全尾砂固結(jié)體揚(yáng)塵性能測(cè)試試驗(yàn)

王榮軍，董平波，侯運(yùn)炳

(1.五礦邯邢礦業(yè)有限公司北洺河鐵礦， 河北 邯鄲市 056000; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加深，揚(yáng)塵問(wèn)題日趨嚴(yán)重，揚(yáng)塵污染不僅造成大量資源損失，還危及環(huán)境和人體健康[1]。關(guān)于礦山揚(yáng)塵污染問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們進(jìn)行了許多研究。劉琴[2]為預(yù)測(cè)鐵礦砂在堆放和裝卸過(guò)程中的粉塵污染情況，在風(fēng)洞中進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，得到了鐵礦砂堆垛起塵后降塵擴(kuò)散情況及裝卸起塵量與風(fēng)速的關(guān)系。陳景序[3]進(jìn)行了煤堆起塵特性試驗(yàn)研究，利用自制試驗(yàn)裝置進(jìn)行模擬試驗(yàn)，對(duì)不同風(fēng)速下煤堆起塵情況進(jìn)行研究，探究了煤堆起塵特性與風(fēng)速間的關(guān)系。劉琛[4]運(yùn)用流體力學(xué)基本理論，以山谷型鐵礦尾礦庫(kù)為研究對(duì)象，構(gòu)建尾礦庫(kù)揚(yáng)塵污染災(zāi)害影響因素指標(biāo)體系，分析表征揚(yáng)塵污染災(zāi)害的特征因子，建立尾礦庫(kù)揚(yáng)塵污染數(shù)值模型，實(shí)現(xiàn)揚(yáng)塵污染監(jiān)測(cè)網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行可視化研究。朱曙光等[5]對(duì)某鐵礦尾礦庫(kù)尾砂樣進(jìn)行了揚(yáng)塵試驗(yàn)研究，分析了風(fēng)速、含水率與起塵量之間的關(guān)系。劉一臻等[6]從揚(yáng)塵的產(chǎn)生和擴(kuò)散兩個(gè)方面對(duì)露天礦運(yùn)輸路面揚(yáng)塵污染問(wèn)題進(jìn)行了歸納，通過(guò)對(duì)氣象數(shù)據(jù)和相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，針對(duì)不同環(huán)境需求提供了相應(yīng)解決思路。魯文岐等[7]通過(guò)對(duì)某露天礦運(yùn)輸過(guò)程中粉塵質(zhì)量濃度和粒徑分布的監(jiān)測(cè)，研究了卡車(chē)運(yùn)輸過(guò)程中PM2.5和PM10粉塵質(zhì)量濃度的變化規(guī)律及各自占比，研究結(jié)果表明重車(chē)行駛時(shí)粉塵量普遍大于空車(chē)行駛時(shí)。文獻(xiàn)[8-9]分析了YCH抑塵劑、Resinator化學(xué)抑制劑、常規(guī)鹵化物和高分子材料等化學(xué)抑塵劑對(duì)礦山運(yùn)輸?shù)缆仿访鎿P(yáng)塵的防治機(jī)理及效果。

北洺河鐵礦擬開(kāi)展塌陷區(qū)全尾砂固結(jié)堆排項(xiàng)目，該方案需將來(lái)自選廠的全尾砂漿添加少量膠凝材料，混合后用壓濾機(jī)將物料壓縮成含水率約為20%的濾餅，并將濾餅運(yùn)輸至塌陷區(qū)堆排放置于自然狀態(tài)下，濾餅通過(guò)汽車(chē)運(yùn)輸?shù)剿輩^(qū)的過(guò)程中會(huì)因鏟運(yùn)和卸載而使濾餅破碎成碎散的小塊，本文通過(guò)模擬試驗(yàn)測(cè)試濾餅運(yùn)輸和堆存過(guò)程中碎散體揚(yáng)塵的情況，探究將尾砂添加少量水泥固結(jié)后，在運(yùn)輸和堆排的過(guò)程中產(chǎn)生空氣揚(yáng)塵的情況，確定能否滿(mǎn)足環(huán)保要求。

1 試驗(yàn)器材

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)以北洺河鐵礦全尾砂和普通硅酸鹽水泥為原材料，按照料漿質(zhì)量濃度分別為78%和80%，水泥添加量分別為1%、2%、3%和5%的配比制備試塊，將試塊置于實(shí)驗(yàn)室自然環(huán)境下（溫度20℃左右，濕度30%左右）進(jìn)行養(yǎng)護(hù)形成尾砂固結(jié)體，待養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到7 d或28 d后，模擬鏟運(yùn)和裝卸過(guò)程將其破碎小塊，取試塊碎散體為試驗(yàn)材料進(jìn)行揚(yáng)塵性能測(cè)試（見(jiàn)圖1）。

