露天礦掘溝爆破的爆炸水霧場降塵技術研究

黃毅偉 王德勝 郭 賓 李永華 王宏飛 丁 科

(1.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083;2.包鋼(集團)公司白云鄂博鐵礦,內蒙古 包頭 014080)

由于露天礦掘溝爆區(qū)只有單個自由面，為取得良 好的掘溝爆破效果，需采用較正常臺階爆破更小的孔網(wǎng)參數(shù)和更高的炸藥單耗，從而導致爆破作業(yè)過程中產(chǎn)生大量的爆破粉塵。爆破粉塵具有瞬時性、濃度高和擴散快等特點，對作業(yè)人員的健康和生產(chǎn)設備的進氣系統(tǒng)帶來了嚴重威脅，已成為礦山環(huán)保、職業(yè)健康和大氣環(huán)境污染治理領域急需解決的難題。傳統(tǒng)的水袋封堵炮孔和爆前灑水預濕等措施降塵效果有限[1-3]。文獻[4-7]研究了爆炸水霧技術及其在正常臺階爆破降塵中的應用，取得了較好的降塵效果。然而，現(xiàn)有的研究還處于露天正常臺階爆破高效降塵的初探階段，對露天深孔爆破粉塵產(chǎn)生的初期特性、粉塵產(chǎn)生初期就地攔截、爆炸水袋合理構成及爆炸水霧空間尺度等動態(tài)研究仍十分欠缺。特別地，掘溝爆破產(chǎn)生的高濃度、強擴散粉塵治理技術尚屬空白。

針對露天礦掘溝爆破中部掏心、逐圈擴展的特點，本研究重點探索爆破粉塵產(chǎn)生及初期擴展特性，研發(fā)空間尺度寬厚、滯空時間較長的強噴灑爆炸水霧場，采用爆破粉塵蘑菇云形成初期就地攔截降塵技術，降低爆破粉塵質量濃度和擴散范圍，推動露天礦低粉塵掘溝爆破技術和露天礦綠色開采技術發(fā)展。

1 露天礦掘溝爆破粉塵生成數(shù)值模擬研究

探索露天爆破粉塵生成的特性，針對現(xiàn)行露天爆破粉塵處置只涉及局部[8-9]和被動后治理[10-11]的不足，研發(fā)在爆破粉塵產(chǎn)生的初期于爆區(qū)范圍內就地消降粉塵的高效環(huán)保技術，是實現(xiàn)露天礦綠色開采的重要保障。本研究針對中部掏心掘溝爆破方案，采用數(shù)值模擬技術探索其爆破粉塵的生成特性，為開發(fā)爆破粉塵治理新技術提供依據(jù)。

1.1 假設條件

(1)爆破粉塵源限定在設計爆破區(qū)域范圍內，不考慮爆區(qū)外其他因素生成的粉塵。

(2)各炮孔爆破產(chǎn)出的粉塵，簡化為由地表炮孔所在的固定位置定流率連續(xù)排出。

(3)爆破粉塵由爆轟波和爆轟氣體在爆破破巖過程中高速生成，具有超動載特性，遠比常規(guī)自然環(huán)境條件影響劇烈，故假設在粉塵生成初期的一定空間范圍(爆區(qū)范圍內)不考慮大氣環(huán)境條件(風速及風向)對粉塵高速生成初期性狀的影響。

1.2 爆破粉塵生成模型構建1.2.1 爆破粉塵生成模型

根據(jù)白云鄂博鐵礦掘溝爆破的巖性、水文地質和氣象條件，結合掘溝爆破設計，采用Fluent中的Geometry模塊建立掘溝爆破粉塵生成的三維模型。白云鄂博地區(qū)常年多風，年平均風力3～5級，風速1～2 m/s。采用正方形布孔方式，孔、排距均為6 m，掘溝爆破一般布置6排6列炮孔，爆區(qū)平面尺寸為36 m×36 m，掘溝深度(臺階高度)為15 m，炮孔超深2.5 m。

