安家岭露天矿卡车运输环节粉尘监测及运移规律研究

丁新启，张瑞新，李 淋，何 谦，常永刚，贺振伟，威 华

(1.中煤平朔集团有限公司，山西 朔州 036000；2.华北科技学院，河北 三河 065201；3.国家能源投资集团有限责任公司，北京 100011；4.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 102209；5.国家电投集团科学技术研究院有限公司，北京 102218；6.中煤平朔集团有限公司 安家岭露天矿，山西 朔州 036000)

在露天开采行业由高速增长转向高质量发展过程中，矿山粉尘带来的一系列生态环保问题日益凸显，据研究统计，卡车运输产生的粉尘量占全矿粉尘量的70%～90%左右[1，2]。通常运输路面降尘措施为洒水降尘，但耗水量大，抑尘效率低。化学抑尘剂效率相对较高，但整体成本较大[3，4]。蒋仲安等[5-7]采用数值模拟方法对井工矿爆破、运输环节粉尘运移规律进行研究。在露天矿溜槽粉尘、爆破粉尘、物料卸载粉尘和粉尘源强等方面专家学者进行了大量研究。贾兰等研究得到影响露天矿粉尘逸散的重要程度排序依次为物料含水率、粉岩质量分数和溜槽倾角，并对露天矿粉尘源及贡献率强进行了分析[8-10]。陈曦等认为对于高强度尘源，增加喷嘴数目可以提高除尘效率，雾滴粒径越小，除尘效果越好[11，12]。欧阳锋等利用离散单元法对斗式提升机内物料卸载过程及湍流射流效果进行数值模拟分析，得到了颗粒的运动轨迹与速度分布特征[13，14]。丁新启等研究了露天矿穿孔环节粉尘运移规律[15，16]。在露天矿道路运输方面，刘子亮等对运输道路起尘机理及道路破碎泥岩压实与粒度分布进行了分析[17，18]。王明等通过对路面汽车扬尘及车轮周围气流场规律进行研究发现气流主要在轮胎-轮罩间隙中的相汇处溢出[19，20]。

已有的研究缺乏对露天矿运输环节粉尘实时监测以及卡车运输起尘仿真模拟还原，无法获取真实露天矿道路运输环节起尘和运移规律。本文以安家岭露天矿为背景，采用现场监测和数值模拟手段，对露天矿道路起尘特点，粉尘实时监测以及仿真模拟开展研究，研究结果能够对运输环节粉尘积聚位置，扩散区域范围提出针对性降尘措施，实现有效降尘。

1 卡车运输起尘特点及影响因素

中煤平朔集团安家岭露天矿位于中煤平朔矿区的中南部，处于半干旱的温带地区，气候干燥，矿坑内部受矿坑壁面环绕影响风速，温度受大气逆温层影响与外界存在差异。该矿卡车运输公路多为土质路面，土壤缺少黏性，松散、干燥、易碎，缺乏保护层，处于裸露和自然风化状态，无防风措施，且铺路材料往往就地取材，道路碎石未经过严格筛选，强度往往达不到路面运输要求，卡车运输过程会出现起尘现象。

在干燥的气候条件下，路面粉尘在汽车行驶造成的引带风速或自然风速作用下大量扬起，污染矿内外环境。该矿道路运输起尘分布如图1所示。图1由现场实拍运输起尘图片，经过Matlab伪彩处理功能得到，颜色越深代表浓度越大。由图1可知，卡车轮胎处起尘现象最为明显，且随着卡车行驶，运输起尘持续发生，造成严重的粉尘污染。

图1 运输起尘分布

运输环节粉尘影响因素包括：气候条件、粉尘负荷和卡车自身因素，不同气候条件如温度、湿度、风速等对粉尘颗粒物的悬浮、沉降、凝聚和扩散均产生影响；粉尘负荷指单位过滤面积的道路粉尘质量，卡车速度一定时，路面粉尘负荷越大，粉尘浓度越高；汽车作业环节中排放强度较高，扬尘量较大，且不同种类、型号的作业设备的产尘量不同。

2 运输环节粉尘浓度监测及变化规律

露天矿运输卡车扬尘为连续性线源，在无风或者风向与汽车行驶方向相同或者相反时，汽车后方扬起的粉尘由于粒径不同会在竖直方向形成浓度不同的连续性粉尘。运输环节粉尘监测分两种方式进行：①在运输主干道路旁安装粉尘监测子站，实现对安家岭露天矿主要道路固定点粉尘的实时连续监测；②考虑到露天矿自卸式卡车荷载较大，在露天矿道路行驶时因轮胎与路面摩擦产生的粉尘量大、浓度也较大，是运输环节粉尘的主要来源，进行随车的粉尘监测。为了更加准确记录运输环节粉尘浓度规律，选取矿用自卸卡车1台(卡车空载重量为140t，最大载重量为183.4t)，在卡车车斗底部安装了粉尘浓度记录仪，采集的信息包括空气悬浮颗粒物浓度PM2.5、PM10和TSP、以及环境温、湿度、气压、噪声等参数，共采集数据44h，将运输环节监测数据绘制不同时段粉尘浓度变化规律如图2所示。

