露天礦爆破(煙)粉塵的爆炸水霧降塵技術(shù)研究

趙永崗 王德勝 秦鵬淵 高玉璞 張 麗 李永華

(1.包鋼(集團(tuán))公司白云鐵礦,內(nèi)蒙古 包頭 014080;2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083)

露天礦山開采的各個(gè)工藝環(huán)節(jié)都產(chǎn)生粉塵污染,通常穿孔、鏟裝礦巖石、礦用汽車運(yùn)輸和排土過程中產(chǎn)生的粉塵擴(kuò)散慢,通過灑水沁潤(rùn)、噴淋吸附可取得較好降塵效果。研究及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明露天礦90%以上粉塵污染是由爆破破巖過程產(chǎn)生的有毒炮煙和粉塵引起的[1-7],至今仍無有效治理措施。近年來,礦山隨著綠色開采和可持續(xù)發(fā)展等環(huán)保理念的深入,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)爆破炮煙和爆破粉塵及治理技術(shù)研究已成為綠色開采的熱點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)。露天礦爆破炮煙和粉塵具有瞬時(shí)產(chǎn)生、濃度高、擴(kuò)散速度快和毒害性強(qiáng)的特點(diǎn),傳統(tǒng)的灑水、噴淋降塵技術(shù)措施因無法靠近爆區(qū)污染源頭和與粉塵產(chǎn)生過程不能同步等缺陷不能用于爆破煙粉塵治理,文獻(xiàn)[8-12]提出了在被爆破臺(tái)階表面預(yù)先灑水沁潤(rùn)和用水袋部分填塞炮孔的治理方法,取得了一定的治理效果。文獻(xiàn)[13-14]探索了在爆區(qū)臺(tái)階表面布設(shè)爆炸水袋治理露天礦山爆破粉塵的應(yīng)用嘗試,對(duì)礦巖爆破粉塵治理具有同步性和污染源頭治理的優(yōu)勢(shì),但對(duì)不同露天爆破形式和爆區(qū)起爆方式特別在電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)普及的條件下,爆炸水霧源頭同步降塵和露天爆破關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)合理匹配的統(tǒng)籌考慮欠缺,針對(duì)目前露天礦普及電子雷管起爆的爆破炮煙和粉塵治理理論指導(dǎo)空白。

綜合來看對(duì)露天礦爆破炮煙和粉塵控制技術(shù)是礦山綠色開采的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn),傳統(tǒng)的地面預(yù)灑水沁潤(rùn)只能減少爆破礦巖表層的產(chǎn)塵量;炮孔填塞段上部用水袋填塞,則受填塞材料沖擊強(qiáng)度和方向限制,形成水霧范圍難以與彌散整個(gè)爆區(qū)的高濃度、強(qiáng)擴(kuò)散爆破炮煙和蘑菇塵云匹配,傳統(tǒng)降塵方法無法對(duì)爆破炮煙和粉塵的主要產(chǎn)生方向——臺(tái)階坡面拋擲方向進(jìn)行降塵,降塵效果大打折扣。對(duì)爆破污染源頭降塵的作用機(jī)制、爆炸水袋的布設(shè)原則和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的確定尚需進(jìn)一步探討。爆炸水霧降塵對(duì)電子雷管精準(zhǔn)起爆條件下水袋布置設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)確定尚欠缺直接理論指導(dǎo)。本研究針對(duì)白云鐵礦臺(tái)階深孔電子雷管精準(zhǔn)逐孔起爆條件,提出了“拋擲前方阻攔、爆區(qū)上部平臺(tái)覆蓋、爆破煙塵與爆炸水霧同步生成,就地吸附捕捉粉塵、稀釋中和炮煙的降塵技術(shù)方案,探索爆破炮煙和粉塵源頭治理的設(shè)計(jì)原則、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用方法,通過正交試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)降塵試驗(yàn)來確定爆炸水霧成型技術(shù)和降塵關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),以期實(shí)現(xiàn)爆破炮煙和粉塵的源頭有效治理,助力露天礦山綠色開采技術(shù)發(fā)展。

