哈尔乌素露天煤矿粉尘监测与防治策略实践.pdf

第 卷 增 刊中 国 煤 炭V o l N o S 年月C H I N AC O A LJ u l y 移动扫码阅读引用格式:颜杰,王晓东,张禹,等哈尔乌素露天煤矿粉尘监测与防治策略实践 J中国煤炭,(S):D O I:/j c n k i c c m S YANJ i e,WANG X i a o d o n g,Z HAN G Y u,e ta l S t r a t e g ya n dp r a c t i c eo fd u s tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l i nH a l w u s u O p e n p i t C o a l M i n eJ C h i n a C o a l,(S):D O I:/j c n k i c c m S 作者简介:颜杰(),男,辽宁大连人,工程师,现任哈尔乌素露天煤矿副矿长、总工程师.E m a i l:x i a o d a o y j c o m哈尔乌素露天煤矿粉尘监测与防治策略实践颜杰,王晓东,张禹,刘秉轩(国能准能集团哈尔乌素露天煤矿,内蒙古自治区鄂尔多斯市,)摘要基于大型露天煤矿生产工艺特性,分析了露天煤矿粉尘运移分布规律.着重对采剥扰动范围内易产生粉尘的特征点及粉尘运移分布规律进行了分析研究,构建了地面与空域粉尘在线监测系统,收集并分析粉尘数据.利用数据对采装环节实施针对性爆堆抑尘剂降尘措施,最终实现包含粉尘源头分析、过程监测、专项治理的监测与防治策略的闭环.其中,爆堆抑尘剂可有效降低工作面采装起尘 以上,已取得较好的降尘应用效果.关键词露天煤矿;粉尘运移;粉尘监测;粉尘治理;抑尘剂中图分类号T D 文献标志码AS t r a t e g ya n dp r a c t i c eo fd u s tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l i nH a l w u s uO p e n p i tC o a lM i n eYANJ i e,WANGX i a o d o n g,Z HAN GY u,L I UB i n g x u a n(H a l w u s uO p e n p i tC o a lM i n e,C h i n aE n e r g yZ h u n n e n gG r o u pC o,L t d,O r d o s,I n n e rM o n g o l i a ,C h i n a)A b s t r a c t B a s e do nt h ep r o d u c t i o np r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c so f l a r g eo p e n p i t c o a lm i n e s,t h ed i s t r i b u t i o n l a wo fd u s t t r a n s p o r ti no p e n p i t c o a lm i n e sw a sa n a l y z e d,a n dt h ec h a r a c t e r i s t i cp o i n t sa n dd u s tt r a n s p o r td i s t r i b u t i o np a t t e r n st h a tw e r ep r o n et og e n e r a t ed u s tw i t h i nt h ed i s t u r b a n c er a n g eo fm i n i n ga n ds t r i p p i n gw e r em a i n l ya n a l y z e da n ds t u d i e d,a n da no n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o rg r o u n da n da i r s p a c ed u s tw a sc o n s t r u c t e dt oc o l l e c ta n da n a l y