掘溝爆破為單一自由面條件，爆破粉塵的生成初期以沖出炮孔、從爆區(qū)地表高速躥升為主。參照爆破粉塵的現(xiàn)場高速攝影結果，研究爆破粉塵初期蘑菇云形成特性，取模型高30 m，長、寬取爆區(qū)范圍的2倍(72 m)，構建掘溝爆破粉塵生成的數(shù)值模型。

利用Mesh模塊將數(shù)值模型網(wǎng)格化，受掘溝爆破單自由面影響，爆破粉塵表現(xiàn)出從爆區(qū)地表高速噴出躥升為主。為提高計算精度，對爆區(qū)表面進行網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格劃分尺寸設置為250 mm，其余空間全域尺寸設置為6 m，模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 露天掘溝爆破粉塵生成三維模型及網(wǎng)格劃分Fig.1 3D model and mesh division of the dust induced by open-pit trench blasting

1.2.2 模擬計算參數(shù)

模擬計算求解過程中的相關參數(shù)賦值設置見表1和表2。

表1 露天礦掘溝爆破粉塵源設定Table 1 Dust source setting of open-pit trench blasting

表2 邊界條件及求解參數(shù)設定Table 2 Setting of boundary condition and solution parameter

1.3 掘溝爆破粉塵生成初期模擬研究

1.3.1 爆破粉塵豎直躥升初期特性分析

為摸清爆破粉塵蘑菇云在豎直方向上的躥升特性，距離爆區(qū)地表不同高度截取粉塵蘑菇云的分層平面圖，分析爆破粉塵的濃度、速度分布特性。在爆區(qū)剛完成爆破的瞬間，距離地表不同高度粉塵蘑菇云的濃度分布分層平面如圖2所示。

由圖2可知:

圖2 爆破粉塵在不同高度上的濃度變化云圖(t=0.7 s)Fig.2 Nephogram of concentration variation of blasting dust at different heights (t=0.7 s)

(1)臨近地面段(圖2(a)、圖2(b))，受夾制作用影響，掘溝爆破的拋擲漏斗張開角較小，爆破粉塵在爆炸沖擊荷載作用下呈似垂直噴射狀沖出地表，爆區(qū)范圍內粉塵濃度高且分布較均勻，最大粉塵濃度可達1 073 mg/m3。

(2)粉塵蘑菇云中段(圖2(c)、圖2(d))，粉塵濃度隨著躥升高度增加呈遞減趨勢，在分層平面上也呈現(xiàn)不均勻分布，自爆區(qū)中心向外粉塵濃度遞減明顯。這主要因為隨著粉塵云團向上躥升，粉塵氣浪不斷卷吸四周空氣，蘑菇云隨上升膨脹發(fā)生空間湍流作用，促使粉塵云在空間上向外擴散，粉塵濃度稀釋。粉塵云團高濃度主體部分隨時間變化一直保持在15 m高度范圍內。

(3)粉塵蘑菇云上段(圖2(e)、圖2(f))，爆破粉塵生成初期，當粉塵云躥升至18 m高度時，其濃度較臨近地面段已大幅降低，爆區(qū)中心部位的濃度僅為40.94 mg/m3。躥升至一定高度后，粉塵云的膨脹壓力與大氣壓力均衡，粉塵云將不再上升，之后靠慣性進入大氣環(huán)境，其后續(xù)擴散受大氣環(huán)境條件控制。

(4)受爆炸沖擊波及爆生氣體作用，粉塵生成初期擴展速度快，主體部分速度高達20 m/s，比自然風速高一個數(shù)量級，因而外界自然風流的擾動影響可忽略。

1.3.2 爆破粉塵橫向擴展初期特性分析

模擬結果顯示:掘溝爆破剛完成時，粉塵云橫向擴展速度如圖3所示，濃度分布如圖4所示。圖3顯示，掘溝爆破粉塵在橫向上的擴散速度也很快，云團內不同位置處的粉塵水平擴展速度從爆區(qū)中心向外呈現(xiàn)由高到低的變化趨勢。

圖3 爆破粉塵擴展速度分布云圖Fig.3 Nephogram of expansion velocity distribution of blasting dust

由圖4可知:

