露天石料場(chǎng)開挖中深孔梯段水壓爆破對(duì)粉塵的控制

魏 利

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，成都，610213)

引言

近年來(lái)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)各種礦山資源的迫切需求使得露天爆破在礦山生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，但是爆破作業(yè)所產(chǎn)生的大量粉塵帶來(lái)的危害卻不容忽視。楊房溝水電站金波料場(chǎng)開挖為露天爆破作業(yè)，爆破作業(yè)產(chǎn)生的炮煙及粉塵嚴(yán)重影響施工場(chǎng)內(nèi)人員及周圍居民的生產(chǎn)生活，環(huán)境污染成為工程建設(shè)者的關(guān)注焦點(diǎn)。

本文以楊房溝水電站金波料場(chǎng)露天爆破作業(yè)為例，介紹采用水作為耦合介質(zhì)的水壓爆破技術(shù)，實(shí)現(xiàn)爆破粉塵的有效抑制。

1 項(xiàng)目概況

楊房溝水電站控制流域面積80880km2，屬川西高原氣候區(qū)，主要受高空西風(fēng)環(huán)流和西南季風(fēng)影響，干、濕季分明。每年11月至次年4月，高空西風(fēng)帶被青藏高原分成南北兩支，流域南部主要受南支氣流控制，它把印度北部沙漠地區(qū)所形成的干暖大陸氣團(tuán)帶入本區(qū)，使南部天氣暖和，降水很少，氣候溫暖干燥；流域北部則受北支干冷西風(fēng)氣候影響，氣候寒冷干燥。11月至次年4月為流域的干季，干季日照多，濕度小，日溫差大。

金波石料場(chǎng)位于雅礱江左岸上游江邊，距上壩址約1.5km，根據(jù)地形地貌將料場(chǎng)分為A區(qū)、B區(qū)，其中B區(qū)以裸露的陡崖為主，巖性均為花崗閃長(zhǎng)巖。兩區(qū)有用層儲(chǔ)量約1782.18萬(wàn)m3，沿江長(zhǎng)約670m，寬約385m，為斜坡地形，地形坡度約35°～45°，局部大于60°，地形較完整，地面高程2020m～2400m，地下水位埋深約24.0m～84.3m?；鶐r以堅(jiān)硬的弱～微風(fēng)化巖為主，局部見強(qiáng)風(fēng)化巖厚約0.75m～3.95m，鉆孔巖芯獲得率值為94.0%～99.2%，平均RQD值為46.7%～79.3%，巖體完整性較好。料場(chǎng)開挖坡比：覆蓋層為1∶1.00～1∶1.25；強(qiáng)風(fēng)化巖為1∶0.75～1∶1.00；弱風(fēng)化巖層1∶0.50～1∶0.75；微風(fēng)化～新鮮巖層1∶0.30～1∶0.50。

2 爆破粉塵的危害

2.1 危害健康

“長(zhǎng)期在高濃度粉塵環(huán)境中工作會(huì)引起一系列職業(yè)病”[1-2]。一般認(rèn)為，肉眼可見的粉塵粒徑在10μm以上，此類粉塵可以通過(guò)呼吸過(guò)濾出去，而“10μm以下的粉塵則能夠伴隨呼吸進(jìn)入呼吸道深部，我們將此類粉塵定義為可呼入型粉塵”[3]?！翱晌胄头蹓m常常帶有大量的電荷，其表面會(huì)吸附多種有機(jī)物和無(wú)機(jī)物，與空氣結(jié)合凝聚成氣溶膠，隨后發(fā)生的一系列化學(xué)反應(yīng)會(huì)改變粉塵顆粒的化學(xué)形態(tài)和生物毒性，氣溶膠伴隨呼吸沉積于上呼吸道，破壞肺部細(xì)胞，引起粉塵中毒、呼吸道疾病、關(guān)節(jié)炎等疾病，不可治愈，危害生命”[4]。有關(guān)爆破粉塵粒徑的研究表明，“爆破75s后爆區(qū)粉塵粒徑大于10μm的不足0.1%，即意味著爆區(qū)爆破75s后空氣中彌漫的粉塵超過(guò)99.9%都為可吸入型粉塵(其中5μm～10μm的粉塵占4%，2μm～5μm的粉塵占11.7%，小于2μm以下的粉塵占84.2%)”[5]，可見爆破粉塵嚴(yán)重威脅現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的健康。