圖1 尾砂固結(jié)體揚(yáng)塵測(cè)試試樣

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)主要儀器儀表包括風(fēng)洞試驗(yàn)筒（直徑Ф20 cm、長(zhǎng)度1.5 m）、風(fēng)機(jī)、塵埃粒子計(jì)數(shù)器（粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)儀）、熱敏式風(fēng)速儀。試驗(yàn)裝置由這些儀器所組成，試驗(yàn)裝置原理見(jiàn)圖2。

圖2 揚(yáng)塵測(cè)試裝置

2 揚(yáng)塵測(cè)試試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

在測(cè)試強(qiáng)度完成后將養(yǎng)護(hù)7 d和28 d的試塊碎散體進(jìn)行揚(yáng)程測(cè)試。試驗(yàn)采用Ф20 cm、長(zhǎng)度1.5 m的風(fēng)洞試驗(yàn)筒作為測(cè)試環(huán)境，從風(fēng)筒一側(cè)用風(fēng)機(jī)進(jìn)行吹風(fēng)，并根據(jù)風(fēng)速儀顯示調(diào)整好風(fēng)速范圍，熱敏式風(fēng)速儀從風(fēng)筒上部插入筒內(nèi)，風(fēng)速感應(yīng)元件靠近所需測(cè)試部分，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)時(shí)的風(fēng)速，在風(fēng)筒另一端距離出口不遠(yuǎn)處安裝粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)儀，以測(cè)量環(huán)境中的粉塵質(zhì)量濃度（PM2.5和PM10），并 對(duì)測(cè)試前后的試塊進(jìn)行稱(chēng)重，以計(jì)算質(zhì)量損失率。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)前需在不開(kāi)啟風(fēng)機(jī)的情況下對(duì)測(cè)試風(fēng)筒中的粉塵質(zhì)量濃度值進(jìn)行測(cè)試，以該值作為測(cè)試環(huán)境粉塵質(zhì)量濃度值，并以實(shí)測(cè)粉塵質(zhì)量濃度值減去測(cè)試環(huán)境中粉塵質(zhì)量濃度的凈值作為衡量尾砂固結(jié)體產(chǎn)生揚(yáng)塵的情況。

查閱網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可知，北洺河鐵礦所屬地邯鄲市年平均風(fēng)速基本都在6 m/s及以下，根據(jù)風(fēng)力等級(jí)及其對(duì)應(yīng)的陸地地面物征象描述（見(jiàn)表1），試驗(yàn)設(shè)計(jì)風(fēng)力采用4級(jí)風(fēng)所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速范圍進(jìn)行揚(yáng)程監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)時(shí)將風(fēng)速定為6 m/s。

表1 風(fēng)力等級(jí)劃分

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)料漿質(zhì)量濃度和水泥添加量對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行編號(hào)，例如料漿質(zhì)量濃度為78%，水泥添加量2%編號(hào)為78-2，其余試驗(yàn)編號(hào)依次類(lèi)推，共計(jì)8個(gè)編號(hào)。每個(gè)編號(hào)試驗(yàn)測(cè)試7 d和28 d揚(yáng)塵情況，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表2 養(yǎng)護(hù)7 d揚(yáng)塵測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 養(yǎng)護(hù)28 d揚(yáng)塵測(cè)試數(shù)據(jù)

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，測(cè)試環(huán)境中污染顆粒物指標(biāo)（PM2.5和PM10）質(zhì)量濃度越大，實(shí)際測(cè)量的污染指標(biāo)數(shù)值也就越大，為了排除測(cè)試環(huán)境中PM2.5和PM10對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，單獨(dú)分析尾砂固結(jié)體的起塵性能，以PM2.5和PM10凈值作為分析對(duì)象，對(duì)尾砂固結(jié)體的起塵特性進(jìn)行分析。

2.3.1 質(zhì)量損失率

在試驗(yàn)風(fēng)速和吹風(fēng)時(shí)間相同的條件下，測(cè)試尾砂固結(jié)試樣質(zhì)量損失的大小，并計(jì)算出質(zhì)量損失率，因損失的質(zhì)量就是起塵量，故質(zhì)量損失率即為起塵率。

從表2、表3中數(shù)據(jù)可知，養(yǎng)護(hù)7 d，料漿質(zhì)量濃度為78%和80%的質(zhì)量損失率平均值分別為0.268%和0.298%；養(yǎng)護(hù)28 d，料漿質(zhì)量濃度為78%和80%的質(zhì)量損失率平均值分別為0.249%和0.236%；隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，平均質(zhì)量損失率有所減少，這是因?yàn)殡S著時(shí)間的增加，水泥水化反應(yīng)進(jìn)行得更徹底，水化反應(yīng)生成的鈣礬石和C-S-H凝膠將粒徑較小的尾砂顆粒凝結(jié)成更大的顆粒，從而使全尾砂固結(jié)體在吹風(fēng)時(shí)揚(yáng)塵量相對(duì)降低[10]。