圖4 爆區(qū)外8 m處不同時間爆破粉塵質量濃度變化云圖Fig.4 Nephogram of dust mass concentration at 8 m outside the blasting area at different time

(1)距離爆區(qū)邊緣外粉塵濃度呈現(xiàn)由初期較低(最大濃度僅為32.8 mg/m3)，隨著擴展時間增加粉塵濃度而增大的變化趨勢;不同距離處粉塵濃度分布不均勻，距離爆區(qū)邊緣越遠，濃度越低。

(2)隨著粉塵橫向擴展，粉塵濃度由低到高變化，1.3 s后開始逐漸趨于平穩(wěn)(此處特指在粉塵擴散初期，遠未到擴散后期粉塵濃度降低的時刻)，穩(wěn)定在600～700 mg/m3范圍內(圖5)。臨近爆區(qū)邊緣一定范圍(不超過10 m)內，不同位置處的粉塵濃度分布相差不明顯，但仍然呈現(xiàn)隨著與爆區(qū)距離的增加、粉塵濃度遞減的趨勢。

圖5 不同距離下粉塵質量濃度隨時間的變化趨勢Fig.5 Variation trend of dust mass concentration with time at different distance

1.3.3 掘溝爆破粉塵生成初期特性

數(shù)值模擬研究結果表明，掘溝爆破粉塵生成初期具有如下特征:

(1)掘溝爆破粉塵以地表躥升為主體，躥升的蘑菇云在高度上粉塵濃度呈現(xiàn)下高上低的分布趨勢，粉塵云團高濃度主體部分隨著時間變化一直保持在15 m高度范圍內。

(2)粉塵蘑菇云的橫向擴展范圍超越爆區(qū)范圍，但主體部分距離爆區(qū)邊緣一定范圍(不超過10 m)內粉塵濃度分布呈現(xiàn)由低到高的變化過程，約1.3 s后粉塵濃度穩(wěn)定在600～700 mg/m3。

(3)爆破粉塵蘑菇云形成初期的空間范圍相對較小，粉塵濃度高，研發(fā)空間范圍寬厚的強噴灑水霧場就地高效降塵技術是露天礦綠色開采的迫切需求。

2 爆炸水霧場生成技術研究

抑制高濃度強擴散爆破粉塵需要強噴灑的水霧場，水介質爆炸拋撒成霧技術的相關研究表明，借助炸藥爆炸沖擊波和爆轟氣體的急速膨脹將水介質射向空中可形成強噴灑水霧場[12-16]。影響爆炸成霧的主要因素有單位長度的水量、盛水容器的約束強度和爆炸激發(fā)藥量。為綜合考察上述因素對成霧效果的影響，提高試驗效率，本研究通過正交試驗來確定爆炸水袋及所形成的爆炸水霧場空間規(guī)模等技術參數(shù)。

2.1 試驗方案

用聚乙烯塑料薄膜制成筒狀水袋，水袋的直徑?jīng)Q定了單位長度的水量，塑料薄膜的厚度決定了對水介質的約束條件，用線裝藥量不同的導爆索束表征激發(fā)水袋的爆炸荷載。據(jù)L9(33)設計爆炸水袋及爆炸水霧場正交試驗(表3)。用電子雷管激發(fā)鋪設在水袋下的導爆索束形成爆炸水霧場。采用高速攝影測定水袋爆炸成霧過程，通過圖像分析爆炸成霧效果。

表3 爆炸水霧場正交試驗方案及結果Table 3 Orthogonal test schemes and results of explosive water mist field

2.2 試驗結果分析

高速攝影分析表明，水介質爆炸成霧過程大致可分為沖擊波沖擊水介質拉伸成團、爆破氣體沖擊液團形成擴展水霧場、水霧場回落消散3個階段，水袋爆炸拋撒成霧效果如圖6所示。

圖6 爆炸水霧拋撒過程Fig.6 Dispersal process of explosive water mist

以單位長度水袋爆炸形成水霧場的高度、寬度及水霧滯空時間為評價指標，評價爆炸成霧效果的優(yōu)劣。對各影響因素進行了極差分析，結果見表4。

表4 爆炸水霧場各影響因素極差分析結果Table 4 Range analysis results of influential factors in explosive water mist field

