天池抽水蓄能電站地下洞室群爆破粉塵及炮煙控制技術(shù)分析

向冠霖 肖林斌 肖冬平 董平

摘要：為解決天池抽水蓄能電站地下洞室群爆破粉塵及炮煙污染問題，研究了爆破粉塵及炮煙的特征與消散規(guī)律，提出了高效的降塵方法。針對天池抽水蓄能電站尾水洞的爆破開挖，開展了施工現(xiàn)場試驗(yàn)。分別監(jiān)測了常規(guī)光面爆破、加水袋及水沙袋的光面爆破產(chǎn)生的粉塵濃度;以常規(guī)光面爆破試驗(yàn)的粉塵平均濃度值為基準(zhǔn)，對比了爆破粉塵及炮煙濃度大小，分析了水袋及水沙袋對粉塵消散的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：采取加水袋及水沙袋的光面爆破技術(shù)進(jìn)行爆破粉塵及炮煙控制是可行、有效的;與常規(guī)光面爆破相比，加有水袋及水沙袋的光面爆破技術(shù)對爆破粉塵控制效果更加明顯，水在高溫作用下能夠霧化，包裹粉塵顆粒，加速降塵過程，同時(shí)充分吸收爆炸產(chǎn)生的有毒、有害氣體，達(dá)到改善洞內(nèi)空氣質(zhì)量的目的。

關(guān)鍵詞：爆破粉塵及炮煙;降塵技術(shù);光面爆破;水袋及水沙袋;天池抽水蓄能電站;河南省

中圖法分類號：TV743文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.06.007

文章編號：1006 - 0081（2021）06 - 0035 - 06

1 研究背景

目前在建的天池抽水蓄能電站位于河南省南陽市南召縣馬市坪鄉(xiāng)境內(nèi)，由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫及地面開關(guān)站等建筑物組成。該電站地下廠房洞室群爆破開挖過程中，因洞內(nèi)通風(fēng)條件較差，爆破后產(chǎn)生大量粉塵污染，嚴(yán)重影響洞內(nèi)空氣質(zhì)量，難以滿足綠色施工要求，嚴(yán)重危害施工人員的身體健康。此外，在有濃密電網(wǎng)和有精密、復(fù)雜儀器設(shè)備的地方，爆破粉塵可能引起電路的短接，影響電力供應(yīng)、設(shè)備正常工作;粉塵與空氣作用形成氣溶膠并在空中長時(shí)間漂浮，影響采光和降水的清潔度[1- 2]。因此，研究爆破粉塵特征和降塵技術(shù)，解決地下洞室群爆破開挖過程中施工環(huán)境的粉塵及炮煙污染問題，對工程爆破技術(shù)的發(fā)展具有重要理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

爆破粉塵的來源可分為施工準(zhǔn)備階段產(chǎn)生的粉塵和施爆階段產(chǎn)生的粉塵[3]。施工準(zhǔn)備階段產(chǎn)生粉塵主要為鑿巖機(jī)鉆孔中形成的粉塵;施爆階段產(chǎn)生粉塵主要有：炮孔周圍介質(zhì)被炸藥粉碎、斷裂和破壞過程中產(chǎn)生的粉塵、由爆炸沖擊波掀起的積塵、隨爆生氣體飄散的粉塵等。研究表明：爆破后，工作面附近的粉塵擴(kuò)散速度快、滯留時(shí)間長，粉塵濃度較長時(shí)間后仍超過規(guī)定值[4]。當(dāng)前，關(guān)于爆破粉塵及炮煙控制常采用的主流技術(shù)有：濕式鑿巖技術(shù)、水幕過濾技術(shù)、水炮泥封堵技術(shù)和“環(huán)保型”降塵技術(shù)等[5-7]。

本文采取施工現(xiàn)場試驗(yàn)手段，分別監(jiān)測常規(guī)光面爆破、加有水袋及水沙袋的光面爆破產(chǎn)生的粉塵濃度，以常規(guī)光面爆破試驗(yàn)的平均濃度值為基準(zhǔn)，對比各爆破試驗(yàn)產(chǎn)生的爆破粉塵及炮煙濃度大小，分析水袋及水沙袋對降塵效果的影響規(guī)律。

