呂文偉，張 禹，楊 洋，閆文彬

（國家能源集團(tuán)準(zhǔn)能公司 哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

露天開采一直以來都是國內(nèi)外礦產(chǎn)資源開采的重要方式。2018 年國外產(chǎn)煤國家煤炭產(chǎn)量3 975.8 Mt，其中露天煤礦產(chǎn)量3 224.0 Mt，約占全部煤炭產(chǎn)量的81.1%；我國煤炭產(chǎn)量3 680.0 Mt，其中露天煤礦產(chǎn)量670.0 Mt，約占煤炭產(chǎn)量的18.2%[1]。隨著我國露天開采技術(shù)和工藝的不斷發(fā)展，未來露天礦的數(shù)量和產(chǎn)量必然會(huì)繼續(xù)增長，但是露天開采會(huì)嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境，主要造成土地破壞、大氣污染、水污染、噪聲污染等環(huán)境污染問題。其中，大氣污染主要是露天礦開采過程中，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的大量固體粉末飄散物，粉塵不僅造成采坑作業(yè)環(huán)境惡劣，導(dǎo)致視線不佳存在安全風(fēng)險(xiǎn)，還對生產(chǎn)現(xiàn)場作業(yè)人員身體健康造成巨大損害[2-6]。國內(nèi)諸多學(xué)者對露天礦粉塵分布和粉塵治理進(jìn)行了大量研究。王桂林[7]利用Fluent 數(shù)值模擬軟件研究坑底粉塵的時(shí)空分布特征，得出露天礦受地形影響，風(fēng)速內(nèi)低外高，具有水平和垂直環(huán)流特征，大部分粉塵先聚于水平環(huán)流區(qū)域，后進(jìn)入垂直環(huán)流層運(yùn)動(dòng)；羅懷廷等[8]選取北方干旱區(qū)域露天煤礦作為研究對象，設(shè)置粉塵監(jiān)測點(diǎn)對采場內(nèi)不同區(qū)域粉塵濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測，對濕度、溫度、風(fēng)速與粉塵濃度變化之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，指出低溫條件下濕度、溫度、溫差對粉塵濃度影響作用力逐步降低；劉宇等[9]針對露天礦采裝作業(yè)過程中產(chǎn)生大量粉塵的現(xiàn)象，制備并現(xiàn)場試驗(yàn)了不同濃度的抑塵劑，獲得了適用于采裝作業(yè)降塵的抑塵劑配置參數(shù)。綜合以上論述，對露天礦坑內(nèi)氣流狀態(tài)、粉塵分布和抑塵劑配置等方面進(jìn)行了詳細(xì)研究，但在粉塵形成機(jī)理和降塵設(shè)施設(shè)備并未進(jìn)行系統(tǒng)性研究。為此，結(jié)合露天礦生產(chǎn)特點(diǎn)及粉塵運(yùn)移規(guī)律，提出一種適用于露天礦的降塵方式，為同樣工況條件下的環(huán)境降塵提供了思路。

1 粉塵塵源分類

露天礦穿孔、爆破、采掘、運(yùn)輸、排棄等生產(chǎn)環(huán)節(jié)都采用機(jī)械設(shè)備，作業(yè)過程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，礦物露天開采勢必會(huì)破壞原始地表，將原本穩(wěn)定的地表巖土體損傷，受風(fēng)力牽引造成揚(yáng)塵。眾多研究結(jié)果表明：風(fēng)速3～4 m/s 以上時(shí)，在氣候干燥地區(qū)會(huì)造成揚(yáng)塵，風(fēng)速超過6 m/s 時(shí)，大部分地區(qū)會(huì)形成一定程度的揚(yáng)塵[10-13]。露天煤礦出露煤層自燃后受風(fēng)力擾動(dòng)后可形成煤灰揚(yáng)塵。露天煤礦開采范圍較廣，形成粉塵的方式和位置比較復(fù)雜。

1）按粉塵形成的主要因素可分為：天然和人為塵源。天然塵源是指在風(fēng)力等其他外力作用下形成的粉塵，人為塵源是指在生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)中形成的粉塵。

2）按形成的時(shí)間序列可分為：一次、二次和混合塵源。一次塵源是指自然條件下是粉塵的塵源；二次塵源是指一次塵源粉塵在處理后受各種擾動(dòng)再次形成揚(yáng)塵的塵源；混合塵源是指既有一次塵源粉塵，也有二次塵源粉塵的塵源。

3）按產(chǎn)生粉塵的作用機(jī)理分為：物理擾動(dòng)型和化學(xué)反應(yīng)型塵源。物理擾動(dòng)型塵源是指各種顆粒物在拉伸、剪切等多種應(yīng)力作用下產(chǎn)生破碎成為較小的顆粒物，經(jīng)風(fēng)力擾動(dòng)形成擾動(dòng)；化學(xué)反應(yīng)型是指煤層自燃、設(shè)備尾氣等各種氣體反應(yīng)生成的顆粒物，在不同溫度、濕度的條件下附著于其他顆粒物表面會(huì)形成危害性較大的污染物。