z et h ed u s td a t a,a n db yu s i n gt h ed a t at oi m p l e m e n tt a r g e t e dm e a s u r e s f o rr e d u c i n gd u s tf r o me x p l o s i v ep i l ed u s ts u p p r e s s a n t sd u i n gt h em i n i n ga n dl o a d i n gp r o c e s s,i tu l t i m a t e l ya c h i e v e dac l o s e d l o o pm o n i t o r i n ga n dp r e v e n t i o ns t r a t e g yw i t hd u s ts o u r c ea n a l y s i s,p r o c e s sm o n i t o r i n ga n ds p e c i a l t r e a t m e n t Am o n gt h e m,t h ee x p l o s i v ep i l ed u s ts u p p r e s s a n tc o u l de f f e c t i v e l yr e d u c eo v e r o fm i n i n ga n dl o a d i n gd u s t i nt h ew o r k i n gf a c e,w h i c ha c h i e v e dg o o dd u s t r e d u c t i o na p p l i c a t i o nr e s u l t s K e y w o r d s o p e n p i t c o a lm i n e;d u s t t r a n s p o r t;d u s tm o n i t o r i n g;d u s t c o n t r o l;d u s t s u p p r e s s a n t煤炭露天开采实质是一个大规模土石方体破碎、运移的实体上构造空间到排弃、重塑的空间上构造实体的复杂有序演变过程,涉及穿孔、爆破、采装、运输、破碎、排弃等多个环节.各生产环节中,高强度破坏和扰动影响下,采场粉尘呈现尘源多、产尘量大、扩散方式与方向不固定等显著特征,导致粉尘防治难以达到定点捕捉与定向控制.现阶段,露天开采企业对粉尘的治理与防护并无特别有效的措施.因此,对露天矿山粉尘项目开展专项系统研究,对尘源及粉尘类型、特点和影响因素展开有效数据采集和分析,明确露天采矿重点生产环节的产尘特点和机理,提出环保、经济、高效的露天矿粉尘治理技术,以期从根本上控制粉尘污染,将国家能源集团准格尔矿区建成国内领先、国际一流的露天煤矿粉尘防治示范工程基地.露天煤矿粉尘运移分布规律分析露天煤矿深凹矿坑局部小气候非线性气流影响下的粉尘复杂扩散特征与露天煤矿地形条件及生产特点密切相关.露天矿坑深凹地形特征显著改变了该区域内的大气温度场、气流场,易形成显著的逆温、环流效应,显著削弱了采场内外气流交互作用.在复杂气流特征影响下,露天煤矿粉尘表现出显著的时(间)空(间)分布与复杂扩散规律.明确粉尘运移规律及扩散机理是粉尘防控及治理的重要前提.粉尘在不同工况环境下表现出不同的聚集、扩散特征.风流是决定粉尘运移扩散的关键因素之一,在不同作业环境下风流表现出不同的形态特征(平流、紊流),尤其是当风流出现回流时,回流区域表现为明显的负压区,使得该处粉尘浓度持续升高,形成高质量浓度粉尘带.露天煤矿生产各个环节粉尘源头特征实景如图所示.相对湿度也会影响粉尘的扩散,当相对湿度较大时,粉尘会与水汽结合,加重自身重力,加速沉降,与水汽结合而又未能沉降的粉尘颗粒,即是常见的雾霾现象,尤其是冬季粉尘在湿度较大时会严重降低能见度.图露天煤矿生产各个环节粉尘源头实景照片 风向与风速对粉尘运移分布的影响对采坑内自然风向进行统计,按照风向出现次数高低排序,获得各个风向在冬季的实际出现次数及频率如图所示.由图可以看出,哈尔乌素露天煤矿冬季风向以西北风为主,年 月、年月和月西北风的频率分别为、;北风出现的频率也很高.根据哈尔乌素露天煤矿的真实地理位置及推进方向判断,西北风大部分由排土场运移至矿区.