2 工程概況

河南省天池抽水蓄能電站的地下廠房系統(tǒng)建筑物主要由主廠房、主變洞、母線洞、排風(fēng)洞、500 kV 電纜出線平洞、500 kV 電纜出線豎井、進(jìn)廠交通洞、主變運(yùn)輸洞、通風(fēng)兼安全洞、排煙豎井、電纜交通洞、排水廊道、自流排水洞等洞室組成。地下廠房開發(fā)方式系尾部式開發(fā)，主廠房軸線方向?yàn)?N69°W，機(jī)組縱軸線距上庫進(jìn)出水口水平距離約3 000 m，距下庫進(jìn)出水口水平距離約 450 m。地下廠房三維立體圖如圖1所示。

主廠房由主機(jī)間、安裝間和副廠房組成，呈“一”字形布置，安裝間和副廠房分別布置在主機(jī)間的左、右兩端，洞室斷面為城門洞型，主廠房洞室開挖尺寸為156.50 m×23.50 m×51.80 m （長×寬×高）。主廠房與主變洞之間有4條母線洞、1條電纜交通洞和1條主變運(yùn)輸洞連接。主變洞開挖尺寸154.92 m×20.00 m×21.30 m （長×寬×高）。母線洞斷面為城門洞型，凈空尺寸為40.00 m×8.00 m×10.00 m（長×寬×高）。

3 爆破粉塵及炮煙控制

針對該工程中爆破開挖造成施工環(huán)境的粉塵污染問題，以尾水洞施工為例，擬采取常規(guī)光面爆破、加水袋及水沙袋的光面爆破，以及開挖掌子面懸掛水袋的水壓光面爆破進(jìn)行爆破試驗(yàn)。通過相應(yīng)儀器測得各試驗(yàn)爆破后產(chǎn)生的平均粉塵濃度，以常規(guī)光面爆破試驗(yàn)的平均粉塵濃度為基準(zhǔn)，對比其他爆破試驗(yàn)產(chǎn)生的平均濃度變化，分析各爆破試驗(yàn)對降低爆破粉塵的作用大小，爆破孔位置可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況調(diào)整。

3.1 水袋及水沙袋降塵試驗(yàn)

加入水袋及水沙袋的光面爆破原理為：往炮眼底部加入袋，并用水袋及水沙袋回填堵塞炮眼，利用在水中傳播的沖擊波對水的不可壓縮性，使爆炸能量經(jīng)過水傳遞到圍巖中幾乎無損失，同時(shí)，水在爆炸氣體膨脹作用下產(chǎn)生的“水楔”效應(yīng)，有利于巖石破碎。另外，水滲入掌子面巖體中，可防止巖爆發(fā)生。水在高溫作用下霧化，包裹粉塵顆粒，加速降塵過程，同時(shí)充分吸收爆炸產(chǎn)生的有毒、有害氣體，改善了洞內(nèi)環(huán)境。相比常規(guī)爆破，水壓爆破炮眼底部的水袋取代了一部分炸藥，然后填在炮眼中實(shí)現(xiàn)封堵，亦稱水炮泥封堵技術(shù)。

3.1.1 布孔方式

以尾水洞爆破開挖段進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，炮孔起爆網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，為了進(jìn)一步控制爆破振動造成的影響，具體炮眼及其引爆連線方式為：6發(fā)雷管用于孔外聯(lián)網(wǎng)，32發(fā)雷管用于孔內(nèi)聯(lián)網(wǎng)。

3.1.2 爆破參數(shù)

加有水袋及水沙袋的光面爆破參數(shù)詳見表1。

3.1.3水袋及水沙袋制作

水袋（圖3）是由KSP-60型水袋自動封裝機(jī)生產(chǎn)而成，其工作原理為：采用高壓泵式容積法計(jì)算方式進(jìn)行灌裝，由凸輪機(jī)構(gòu)完成水袋自動熱合封口，根據(jù)線裝藥密度、堵塞長度、藥卷直徑等參數(shù)選定合適的水袋規(guī)格。水袋規(guī)格：通用的聚乙烯塑料制成;分大、中、小3種類型，具體見表2所示。

水沙袋（圖4）由水和土沙按一定比例組成，制作水沙袋的原材料土沙可就地取材，節(jié)約成本，按照土∶沙∶水= 0.75∶0.10∶0.15的比例制作。

3.1.4 裝藥結(jié)構(gòu)

