露天煤礦粉塵濃度現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)研究

劉燕平

（山西省忻州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山西 忻州 034000）

引言

我國新開工露天煤礦大多數(shù)在西部的內(nèi)蒙和新疆等地，而這些地區(qū)存在干燥少雨，水資源匱乏，甚至還有沙塵暴，這些客觀條件導(dǎo)致了煤礦生產(chǎn)過程中更容易產(chǎn)生大量的粉塵。粉塵污染對作業(yè)人員的健康安全、設(shè)備的正常運(yùn)行都會造成嚴(yán)重的影響，甚至還能引發(fā)安全事故。隨著全社會對環(huán)境保護(hù)要求的提高，在煤炭的生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)，控制粉塵的排放量顯得尤為重要。

為了有針對性的高效性的對粉塵治理，首先必須掌握粉塵濃度的分布及運(yùn)移規(guī)律，因此需要開展露天煤礦粉塵濃度現(xiàn)場監(jiān)測方案的研究，明確粉塵濃度的監(jiān)測對象和監(jiān)測內(nèi)容，分析現(xiàn)場監(jiān)測前的調(diào)查內(nèi)容和監(jiān)測注意事項，通過對比分析確定濃度監(jiān)測方法以及監(jiān)測儀器的選用，根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)布置原則確定了濃度監(jiān)測的布置方案。粉塵濃度的監(jiān)測，對于煤礦粉塵的分布狀況和運(yùn)動規(guī)律有積極效果，同時對露天礦除塵降塵具有實際的指導(dǎo)意義。

1 露天煤礦粉塵及分類

煤礦粉塵有很多種分類方法。PM2.5就是根據(jù)粉塵粒徑和危害程度進(jìn)行分類的，全稱為細(xì)顆粒物，根據(jù)粒徑從大到小還有全塵（簡稱TSP）、可見粉塵、呼吸性粉塵、可吸入顆粒物（又稱為PM10）等類別。

此外，礦塵、煤塵、巖塵和煙塵是根據(jù)粉塵里面存在的成分進(jìn)行分類的。礦區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的粉塵總稱為礦塵；而在煤炭或巖石破碎過程產(chǎn)生的粉塵就是煤塵或巖塵；煙塵是一種微細(xì)固體粒子，是煤炭自燃過程中或者卡車尾氣中形成的[1]。

粉塵組分有無機(jī)粉塵和有機(jī)粉塵之分，無機(jī)物破碎后形成的是機(jī)性粉塵，而有機(jī)物破碎后形成的是有機(jī)性粉塵，既有有機(jī)物又有無機(jī)物破碎后形成的是混合型粉塵。

另外，粉塵產(chǎn)生的過程中，如果是直接產(chǎn)生的粉塵就是一次顆粒物，如果是一次顆粒物之間發(fā)生反應(yīng)后而產(chǎn)生的顆粒物就稱為二次顆粒物，這兩種顆粒物都是粉塵顆粒物。

2 露天煤礦粉塵監(jiān)測內(nèi)容

2.1 監(jiān)測對象

通常PM10為可吸入顆粒物，而沉積到肺泡中的大多數(shù)為PM2.5，這兩種類型的粉塵對人體健康的威脅最大，因此，選定PM2.5和PM10作為重要的監(jiān)測對象。

2.2 現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容

在煤礦現(xiàn)場，需要對以下的三種情況下的粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測：首先是最外圍的露天礦周邊，需要對這個區(qū)域的粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測；其次是對爆破、道路等主要粉塵源主的周邊進(jìn)行粉塵濃度的監(jiān)測；最后需要監(jiān)測粉塵濃度的區(qū)域是露天礦坑內(nèi)并且遠(yuǎn)離粉塵源的區(qū)域。

根據(jù)各個位置測量的PM2.5和PM10的粉塵濃度值，可以繪制出粉塵濃度分布的等值曲線圖，這對于分析粉塵源的起塵強(qiáng)度以及粉塵的擴(kuò)散規(guī)律有重要的作用，能夠?qū)β短斓V在礦坑內(nèi)和礦區(qū)周邊的粉塵治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2]。

