关于露天煤矿粉尘扩散模拟与分析

曹文洁

(水利部新疆水利水电勘测设计研究院环境影响评价所，新疆乌鲁木齐 830000)

1 引言

露天煤矿粉尘量估算难点在于源强种类多，面积大，分布广，且为无组织排放，源强位置及排放量均不好控制和预测［1］。本文煤矿由A、B、C、D、E 五个煤矿组成，地处荒漠区，常年干旱少雨，自然条件恶劣，且矿区为露天开采，扬尘情况较严重。

2 源强估算

本次模拟污染源的原始数据由企业调查提供，如“环境监测站的检验报告”、“企业生态环境建设治理工作报告”以及矿区规划、现场监测等。以这些为基础数据，研究相关文献，选择合适的方法推算矿区各个流程的粉尘源强，为下一步的浓度模拟提供数据基础。

露天煤矿粉尘污染源主要来自:矿坑采煤产尘、矿坑爆破产尘、煤炭运输道路产尘、排土场堆煤场产产尘。

2.1 矿坑采煤产尘源强估算

在模拟无组织的污染源排放量时，目前，国内外的专家学者均利用高斯反推模型。

(1)箱模型原理:箱模型是以质量输入/输出这样的模式上建立起来的，它主要受到了动力和热力因子的影响，时常被用于闭合的地形条件下和预测城市下垫面大气污染物的浓度变化情况［2］。箱模型还充分得想到了干沉积、湿沉积、还有化学转化等作用对污染物的浓度所产生的影响［3］。这类计算对无组织污染面源中的长期污染物，对大气中浓度值的贡献率，具有一定的好处。其机理如下:

式中字母意义是，Q去除为子箱体中因为化学或物理作用，去除的污染物总质量。Q出为流出子箱体的污染物总质量，Q进为流入子箱体内的污染物总质量［3］。

(2)本应用中箱模型实现的形式:利用箱模型模拟露天煤矿矿坑的无组织大气污染源。本次模拟一共建立了两个子箱体，箱体1 号应包含煤矿矿坑本身，即无组织污染源，2 号箱体位于1 号箱体的下风向处，其作用是承接1 号箱体随风传递的污染物。

平衡方程，如式(2)和(3)。

箱体1 号:

式中字母意义:C1为为箱体1 号中的粉尘含量平均浓度(mg/m3)，用监测浓度值表示;C2为箱体2 号中的粉尘含量平均浓度(mg/m3)，用监测浓度值表示;Ei—为箱体i 号竖直方向的扩撒参数(m2/s)，σZ竖直扩散参数，计算方法依照《环境影响评价技术导则 大气环境》(HJ/T2.2－93)附录B;为箱体i 号横风方向的扩撒参数(m2/s)横向扩散参数计算方法依照《环境影响评价技术导则 大气环境》(HJ/T2.2－93)附录B;h 为箱体的高度(m);W 为为箱体的宽度(m)，应该包括矿坑的无组织排放源，由于无组织排放源的宽度不等同于矿坑的宽度，所以可用其初始化横向扩撒参数，是W=σ0=LY/4，Ly为无组织源在Y 方向的长度;Vg为干沉积速度(m/s)，用Stocks 沉降公式进行计算，即其中:g 取9.81m/s2;μ 是空气的黏度(取0.18228 ×10－5Pa* s)，ρ 是空气的密度(取1.206kg/m3)，dp是含重金属颗粒的平均粒径(m)，ρp是颗粒物的真密度(kg/m3)。U 为平均风速(m/s);Li为i 号箱体的长度(m);Q 为箱体1号中粉尘的排放源强(mg/s):

反推(2)、(3)式得出如下公式:

利用上述两式将其代入实际监测值C2以及计算、测量出的数据中后，即可推算出无组织粉尘源的排放源强Q。经过计算得到如表1 的源强位置及排放量。

表1 面源输入文件的相关参数

2.2 矿坑爆破产尘源强估算

在露天矿采煤时，利用爆破使煤层松动出露，回使地表土层释放出大量的煤炭粉尘和灰尘。爆破粉尘的污染源可归为空间源，这是由于在冲击运动下，粉尘在爆破的一瞬间会被抛向到大气环境中。在露天采场中，煤炭爆堆面积不过几百平方米，然而采场真正的范围为几平方公里到几十平方公里，所以，这类爆破粉尘的污染源可作为瞬间点源。在煤矿安全指标和环境指标中，监测指标之一就是爆破粉尘的排放强度，如果爆破产生的粉尘量越大则对周边环境的危害性越大。

消耗单位重量的炸药排放强度放量如下［4］:

通过以上分析可以看出，应变法实测是等效于加载点的载荷，包括实际飞行中作用于起落架上的外载荷和起落架系统本身的惯性载荷，即作用于起落架加载点的结构载荷。

式中:A—一次爆破炸药用量，t;

