利用爆炸水霧抑制露天爆破粉塵的試驗(yàn)研究

楊年華，郭 堯，白和強(qiáng)，張 昭

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；3.北方爆破科技有限公司，北京100089)

近年來，大氣粉塵污染防治問題受到廣泛重視，爆破粉塵給露天礦山開采造成很大困擾。由于露天巖石爆破開挖規(guī)模大，粉塵產(chǎn)量大、粉塵濃度高、分散度高、易擴(kuò)散、污染范圍廣[1]，使得針對露天深孔臺階爆破的降塵技術(shù)難以突破，目前尚處于探索階段。最常見的方法有孔口水袋封堵、爆破前后高壓水噴灑等一些簡易降塵措施[2-4]，但似乎杯水車薪，降塵效果不很理想。我們經(jīng)過多項(xiàng)工程實(shí)踐，系統(tǒng)地對露天深孔臺階爆破的粉塵來源及擴(kuò)散規(guī)律、水袋爆炸形成的水霧、水袋封堵炮孔爆破降塵效果、以及水袋布置和相關(guān)爆炸參數(shù)等幾方面進(jìn)行深入研究，開創(chuàng)出立體全方位爆炸水霧降塵模型和高效合理的設(shè)計(jì)方法。

1 露天臺階爆破粉塵產(chǎn)生和擴(kuò)散規(guī)律

1.1 爆破粉塵產(chǎn)生及其影響因素

露天臺階爆破粉塵來源包括：爆區(qū)地表附著的粉塵、炮孔口部填塞巖粉、巖石被爆炸沖擊破壞過程中產(chǎn)生的粉塵、爆堆拋擲過程形成的粉塵。這些粉塵由爆炸沖擊波揚(yáng)起并隨爆生氣體擴(kuò)散[3,4]。爆破粉塵來源決定了粉塵的排放量，綜合觀察露天臺階爆破粉塵的擴(kuò)散主要有以下特點(diǎn)：(1)爆生氣體將炮孔填塞巖粉沖起，揚(yáng)起很高粉塵柱；(2)巖石被爆炸沖擊破裂粉碎產(chǎn)生的粉塵隨爆堆運(yùn)動，擴(kuò)散較慢；(3)臺階臨空面方向隨爆生氣體向前擴(kuò)散形成粉塵云。見圖1。

圖 1 露天臺階爆破粉塵來源和擴(kuò)散情況Fig. 1 The source and diffusion of blasting dust in open bench blasting

根據(jù)現(xiàn)場觀察分析，三種爆破粉塵源根據(jù)地質(zhì)、水文情況和爆破方式不同，產(chǎn)生的粉塵量比例也不同，所以影響爆破粉塵排量的因素主要有地下水情況、地質(zhì)條件和爆破參數(shù)，下面對這三因素進(jìn)行定性分析。

爆區(qū)地下水情況對爆破粉塵影響十分顯著，地下水情況分三類：Ⅰ類，干炮區(qū)，炮孔內(nèi)基本無水；Ⅱ類，局部炮孔有基巖裂隙水；Ⅲ類，地下水豐富，大多數(shù)炮孔內(nèi)有水，且水位較滿。Ⅰ類地下水情況極易產(chǎn)生大量爆破粉塵；Ⅱ類地下水情況產(chǎn)生爆破粉塵量稍輕，主要與巖性有關(guān)；Ⅲ類地下水情況下，巖體飽水，爆破產(chǎn)生粉塵量很輕微。見圖2。

圖 2 爆區(qū)地下水情況對爆破粉塵影響Fig. 2 Influence of groundwater condition in blasting area on blasting dust

地質(zhì)條件對爆破粉塵影響較大，其中巖石性質(zhì)、風(fēng)化程度、地質(zhì)構(gòu)造為主要影響因素，巖性越軟弱、風(fēng)化越嚴(yán)重、節(jié)理裂隙越發(fā)育，則爆破粉塵量越大。

爆破參數(shù)對爆破粉塵量有一定影響，其中裝藥結(jié)構(gòu)、炸藥單耗量、爆破方式等為主要影響因素。不耦合裝藥或水耦合裝藥時爆破粉塵量稍輕[5,6]；壓渣爆破比多臨空面爆破粉塵量少；炸藥單耗量越大，爆破粉塵量越大。

1.2 露天臺階爆破粉塵擴(kuò)散分布規(guī)律試驗(yàn)