由于排土场顶层表土物料多为阶段性复垦绿化,部分土壤疏松离散出的较小灰尘颗粒将随风运移入坑,加重了粉尘污染;同时,排土场的地形往往高于端帮与工作帮,通过排土场气流会被排土场高地势抬高,导致流入采坑内部的气流减少,引起积尘悬浮且不能随风运移的现象.相对风速的强弱对粉尘扩散有很大的影响.总体而言,哈尔乌素露天煤矿在冬季风弱或无风,无风的概率约为 .即使有气流活动,相对风速也仅在m/s以下.哈尔乌素露天煤矿冬季粉尘污染严重的原因之一是缺风或风弱.逆温现象对粉尘运移分布的影响采场深凹地形会形成向阳坡和背阴坡,导致采场台阶受到的太阳辐射量不同.另外,采场深凹地形易形成“冰湖”效应,表现出随台阶高度降低温度也逐渐变低,这也可以看作是一种逆温现象.当露天煤矿上部出现逆温层时,逆温层像一层厚厚的被子罩在露天煤矿上空,逆温层内外的空气不能对流,导致矿坑内的大气污染物不能自然扩散到矿坑外,越积越多,矿坑内的空气污染也势必加重.根据逆温现象形成机理的差异,将逆温分为地形逆温、辐射逆温、下沉逆温、平流逆温、湍流逆温和锋面逆温.在自然界中自然产生的逆温现象,有时是上述类型的某单一类型,有时是几种类型的混合体.无论哪种逆温类型,只要逆温现象出现,逆温层范围内的垂直空气运动几乎停滞,逆温层下方的污染物不易扩散,极易造成大气污染.年增刊 中 国 煤 炭 第 卷图采坑内风向统计哈尔乌素露天煤矿粉尘监测系统构建 粉尘监测系统功能组成结合前述露天煤矿粉尘运移分布规律,以哈尔乌素露天煤矿为例,着重对采动扰动范围内易产生粉尘的特征点布置粉尘在线监测点并构建系统.监测系统主要功能包括信息的收集、显示、分类、预警、报警、汇总、展示.其中,统计界面主要包括装置的运行情况(正常/故障)、粉尘微粒含量的即时监测数据、微粒含量的历史变动曲线;该系统的运行模块能显示总设备数量、正常生产设备数量和事故设备数量,通过点击设备故障位置查看事故装置的具体数据;在监测数据模块中需设定空气颗粒物的污染限值,当现场污染程度超标时,超标的实时数据与未超标的实时数据区别显示,并发出报警.哈尔乌素露天煤矿粉尘监测系统界面如图所示.粉尘监测系统硬件组成()地 面 监 测 点.地 面 监 测 点 必 须 保 证 在矿山环境下正常作业,要求稳定度高,易维护.由于露天煤矿开 采推进速度 快,因 此 地 面 监 测点须具备可移动 功能.现有地 面 监 测 点 个,均采用 国 家 计 量 局 认 证 的 型 号 为R SZ S Y C S G的扬尘监 测 站,能 实 时 监 测 温 度、湿 度、风速、风向和颗粒物浓度等数据,保证每m i n至少传输条数 据,并通过无 线 传 输 方 式 将 数据传输至监测预 警系统.地面 监 测 设 备 信 息 示意如图所示.颜杰等:哈尔乌素露天煤矿粉尘监测与防治策略实践 年增刊图哈尔乌素露天煤矿粉尘监测系统界面图地面监测设备信息示意()空域测点.现有污染物浓度监测仪器多限于定点监测,无法覆盖广阔的露天采场空间.无人机可以处 于大气中 低空领域航 行的优点 决定其高效多 用性,也可以 搭载其 承 重 范 围 内 需要实现的功 能设备,如粉 尘传感 器 对 露 天 矿 粉尘浓度进行 实时监测.哈 尔乌素 露 天 煤 矿 已 建立CW 型 号无 人 机 的 空 域 测 点,通 过 周 期性巡航,实现广 域 粉 尘 监 测;能 够 展 示 无 人 机的飞行轨 迹,对 无 人 机 飞 行 的 数 据 进 行 存 储,并在显示屏上生成实时的采场内部 D等值线空气污染分 布 云 图 以 及 实 时 D空 气 污 染 分 布 云图;能够展示矿 区 地 图、完 成 地 图 和 设 备 位 置的信息更新、监 测 测 点 的 信 息 编 辑、历 史 数 据的查询和分析等功能.无人机捕获污染物 D分布如图所示.图无人机捕获污染物 D分布哈尔乌素露天煤矿粉尘防治措施策略哈尔乌素露天煤矿在有效的粉尘监测数据基础上,有针对性采用粉尘治理技术,其采用的爆堆抑尘剂降尘,由表面活性剂与吸湿性无机盐配比组成,在生产现场取得了良好的降尘效果.抑尘剂简介抑尘剂是目前最常用的露天矿粉尘治理措施之一,目 前 国 内 外 露 天 煤 矿 最 常 用 的 抑 尘 剂 是C a C l、M g C l等吸湿性无机盐.现有相关研究主要聚焦于无机盐与表面活性剂及高分子聚合物之间作用形成的新型抑尘剂.