2.2 污染環(huán)境

“爆破粉塵主要是由不同粒徑的固體顆粒組成，其質(zhì)量輕微、易懸浮在空氣中。同時(shí)粉塵顆粒的飛散性讓粉塵極易擴(kuò)散，是形成霧霾、降低能見度、形成酸雨等環(huán)境污染的重要污染源”[6]。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)空氣中粉塵的濃度高于0.17mg/m3時(shí)，能見度就會(huì)明顯降低且很容易形成霧霾。露天爆破產(chǎn)生的粉塵不僅量大濃度高，且開放性的空間致使粉塵更容易擴(kuò)散，污染范圍的擴(kuò)大也讓治理成本和治理難度顯著提高。

3 水壓爆破工藝原理

(1)根據(jù)不可壓縮液體傳遞爆破能量原理，設(shè)計(jì)孔內(nèi)泥水混合物的耦合介質(zhì)、孔頂土石混合料的堵塞介質(zhì)及被爆體表面濕化處理工藝。

(2)利用一種適合噴灑在爆破梯段面與臨空面積塵的表面活性泡沫抑塵劑，“抑塵劑的液橋力增大粉塵的起動(dòng)風(fēng)力，達(dá)到降低積塵揚(yáng)起強(qiáng)度的目的”[7]。

(3)采用泥水混合物使得孔壁周圍形成均勻一致的泥漿保護(hù)面，孔內(nèi)的泥漿具有一定的比重，防止孔壁裂隙導(dǎo)致不耦合介質(zhì)滲漏，使爆炸能量的傳遞效率更高。令爆炸能量可以充分消化在被爆巖體內(nèi)部，減少能量損失。另外，爆炸水霧拋撒速度快，拋撒半徑大，控制范圍廣，水與粉塵的接觸面積增大，水的利用效率和降塵效率提高。

(4)對(duì)于爆破臺(tái)階面、臨空面的積塵，在爆破前采用降塵劑溶液進(jìn)行濕化處理，從而減少爆破沖擊波產(chǎn)生的揚(yáng)塵。在摻入降塵劑等表面活性劑的水溶液濕潤(rùn)情況下，顆粒間的液橋力起主導(dǎo)作用，這種液橋力將促進(jìn)塵粒間的凝聚，使小塵粒積聚成大塵粒，加速塵粒的沉降。同時(shí)由于液橋力較大，通過(guò)液橋力被粘結(jié)起來(lái)的粉塵起動(dòng)風(fēng)力大大增強(qiáng)，與干燥塵粒相比，不易被揚(yáng)起。利用降塵劑使液體顆粒與粉塵混合，實(shí)現(xiàn)降塵。

4 水壓爆破操作要點(diǎn)

4.1 鉆孔操作要點(diǎn)

在爆破平臺(tái)按照臺(tái)階參數(shù)進(jìn)行打孔，爆破臺(tái)階參數(shù)如下：

(1)鉆孔形式：露天深孔爆破的鉆孔形式為垂直或傾斜鉆孔。

(2)布孔方式：主爆孔間排距：a×b=3.0m×3.0m；緩沖孔間排距：a×b=3.0m×2.5m；預(yù)裂孔間排距：a×b=1.0m×2.0m。布孔方式為多排梅花形布置。

(3)孔徑D：D=90.0mm。

(4)超深h：超深值一般為(8～12)d，即0.72m～1.08m，取0.8m。超深為鉆孔超出臺(tái)階底盤標(biāo)高的孔深，其作用是降低裝藥中心的位置，以便有效地克服臺(tái)階底部阻力，避免或減少留根底，以形成平整的底部平盤。

(5)孔深L：根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際爆破時(shí)臺(tái)階高度取10.0m?？咨頛=臺(tái)階高度H+超深h，可求得對(duì)應(yīng)孔深為10.8m?？咨钍怯膳_(tái)階高度和超深確定的。臺(tái)階高度的確定應(yīng)考慮為鉆孔、爆破和鏟裝創(chuàng)造安全和高效的作業(yè)條件，它主要取決于鏟斗容積和礦巖開挖技術(shù)條件。

