鐵礦尾礦庫干灘面揚(yáng)塵分析及防治措施

朱曙光， 陶 濤， 田 豐，3

（1．安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，合肥 230601；2．安徽長(zhǎng)之源環(huán)境工程有限公司，合肥 230061；3．污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210046）

尾礦庫是礦山選礦廠生產(chǎn)的必要組成部分。礦石經(jīng)過破碎、磨礦、選別等處理后，剩余的尾礦通常以礦漿狀態(tài)存放在尾礦庫內(nèi)。中國(guó)現(xiàn)有11946座尾礦庫，其中設(shè)計(jì)壩高超過100m的有26座，庫容大于1億m3的有10座［1］。

尾礦庫是環(huán)境空氣污染的來源之一，在礦區(qū)的影響更為顯著。尾礦庫的大量存在對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，其對(duì)大氣環(huán)境的污染主要是通過尾礦庫揚(yáng)塵［2］。由于金屬礦山尾礦顆粒極細(xì)，排出的尾礦干燥無覆蓋時(shí)，遇大風(fēng)極易揚(yáng)塵，人吸入后極易導(dǎo)致呼吸道疾病。因此，亟待對(duì)尾礦庫揚(yáng)塵污染的特點(diǎn)和規(guī)律開展研究，并提出防治對(duì)策。

本文以中鋼集團(tuán)安徽劉塘坊礦業(yè)有限公司霍邱縣劉塘坊鐵礦尾礦庫為例，分析鐵礦尾礦庫干灘揚(yáng)塵量情況，并提出尾礦庫運(yùn)行后期及閉庫期揚(yáng)塵的防治措施。

1 尾礦及尾礦庫基本情況

1．1 尾礦庫及尾礦基本概況

劉塘坊尾礦庫位于選礦廠東南側(cè)約1．5km的低洼地，即荷葉塘尾礦庫。尾礦庫場(chǎng)地地貌單一、地勢(shì)平坦，采用平底四周筑壩圍成尾礦庫。壩體為不透水粘土壩，設(shè)計(jì)壩高8－13m，壩上游坡比1:2、下游坡比1:2．1，壩頂寬3．0－4．0m，內(nèi)、外坡比均為1:2．5。尾礦庫地面標(biāo)高22．3－23．5m，總庫容約為355．80萬 m3，有效庫容約為320．22萬 m3，匯水面積0．32km2，服務(wù)年限13年，屬四等庫。尾礦放礦方法采用多管放礦，采用框架式溢水塔與排水管組合排洪系統(tǒng)。

1．2 鐵礦尾礦砂的粒徑分布

正常情況下，選礦全尾礦部分用于井下充填，部分進(jìn)入尾礦庫。尾礦入庫尾砂濃度為20%。2013年10月31日的尾礦粒度組成見表1。由表1可知尾礦砂粒徑主要集中在小于0．043mm范圍。

表1 尾礦粉塵粒徑分布分析

1．3 尾礦庫生產(chǎn)工藝

劉塘坊尾礦庫運(yùn)行流程為修筑尾礦壩、尾礦輸送、尾礦排放、尾礦庫水位控制、水壓和位移監(jiān)測(cè)等工藝。尾礦庫運(yùn)營(yíng)流程見圖1。

圖1 尾礦庫運(yùn)營(yíng)流程

1．4 庫區(qū)所在地氣象特征

（1）風(fēng)速。全年以東北偏北（NNE）風(fēng)平均風(fēng)速（3．3m／s）最大，西南偏南（SSW）風(fēng)平均風(fēng)速（2．0m／s）最小，最大月平均風(fēng)速為 6 月西北（NW）風(fēng)（4．8m／s），最小月平均風(fēng)速為9、10月西南偏南（SSW）風(fēng)（1．3m／s）方向。