結合表4綜合分析確定爆炸水袋的優(yōu)化組合為A2B1C3，可形成爆炸水霧場的最大拋撒半徑為6.45 m，拋撒高度為15.4 m，拋撒形成空間范圍最大的水霧場需要0.9 s，水霧滯空時間達5.4 s。

3 掘溝爆破爆炸水霧場降塵現(xiàn)場試驗

3.1 掘溝爆破粉塵的爆炸水霧場攔截降塵技術方案

依據(jù)掘溝爆破粉塵生成和爆炸水霧場試驗研究結果，結合掘溝爆破粉塵的高速攝影分析結果，發(fā)現(xiàn)爆破粉塵形成初期具有粉塵濃度高、空間范圍小的特性。針對粉塵初期形成蘑菇云進行爆炸強噴灑水霧場，本研究提出了“四周攔截、同步生成、就地吸附”的環(huán)保降塵技術治理方案，該方案通過在掘溝爆區(qū)外圍布設爆炸水袋，在掘溝爆破過程中適時起爆導爆索束激發(fā)水袋形成空間范圍寬厚的強噴灑水霧場，對爆破粉塵源頭實現(xiàn)高效治理。

該方案的核心在于掘溝爆破粉塵蘑菇云形成尚未進入大氣擴散時，就適時激發(fā)水袋形成爆炸水霧場，高速生成的水霧滴與粉塵云團在空中相遇，微小粒徑的粉塵發(fā)生布朗運動，粉塵顆粒受慣性碰撞或截留作用被水霧滴吸附，攜帶導電荷的粉塵顆粒與水霧顆粒相互吸附并結合形成易沉降的顆粒團。另外，空中的水霧會使粉塵顆粒、顆粒團表面形成液膜，液膜促使吸附凝結的顆粒團與水霧滴之間進一步相互吸引，形成聚集體自然沉降落地。

3.2 爆炸水霧降塵現(xiàn)場試驗

3.2.1 爆區(qū)概況及掘溝爆破設計

試驗爆區(qū)位于白云鄂博鐵礦采場1 374 m水平溝掘溝第三區(qū)，被爆巖體為白云巖，設計掘溝爆區(qū)長度約50 m，掘溝面積約2 469 m2。炮孔布置為矩形，孔網(wǎng)參數(shù)為6 m×6 m，爆區(qū)布置8排、8列炮孔，共64個炮孔。掘溝深度(臺階高度15 m)，炮孔超深2.5 m，孔內水深8～10 m，設計爆區(qū)裝填現(xiàn)場混制乳化炸藥65 t。采用高精度塑料導爆管雷管進行中部掏心、四周外擴起爆，炮孔7段別毫秒延時起爆，炮孔布置及起爆設計如圖7所示。

圖7 掘溝爆破的炮孔、水袋布置及起爆延時示意Fig.7 Schematic of the distribution of borehole and water bag and the initiation delay for trench blasting

3.2.2 爆炸水霧降塵試驗設計

掘溝爆區(qū)降塵按照“四周攔截、同步生成、就地吸附”的設計原則布設爆炸水袋，依據(jù)爆炸水霧場生成特性，確定單條水袋水霧場的橫向覆蓋面積約為100 m2，布置于距離爆區(qū)外緣8 m處，爆區(qū)兩側布置的水袋激發(fā)后的水霧場可基本覆蓋爆區(qū)。受上次掘溝少量爆堆壓渣影響，掘溝口端不布設水袋，其余三面布置如圖7所示，設計降塵用水約14.0 t。

依據(jù)本研究爆破粉塵生成模擬試驗和現(xiàn)場高速攝影分析結果，爆炸水袋在炮孔起爆后適當延期激發(fā)(用MS11段雷管激發(fā)起爆水袋)，整個爆區(qū)粉塵蘑菇云正在生成初期、粉塵濃度處于高位，但尚未大規(guī)模向外擴散，此時爆炸水霧場激發(fā)生成，高速擴展覆蓋爆區(qū)蘑菇云，實現(xiàn)了粉塵云與水霧場空間同步擴展，就地吸附粉塵和中和炮煙的環(huán)保治理目標。爆區(qū)炮孔與爆炸水袋起爆延時如圖7所示。