图2 运输环节粉尘变化规律

通过图2可知，运输环节TSP、PM10和PM2.5浓度变化规律大致相似。0点至5点粉尘浓度升高，TSP浓度最高达到1800μg/m3，5点至13点随着温度增加，同时洒水量也不断增加，粉尘扩散加快，TSP浓度降低至最低点300μg/m3，下午18点之后由于温度降低以及夜间洒水量减少，凌晨粉尘浓度逐渐升高至极大值。第二天的粉尘浓度变化规律与第一天大致相似，依然呈先缓慢升高再降低，再升高的过程。然后21点至23点粉尘浓度再次降低。总的来看，运输环节生产性粉尘浓度仅在少数时刻超过《煤炭工业污染物排放标准》(GB 20426—2006)标准(5.3煤炭工业作业场所无组织排放监控点(周界外质量浓度最高点)限值1mg/m3)，但大部分时段运输环节粉尘超过环保部门空气质量标准300μg/m3的标准。从环保和职业健康的角度露天矿需要采取适当的措施控制运输环节生产性粉尘。

3 运输环节粉尘运移数值模拟

3.1 运输环节模型构建

以730E非公路矿用自卸卡车为研究对象，通过数值模拟选取该卡车为运输环节作业设备，卡车整体外形几何参数分别为长12.83m，宽7.54m，高6.25m，平均行驶速度为6.1m/s，司机驾驶室高度约为5m，卡车在道路行驶时引起地表粉尘飞扬。

数值模拟时，因露天煤矿现场道路分类多样化，如主干道、平盘干道、工作面道路、联络道路，建模中难以考虑现场全部因素，选取主干道为研究路段，对露天煤矿运输环节产生粉尘扩散计算区间做出如下假设：①卡车外形参数均按照730E非公路矿用自卸卡车维修标准手册建模；②卡车运行主干道路不考虑路面平整度；③运输粉尘因轮胎与地面游离粉尘作用产生，不考虑运输过程车斗落尘。

根据安家岭露天矿主干道实际情况，使用SpaceClaim软件建立尺寸为150m×40m×30m的长方体作为车辆运输作业计算区域，计算区域所在xOz平面为尘源，730E非公路矿用自卸卡车尘源位置和几何模型如图3所示。

图3 730E卡车和道路模型

3.2 运输环节网格划分和边界条件设置

该研究模型运输环节应用Interface界面耦合技术实现车轮转动，最终前处理得到网格如图4所示。橘黄色面为风流入口，紫红色和黄色面为风流出口位置。通过FLUENT求解器耦合壁面，结合可实现的k-ε双方程和在地面补充颗粒的方式及DDPM模型求解运输环节粉尘运移规律。安家岭露天煤矿风向为西北风向，平均风速为1.1m/s，年平均湿度为50%，定点监测道路旁粉尘浓度最大值为0.55mg/m3。按照路面湿度与环境湿度相同开展模拟研究，采用FLUENT软件中的组分运输模型模拟空气湿度，通过设置组分质量分数代替空气湿度(依据水蒸气和相对湿度换算公式可得相对湿度为50%时，组分质量分数为0.055)，保证模拟结果的准确性。求解器参数设定见表1。

图4 运输环节流场网格划分

3.3 运输环节风流速度分布与分析

研究道路运输粉尘运移规律需综合考虑现场运输道路实际风速和车辆运行速度。

安家岭露天煤矿采场南三路路段在环境风速为1.1m/s条件下，卡车运输作业所处环境风流分布如图5所示。图5(a)为沿以卡车车身宽度中心所在xOy平面道路运输方向风流分布图形，该区域环境风流从入口处进入运输道路，靠近压力出口时风速变小，且风流速度最大位置出现在车轮处，为1.5m/s，图5(b)所示为卡车后轮几何中心所在yOz平面运输道路风流分布，与xOy平面比较，该平面风速变化均匀，卡车车身四周风速变化由内向外扩展速度较均匀变小，且卡车车斗与车轮、车轮底部风速明显高于运输道路其他位置，且来流风为卡车车身后方，卡车前方、侧方和上方均为风流出口位置，各风流出口边缘处速度降低至0。

表1 数值模拟参数设定

图5 运输环节风流速度分布(m/s)

3.4 运输环节粉尘浓度运移规律

卡车轮胎为引发路面尘源飞扬的主要扰动因素，730E卡车周身粉尘浓度分布可以反映路面尘源的起尘过程。安家岭露天煤矿道路因轮胎转动与地面粉尘作用引起路面扬尘情况如图6所示。由图6可知，因卡车在道路行驶引起扬尘污染主要区域集中在轮胎与地面接触位置。该位置粉尘浓度随卡车轮胎转动逐渐升高，且前轮和后轮的间隙处易产生粉尘积聚，该区域粉尘质量浓度最高可达到4.9mg/m3。