為研究露天臺階爆破粉塵空間擴(kuò)散分布規(guī)律，選擇某次常規(guī)爆破條件下，在爆區(qū)不同方向的不同距離點(diǎn)放置粉塵收集盒實(shí)測粉塵擴(kuò)散情況。具體在臨空面前分別50m、100m、150m距離放置5列，同時在爆區(qū)后方30m處放置1排集塵盒，圖3為落塵采集盒的布設(shè)位置示意圖。稱量集塵前后的盒子重量，計(jì)算單位面積粉塵降落量，依此分析粉塵擴(kuò)散分布規(guī)律。選擇天氣晴朗無風(fēng)情況下進(jìn)行試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，結(jié)果見表1。

圖 3 落塵采集點(diǎn)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of dust collection point

表 1 不同距離的爆破粉塵擴(kuò)散試驗(yàn)測試結(jié)果

試驗(yàn)表明，爆區(qū)邊緣前方50 m處平均粉塵降落量為100 m處的3.7倍，100 m處平均粉塵降落量為150 m處的1.9倍。說明爆破粉塵擴(kuò)散濃度隨前沖距離呈指數(shù)下降，50 m范圍以內(nèi)的粉塵降落量極大。

2 水袋爆炸成霧過程的試驗(yàn)研究

2.1 爆炸形成水霧過程

根據(jù)水體受爆炸噴射的物理模型，將水袋爆炸拋撒成霧過程分為水霧升騰和水霧消散二個階段，如圖4所示。

圖 4 爆炸水霧的不同時刻照片F(xiàn)ig. 4 Photos of different moments of the explosion water mist

Ⅰ)水霧升騰階段。當(dāng)炸藥在水袋底部爆炸后，水袋瞬間破裂，水袋中的液體在爆炸沖擊作用下形成射流噴射而出，在慣性作用下高速擴(kuò)散的水體快速破碎形成水霧，水霧噴射高度與爆炸藥量和水體量有關(guān)，水霧噴射至最大高度在1 s以內(nèi)。

Ⅱ)水霧消散階段。水霧形成后因自身慣性在空中漂浮、擴(kuò)散，然后消落。水霧噴射越高擴(kuò)散范圍越寬，水霧的消散時程越長，水霧消散時程決定了水霧撲塵效果。試驗(yàn)測得水霧消散過程一般持續(xù)3～4 s。

2.2 爆炸水霧的炸藥單耗試驗(yàn)研究

爆炸藥量與水的體積之比是炸藥單耗量，爆炸水霧的炸藥單耗對成霧效果有很大的影響[7,8]。要保證水能被擊散成水霧，且形成的水霧在空中持續(xù)一定時間，炸藥單耗量必須適當(dāng)。試驗(yàn)是在微風(fēng)天氣條件下進(jìn)行的，試驗(yàn)布置了6條直徑30 cm水袋，每條水袋長10 m，每3條水袋列成一排，3條水袋下分別埋設(shè)1根、2根、3根導(dǎo)爆索；第一排水袋內(nèi)添加表面活性劑，第二排未添加。通過高速錄像機(jī)觀察不同藥量爆炸后的成霧效果，同時測量水霧覆蓋范圍。圖5為水袋爆破成霧過程。表2為爆炸成霧測試參數(shù)。

圖 5 水袋爆炸成霧過程照片F(xiàn)ig. 5 Photos of water bags exploding into mist

表 2 爆炸水霧擴(kuò)散參數(shù)

從表2中可以看出炸藥量對成霧高度影響很大，單根導(dǎo)爆索爆炸時水霧高度很低，僅3～6 m；3根導(dǎo)爆索的爆炸水霧高度大約為1根導(dǎo)爆索的3倍，水霧寬度也達(dá)2倍。

若將炸藥量和水量對成霧影響分開進(jìn)行試驗(yàn)研究工作量太大，綜合考慮水袋爆破試驗(yàn)中炸藥量和裝水量這兩者對出霧率的影響，可將水體的炸藥單耗量作為自變量，爆炸水霧參數(shù)為因變量，試驗(yàn)研究炸藥單耗量K值與水霧的覆蓋面積、持續(xù)時間以及噴射高度之間的關(guān)系。

根據(jù)不同炸藥量和水量的小型水袋爆炸試驗(yàn)，利用EOS 70D相機(jī)高速連拍記錄水袋爆破噴霧過程，并在現(xiàn)場設(shè)置長度標(biāo)尺，對試驗(yàn)拍攝圖像進(jìn)行處理，用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格計(jì)算水霧覆蓋面積、噴射高度。爆炸水霧試驗(yàn)共分5組進(jìn)行，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像處理后計(jì)算結(jié)果列于表3，可以看出不同水炸藥單耗與水霧覆蓋面積、噴射高度以及持續(xù)之間的對應(yīng)關(guān)系。