炮孔底部先放一節(jié)水袋再裝藥，然后用水袋及水沙袋進(jìn)行回填充實(shí)（圖5）。其中，炮眼底部水袋相對炮眼中上部水袋不能過長。采用水壓爆破時(shí)應(yīng)注意：水沙袋不宜過滿，水與沙土混合不易過稠;底部水袋要到底，水袋裝滿水;周邊眼炮泥堵塞時(shí)必須振搗密實(shí)，確保能量被充分利用[8]。

3.2 懸掛水袋降塵試驗(yàn)

懸掛水袋降塵試驗(yàn)即在隧洞開挖段掌子面設(shè)置水袋，在隧洞爆破開挖前，讓水袋起爆形成水霧屏障，再進(jìn)行開挖起爆。水袋起爆方式有：①水袋用導(dǎo)爆管連接提前起爆形成水霧屏障;②用導(dǎo)爆索連接水袋起爆形成水霧屏障。確定水袋最佳起爆方式預(yù)試驗(yàn)：預(yù)先對懸掛水袋光面爆破進(jìn)行兩種水袋起爆方式對比試驗(yàn)，選擇中型水袋進(jìn)行兩種起爆方式預(yù)試驗(yàn)，各進(jìn)行3次試驗(yàn)，對除塵效果檢測，選定出一種最佳的水袋起爆方式。

爆破參數(shù)、炮孔布置同常規(guī)光面爆破試驗(yàn)，根據(jù)圖2所示的炮孔布置圖，依據(jù)水袋規(guī)格大小，擬定圖6所示3種不同的水袋規(guī)格布置圖。小水袋可布置17個(gè)，中水袋可布置11個(gè)，大水袋則布置6個(gè)，通過試驗(yàn)選定最佳的水袋布置方式。

3.3 常規(guī)光面爆破試驗(yàn)

常規(guī)光面爆破技術(shù)原理為：炮眼中的炸藥爆炸后，在巖石中傳播應(yīng)力波產(chǎn)生徑向壓應(yīng)力和切向拉應(yīng)力。由于炮眼相鄰互為“空眼”，所以在炮眼連線兩側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中度很高的拉應(yīng)力，超過巖石抗拉強(qiáng)度，炮眼之間的巖體形成的初始裂縫要比其他方向厲害的多，除此之外，由于炸藥爆炸生成的高壓氣體膨脹產(chǎn)生的靜力作用促使初始裂縫進(jìn)一步延伸擴(kuò)大。

本文將常規(guī)光面爆破作為對比試驗(yàn)方案，即將加有水袋和水沙袋的光面爆破及掌子面懸掛水袋的水壓光面爆破試驗(yàn)進(jìn)行對比，監(jiān)測出爆破后產(chǎn)生的粉塵及炮煙濃度，與常規(guī)光面爆破進(jìn)行對比，分析水袋對于爆破降塵的作用。常規(guī)光面爆破試驗(yàn)炮眼布置及爆破參數(shù)與加有水袋及水沙袋的光面爆破一致，不同之處在于，常規(guī)光面爆破中爆孔裝藥結(jié)構(gòu)未裝水袋，具體如圖7所示。

4 控制效果分析

4.1 測點(diǎn)布置與現(xiàn)場監(jiān)測

4.1.1測點(diǎn)布置

利用粉塵檢測儀對常規(guī)光面爆破和加有水袋及水沙袋的光面爆破兩種爆破方式進(jìn)行粉塵濃度監(jiān)測，主要檢查指標(biāo)為：TSP（全塵）、PM10和PM2.5，每種爆破方式監(jiān)測3組不同斷面爆破后的粉塵含量，每組監(jiān)測按爆后時(shí)間不同分3次監(jiān)測。第1次：爆破后20min;第2次：爆破后30min;第3次：爆破后40min。3組數(shù)據(jù)取平均值進(jìn)行爆后粉塵及炮煙濃度分析，測點(diǎn)布置如圖8所示。

4.1.2 現(xiàn)場監(jiān)測

由于現(xiàn)場施工條件限制，開挖掌子面懸掛水袋降塵方案未進(jìn)行試驗(yàn)，本文進(jìn)行了3組爆破試驗(yàn)，每組試驗(yàn)均含常規(guī)光面爆破、加有水袋及水沙袋的光面爆破兩種爆破方式。爆破現(xiàn)場及粉塵濃度監(jiān)測如圖9～10所示。