3 現(xiàn)場監(jiān)測調(diào)查及注意事項

3.1 現(xiàn)場調(diào)查內(nèi)容

在進(jìn)行煤礦粉塵濃度的現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)、采樣對象、采樣方法和采樣時機(jī)的選擇時，必須根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行確定。因此在現(xiàn)場監(jiān)測采樣之前，就要對露天礦的實地情況進(jìn)行勘查，復(fù)雜的情形還需要進(jìn)行預(yù)采樣。調(diào)查內(nèi)容具體包含以下4 點(diǎn)：記錄當(dāng)天的風(fēng)向、風(fēng)力、溫度、濕度、降水量等天氣和氣象情況；記錄監(jiān)測對象的運(yùn)行參數(shù)以及是否造成了起塵等情況；監(jiān)測過程中需要用到實驗用電源和車輛，需要提前準(zhǔn)備；對于監(jiān)測點(diǎn)位有具體要求的，要提前選定好。

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測注意事項

監(jiān)測粉塵數(shù)據(jù)時要注意天氣情況，在降雨、降雪天氣時，由于會起到凈化空氣的作用，大氣中粉塵濃度會降低，不能監(jiān)測到實際的理想數(shù)據(jù)，因此要選擇合適的天氣情況；當(dāng)天如有爆破作業(yè)時，優(yōu)先安排監(jiān)測爆破后粉塵濃度；當(dāng)爆破作業(yè)的當(dāng)天有降水情況時，雖然原則上不進(jìn)行粉塵濃度的監(jiān)測，但是需要攜帶監(jiān)測儀器隨時待命，一旦降水停止，可以隨時監(jiān)測爆破后粉塵濃度；在監(jiān)測期間如果沒有進(jìn)行爆破作業(yè)，則只需要監(jiān)測其他待測項目。

4 粉塵濃度現(xiàn)場監(jiān)測方案

4.1 監(jiān)測方法確定

針對粉塵濃度監(jiān)測的方法，從技術(shù)的角度分析，取樣法和非取樣法都是可行的兩種方法。取樣法是國標(biāo)認(rèn)可的監(jiān)測方法，稱重法、微量振蕩天平法、β 射線吸收法是取樣法中常見的方法。稱重法有較大的人工誤差，從本質(zhì)上來看，稱重法測得的結(jié)果是一段時間范圍內(nèi)的平均值，對于瞬時變化較大的粉塵濃度測量就不適宜，比如爆破、車輛等粉塵濃度。β 射線吸收法能夠用在實時監(jiān)測方法中，計算速度快，并且精確度很高，缺點(diǎn)時價格較高，以一個測量點(diǎn)的價格在20 萬左右進(jìn)行計算，如果需要監(jiān)測30 個點(diǎn)，監(jiān)測設(shè)備的投資就高達(dá)600 萬，還不包括建網(wǎng)所需的服務(wù)器等，因此若采用該方法進(jìn)行大規(guī)模布網(wǎng)則需要巨大投資。另外微量震蕩天平價格更高，投資更大[3]。

而非取樣法中包含有激光衰減法、激光散射法、激光監(jiān)測等，其中激光監(jiān)測是以激光測量理論為基礎(chǔ)，并且已經(jīng)能夠做到實時在線監(jiān)測。激光監(jiān)測法得到的數(shù)據(jù)，其精度還不如稱重法測得的數(shù)據(jù)，但是已經(jīng)能夠滿足監(jiān)測需求。并且其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理較快，對于爆破等粉塵濃度瞬時變化較大的塵源，能夠?qū)崟r的計算各時刻的粉塵濃度，同時所需設(shè)備的價格較低，進(jìn)行組網(wǎng)監(jiān)測的成本不高。

通過以上分析，粉塵濃度監(jiān)測方法采用取樣法和非取樣法相結(jié)合的方法，綜合β 射線吸收法和激光監(jiān)測法的優(yōu)勢，以β 射線法得到的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，同時對激光法的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行修訂。

4.2 監(jiān)測儀器確定

粉塵濃度監(jiān)測儀的型號較多，需要進(jìn)行選型；此外在進(jìn)行粉塵濃度監(jiān)測時，還需要配套風(fēng)速風(fēng)向儀、溫度濕度計等小設(shè)備。

β 射線粉塵濃度監(jiān)測儀和手持式激光粉塵濃度監(jiān)測儀是兩種常見的粉塵濃度監(jiān)測儀，優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，一種是國家標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可的監(jiān)測方式，一種不是國家標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可的監(jiān)測方法。β 射線粉塵濃度監(jiān)測儀的監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)精度高，能夠自動連續(xù)自動監(jiān)測濕度和溫度等數(shù)據(jù)，缺點(diǎn)是造價高，需要電源，且不易移設(shè)。而手持式激光粉塵濃度監(jiān)測儀的監(jiān)測結(jié)果精度略低，但是可裝電池，能獨(dú)立監(jiān)測，容易移設(shè)，價格便宜，能夠達(dá)到布網(wǎng)條件。