本研究采用FCS-30型粉塵采樣儀測定爆破粉塵濃度，分別布置在距爆區(qū)50 m和100 m處，通過溝口端的測試濃度與其余3個方向的濃度進行對比計算降塵率。采用高速攝影測定爆炸水霧場降塵全過程。

3.2.3 降塵試驗效果分析

掘溝爆破粉塵生成及爆炸水霧場實時同步就地降塵過程如圖8所示。

圖8 露天掘溝爆破的爆炸水霧場降塵過程Fig.8 Dustfall process of explosive water mist field in open-pit trench blasting

分析圖8可知:

(1)炮孔起爆后爆破粉塵迅速躥升，爆區(qū)起爆結束至1.3 s時，爆破粉塵蘑菇云形成并橫向擴展至鋪設水袋位置附近，粉塵濃度高(圖像黑暗)。

(2)爆炸水袋在炮孔起爆后0.4 s被激發(fā)，生成的水霧場高速強力噴灑射向空中，約1.0 s噴射至蘑菇云的主體高度，開始吸附粉塵、中和炮煙實施就地攔截降塵。

(3)至3.0 s爆炸水霧場已大幅度吸附粉塵顆粒，粉塵蘑菇云由黑色轉變成淺灰色，粉塵質量濃度已明顯降低，之后靠慣性進入大氣環(huán)境逐步消弭。經(jīng)爆炸水霧場攔截粉塵的擴散范圍也大幅度縮減。

經(jīng)測試，爆破粉塵的濃度降低了40%，爆炸水霧源頭降塵效果顯著，實際降塵效果見表5。

表5 爆炸水霧降低粉塵質量濃度測試結果Table 5 Test results of dust mass concentration reduction by explosive water mist

4 結 論

針對露天礦掘溝爆破單一自由面、爆破夾制強，炸藥單耗高，爆破粉塵濃度高、難治理的難題，通過爆破粉塵生成、水袋爆炸成霧數(shù)值模擬研究，研發(fā)了爆區(qū)周邊爆炸水霧場攔截降塵技術，現(xiàn)場試驗取得了顯著的降塵效果。主要得到如下結論:

(1)掘溝爆破粉塵生成初期呈現(xiàn)圍繞爆區(qū)范圍的蘑菇云狀，粉塵濃度從地面到粉塵頂端呈現(xiàn)由高到低分布，粉塵云團的高濃度主體部分集中在離地表15 m左右高度;粉塵云在橫向上擴展速度很快，濃度從爆區(qū)中部到邊緣也呈現(xiàn)由高到低分布，臨近爆區(qū)邊緣外10 m處，1.3 s后粉塵濃度可達600～700 mg/m3。在此基礎上，提出了掘溝爆破臨近爆區(qū)周邊爆炸水霧場攔截就地降塵技術方案，不僅治理范圍可控，而且濕式強噴灑水霧場降塵效率也很理想。

(2)聚乙烯塑料薄膜制成的直徑為φ300～350 mm的筒型水袋，在一定線形分布條形藥包爆炸載荷激發(fā)作用下可以形成射向空中的高速強噴灑水霧顆粒場。正交試驗的高速攝影結果表明:1 m水袋在導爆索束激發(fā)下可形成橫截面12.9 m×15.4 m(寬×高)的爆炸水霧場，水霧在空中持續(xù)時間可達5.4 s，可為爆區(qū)源頭同步降塵、炮煙吸附和中和提供有效的水霧濕式降塵支撐條件。

(3)在白云鄂博鐵礦掘溝爆破粉塵治理中，通過采用“四周攔截、同步生成、就地吸附”的爆炸水霧場降塵技術，實現(xiàn)了爆炸水霧場與掘溝粉塵同步生成、爆破粉塵形成初期就地降塵的目標，現(xiàn)場實測降低了爆破粉塵質量濃度達40%左右，為實現(xiàn)低粉塵掘溝爆破和露天礦綠色開采提供了一種新的環(huán)保型技術。