1 露天礦爆破炮煙和粉塵治理的技術(shù)難題及治理原則

露天礦爆破煙塵的產(chǎn)生不同于其他工藝環(huán)節(jié)中的粉塵,在爆破破巖和對(duì)破碎巖塊的拋擲堆積過程中,炮孔內(nèi)炸藥爆轟引起臺(tái)階地面震顫激起表面粉塵;巖石被破碎致使臺(tái)階膨脹鼓包隆起,鼓包破裂產(chǎn)生炮煙和粉塵;孔內(nèi)填塞物料被沖擊壓縮和上沖產(chǎn)生炮煙和高速粉塵云;沿臺(tái)階坡面起爆方向,破碎巖塊被拋擲、相互撞擊、落地堆積過程也產(chǎn)生大量粉塵。上述各個(gè)過程都呈現(xiàn)與爆炸荷載高速作用高度關(guān)聯(lián)的特征,對(duì)露天深孔DIC 觀測(cè)研究發(fā)現(xiàn)爆破粉塵具有如下特征:①炮煙等有毒氣體和礦巖粉塵顆?；祀s;②炮煙和粉塵濃度高;③炮煙和粉塵向外擴(kuò)展速度快,快速彌漫采場(chǎng),靠慣性作用進(jìn)入大氣環(huán)境。

爆破炮煙和粉塵治理的難題體現(xiàn)在:①炮煙和粉塵在破巖、拋擲過程中產(chǎn)生,傳統(tǒng)的灑水噴淋、礦用水炮車等不能靠近爆區(qū)而無法實(shí)施;②預(yù)灑水沁潤(rùn)爆區(qū)表面不僅對(duì)炮孔內(nèi)的非防水炸藥安全準(zhǔn)爆和電力起爆網(wǎng)絡(luò)安全傳爆有不利影響,而且預(yù)灑水只能沁潤(rùn)臺(tái)階表面淺層巖體,對(duì)于爆破粉塵的主要產(chǎn)出部位、方向不能形成實(shí)質(zhì)性的降塵作用;③在電子雷管精準(zhǔn)逐孔起爆的露天爆破新技術(shù)趨勢(shì)下,缺乏精準(zhǔn)起爆形成的瞬時(shí)自由面所確定的炮孔拋擲方向、煙塵生成性狀及擴(kuò)展特性的爆炸水霧匹配技術(shù)。故本研究將針對(duì)露天礦臺(tái)階深孔爆破的蘑菇炮煙和粉塵云的高效治理技術(shù)進(jìn)行探討,提出如下技術(shù)解決原則。

(1)爆炸水霧全場(chǎng)覆蓋技術(shù)?；诼短毂片F(xiàn)場(chǎng)高速DIC 測(cè)試結(jié)果,按照爆破炮煙和粉塵云的生成擴(kuò)展特征,在臺(tái)階上部、設(shè)計(jì)起爆零點(diǎn)方向的前方布設(shè)相應(yīng)數(shù)量和形式的水袋,在爆破炮煙和粉塵云形成的過程中實(shí)時(shí)激發(fā)水袋,形成覆蓋全爆破區(qū)域及拋擲范圍蘑菇(煙)塵云的爆炸水霧場(chǎng),整體包覆爆破蘑菇(煙)塵云,實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)景的爆破煙塵治理目標(biāo)。

(2)爆炸水霧與爆破煙塵的同步生成技術(shù)。在保證爆區(qū)起爆網(wǎng)絡(luò)安全準(zhǔn)則條件下,依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)高速DIC 測(cè)試結(jié)果設(shè)計(jì)爆炸水袋定型尺寸和精準(zhǔn)起爆激發(fā)時(shí)間,實(shí)現(xiàn)爆破煙塵蘑菇云與爆炸水霧場(chǎng)的同步生成及實(shí)時(shí)源頭治理。

(3)爆破煙塵的源頭濕式就地捕捉、吸附和中和技術(shù)。爆破有毒炮煙主要成分有CO、CO2、氮氧化物(NO+ NO2)等和粉塵顆粒均具有親水性,在爆破(煙)塵云產(chǎn)生的同時(shí),實(shí)時(shí)形成覆蓋全場(chǎng)的爆炸水霧場(chǎng),實(shí)施霧化水場(chǎng)對(duì)爆破有毒炮煙和粉塵顆粒的同步實(shí)時(shí)就地吸附、炮煙稀釋中和和粉塵捕捉治理,實(shí)現(xiàn)污染源頭的根本治理。本文介紹露天臺(tái)階爆破煙塵的爆炸水霧降塵技術(shù)和相關(guān)試驗(yàn)研究。

2 爆炸水霧場(chǎng)生成正交試驗(yàn)

依據(jù)白云鐵礦爆破作業(yè)和現(xiàn)場(chǎng)氣候條件,用塑料薄膜制成直徑?300～350 mm的空心筒袋,普通導(dǎo)爆索(藥芯為黑索金或泰安,裝藥量12.0～14.0 g/m)鋪設(shè)在筒袋下方,注滿水后用電子雷管起爆導(dǎo)爆索激發(fā)水袋形成射向空中的爆炸水霧場(chǎng),作為爆破降塵的水源場(chǎng)。

