某露天礦深孔爆破降塵實踐

卜天宇，張雪中，陶翠林，張繼榮

1 引言

某大型水泥廠配套的石灰石D礦山，年產(chǎn)礦石250萬噸左右，礦山西南方向距離某即將投入運行的大型機場主跑道約1.3km左右。在機場開通運營前3個月，所在地空港區(qū)政府通知水泥廠，廠區(qū)內(nèi)煙囪高度超過機場凈空要求1m左右，所屬礦山的爆破揚塵可能會影響通航安全，需要采取措施。廠方立即進行塵源分析和降塵方法探討，形成了降塵方案并進行了試驗，取得了較好的降塵效果。

2 塵源分析

礦山地處高原，除位置距機場較近外，相對高度也比機場高20～30m。其深孔爆破后粉塵量大，在風(fēng)流影響下，擴散范圍廣，漂移時間長。圖1是起爆75s后，該礦山一次普通深孔爆破的粉塵漂移情況?？梢钥闯觯瑥谋瑓^(qū)到500m外的機場位置方向，均為揚塵所覆蓋。分析露天深孔爆破揚塵的塵源，包括既有塵源和新生塵源兩類。

2.1 既有塵源

主要來自三個方面：（1）鉆機穿孔巖粉。穿孔巖粉量一般隨孔徑、孔深的增大而增大。D礦采用15m臺階、165mm孔徑鉆機，穿孔巖粉量較大。（2）礦巖內(nèi)部構(gòu)成。一是充填膠結(jié)于硬質(zhì)巖石裂隙和軟弱層部位的細粒，二是礦床內(nèi)某些巖層的巖相特征本身呈微粒結(jié)構(gòu)。例如D礦的圍巖層（P1d層，見圖2），主要由品位較低的高鋁巖土構(gòu)成，團粒呈微粒結(jié)構(gòu)，構(gòu)成接觸層深孔爆破既有塵源的一部分。（3）以前爆堆殘留。以前爆破的爆堆在鏟裝后，會殘留許多巖粉在臺階坡面和爆區(qū)地表，對當(dāng)次爆破而言，是“已存在”的粉塵。

圖1 起爆75s后爆破粉塵漂移情況（側(cè)視）

圖2 圍巖層P1d層高鋁礦物的細粒結(jié)構(gòu)（虛線內(nèi)深色部分）

圖3 臺階爆破作用過程

2.2 爆破新生塵源

根據(jù)目前主流的爆破巖體破壞理論，臺階爆破作用過程大體可以分為三個階段[1]：第一階段，徑向壓縮階段。爆炸后在沖擊波和爆生氣體的壓縮作用下，以藥包為中心，由近及遠形成壓碎區(qū)和裂隙區(qū)；第二階段，沖擊波反射階段。在自由面，入射波和反射波相互疊加作用，進一步擴大巖石裂隙并形成片落層；第三階段，爆生氣體膨脹做功階段。爆生氣體膨脹，破碎巖石形成鼓包運動，并在位移過程中相互碰撞，得到進一步破碎。整個過程如圖3所示。不論是壓碎、裂隙的產(chǎn)生，還是片落、碰撞，均伴隨大量的粉塵產(chǎn)生。遺憾的是，我們現(xiàn)場缺乏手段來精確測定以上各塵源對深孔爆破揚塵的貢獻率。

爆破時在塌落氣浪、爆生氣體以及外界空氣流的多重作用下，各塵源被拋揚擴散，形成爆破揚塵。

3 降塵方法探討

邏輯上，降塵可以從兩個方面入手：一是爆前和爆破過程中對塵源的減少和控制；二是爆后對粉塵擴散過程和途徑進行抑制。

3.1 爆前

減少鉆機穿孔巖粉最有效的辦法是利用鉆機收塵設(shè)施收集巖粉后，爆前移除到排土場或加工廠（如果可以利用）[2]；出露于爆區(qū)地表的巖石微粒以及以前爆堆的殘留微塵，可以通過爆前噴淋預(yù)濕的方法減小其飄揚的比率[3]；對于巖體內(nèi)部的裂隙、結(jié)構(gòu)面內(nèi)的微粒，目前尚無有效的預(yù)處理辦法。簡而言之，爆前的措施主要是對爆區(qū)表面已存在塵源進行移除和控制。