(6)最小抵抗線W1：3.0m～4.5m。

(7)孔網(wǎng)參數(shù)：由于爆破石料粒徑≤80cm，爆破孔間排距取值為a×b=3.0m×3.0m。

(8)堵塞長(zhǎng)度L2：可取L2=35d=35×0.09m=3.15m。合理的堵塞長(zhǎng)度能降低爆破氣體能量損失和盡可能增加鉆孔裝藥量。良好的堵塞質(zhì)量是盡量增加爆炸氣體在孔內(nèi)的作用時(shí)間和減少空氣沖擊波、噪聲和飛石的危害。不允許有飛石時(shí)，堵塞長(zhǎng)度取鉆孔直徑的30～35倍。

(9)炸藥單耗：本工程炸藥單耗暫取0.41kg/m3?！坝绊憜挝徽ㄋ幭牧康闹饕蛩赜袔r石的可爆性、炸藥特性、自由面條件、起爆方式和塊度要求”[8]。因此，選取合理的單位炸藥消耗量q需要通過(guò)多次試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證調(diào)整。

(10)單孔裝藥量：臺(tái)階高度10m，裝藥量為36.9kg。爆破孔采用以下裝藥結(jié)構(gòu)，單耗為0.41kg/m3，潤(rùn)濕土石料填塞長(zhǎng)度為1m，藥卷上、下的泥水混合介質(zhì)長(zhǎng)度均為1.5m；緩沖孔裝藥量為27kg，單耗為0.41kg/m3，潤(rùn)濕土石料填塞長(zhǎng)度為3m；預(yù)裂孔裝藥量為4kg，線裝藥密度為533g/m，潤(rùn)濕土石料填塞長(zhǎng)度為2.5m。

4.2 裝藥操作要點(diǎn)

打孔完畢后，進(jìn)行裝藥，采用配置好的泥漿(比重1.10～1.30，稠度20s～25s)裝填炮孔，然后填裝炸藥，并用泥水混合介質(zhì)將炮孔剩余部分填充，最后用濕透的土石料進(jìn)行炮孔封堵以達(dá)到良好的爆破效果。土石料配合比擬定為黏土：砂：水=75∶10∶15，具有一定的塑性和強(qiáng)度，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整炮泥尺寸。爆孔裝藥方式見圖1，圖中1為土石料堵塞段；2為巖石乳化炸藥裝藥段，3為泥水混合裝填層；4為自然形成的固壁與防滲保護(hù)層。

圖1 爆孔裝藥方式

4.3 表面處理操作要點(diǎn)

實(shí)施爆破前，將爆破臺(tái)階梯段面、臨空面用降塵劑做濕潤(rùn)處理，增強(qiáng)對(duì)爆破粉塵的凝聚、捕捉能力，保證綠色施工的環(huán)保目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

4.4 爆破操作要點(diǎn)

采用毫秒微差爆破技術(shù)可以減輕地震波，減少二次爆破，根據(jù)爆炸設(shè)計(jì)順序，先爆的炮孔為后爆的炮孔提供臨空面，提高爆破效率，爆破網(wǎng)絡(luò)圖同常規(guī)爆破網(wǎng)絡(luò)。

實(shí)施爆破前，將爆破臺(tái)階面、臨空面用降塵劑淋濕，以借助粉塵顆粒間液橋力的作用來(lái)達(dá)到降低爆破破碎時(shí)產(chǎn)生粉塵的目的。降塵劑配方擬選用增強(qiáng)水面表面活性的化學(xué)制劑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%氯化鈉電解質(zhì)溶液等，增強(qiáng)對(duì)爆破粉塵的凝聚、捕捉能力，保證施工綠色環(huán)保。

5 材料設(shè)備

5.1 材料

(1)泥水混合物介質(zhì)的配合質(zhì)量份數(shù)比例為黏土：水=20～30∶70～80，自制柱狀泥水袋φ110mm；孔頂土石料堵塞介質(zhì)配合質(zhì)量份數(shù)比例為黏土：砂：水=65～75∶10～15∶15～20。

