隧道鉆爆法施工消煙降塵工藝探索

王天榮

（中建隧道建設有限公司，太原 030000）

1 隧道鉆爆法施工存在的突出問題

隧道鉆爆法施工除了存在較大安全隱患外，其產生的大量粉塵及煙塵也是隧道施工的主要難題。爆破產生的煙塵和粉塵主要存在以下問題：

1）粉塵和煙塵都是有害氣體，會對施工人員的身體造成很大危害，隧道施工人員在施工時，雖然會佩戴防毒面具預防有害氣體對身體造成影響，但由于仍存在防護不到位，大量人員患上呼吸道、肺部疾病的情況，由此使隧道施工成為高危行業(yè)。由于施工人員缺乏進一步影響了行業(yè)專業(yè)化水平的提高。

2）大量粉塵、煙塵的存在使作業(yè)環(huán)境惡化，嚴重制約了作業(yè)視線，也會造成安全隱患。隧道施工經常存在人員、機械交叉作業(yè)的情況，因此而形成的安全事故不在少數(shù)，同時，也影響了作業(yè)精度，形成質量缺陷。

3）因隧道除塵需要，造成施工成本大量增加、工效降低。隧道通風設備是整個隧道施工耗電量較多的設備，尤其是長隧道、特長隧道，為通風需要還要采取增加洞內變壓器、特殊通風設計等措施才能施工。隧道施工一般采取24 h 連續(xù)作業(yè)，各工序要求必須緊密結合，而通風排煙、降塵工程必須全部停工，時長最少30 min，并且隧道越長時間越多。

4）整個隧道在測量、打眼、裝藥、出渣、初噴混凝土、立架、二襯、路面等各個環(huán)節(jié)，作業(yè)工人都無法脫離粉塵、煙塵的煎熬，只要施工不斷，污染就不斷。這種局面給整個管理和施工人員的身心健康造成很大的影響，導致施工人員不愿意長時間在此環(huán)境中作業(yè)，造成了隧道工程施工過程安全隱患多、工程完工質量缺陷多的現(xiàn)狀。

2 隧道爆破產生煙塵的成分分析及排風原理

2.1 隧道爆破煙塵的主要成分

炸藥爆炸后的主要煙氣產物為H2、CO2、CH4、N2以及少量的NO、CO（見表1），主要粉塵產物為極少量的固態(tài)析出物碳等，粉塵占比根據(jù)不同地質差別較大。根據(jù)經驗進行計算，如果按1 t 炸藥產生的有毒氣體大約為500 kg，以常規(guī)100 m2斷面隧道為例，三臺階施工1 次平均炸藥用量為190 kg，二臺階施工1 次平均炸藥用量為210 kg，全斷面施工一次平均炸藥用量為230 kg，每天平均1.5 個循環(huán)要產生約200 kg 的有毒氣體。爆破煙塵占地下開采總煙塵的45.6%，使礦內形成高濃度含塵空氣，在深凹地下開采通風條件惡劣的情況下，擴散和沉降速度較慢，造成爆破數(shù)小時后煙塵濃度仍會很高，而且爆破煙塵表面吸附著一定數(shù)量的有毒氣體，使得爆破煙塵較其他工序產生的煙塵毒性更強，給礦內工人造成較大危害?？梢?，礦山地下開采過程中粉塵和有害氣體的控制是保證生產順利進行的重要保證[1]。

表1 幾種炸藥爆炸的氣體產物 ％

2.2 隧道排風原理及措施

在工作面爆破后，會瞬間產生大量伴有炮煙的粉塵，迅速充滿整個拋擲帶，拋擲帶與隧道其他區(qū)間的粉塵產生濃度差，使粉塵做自由擴散運動，工作面瞬態(tài)粉塵濃度可達500～2000 mg/m3，爆破粉塵分散度較高，且粉塵會隨爆破氣浪的膨脹運動迅速向外發(fā)生動力遷移，污染影響范圍可達幾百米，而且大量呼吸性粉塵能夠長期懸浮于巷道空氣中。

隧道施工一般采取壓入式通風和混合式通風（長隧道及特長隧道）方式，爆破結束后，一般要馬上開啟風機，利用風機送入新鮮空氣，將污濁氣體稀釋、頂推，逐步從洞口排出，使整個洞內有害氣體和污染物不間斷流通及循環(huán)。GB 16423—2020《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》規(guī)定粉塵和CO 的允許濃度分別為2 mg/m3、11 mg/m3。根據(jù)對某隧道工程的檢測數(shù)據(jù)可知：工作爆破后45 min 時，粉塵濃度為133 mg/m3；CO 濃度為90 mg/m3，通風10 s 和1 min 后掘進巷道的粉塵濃度分布如圖1、圖2 所示，遠遠高于《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》的規(guī)定?？梢妰H靠自然擴散，巷道中的爆破煙塵很難在短時間內迅速降低到允許濃度范圍，尤其是較長獨頭巷道，煙塵擴散更為緩慢耗時。若花費較長的時間來等待巷道空氣質量達到要求，這無疑極大地影響了工作效率。