图6 730E卡车周身粉尘浓度

为了较全面掌握运输环节粉尘运移规律，在距离卡车尾部和距离卡车尾部水平5m、20m处，高度为3m、7m、15m和20m位置设置粉尘浓度监测点监测该位置粉尘浓度随时间变化规律。

卡车尾部粉尘浓度变化如图7所示。图7(a)为卡车尾部3m高度处粉尘浓度随时间变化曲线。道路扬尘固定点位置粉尘浓度与采装环节大体一致，呈现先增加后降低的变化趋势，但道路扬尘卡车尾部粉尘浓度波动较大。卡车轮胎转动使地面粉尘受到扰动扬起，监测点处粉尘浓度升高，第一次峰值在7s左右时出现，为1.2mg/m3，第二次峰值在10.5s时出现，为1.62mg/m3，此时粉尘浓度为监测时段内最大值，随后粉尘浓度下降，之后随时间推移监测点处粉尘浓度有回升，不再超过10.5s时的浓度，在22.5～27.5s监测时段内，卡车尾部粉尘浓度进入平稳期，保持在1.3mg/m3，随后粉尘浓度逐渐下降，60s时粉尘浓度有较小回升，回升粉尘浓度最大为0.25mg/m3。

图7 卡车尾部粉尘浓度变化

图7(b)为卡车尾部7m高度处粉尘浓度随时间变化曲线，粉尘浓度随时间逐渐升高，40s时该处粉尘浓度达到最大值，为0.1mg/m3，随后浓度开始下降，65s时该处粉尘浓度降低至0.01mg/m3。此外，卡车尾部15m及20m高度处未见粉尘出现。

到卡车尾部水平距离5m位置、以该位置为起点，高度为3m和7m处粉尘浓度变化如图8(a)所示。35s时，3m处开始监测有粉尘出现，随后该处粉尘震荡式上升，54s时达到最大值，为0.275mg/m3，7m高度处粉尘出现时间为46.74s，晚于3m高度粉尘出现时间，该处粉尘浓度在76.72s时取得最大值，最大为0.177mg/m3，随后随时间逐渐下降。

图8 距卡车尾部不同距离粉尘浓度变化

到卡车尾部水平距离20m处，以该位置为起点，高度为3m、7m和15m处粉尘浓度随时间变化曲线如图8(b)所示。可以看出距卡车尾部20m不同高度处粉尘浓度呈间断性变化。其中，3m高度处57.68s时首先出现粉尘，粉尘质量浓度为0.00117mg/m3，即1.17μg/m3。7m高度处仅在75.84s时短暂出现粉尘，持续时间为1.54s，粉尘浓度为0.00128mg/m3，即1.28μg/m3，可认为粉尘已达极限逸散位置。

3.5 运输环节降尘措施建议

结合目前道路扬尘现状对安家岭露天矿道路进行分类。针对主干道，生命周期较长道路，进行固化处理，防水防滑，大幅减少道路维护和洒水工作；对于有掉块或者道路无法硬化，常有尘土粉末道路，通过使用复合型抑尘剂处理；而对于装料区域临时道路，采用洒水降尘措施，并在洒水车中添加小比例抑尘剂，延缓蒸发，增加路面强度，凝结道路粉尘。

图9 降尘效果对比

依据上述数值模拟分析结果得到道路粉尘沿程分布规律，能够精准确定降尘范围和降尘时间。通过在临时道路主干道布置固定监测点以及无人机搭载传感器，监测卡车垂直方向不同高度粉尘浓度。为了分析降尘措施的有效性，选取相同时段的监测路段，在进行洒水降尘后在卡车高度方向进行粉尘浓度监测，得到洒水降尘前后道路粉尘浓度，监测结果如图9所示。对临时道路经过洒水降尘措施后，平均粉尘浓度从0.71mg/m3降至0.28mg/m3，平均降尘效率为69%，可以达到运输环节降尘的要求，达到降尘的目的。

4 结 论

1)运输环节粉尘浓度仅在少数时刻超过排放标准限值1mg/m3，但大部分时段超过环保部门空气质量标准300μg/m3的标准。

2)卡车行驶引发扬尘污染区域集中在轮胎与地面接触位置，卡车前轮和后轮的间隙处易产生粉尘积聚，区域浓度最高为4.9mg/m3。粉尘浓度在卡车尾部3m高度处浓度最高为1.62mg/m3，距卡车尾部20m位置7m高度处粉尘浓度为1.28μg/m3达到极限扩散浓度。

3)根据研究结果，针对安家岭露天矿运输环节提出合理调配矿用洒水车辆以及针对不同道路划分道路类型分区降尘等措施，并在安家岭现场进行洒水降尘实验，降尘效果较好。