2 起塵機(jī)理

露天礦是相對開放復(fù)雜的作業(yè)空間，按照粉塵形成的物理化學(xué)機(jī)理分類進(jìn)行起塵機(jī)理分析是相對科學(xué)合理的。

1）物理擾動(dòng)類型。物理擾動(dòng)型塵源粉塵是有節(jié)理、裂隙的巖土體在剪切、拉伸、滑動(dòng)等外力作用下將大塊顆粒物破壞成小塊顆粒物，這種環(huán)境作用長期下去逐漸會(huì)形成受風(fēng)流擾動(dòng)的細(xì)小顆粒物，大量細(xì)小顆粒物隨風(fēng)飄散至礦坑各個(gè)區(qū)域[14-16]。較大的顆粒物隨風(fēng)流飄散距離有限，再次沉降受外力作用繼續(xù)形成更小粒徑的顆粒物，逐步飄散可移動(dòng)至坑外，較大顆粒物再次沉降，這種狀態(tài)周而復(fù)始，造成礦坑內(nèi)粉塵飄散。

2）化學(xué)反應(yīng)類型。化學(xué)反應(yīng)類型塵源粉塵主要來自于設(shè)備尾氣和煤層自燃的污染氣體[17-18]，這部分粉塵在自身化學(xué)性質(zhì)比較活躍的情況下會(huì)與其他粉塵產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)制造出新的粉塵。在陽光照射充足的地區(qū)，化學(xué)反應(yīng)型粉塵會(huì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，同樣會(huì)形成新型粉塵污染物。礦坑環(huán)境會(huì)形成渦流，底部粉塵長期聚集，不斷發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng)，可能會(huì)生產(chǎn)對人體危害較大的粉塵污染物，尤其是煤層區(qū)域。

3 粉塵運(yùn)移規(guī)律分析

以哈爾烏素露天煤礦為研究對象，采用可以模擬液滴、粉塵等微粒運(yùn)動(dòng)軌跡的Fluent 軟件進(jìn)行露天煤礦礦坑內(nèi)部粉塵運(yùn)移規(guī)律分析。建立哈爾烏素露天煤礦坑口標(biāo)高以上300 m 的三維流程模型。對于大型作業(yè)場所，粉塵運(yùn)移主要受自身重力和風(fēng)力影響。哈爾烏素露天煤礦地處鄂爾多斯地區(qū)巖層主要是泥巖，模擬粉塵密度確定為2 000 kg/m3。該地區(qū)風(fēng)向主要以西北風(fēng)為主，設(shè)置風(fēng)速為1.5 m/s 的西北風(fēng)為擾動(dòng)條件。粒徑10 μm 以下粉塵可進(jìn)入人體肺部稱為小顆粒粉塵，粒徑10 μm 以上的粉塵稱為大顆粒粉塵，研究選取PM3、PM9、PM20、PM60 的顆粒為主要研究對象。研究區(qū)域分別為排土場、采坑底部、工作幫，標(biāo)記為1＃、2＃、3＃，模擬選取泥巖為主要粉塵巖土體。粉塵運(yùn)移規(guī)律受風(fēng)流影響，同時(shí)和自身直徑有一定關(guān)系。小顆粒粉塵擴(kuò)散路徑如圖1，大顆粒粉塵擴(kuò)散路徑如圖2。

圖1 小顆粒粉塵擴(kuò)散路徑

圖2 大顆粒粉塵擴(kuò)散路徑

由圖1 可知：小顆粒粉塵受自身重力影響較小，在風(fēng)流擾動(dòng)的作用下從塵源處擴(kuò)散，直至飄散至采場外部。1＃、2＃、3＃塵源點(diǎn)處小顆粒粉塵均能擴(kuò)散至礦坑外部，只是不同塵源位置擴(kuò)散路徑不一致，但相同位置的PM3 和PM9 擴(kuò)散路徑呈現(xiàn)較好的一致性。圖1（c）、圖1（d）中明顯顯示出礦坑底部存在環(huán)流現(xiàn)象，粉塵在礦坑底部的滯留時(shí)間較長，導(dǎo)致采場底部粉塵污染情況較為嚴(yán)重。