圖1 通風10 s 后掘進巷道粉塵濃度分布

圖2 通風1 mi n 后掘進巷道粉塵濃度分布

3 高壓細水霧除塵的原理及機理論證

通過爆破產塵機理分析，綜合已有研究成果，對于隧道爆破，最好的降塵時機應是在攜帶粉塵的爆炸氣流剛擴散時予以捕滅，其次是盡可能在粉塵形成點（塵源）就近集中降塵（見圖3），如捕集粉塵措施得當，與單純通風凈化相比，其降塵效果將會得到本質提升。目前，金屬礦山開采中，爆破工作面水噴霧濕式降塵技術得到了一定的應用，然而，由于水壓較低，嚴重影響了噴霧降塵效果，該方法總降塵效率僅為50%～60%，對呼吸性粉塵的降塵效率只有20%～30%。

圖3 掌子面高壓細水霧噴灑圖

近年來，隨著無塵化礦井創(chuàng)建工作的深入推進，以及隧道施工環(huán)境持續(xù)改善的迫切需要，如何提高水霧降塵效果引起了高度關注，并成為研究探索、工程實踐的熱點，其中，高壓細水霧降塵技術有望成為解決爆破煙塵污染問題的最佳方式之一。水噴霧壓力較低時，水霧粒子主要通過慣性碰撞、攔截等綜合作用降塵，而采用高壓噴霧不但有低壓噴霧時的降塵作用機理，還能使水霧帶有較高的正負電荷，顯著提高了水霧捕塵效率。高壓噴霧具有射程遠、霧化效果好、抗風能力強、覆蓋面積大等優(yōu)點，不僅能夠捕抓粒徑較大的粉塵顆粒，對呼吸性粉塵的降塵效率也顯著提高，高壓噴霧產生的霧滴對有毒有害煙氣也有較強的溶解洗消作用，且較傳統(tǒng)水噴霧相比，可大幅減少降塵用水量[2]。

在水中添加一定比例烷基酚醚、十二烷基苯及AES 等物質復配濕潤劑和添加劑，可有效增強降塵效果，同時，對炮煙中的有毒有害氣體具有更進一步的化學吸收作用。在上述控制塵源的基礎上，在距掘進工作面一定距離設置水幕，用于隔離含塵氣流，防止粉塵飄逸，采用濕式風機進一步除去余量粉塵。

采用上述綜合防塵技術，與爆破起爆時刻恰當耦合，可以從源頭上捕集爆破煙塵，使隧道施工場所空氣質量得到顯著改善。

4 經濟效益及社會效益分析

爆破消煙、降塵高壓細水霧成套裝備及技術，可填補隧道施工環(huán)境治理的空白，將隧道持續(xù)通風措施可調整為間斷通風，直接降低隧道通風成本，節(jié)約通風時間，同時，極大地提高了工效。

高壓細水霧除煙降塵綜合技術的應用能有效、及時地消除爆破后的粉塵和炮煙等有毒氣體，有利于從源頭上進行污染治理，使得隧道內空氣質量得到明顯改善，更利于營造文明、健康、環(huán)保的施工環(huán)境，提升工程建設品質，社會效益顯著。

5 結語

實踐及相關研究表明，灑水和各種化學添加劑濕潤爆破渣堆借以降塵和減少釋放出有毒氣體是最有利的工程技術措施。對高壓噴霧降塵進行理論分析及實踐探索，歸納影響噴霧以及降塵效果的主要因素，進一步開展降塵模擬試驗，分析水霧粒徑、動量、噴霧強度等參量對粉塵捕集效果的影響，不斷優(yōu)化水霧級配技術，構建爆破高壓捕塵裝備。同時，探索濕潤劑、含添加劑水霧對于降低爆破粉塵、煙氣的協(xié)同增效作用；研究水幕技術措施阻隔粉塵飄逸的效果，必要時結合長壓短抽的通風模式，利用濕式除塵風機進一步除去剩余微量粉塵，降低通風系統(tǒng)總能耗，節(jié)能降排、提高工效，徹底改善施工環(huán)境，具有劃時代意義。