B—爆破粉尘排放强度，kg/t。

在露天矿内，一次爆破用炸药量一般都是几吨到几十吨，这样反推排放强度是B=54.2kg/t，如炸药量是10t 的时候，粉尘的排放量是542kg，当炸药量是50t时，粉尘的排放量是2710kg，由此可以看出，爆破粉尘可导致露天煤矿采场自身及周边的空气含尘量严重超标，造成采场周边的大气质量下降。

通过对各煤矿炸药使用情况的调查及公式计算，得到爆破时瞬时面源的源强情况如下表2，其中因为冬季煤矿不进行爆破作业，所以1月各煤矿的瞬时源强不计。

表2 瞬时面源输入文件的相关参数

2.3 煤炭运输道路产尘

煤炭在运输过程中，道路上往往积有较厚的粉尘，运输汽车往往重达40～50t 甚至更多，在运输汽车行驶的过程中会带起大量扬尘，所以道路运输产尘也是露天煤矿尘源的一个重要方面。

汽车在有散状物料的道路上行驶，扬尘量估算采用上海港环境保护中心和武汉水运工程学院提出的经验公式［5］:

式中:Q 为汽车行驶的起尘量(kg/辆);V 为汽车行驶速度(km/h);M 为汽车载重量(t);P 为道路表面物料量(kg/m2);L 为道路长度(km)。

通过对各煤矿及其之间的道路位置、长度、宽度及道路表面物料量的调查和分析得下表3，由此得到汽车行驶过程中线面源的源强情况。

2.4 煤堆、排土场产尘

式中:P 为煤场年累计堆煤量，t/a;W 为粉尘表面含水率，%;U0为粉尘的启动风速，m/s，取3.0m/s;U 为煤场平均风速，m/s;K 为经验系数，是煤含水量的函数，取K=0.96;Qp为煤堆起尘量，kg/a。

表3 线面源输入文件的相关参数

计算排土场的起尘量采用日本三菱重工业公司的长崎研究所得出的计算公式［5］:

式中:β 为经验系数，8.0 ×10－3;Ap为煤场的面积，m2;U 为煤场平均风速，取鹤山市平均风速2.1m/s;Qp为起尘量，mg/s;w 为煤的含水率，取6%。

通过对各煤矿的排土场、堆煤场的测量计算得到粉尘源强体源的大小如下表4。

3 模拟方案

浓度模拟使用大气模型软件CALPUFF，以矿区为中心，模拟范围40km ×40km，网格格距0.5km，格点数为80 ×80。

考虑到矿区一年四季的开采强度不同，故在春、夏、秋、冬、四季各选一个代表月模拟矿区的粉尘扩散情况，并且多取上月一天时间的计算结果作为预处理场，对当月30 天时间选取逐日逐时数据，进行粉尘扩散的时间序列分析。浓度模拟时间选择如表5。

表4 体源输入文件相关参数

4 成果分析

对模型模拟的PM10浓度值和监测值的对比，能更好的证明源强估算方法的准确性。矿区中，总共有5 个环境空气监测中心:①D 办公楼前(办公区);②D 电厂(生产区);③C 采坑(生产区);④A 筛分场(生产区);⑤E 矿业办公区(办公区)。

表5 浓度模拟时间

表6 模拟与监测相关统计变量

通过观察图1 至图5 及表6 发现:

(1)各监测点模拟值和监测值对比，两者的趋势性很好，二者浓度变化大致相同。

(2)在夏天，模拟值超出监测值0.4～1.2 倍;在冬天，监测值大概为模拟值的0.7～1.1 倍。出现这种关系是因为，在本文中，是使用了全年平均法来处理排放源的速率的。

(3)监测和模拟值的相似系数在0.82 左右，矿区平均浓度的最高相似性系数值为0.88。

(4)综上所述，所选源强计算公式能较好的模拟矿区粉尘在气象及地形条件作用下，在矿区地面的浓度分布情况。

图1 D 办公楼前PM10监测值和模拟值对比

图2 D 电厂PM10监测值和模拟值对比

图3 A 筛分场PM10监测值和模拟值对比

图4 E 矿业办公区PM10监测值和模拟值对比

图5 C 采坑PM10监测值和模拟值对比

［1］高峰．草原区露天煤矿大气环境影响后评以神华胜利一号露天矿为例［D］．内蒙古大学，2011:33－52．

［2］吴丽芳．北京市大气PM10及SO2 环境容量与达标消减规划研究［D］．北京工业大学，2006:21－23．

［3］吴转璋．合肥市大气环境质量评价及预测模式研究［D］．合肥工业大学，2007:22－31．

［4］张兴凯，李怀宇．露天矿爆破粉尘排放量的计算分析［J］．金属矿山，1996(3):20－25．

［5］王栋成，林国栋，徐宗波．大气环境影响评价实用技术［M］．北京:中国标准出版社，2010(5):24－39．