抑尘剂的现场应用普遍存在一些问题,如作用有效期短、功能单一、具有一定的腐蚀性、无法降解并且还会造成二次污染等.目前研究的抑尘剂也存在成本较高、无法大规模生产等问题.而且现有大多数抑尘剂在高寒地区的干冷气温与大风环境下适应性较差,达不到预期降尘效果.年增刊 中 国 煤 炭 第 卷 爆堆抑尘剂的配置与使用方案()表面活性剂的选取.表面活性剂作为抑尘剂的核心成分,针对待采装爆堆的使用环境,筛选的表面活性剂原则上要无毒无害、渗透能力强、经济适用且不能对金属有强腐蚀性.在实验室比选种不同的表面活性剂,不同质量分数的表面活性剂单体溶液中的沉降速度如图所示.由图可以看出,相同条件下种不同的表面活性剂中快渗T的表面张力最低、降尘速率最快、润湿能力最强,因此选择快渗T作为抑尘剂的表面活性剂.图不同质量分数的表面活性剂单体溶液中的沉降速度()吸湿性无机盐的选用与配比确定.无机盐经济价格合理、吸湿能力强,可作为润湿性抑尘剂的吸湿 剂,现 用 的 无 机 盐 主 要 有N a C l、C a C l、M a C l、N a S i O、硅胶等.通过实验测定和对比各种无机盐的吸水保湿能力得出,相同条件下N a C l、M a C l和C a C l的吸水性能明显高于其他吸湿材料,粉尘含水率在d后也能达到 以上.配置质量分 数 为 、的快渗T溶液,以及相对应的质量分 数为 N a C l快 渗T溶 液、M g C l 快渗T溶液和C a C l快渗T溶液,通过实验得出粉尘沉降时间,计算出粉尘的沉降速度,绘制粉尘在不同溶液中的沉降速度曲线,如图所示.由图可以看出,在种无机盐中,N a C l对快渗T的增效作用最强且经济性明显占优,因此选用N a C l作为吸湿性无机盐.当N a C l浓度增加时,快渗T溶液对粉尘的润湿速度出现小幅上升,随着N a C l浓度的升高,溶液对粉尘的润湿速度缓慢降低.当N a C l添加量在 时,快渗T溶液的润湿能力最强,当N a C l添加量大于 时润湿能力开始下降,出现了明显的抑制作用.综合确定润湿性爆堆抑尘剂配方为快渗T作为表面活性剂,质量分数 ;N a C l作 为 吸 湿 剂,质 量 分数 .图粉尘颗粒在快渗T和不同无机盐的混合溶液中的沉降速度曲线 爆堆抑尘剂的治理应用案例基于露天煤矿粉尘控制变量的原则,选择哈尔乌素露天煤矿 平盘爆堆作为试验区域,将该区域分为部分,分别命名为A、B、C、D部分,每段区域长度 m、宽 m、高 m,每个区域选取爆堆量约 m.配置种不同的抑尘剂,以 吨级水车均匀喷洒于试验区,表面活性剂质量分数分别为 、,吸湿剂质量分数为 .在电铲大臂两侧安装号、号粉尘监测仪,收集各区域采装作业时分层数据,见表.表不同浓度抑尘剂处理后工作面最高粉尘浓度m g/m不同配比抑尘剂PM 号号PM 号号混水后 抑尘剂 混水后 抑尘剂 混水后 抑尘剂 纯水 表数据表明,相较于纯水,质量分数的抑尘剂处理爆堆后,工作面粉尘可下降 以上,抑尘剂可下降 以上,抑尘剂颜杰等:哈尔乌素露天煤矿粉尘监测与防治策略实践 年增刊下降 以上.润湿型抑尘剂质量分数越高抑尘效果越明显,干燥后的参与抑尘强度也越高,可根据不同工作条件选取不同质量分数配比的抑尘剂.结语大型露天煤矿起尘源分散,粉尘运移受风速风向、湿度温度影响,治理难度较大,需要针对性、系统性布置监测设备并根据数据分析选择具体的粉尘治理技术.哈尔乌素露天煤矿通过构建空地一体的粉尘监测系统,利用适应性较优的粉尘抑制剂等 手段,实 现 了 高 效 的 粉 尘 监 测 与 治理,相关 技 术 可 为 工 况 相 似 的 露 天 煤 矿 提 供借鉴.参考文献:李文华大型煤化工企业环保实践经验分享及思考J中国煤炭,():刘磊,郭二民,李忠华,等加强“十四五”露天煤矿开采环境管 理 的 建 议 J中 国 煤 炭,():梁壮,邸帅,赵东波煤炭行业高质量发展存在的问题及对策研究J中国煤炭,():梁敏阳哈尔乌素露天煤矿冬季粉尘运移规律及数值模拟D徐州:中国矿业大学,刘智超哈尔乌素露天煤矿岩石水封爆破降尘试验研究D徐州:中国矿业大学,吕文伟,张禹,杨洋,等露天煤矿粉尘运移规律及降尘方 式 研 究 J露 天 采 矿 技 术,():张瑞新,李淋,何谦,等露天矿采装环节粉尘运移规律与降尘技术研究J露天采矿技术,():张汉中,孟文俊,张骉,等抓斗卸料的气幕抑尘研究J矿业研究与开发,():(责任编辑张艳华)年增刊 中 国 煤 炭 第 卷