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

分別對常規(guī)光面爆破，和加有水袋及水沙袋的光面爆破這兩種方式爆破后空氣中的粉塵，及炮煙濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，具體監(jiān)測數(shù)據(jù)見表3～4所示。

分別對3次監(jiān)測得到的常規(guī)光面爆破，和加有水袋及水沙袋的光面爆破方式爆破后空氣中的粉塵及炮煙濃度取平均值，且對TSP、PM10和PM2.5 3個(gè)監(jiān)測指標(biāo)分別進(jìn)行對比分析，如圖11所示。以常規(guī)光面爆破試驗(yàn)的粉塵及炮煙濃度為基準(zhǔn)，對比其他試驗(yàn)的平均粉塵濃度增加量，分析水袋及水沙袋對降塵效果的影響規(guī)律。

由圖11可知：爆破結(jié)束后20 min時(shí)，監(jiān)測得常規(guī)爆破空氣中產(chǎn)生的粉塵及炮煙濃度仍在增加，直至30 min后開始下降;然而，采用加水袋及水沙袋的光面爆破技術(shù)進(jìn)行爆破開挖，監(jiān)測結(jié)果顯示，從爆破結(jié)束20 min后開始監(jiān)測，空氣中產(chǎn)生的粉塵及炮煙濃度持續(xù)降低;由此可知，采用加水袋及水沙袋的光面爆破技術(shù)進(jìn)行爆破開挖，裝藥結(jié)構(gòu)中的水袋及水沙袋爆破后，在高溫作用下易產(chǎn)生霧化，包裹爆破過程中產(chǎn)生的粉塵顆粒，粉塵顆粒與水結(jié)合，體積增大，更利于下沉，即爆破粉塵顆粒與水結(jié)合作用下，加速粉塵顆粒下沉，達(dá)降塵、改善洞內(nèi)空氣質(zhì)量等目的。也就是說，加水袋及水沙袋的光面爆破產(chǎn)生的粉塵濃度衰減速率大于常規(guī)光面爆破，且加水袋及水沙袋的光面爆破后粉塵達(dá)濃度峰值的時(shí)間超前于常規(guī)光面爆破。

監(jiān)測數(shù)據(jù)也顯示，加水袋及水沙袋的光面爆破產(chǎn)生的粉塵濃度略高于常規(guī)光面爆破。筆者在此作出分析，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因?yàn)椋含F(xiàn)場爆破試驗(yàn)在尾水洞不同的開挖標(biāo)段進(jìn)行，不同區(qū)域巖體的巖性存在差異性，爆破粉塵濃度的高低受現(xiàn)場爆破工藝、巖層地質(zhì)條件及炮孔鉆鑿質(zhì)量等多種因素的綜合影響。因此，為了使粉塵與炮煙得到有效控制，還需要綜合考慮各方面因素，例如炸藥類型、巖層地質(zhì)條件以及炮孔鉆鑿質(zhì)量等，才能夠使爆破效果得到改進(jìn)，使粉塵與炮煙得到有效控制。

5 結(jié) 論

本文以河南省天池抽水蓄能電站地下洞室爆破施工為實(shí)例，針對地下洞室群爆破粉塵及炮煙污染問題，圍繞爆破開挖中產(chǎn)生的爆破粉塵與炮煙控制技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)與分析，分別監(jiān)測常規(guī)光面爆破、加有水袋及水沙袋的光面爆破產(chǎn)生的粉塵濃度，以常規(guī)光面爆破試驗(yàn)的平均濃度值為基準(zhǔn)，對比各爆破試驗(yàn)產(chǎn)生的爆破粉塵及炮煙濃度大小，分析水袋及水沙袋對降塵效果的影響規(guī)律。

現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明：采用加水袋及水沙袋的光面爆破技術(shù)進(jìn)行爆破粉塵及炮煙控制是可行的、有效的。為了使粉塵與炮煙得到有效控制，還需要綜合考慮各方面因素，例如爆破工藝、炸藥類型、巖層地質(zhì)條件以及炮孔鉆鑿質(zhì)量等，才能夠使爆破效果得到改進(jìn)，使粉塵與炮煙得到有效控制。而本文中提及的在開挖掌子面懸掛水袋進(jìn)行爆破粉塵及炮煙控制，因現(xiàn)在施工條件限制，未能實(shí)現(xiàn)該方案的爆破效果對比，該方法需進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證。

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（編輯：江 文）