由圖2 可知：大顆粒粉塵由于重力影響較大，在風(fēng)流的擾動(dòng)作用下飄散的距離較短；1#粉塵點(diǎn)PM20顆粒由排土場進(jìn)入采場后沉降，PM60 顆粒位移較小；2#粉塵點(diǎn)PM20、PM60 顆粒處于礦坑深部，受坑底環(huán)流影響，僅在底部產(chǎn)生位移；3#粉塵點(diǎn)PM20 顆粒向采場上部有部分位移，PM60 顆粒僅在原位置有移動(dòng)。在重力的影響下，排土場上的粉塵擴(kuò)散至采場，逐漸降落在采場中，一部分成為了二次塵源粉塵，但大部難以擴(kuò)散至采坑外部。在設(shè)備連續(xù)作業(yè)環(huán)境中，采場底部會(huì)積聚大量粉塵，造成較大濃度的粉塵污染。

4 降塵方式

目前，露天礦的主要降塵方法是利用灑水車，由集中加水點(diǎn)加水后沿露天礦道路邊行駛邊灑水，降低道路的起塵量。對于采裝、排棄過程中產(chǎn)生的粉塵不能有效除塵。為最大程度改善作業(yè)環(huán)境，減少因粉塵污染導(dǎo)致的問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了空中降塵裝置[19]。

4.1 降塵裝置結(jié)構(gòu)和原理

降塵裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。降塵裝置主要由主支架、繩索、管道等部分組成。其中，主支架由2 個(gè)間隔布置的行走支架組成。繩索主要用于連接2個(gè)行走支架；管道通過懸掛件懸掛于繩索下方用于輸水。

圖3 降塵裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖

降塵裝置主要包含的部件有：

1）主支架。主支架包括2 個(gè)間隔的行走支架，行走支架包括底座、行走車輪、支撐架、伸縮油缸等組成，用于連接繩索和管道，2 個(gè)行走支架距離可調(diào)節(jié)。

2）懸掛件。懸掛件有上下2 個(gè)掛鉤，分別懸掛繩索和管道，掛鉤設(shè)計(jì)為凸起狀形成倒鉤作用，提高穩(wěn)定性。

3）噴頭。噴頭包括連接管和噴嘴，連接管中心為蓄水腔，上大下小呈喇叭狀。噴嘴中空為噴嘴水腔，上小下大呈倒錐形狀，噴嘴設(shè)置多個(gè)噴水孔。噴頭與管道直接相連，且管道上可設(shè)置多個(gè)噴頭。

降塵裝置工作原理：利用行走支架架空輸水管道，通過輸水管道從蓄水池或加水車等設(shè)施設(shè)備處向架空管道進(jìn)行輸水，管道由2 個(gè)行走支架間連接的繩索固定在空中，管道上設(shè)置多個(gè)噴頭裝置，可進(jìn)行實(shí)際情況調(diào)節(jié)灑水量。行走支架可利用車輛牽引進(jìn)行移設(shè)，頂部配備有伸縮油缸，可適時(shí)進(jìn)行高度調(diào)節(jié)。通過該裝置可對露天礦各區(qū)域進(jìn)行灑水降塵。

4.2 實(shí)施方式

露天煤礦粉塵主要集中于礦坑地勢較低區(qū)域，其余作業(yè)區(qū)域也會(huì)產(chǎn)生大量粉塵。因此，可在露天礦礦坑深部及設(shè)備作業(yè)區(qū)域布置該降塵裝置。降塵裝置現(xiàn)場布置方式如圖4。

圖4 降塵裝置現(xiàn)場布置方式

在實(shí)際的礦山環(huán)境中，可以由底部集水坑直接供水，2 臺行走支架間的輸水管道對坡面進(jìn)行降塵?？捎傻乇硖峁┲鬏斔艿赖那闆r下，可直接供水多臺該除塵裝置對多個(gè)工作平盤和運(yùn)輸?shù)缆愤M(jìn)行降塵作業(yè)。對于礦坑底部粉塵濃度較大且不易擴(kuò)散區(qū)域，可設(shè)置兩組降塵裝置進(jìn)行循環(huán)灑水，最大限度地降低粉塵。該灑水方式不僅不受地域限制，并可對采掘、排棄工作面和爆破作業(yè)區(qū)域等施工區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)除塵，從粉塵塵源直接控制。對于采深比較大的深凹露天礦，可將工作平盤進(jìn)行分組，設(shè)置多組除塵裝置，在露天礦各區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行除塵。

5 結(jié)語

1）小顆粒粉塵大部可隨風(fēng)流擴(kuò)散至采坑外部，大顆粒粉塵運(yùn)移距離較短，降落后大部成為二次塵源顆粒，同一位置不同粒徑的粉塵顆粒，PM3 和PM9擴(kuò)散規(guī)律有著較好的一致性，礦坑底部存在渦流現(xiàn)象，使得粉塵在此積聚，粉塵濃度較大。

2）露天礦底部積聚大量粉塵，嚴(yán)重威脅作業(yè)人員安全和健康，智能化礦山建設(shè)過程中可考慮運(yùn)用空中降塵裝置實(shí)現(xiàn)整體和局部的降塵工作。