（2）風(fēng)向和風(fēng)頻?；羟窨h全年主導(dǎo)風(fēng)向E，出現(xiàn)頻率11．5%，次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾E，出現(xiàn)頻率10．78%，靜風(fēng)出現(xiàn)頻率7．35%。一月（代表冬季）主導(dǎo)風(fēng)向NE，出現(xiàn)頻率10．19%，次主導(dǎo)風(fēng)向E，出現(xiàn)頻率9．87%，靜風(fēng)出現(xiàn)頻率8．09%；四月（代表春季）主導(dǎo)風(fēng)向SE，出現(xiàn)頻率14．17%，次主導(dǎo)風(fēng)向E，出現(xiàn)頻率12．00%，靜風(fēng)出現(xiàn)頻率7．00%；七月（代表夏季）主導(dǎo)風(fēng)向S，出現(xiàn)頻率15．35%，次主導(dǎo)風(fēng)向SE，出現(xiàn)頻率15．02%，靜風(fēng)出現(xiàn)頻率7．43%；十月（代表秋季）主導(dǎo)風(fēng)向E，出現(xiàn)頻率11．00%，次主導(dǎo)風(fēng)向SE，出現(xiàn)頻率10．36%，靜風(fēng)出現(xiàn)頻率10．52%。

（3）大氣穩(wěn)定度?；羟窨h全年各級(jí)大氣穩(wěn)定度中，D類穩(wěn)定度出現(xiàn)的頻率最高，全年出現(xiàn)頻率為53．95%，E類穩(wěn)定度次之，全年出現(xiàn)頻率17．89%，其它各類穩(wěn)定度出現(xiàn)的頻率相對(duì)較小。

（4）壩面風(fēng)速計(jì)算。鐵礦尾礦庫在尾礦庫運(yùn)行后期及閉庫期會(huì)出現(xiàn)尾砂干灘面?；羟窨h月平均風(fēng)速最大值為4．8m／s，劉塘坊尾礦庫距地面高度為13m，考慮到風(fēng)速隨高度的增加而增加，按地面最大風(fēng)速計(jì)算尾礦庫壩面風(fēng)速，計(jì)算公式如下:

式中，u1、u——已知高度和所求高度z的風(fēng)速；m／s

z1、z——已知高度和所求高度；m

m——常數(shù)，根據(jù)不同穩(wěn)定度確定，按照D類穩(wěn)定度確定為0．25。

經(jīng)計(jì)算，地面最大的東北偏北（NNE）風(fēng)平均風(fēng)速為3．3m／s，則尾礦庫壩面風(fēng)速為3．52m／s。按地面最大月平均風(fēng)速4．8m／s計(jì)算，則尾礦庫壩面風(fēng)速達(dá)5．13m／s。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2．1 粉塵樣品的選取

劉塘坊尾礦庫區(qū)中的尾礦是以泥漿方式堆存的，庫內(nèi)設(shè)有沉積干灘，灘面是由干燥尾礦形成的，塵樣取自尾礦庫表層和尾礦排口。

2．2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有風(fēng)機(jī)、調(diào)速器、蜂窩器、測(cè)風(fēng)儀，天平、粉塵采集器。實(shí)驗(yàn)風(fēng)速的測(cè)定采用AR816風(fēng)速計(jì)。風(fēng)速調(diào)節(jié)范圍為0－7m／s，并配有調(diào)速器，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。

尾礦揚(yáng)塵實(shí)驗(yàn)的斷面尺寸為0．6×0．6×4．8m3。尾礦粉塵量由KC－6120大氣采樣器捕捉，其稱重天平為CP2250電子分析天平，最大稱重40g，精度為0．01mg。尾礦塵樣實(shí)驗(yàn)前后的質(zhì)量變化均扣除含水率的影響。每組揚(yáng)塵實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3．1 尾礦塵樣粒徑分析

將取自尾礦排放口的尾砂與庫區(qū)表層的硬化尾砂進(jìn)行粒徑分析，結(jié)果見圖2所示。

圖2 排放口尾砂與硬化表層尾砂粒徑比較

由圖2可知，尾礦排口大于0．074mm粒徑的尾砂占67．24%。取自硬化后的庫區(qū)表面塵樣中，大于0．074mm粒徑的尾砂下降到63．45%。對(duì)小于0．030mm粒徑的兩種尾砂，庫區(qū)表面的占14．72%，而排口的占10．01%。這說明了尾礦排口的尾砂中大粒徑的比重高于庫區(qū)表面樣塵中的比重。相反的是排口的小粒徑比重要低于庫區(qū)表面塵樣中的比重。