3.2 爆中

爆破初期產(chǎn)生的壓碎區(qū)，不僅不利于粉塵的控制，同時由于能量消耗巨大，也不利于對整體巖石的破碎。因而，不論是從提高爆破效果還是塵源控制角度來講，均有必要減小壓碎區(qū)的范圍，常見措施有小直徑炮孔、不耦合裝藥等。由于徑向不耦合對爆破塊度影響大，而合適的軸向不耦合—空氣間隔已被許多實踐證明可減小壓碎區(qū)并改善爆破效果，但在隨后的裂隙區(qū)和巖石碰撞過程中，控制塵源和減小爆破塊度卻不能兼得。若要控制塵源，要么提高整體塊度（大塊率），要么在整體塊度不變的前提下，減少微粒分布比率，本質(zhì)上是在粉塵控制與爆破塊度以及爆破成本和后續(xù)工序成本之間尋找最佳平衡點。當(dāng)爆破存在過粉碎現(xiàn)象時，“平衡點”則相對容易把握，適度降低單耗即可；當(dāng)不存在過粉碎現(xiàn)象或者消除了這一現(xiàn)象時，則需通過孔網(wǎng)優(yōu)化、改善裝藥結(jié)構(gòu)、選擇波阻抗匹配的炸藥[4]等多種手段來改善塊度分布，減少微粒分布比率。

3.3 爆后

主要是對粉塵擴散過程和途徑進行抑制，目前常用手段是利用普通水霧或者有添加劑的水霧來捕集。

綜合上述，深孔爆破降塵可從以下幾個方面嘗試：

（1）巖粉移除；

（2）預(yù)濕爆區(qū)；

（3）小孔徑爆破；

（4）空氣間隔裝藥；

（5）減小單耗；

（6）改善塊度分布（孔網(wǎng)、裝藥結(jié)構(gòu)、炸藥品種等的優(yōu)化）；

（7）水霧捕集。

4 降塵試驗方案

在上述分析的基礎(chǔ)上，D礦決定分步進行嘗試，以尋求最佳途徑和效果。鑒于實際操作時間距機場通航日不到2月，短期內(nèi)不可能通過更換鉆機來減小孔徑；同時，炸藥受當(dāng)?shù)孛癖竟?yīng)限制，選擇范圍很小，因此，此次暫不考慮小孔徑爆破和優(yōu)化炸藥品種方案。

4.1 試驗方案一

（1）穿孔粉塵排移。爆前提前一天人工配合鏟運機，將穿孔巖粉運到排土場填埋處理，避免二次揚塵。

（2）爆區(qū)預(yù)濕。爆區(qū)和臺階坡面裝藥前2～3h，用灑水車噴水預(yù)濕，使地面浮塵、巖粉呈糊狀、半糊狀，以達到固塵目的。

（3）優(yōu)化孔網(wǎng)，逐步摸索將單耗降低、同時改善塊度分布的措施?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，D礦的深孔爆破雖然采用抗水性能良好的乳化炸藥，選用國產(chǎn)導(dǎo)爆管雷管逐孔起爆，但相對一般石灰石0.15～0.20kg/t的單耗偏高，達0.25kg/t，爆破也存在過粉碎現(xiàn)象（見圖4）。

通過KUZ-RAM數(shù)學(xué)模型工具[5]進一步分析表明，在抵抗線不變的情況下，將孔距增加0.5m，即嘗試將目前的主孔網(wǎng)從3.5×5.5、4×5，分別提高到3.5×6、4×5.5，可減少0.5m以下、特別是0.2m以下塊度的分布比例（見圖5）。盡管從數(shù)值上看，塊度的分布比例降低不大，但對粉塵的拋揚控制作用不可低估。

（4）改變充填材料。國外某些研究表明，對較大孔徑的炮孔，穿孔巖粉充填效果差，最佳的充填材料是5%孔徑的破碎石子，其比重和摩擦力可保證良好的充填效果[6]。因此決定充填采用公分石取代穿孔巖粉，以期減少揚塵的同時改善爆破效果。公分石從位于D礦山自有骨料廠獲得，爆前直接用裝載機運到爆區(qū)。

（5）采用空氣間隔裝藥。通過減少單耗，改善或維持爆破效果來降低粉塵新的形成量。間隔長度初步確定為～1m，間隔器由外購取得。

（6）在爆區(qū)表面每排炮孔間敷設(shè)長條水帶。水帶由直徑50cm的桶狀塑料袋在市面上訂做而成，現(xiàn)場自由裁剪長度，用灑水車充裝后打結(jié)封堵。