(2)降塵劑選用降低水面張力的表面活性化學(xué)制劑與基料和水按一定比例混合制成。表面活性化學(xué)制劑為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)0.05%的十二烷基苯磺酸鈉溶液或十二烷基硫酸鈉溶液；基料為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)0.3%的氯化鈉電解質(zhì)溶液。

DN315、DN250、DN200、DN160 等管溝采用斗寬1.2 m的挖掘機(jī)開挖，人工輔助底面修整，管溝斷面為矩形，自地面向下1.8m，管溝底寬1.2 m， 底部應(yīng)平順；DN110、DN90、DN75、DN63、DN50、DN32、DN25、DN20各種管溝采用人工開挖，人工底面修整，管溝斷面為矩形，自地面向下0.8m，管溝底寬0.5m，底部應(yīng)平順。管溝開挖應(yīng)根據(jù)管道敷設(shè)方向合理確定開挖區(qū)段，分段施工，敞溝時(shí)間盡量縮短。

(3)2號(hào)巖石乳化炸藥φ70mm/2000g。

(4)水桶、鋤鎬、竹竿等。

(5)炮孔的直徑均為105mm，爆破采用毫秒延期電雷管。

5.2 設(shè)備

(1)環(huán)保除塵風(fēng)送式噴霧機(jī)。

(2)志高ZGYX-430 C潛孔鉆，鉆孔直徑110mm。

(3)志高132SCY-14.5柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)式螺桿空壓機(jī)。

(4)BT-9300Z激光粒度分布儀。

6 爆破應(yīng)用

圖2 炮孔排列順序

把每個(gè)炮孔裝填之后，用水車灑水使爆破臺(tái)階面、臨空面完全潤(rùn)濕。人群疏散后，進(jìn)行爆破。

7 結(jié)果及分析

7.1 爆破揚(yáng)塵

爆破過(guò)程中，爆破區(qū)產(chǎn)生的煙塵顏色呈深黑狀，產(chǎn)生的煙塵量很少，并且揚(yáng)塵量小，揚(yáng)塵高度低，揚(yáng)塵下落時(shí)間短即下落速度快。這是由于炮孔中的水霧射出與揚(yáng)塵結(jié)合泥化迅速落下。

與常規(guī)爆破區(qū)對(duì)比，可以清楚地看出常規(guī)爆破區(qū)域產(chǎn)生的爆破粉塵產(chǎn)量遠(yuǎn)大于水壓爆破區(qū)域，水壓爆破產(chǎn)生的水霧對(duì)爆破粉塵的擴(kuò)散有著很好的抑制效果。

7.2 爆破粉塵粒徑分析

收集現(xiàn)場(chǎng)爆破粉塵，利用BT-9300Z激光粒度分布儀進(jìn)行粒度分析(分析結(jié)果見表1)。表1分為普通爆破和水壓爆破，每次爆破收集兩次數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，可以得出水壓爆破產(chǎn)生粉塵粒徑明顯大于普通爆破，這樣有利于粉塵下落，提高降塵效果。

表1 普通爆破與水壓爆破數(shù)據(jù)對(duì)比

由表1可知，水壓爆破特征粒度如中位徑、體積平均徑、長(zhǎng)度平均徑、面積平均徑等均明顯增大，粉塵運(yùn)移能力顯著降低，粉塵擴(kuò)散能力變小。此外，顆粒變大，有利于爆炸水霧及水預(yù)濕對(duì)粉塵的抑制，說(shuō)明水壓爆破具有提高降塵作用。同時(shí)，跨度明顯降低，表明粉塵顆粒粒度分布集中，在相同的外界條件下，更有利于水霧對(duì)顆粒的捕捉，水壓爆破是有利于爆破降塵的。

8 結(jié)語(yǔ)

水壓爆破施工產(chǎn)生的揚(yáng)塵有良好的抑塵效果，水壓爆破可以增大粉塵粒徑，總體粉塵粒度指數(shù)好于常規(guī)爆破粉塵，對(duì)爆破過(guò)程中的揚(yáng)塵具有很大的抑制作用。