表 3 爆炸水霧試驗(yàn)結(jié)果

水霧試驗(yàn)得到以下認(rèn)識：

(1)由水霧覆蓋面積與炸藥單耗關(guān)系來看，炸藥單耗在0.37～0.65 kg/m3范圍內(nèi)，水霧覆蓋面積A與炸藥單耗K之間成正比關(guān)系，即單位體積水的炸藥量越大，水霧覆蓋面積越大。

(2)水霧噴射高度H與炸藥單耗K之間成正比關(guān)系，但水霧高度增長幅度不大。

(3)由水霧持續(xù)時間t與水體炸藥單耗K并非正相關(guān)，當(dāng)K小于0.50 kg/m3時，水霧持續(xù)時間與炸藥單耗成正相關(guān)；當(dāng)K大于0.50 kg/m3以后，水霧持續(xù)時間反而減小，因水體的炸藥單耗過大，噴射出的水霧粒徑過小，水霧消散更快。

因此，通過對比研究水霧覆蓋面積A、噴射高度H、持續(xù)時間t隨炸藥單耗K的變化規(guī)律，認(rèn)為當(dāng)K取0.40～0.50 kg/m3時，水袋爆炸出霧效果更佳。

爆炸能大小對水袋爆炸形成的水霧參數(shù)影響很大，不同臺階高度和孔排距的爆破體需選擇不同的水霧爆炸能。設(shè)置在臺階自由面前的水袋，要求爆炸形成的水霧高度盡可能大于粉塵擴(kuò)散高度，確保水霧對粉塵的有效攔截，因此臺階自由面前的水袋炸藥單耗宜偏大；而爆破臺階上表面的水袋主要作用是將地表出現(xiàn)的粉塵籠罩在水霧范圍內(nèi)，水霧太高反而會降低水霧的濃度，因此臺階上表面水袋爆炸主要考慮水霧寬度，即水袋之間的間距和水霧寬度有關(guān)，保證爆區(qū)臺階頂面在爆炸水霧的覆蓋下。見圖6。

圖 6 爆炸水霧網(wǎng)格分析圖Fig. 6 Explosion water mist grid analysis diagram

3 爆炸水霧降塵技術(shù)在露天臺階爆破中的應(yīng)用

露天礦山爆破降塵常規(guī)方法是采用爆破前后在爆區(qū)灑水的方法來降低爆破粉塵[9]，這種降塵方法效果非常有限。本文提出的新思路是爆破后能在臺階自由面前方和頂部同步出現(xiàn)立體噴射水霧，盡可能讓水霧全方位包裹爆破煙塵，那就能取得顯著降塵效果。根據(jù)臺階爆破粉塵產(chǎn)生和擴(kuò)散特性，若在臨空面前、臺階上表面和炮孔口三個主要出塵部位適時產(chǎn)生大量水霧，把握好立體水霧幕攔阻的方位，以及水霧形成和擴(kuò)散時間，降塵效率將得到全面提高。

3.1 露天深孔臺階爆炸水霧降塵實(shí)例

本技術(shù)在某大型露天礦進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，取得顯著爆炸水霧降塵效果。露天臺階爆區(qū)的炮孔直徑為250 mm，孔深17 m，底部裝填8 m高銨油炸藥，再回填5 m長巖粉，最后填封4 m高水袋，由此徹底消除了炮孔填塞巖粉沖炮產(chǎn)生的粉塵柱[10]。為獲得爆炸立體水霧幕，在炮區(qū)臨空面前方鋪設(shè)2條水袋，水袋距離爆區(qū)臨空面坡底距離分別為15 m、20 m；爆區(qū)臺階上表面共鋪設(shè)多條水袋，水袋間隔在炮孔之間。在φ300 mm的水袋底部埋設(shè)炸藥，將水袋內(nèi)的溶液爆炸噴射成水霧，爆區(qū)臨空面前方水袋的爆炸藥量為39 g/m，爆區(qū)臺階上表面的水袋爆炸藥量為26 g/m。臺階上表面的水袋比前排炮孔延后50 ms起爆；臨空面前方距離坡底較近處的水袋比第一排炮孔延期爆炸時間宜為1500 ms以上，第二排水袋再延時500 ms起爆。水袋布置情況見圖7。

