工業(yè)大學，2006:21－23．

［3］吳轉璋．合肥市大氣環(huán)境質量評價及預測模式研究［D］．合肥工業(yè)大學，2007:22－31．

［4］張興凱，李懷宇．露天礦爆破粉塵排放量的計算分析［J］．金屬礦山，1996(3):20－25．

［5］王棟成，林國棟，徐宗波．大氣環(huán)境影響評價實用技術［M］．北京:中國標準出版社，2010(5):24－39．