現(xiàn)場經(jīng)過兩次嘗試后，揚塵得到很大改善，但是也發(fā)現(xiàn)：a敷設(shè)水帶方法費時、費力，且效果非常有限。爆后絕大多數(shù)水帶沒有充分破損，沒有拋灑形成水霧。如果采用額外藥包來爆破水帶，又會帶來破壞地表連接網(wǎng)路的風(fēng)險，也會增大爆破聲響，得不償失，周邊環(huán)境不允許；b空氣間隔器放置過程較慢，有時要反復(fù)測量才能確定放置位置和間隔長度，延長了爆破作業(yè)時間。

圖4 未采取措施前的爆破過粉碎現(xiàn)象

圖5 Kuz-Ram模擬各種孔網(wǎng)下的結(jié)果

4.2 試驗方案二

在試驗方案一的基礎(chǔ)上適當(dāng)進行調(diào)整：（1）拋棄爆區(qū)地表敷設(shè)水帶做法；（2）改空氣間隔裝藥為水間隔，間隔長度為1～1.5m。資料表明，水間隔不僅可以改善爆破效果，而且可以降塵[7]。一是水的霧化可捕集粉塵；二是水間隔可減少炸藥用量，一定程度上減少了爆破次生氣體總量和壓碎圈作用范圍；三是水具有不可壓縮性，能均勻傳遞爆炸能量，能量損失小，破碎的礦石均勻度好，破碎效率高[8]。間隔水袋的制作也很方便，即從市場訂購120mm直徑長條塑料袋，現(xiàn)場用水車充水后，利用自身柔韌性，打結(jié)密封一定長度，比如30～50cm，采用和條藥一樣的方式，用帶勾測繩放入孔內(nèi)。間隔高度可以通過放入水袋的數(shù)量來調(diào)節(jié)。水袋可提前一天作好堆放在爆區(qū)旁待用。（3）在爆區(qū)后方5m外（防止后沖）附近架設(shè)水噴頭，爆后利用灑水車通過長距離（警戒區(qū)外）耐壓水帶，進行噴淋降塵。部分試驗照片見圖6。

嘗試了三次方案二，降塵效果在方案一的基礎(chǔ)上有所提高。圖7是同樣規(guī)模的爆破在起爆75s后的揚塵狀況，與圖1未采取措施前形成鮮明對比。

更重要的是，在降塵的過程中，由于孔網(wǎng)拉大、采用間隔裝藥，不僅有效保證了礦山深孔爆破的效果，爆堆整齊、塊度均勻，而且炸藥單耗由原來的0.25kg/t降到了0.17kg/t，降幅達1/3。折合可節(jié)約0.88元/t，年可節(jié)約220萬元，不僅環(huán)保效果明顯，經(jīng)濟效益也十分顯著。采用降塵措施后，深孔爆破爆堆見圖8。

5 結(jié)語

此次實踐方法可概括為以下三點：一是爆前對已有塵土進行移除、固定，如爆前移走鉆機穿孔巖粉、爆區(qū)預(yù)濕；二是在設(shè)計和施工上，通過減少炸藥單耗、減少壓碎圈的過粉碎量來減少新產(chǎn)生的粉塵總量，如孔網(wǎng)優(yōu)化、KUZ-RAM塊度分析、間隔裝藥等；三是利用水對揚塵進行捕集和抑制，如水間隔、爆后噴淋等。

未來可以在以下方面繼續(xù)探索和嘗試：

圖6 部分試驗照

圖7 采取降塵措施后，起爆75s后爆破粉塵漂移情況（側(cè)視，與圖1同視角）

圖8 采取降塵措施后，深孔爆破爆堆

（1）采用泡沫添加劑，以增加爆前和爆后噴淋的固化和捕集效果[9]。

（2）小孔徑深孔爆破對過粉碎和爆破粉塵的減弱影響度。

（3）選擇與巖石的波阻抗匹配的炸藥。

（4）優(yōu)化微差時間是否可減少爆破微粒的影響。

（5）爆后噴淋降塵。

a噴淋點的分布；

b耐壓、防飛石水帶研制；

c高壓水車；

d爆破過程中拋射爆炸水帶、水幕的研究。

（6）采用多點粉塵采樣器、高速攝影機等，對降塵效果進行量化對比分析，如粉塵影響范圍、持續(xù)時間、粉塵濃度等。