分析可知，取自尾礦排放口的尾砂為泥漿形態(tài)。排口尾砂經(jīng)過液相充分混合，不同粒徑的尾砂呈均質(zhì)狀態(tài)。自然沉淀后的庫區(qū)塵樣在重力作用下，粗大顆粒沉降較快，細(xì)小顆粒沉降較慢。這造成了小粒徑的集中在表層分布，而大粒徑多分布在下層。庫區(qū)表面的塵樣趨于小粒徑富集區(qū)域，造成了尾砂粒徑的差異。

3．2 尾礦塵樣含水率變化分析

將取回的尾礦塵樣自然靜置，可以得出其含水率的變化規(guī)律，具體如圖3所示。

圖3 尾砂含水率變化

在自然蒸發(fā)狀態(tài)，根據(jù)蒸發(fā)時(shí)間的不同，可以得到不同含水率的塵樣。尾砂含水率在前5h下降較快，經(jīng)24h的自然蒸發(fā)，其含水率由原來的13．68%下降到0．15%左右；時(shí)間越長(zhǎng)其含水率越低，但基本穩(wěn)定在0．11%左右。

3．3 尾砂含水率對(duì)實(shí)驗(yàn)風(fēng)速的影響

將尾礦粉塵制成泥漿置于容器中，均勻攪拌后，靜置沉淀，然后吸走上層的水分，再讓其自然蒸發(fā)，根據(jù)蒸發(fā)時(shí)間的不同，得到不同含水率的塵樣。在不同實(shí)驗(yàn)風(fēng)速條件下，獲得其起塵量數(shù)據(jù)，具體見表2。

表2 不同含水率塵樣的吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在尾砂泥漿混合沉淀過程中，尾砂受重力和浮力的作用，粗大顆粒沉降較快，細(xì)小顆粒沉降較慢，凝成一整塊，表面結(jié)殼且平坦光滑。在不同含水率條件下，大顆粒比表面積小，顆粒之間的吸附作用小，含水量的提高不會(huì)促成更大顆粒的出現(xiàn)；而細(xì)小顆粒會(huì)因含水量的增加而凝聚成較大的顆粒，其起動(dòng)風(fēng)速則反映了更大粒徑的物理行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:起動(dòng)風(fēng)速不僅與粒徑有關(guān)，而且與含水率有關(guān)。含水率的提高，尾砂的起動(dòng)風(fēng)速也相應(yīng)地增加。

3．4 尾礦起塵量與實(shí)驗(yàn)風(fēng)速的關(guān)系

采用自然干燥狀態(tài)庫區(qū)表面粉塵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。經(jīng)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)用尾砂的含水率為0．11%。試驗(yàn)中，分別使用了3．0、4．0、5．0、5．1、5．2、5．5m／s實(shí)驗(yàn)風(fēng)速，得出起塵量與實(shí)驗(yàn)風(fēng)速關(guān)系如表3:

表3 不同實(shí)驗(yàn)風(fēng)速與起塵量關(guān)系

由表3的結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)風(fēng)速為3．0m／s時(shí)，實(shí)驗(yàn)起塵量較少，為0．1620g／h。隨著風(fēng)速的增加，起塵量也逐步變大。風(fēng)速達(dá)5．5m／s時(shí)，起塵量增加到0．4860g／h。

4 揚(yáng)塵防治措施

鐵礦尾礦粉塵中的細(xì)塵和極細(xì)塵比重較高，水分蒸發(fā)后，沉積干灘表面的細(xì)小粉塵凝聚而結(jié)殼，因此對(duì)干灘表面起到抑制揚(yáng)塵的作用。經(jīng)過長(zhǎng)期的日照和風(fēng)蝕，粉塵的含水量逐漸下降，從而導(dǎo)致結(jié)殼的干灘表面破壞，進(jìn)而在風(fēng)力的作用下發(fā)生起塵。

因?yàn)槲驳V庫的干灘面積大，揚(yáng)塵影響范圍廣，所以需要采取適當(dāng)措施，確保減小對(duì)周圍環(huán)境空氣的影響。

4．1 運(yùn)營(yíng)期尾礦庫的治理措施

（1）采取多管放礦工藝，即采用多管小流量分散放礦的方式將尾礦均勻排入庫區(qū)。均勻排放的尾砂在各分區(qū)范圍內(nèi)可形成表面覆蓋較細(xì)粒級(jí)的尾礦層。在重力沉淀和自然蒸發(fā)作用下，尾砂可干化形成致密的表皮層，具有較好的抗風(fēng)蝕能力［3］。致密表層不僅有利于短期的防塵，而且有利于長(zhǎng)期固定尾礦庫的表面。