爆破及水霧撲塵過程見圖8，爆破安全與爆破效果都有保證，而且整體降塵效果非常明顯。

圖 7 爆區(qū)炮孔和水袋布置剖面示意圖(單位：m)Fig. 7 Diagram of layout of hole and water bag in blasting area(unit:m)

圖 8 爆炸水霧攔阻粉塵效果Fig. 8 The effect of explosive water mist to restrain dust

3.2 爆炸水霧降塵效果分析

通過FCC-25型防爆型粉塵采樣儀器，對同等條件下未采取任何降塵措施的其它爆區(qū)進(jìn)行粉塵濃度采集，采集地點(diǎn)在爆區(qū)的下風(fēng)側(cè)，風(fēng)速2級，距離爆區(qū)分別為50 m、75 m、100 m。從采集的數(shù)據(jù)來看，距離爆區(qū)50 m處的粉塵濃度在358～397 mg/m3之間，75 m處粉塵濃度在169～193 mg/m3之間，100 m處粉塵濃度在85～105 mg/m3之間?？梢娐短炫_階爆破粉塵濃度隨著距離漸遠(yuǎn)會逐漸降低，100 m以遠(yuǎn)爆破粉塵濃度衰減趨緩。

再看本次采用爆炸水霧降塵新技術(shù)后，以相同方法側(cè)得的粉塵濃度為：距離炮區(qū)50 m處的粉塵濃度為192 mg/m3，75 m處粉塵濃度為103 mg/m3，100 m處粉塵濃度為51 mg/m3。通過計(jì)算可得出最大爆破粉塵濃度降低50%左右，對于露天臺階爆破來說降塵效果非常明顯。未采用任何降塵措施條件下的爆破煙塵量，比采用爆炸水霧降塵后的煙塵量成倍增加，現(xiàn)場肉眼觀察爆炸水霧降塵效果也非常明顯。

4 結(jié)論與展望

隨著露天礦山臺階爆破的規(guī)模不斷增大，大規(guī)模爆破開采產(chǎn)生的粉塵污染對礦區(qū)環(huán)境及人員健康造成嚴(yán)重影響，研究出高效合理的爆破降塵技術(shù)是綠色礦山建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急，本試驗(yàn)研究針對露天深孔臺階爆破，找到了一種簡便有效的爆炸水霧降塵技術(shù)，主要取得以下幾點(diǎn)新的認(rèn)識。

(1)露天臺階爆破粉塵的三大來源是：炮孔填塞物沖孔揚(yáng)塵；巖石破裂及粉碎產(chǎn)生的粉塵；爆堆向臨空面拋散出現(xiàn)的粉塵云。三種粉塵源受地下水影響最顯著，巖性影響次之，爆破方式的影響有限。通過大量觀測，露天臺階爆破的粉塵擴(kuò)散宜在50 m范圍內(nèi)防阻。

(2)依據(jù)爆破粉塵的產(chǎn)生源，有針對性地設(shè)置爆炸水霧降塵方案，綜合采用水袋封堵炮孔、爆區(qū)頂面水袋爆炸成霧和臨空面前方水袋爆炸成霧，在合適的時間爆炸形成立體全方位水霧捕塵，其工藝簡單、降塵效果明顯。

(3)對水袋爆炸成霧進(jìn)行了試驗(yàn)，得到了其關(guān)鍵控制參數(shù)：

①臨空面前方水袋底部炸藥單耗為0.55 kg/m3，爆區(qū)頂面的水袋炸藥單耗為0.4 kg/m3。

②臨空面前方宜布設(shè)2排以上水袋，第1排水袋距臨空面1倍臺階高度，第2排水袋再外延5～10 m；第1排水袋起爆時間比前排炮孔延遲1.5 s，第2排水袋起爆時間比第1排水袋再延遲0.5～0.8 s。

③封堵炮孔的水袋直徑宜大于炮孔直徑，水袋膜要有足夠強(qiáng)度，否則容易劃破水袋。水袋封堵長度一般在4 m以內(nèi)。

(4)立體爆炸水霧全方位降塵技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用表明，爆破粉塵濃度可降低50%左右，降塵效果明顯，該技術(shù)非常適用于露天臺階爆破的大面積降塵，具有較高的推廣利用價(jià)值。

展望露天臺階爆破的粉塵污染防治，需要對露天臺階爆破的同步爆炸水霧降塵工藝進(jìn)行更多的改進(jìn)，特別對現(xiàn)場鋪設(shè)水袋、灌水施工工藝需做成標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，封堵炮孔的水袋和封口方式也需進(jìn)行專門設(shè)計(jì)和工廠化生產(chǎn)。