因此針對煤礦粉塵濃度現(xiàn)場監(jiān)測，結(jié)合實際需求和成本上的考慮，采用1 臺β 射線粉塵濃度監(jiān)測儀和若干臺激光粉塵濃度監(jiān)測儀組合的方式。即在同一個現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)布置1 臺β 射線粉塵濃度監(jiān)測儀和1臺激光粉塵濃度監(jiān)測儀，以國標(biāo)認(rèn)可的β 射線粉塵濃度監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對比兩者誤差，同時用激光粉塵濃度監(jiān)測儀進(jìn)行布網(wǎng)，建立在線監(jiān)測系統(tǒng)。

4.3 監(jiān)測點(diǎn)位布置

根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)的實際情況以及起塵的特點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)的布置方式有密集和稀疏兩種方案，如圖1 所示。

圖1 煤礦粉塵濃度監(jiān)測點(diǎn)布置原理示意圖

爆破粉塵濃度監(jiān)測需要按點(diǎn)塵源類型布置監(jiān)測點(diǎn)，而按照網(wǎng)格法布置監(jiān)測點(diǎn)的方法用來監(jiān)測整個礦區(qū)粉塵的擴(kuò)散對周邊環(huán)境影響。監(jiān)測點(diǎn)測量得到的爆破或道路的起塵濃度并不是由一個塵源點(diǎn)引起，而是由露天煤礦內(nèi)多個塵源點(diǎn)生成的粉塵相互混合后的結(jié)果，因此不能獨(dú)立的考慮某一個獨(dú)立的監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，需要將單個監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)放在露天煤礦整體環(huán)境中進(jìn)行考慮，因此在露天礦坑內(nèi)的其它位置，也需要有監(jiān)測點(diǎn)來監(jiān)測粉塵濃度[4]。綜上，全礦的粉塵濃度監(jiān)測點(diǎn)布置方式采用密集和稀疏兩種方式，即在主要的塵源點(diǎn)的區(qū)域采用密集布置的方式，比如道路、爆破等區(qū)域，而其它位置則采用相對稀疏的方式，間距一般采用1 000 m。以上方法可以確定監(jiān)測點(diǎn)的大概位置，同時還要結(jié)合礦坑內(nèi)的塵源具體位置來決定具體的布置位置。

以哈爾烏素露天煤礦為例，首先對整個礦區(qū)的主要塵源點(diǎn)和礦區(qū)周邊的地形地貌進(jìn)行現(xiàn)場勘查，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合具體塵源設(shè)備的作業(yè)位置，考慮實際布點(diǎn)的可行性和必要性，確定了粉塵濃度監(jiān)測點(diǎn)布置點(diǎn)位，并用GPS 進(jìn)行標(biāo)定，形成了具體的粉塵濃度監(jiān)測點(diǎn)位，如第185 頁圖2 所示。圖中的實心圓、空心圓和五角星分別代表的是三類監(jiān)測點(diǎn)，實心圓監(jiān)測點(diǎn)的區(qū)域用來監(jiān)測工作幫、中間橋、端幫、內(nèi)排土場等這些遠(yuǎn)離具體塵源區(qū)域的粉塵濃度，空心圓監(jiān)測點(diǎn)的區(qū)域用來監(jiān)測卡車、鉆機(jī)、電鏟等在礦坑內(nèi)作業(yè)的大型設(shè)備周邊的粉塵濃度，五角星監(jiān)測點(diǎn)的區(qū)域相對偏遠(yuǎn)，布置在礦坑周邊，作為礦坑內(nèi)粉塵濃度的背景值[5]。

圖2 哈爾烏素礦現(xiàn)場粉塵濃度監(jiān)測點(diǎn)布置

5 結(jié)論

粉塵污染對作業(yè)人員的健康安全、設(shè)備的正常運(yùn)行都會造成嚴(yán)重的影響，甚至還能引發(fā)安全事故。選定對人體健康的威脅最大的PM2.5和PM10作為重要的監(jiān)測對象，重點(diǎn)監(jiān)測露天礦周邊、主要粉塵源周邊、礦坑內(nèi)并且遠(yuǎn)離粉塵源等位置的粉塵濃度，從精度和成本等方面考慮，采用1 臺β 射線粉塵濃度監(jiān)測儀和若干臺激光粉塵濃度監(jiān)測儀相結(jié)合的方式，完成煤礦粉塵濃度現(xiàn)場監(jiān)測。該研究有利于掌握煤礦粉塵的分布和運(yùn)移規(guī)律，為進(jìn)一步對露天礦除塵降塵具有實際的指導(dǎo)意義。