（2）建造專用灑水管網(wǎng)，通過專用灑水系統(tǒng)增加尾礦砂的含水率。增加含水率的情況下，尾砂的粘滯性增加，團(tuán)聚作用加強(qiáng)，因而加大了粉塵的起動(dòng)風(fēng)速值［4］。這是減少揚(yáng)塵污染的一種常用方法。

（3）使用粉塵覆蓋劑，通過高分子聚合物和微細(xì)粉塵保持著特殊的浸透力和結(jié)合力，在粉塵表面形成硬化層［5］。硬化層不僅能夠抑制風(fēng)蝕作用，而且有利于植物的生長(zhǎng)。粉塵覆蓋劑使用的關(guān)鍵是如何控制在不同運(yùn)營(yíng)時(shí)期的動(dòng)態(tài)表面的控制；過于頻繁地使用會(huì)造成費(fèi)用的增加。而在極端天氣情況下使用，有利于揚(yáng)塵的控制。這是治理尾礦庫干灘產(chǎn)生揚(yáng)塵的有效新技術(shù)。

4．2 閉庫期尾礦庫的治理措施

（1）在庫區(qū)覆蓋一層厚度適當(dāng)?shù)膹U碎石塊，使風(fēng)不能直接作用于細(xì)粒的尾砂上，從而減輕以致消除塵砂被卷揚(yáng)吹蝕［6］。

（2）在干灘面上綠化。一種是在尾砂表面覆蓋一層厚度適宜的土壤，然后再種植植物；另一方法是直接在尾礦砂上種植植物。此外，可以在壩體外坡面覆土植草，以達(dá)到防塵和固砂作用。

（3）不僅要對(duì)尾礦庫采取科學(xué)的管理措施，而且要用科學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)其資源化、再利用化，達(dá)到解決污染源的目的。

5 結(jié)論

（1）霍邱縣劉塘坊鐵礦尾礦粒徑主要集中在小于0．043mm范圍。當(dāng)尾礦泥漿水分蒸發(fā)沉積后，沉積干灘表面細(xì)小粉塵因凝聚而結(jié)殼，對(duì)于尾礦揚(yáng)塵有一定的抑制作用。

（2）揚(yáng)塵實(shí)驗(yàn)證明，隨著實(shí)驗(yàn)風(fēng)速的增大，自然干燥狀態(tài)下的塵樣的起塵量也在增加。因此，尾礦庫需要關(guān)注在大風(fēng)天氣的揚(yáng)塵污染問題。

（3）在尾礦庫運(yùn)營(yíng)期，優(yōu)化均勻放礦工藝，減少表層擾動(dòng)，同時(shí)配備必要的灑水管網(wǎng)，有利于揚(yáng)塵污染的防治；尾礦庫閉后及時(shí)復(fù)墾，并能確保尾礦干灘表面形成一定厚度的密實(shí)表皮層或覆蓋層，就能夠防止干灘揚(yáng)塵可能對(duì)環(huán)境空氣的污染。

1 徐潔，錢柏青，孔祥龍．老鴉嶺水庫型尾礦庫后期干灘面揚(yáng)塵分析及防治措施 ［J］．有色金屬工程，2013，3（4）:45－48．

2 張鴻雁，王元，陳祥芬．鐵礦尾礦庫區(qū)粉塵污染源強(qiáng)研究 ［J］．西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，30（4）:396－398．

3 黃燕．金屬尾礦庫揚(yáng)塵影響分析及污染防治措施建議——以金礦尾礦庫為例［J］．化學(xué)工程與裝備，2009，7:218－219，160．

4 吳正．風(fēng)沙地貌學(xué)［M］．北京:科學(xué)出版社，1987:38－39．

5 李榮海，于淼，朱萬剛，等．尾礦庫揚(yáng)塵綜合治理措施研究［J］．金屬礦山，2011，415（1）:142－146．

6 汪晴珠，許宏林．黃金選廠尾礦治理問題的探討［J］．國(guó)外金屬礦選礦，1996，（3）:31－33．