從質(zhì)量損失率來(lái)看，所有測(cè)量值中質(zhì)量損失率的最大值為0.363%，該值遠(yuǎn)小于全尾砂中粒徑小于10 μm的含量，甚至沒(méi)有全尾砂中粒徑小于2.5 μm的含量多，可見(jiàn)，添加水泥對(duì)全尾砂進(jìn)行固結(jié)可以明顯降低污染顆粒的含量，防止尾砂中粒徑較小的顆粒被風(fēng)大量吹起，造成空氣揚(yáng)塵，污染大氣環(huán)境。

2.3.2 PM2.5和PM10濃度

在水泥添加量、料漿質(zhì)量濃度和養(yǎng)護(hù)齡期等都不同的情況下，PM10凈值普遍比PM2.5凈值要大，這可能與尾砂粒徑分布有關(guān)，從尾砂粒徑分析結(jié)果中可以看出，全尾砂中粒徑小于2.5 μm的含量不足1%，而粒徑小于10 μm的含量接近4%（見(jiàn)圖3）。

圖3 尾砂粒徑分布

從PM2.5和PM10凈值數(shù)據(jù)來(lái)看，與料漿質(zhì)量濃度、水泥添加量、尾砂固結(jié)體養(yǎng)護(hù)時(shí)間之間并無(wú)明顯規(guī)律，試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為離散，但是試驗(yàn)時(shí)各組數(shù)據(jù)值都小于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）中質(zhì)量濃度限值的2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)24 h平均值，且比該值小很多，說(shuō)明尾砂固結(jié)體產(chǎn)生的揚(yáng)塵中污染顆粒物質(zhì)量濃度遠(yuǎn)小于環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，符合環(huán)保要求（見(jiàn)表4）。

表4 環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3095—2012）

實(shí)測(cè)PM2.5和PM10值都普遍較高，這是因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)的外界環(huán)境為充填實(shí)驗(yàn)室，環(huán)境相對(duì)封閉，由于尾砂的堆存和使用，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室本身污染物質(zhì)量濃度較高，因此我們?cè)诳紤]將全尾砂添加少量水泥形成尾砂固結(jié)體后是否會(huì)造成環(huán)境污染時(shí)，應(yīng)該 根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境中污染顆粒物的質(zhì)量濃度加以判斷。

2.4 揚(yáng)塵影響因素理論分析

尾砂固結(jié)體濾餅散體揚(yáng)塵的產(chǎn)生原因復(fù)雜，裝卸、運(yùn)輸、堆存等環(huán)節(jié)均會(huì)導(dǎo)致?lián)P塵產(chǎn)生，其起塵量的大小受尾砂濾餅固結(jié)散體自身內(nèi)部因素和外界條件的影響，粒徑、含水率、風(fēng)速等都對(duì)揚(yáng)塵特性有影響。

相同物質(zhì)在同一種外界環(huán)境條件下顆粒的粒徑越大，起動(dòng)條件越高；粒徑越小越容易起動(dòng)，產(chǎn)塵量隨風(fēng)速的增加而增大。當(dāng)顆粒粒徑小于某一臨界值（直徑小于10 μm）時(shí)，在風(fēng)速較低時(shí)粉塵懸浮于空氣中。尾砂顆粒的運(yùn)動(dòng)與其含水率有很大的關(guān)聯(lián)，含水率越高，尾砂顆粒間的黏附性、濕潤(rùn)性就越強(qiáng)，導(dǎo)致起塵量減少；反之起塵量就越大。尾砂顆粒的含水量決定尾砂顆粒最小起動(dòng)風(fēng)速，以及起塵量的決定因素，同時(shí)含水量的增加可大規(guī)模減少揚(yáng)塵產(chǎn)生量，風(fēng)的流動(dòng)是粉塵運(yùn)動(dòng)的主要因素，風(fēng)速的大小決定了粉塵顆粒的揚(yáng)塵大小。

3 結(jié)論

（1）隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，水泥水化反應(yīng)進(jìn)行得更徹底，對(duì)全尾砂固結(jié)能力增強(qiáng)，平均適量損失率有所減小，全尾砂固結(jié)體在吹風(fēng)時(shí)揚(yáng)塵量相對(duì)較低。

（2）從質(zhì)量損失率來(lái)看，所有試驗(yàn)中質(zhì)量損失率值相對(duì)較小，這說(shuō)明添加水泥對(duì)全尾砂固結(jié)后再堆存到塌陷區(qū)的方式可以防止尾砂中粒徑較小的顆粒被風(fēng)大量吹起，造成空氣揚(yáng)塵，影響空氣 質(zhì)量。

（3）尾砂固結(jié)體產(chǎn)生的PM2.5和PM10凈值與料漿質(zhì)量濃度、水泥添加量、養(yǎng)護(hù)齡期之間并無(wú)明顯規(guī)律，但測(cè)試值都符合環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，還應(yīng)結(jié)合工作場(chǎng)所空氣污染顆粒物質(zhì)量濃度來(lái)判斷尾砂固結(jié)體的揚(yáng)塵是否會(huì)造成嚴(yán)重的空氣污染，從而確定將尾砂固結(jié)后排放是否滿(mǎn)足環(huán)保要求。