影響爆炸水霧形成效果的因素很多,最主要的影響因素是爆炸荷載、水袋直徑和塑料膜的壁厚,這些因素的影響相互交織在一起,要單獨(dú)考察它們對(duì)爆炸水霧形成效果的影響顯然比較困難。為綜合考察這些因素的影響,盡可能減少試驗(yàn)次數(shù),采用正交試驗(yàn)法來制定爆炸水袋優(yōu)化尺寸定型和水霧場(chǎng)規(guī)模的試驗(yàn)方案。對(duì)不同爆破荷載(1、2 和3 根導(dǎo)爆索)、水袋尺寸(?300、?325 和?350 mm)和塑料膜厚(8、17 和20 絲)等工況條件在爆炸荷載作用下的水霧顆粒拋擲軌跡和空中持續(xù)時(shí)間等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),用高速DIC技術(shù)測(cè)定生成水霧場(chǎng)的空間形態(tài)和拋擲軌跡,摸清水介質(zhì)顆粒的起揚(yáng)規(guī)律,確定爆炸水袋定型、水霧場(chǎng)的規(guī)模及特性,試驗(yàn)方案及結(jié)果見表1。

表1 爆炸水霧試驗(yàn)方案及效果指標(biāo)Table 1 Explosion water spray test plans and effect indexes

采用SPSS 計(jì)算軟件分別對(duì)爆炸水霧場(chǎng)高度、寬度以及水霧空中持續(xù)時(shí)間進(jìn)行多因素方差分析,依據(jù)分析結(jié)果最終確定合理的水袋規(guī)格為直徑325 mm、塑料膜厚度為8 絲,對(duì)應(yīng)起爆的爆炸荷載為3 根并列普通導(dǎo)爆索,即可形成橫截面8.70 m ×12.40 m 的爆炸水霧場(chǎng),水霧在空中持續(xù)時(shí)間可達(dá)3.6 s,為爆破蘑菇煙塵云爆區(qū)源頭同步降塵、吸附和中和可提供有效水霧支撐基礎(chǔ)條件。

3 爆破煙塵的爆炸水霧降塵設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

(1)深孔爆破設(shè)計(jì)。試驗(yàn)爆區(qū)位于白云鐵礦主采場(chǎng)南幫1 416 m 水平,臺(tái)階高度15 m,被爆巖體為云母片巖。設(shè)計(jì)用牙輪鉆穿鑿?310 mm炮孔,孔排距為8 m×6 m,三角形布孔,依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件爆區(qū)布置7～8 排炮孔,炮孔超深1.5～2.0 m。大部分炮孔內(nèi)有水,水深3～4 m 不等。炮孔裝填現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥,單孔裝藥量800～950 kg,前排炮孔按照實(shí)際最小抵抗線調(diào)整藥量。用水孔空氣水間隔器實(shí)施上部間隔控制炮孔堵塞長(zhǎng)度6.0～6.5 m,填塞機(jī)扒推鉆孔巖粉堵塞炮孔。設(shè)計(jì)電子雷管精準(zhǔn)逐孔起爆裝藥炮孔,第一排中間炮孔設(shè)為起爆零點(diǎn),同排炮孔間延時(shí)45 ms,排間孔延時(shí)65 ms。爆區(qū)炮孔布置及炮孔精準(zhǔn)起爆延時(shí)設(shè)計(jì)如圖1所示。

(2)爆炸水霧降塵設(shè)計(jì)。爆區(qū)設(shè)計(jì)以第一排中間炮孔為零點(diǎn)的V 型起爆,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)爆區(qū)一側(cè)布置爆炸水霧降塵,另一側(cè)不做降塵處理,進(jìn)行同等巖性、爆破條件下降塵與非降塵效果對(duì)比試驗(yàn)。按照“前方阻攔、爆區(qū)覆蓋、同步生成和就地吸附”的原則,降塵側(cè)爆區(qū)前方布置2 道爆炸水袋,爆區(qū)內(nèi)布置4條爆炸水袋,降塵爆炸水袋的布置設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 爆區(qū)精準(zhǔn)逐孔起爆和爆炸水霧降塵布置設(shè)計(jì)Fig.1 Accurate initiation design of blasthole and design drawing of explosion water mist dust reduction layout

依據(jù)臺(tái)階爆破巖體的高速DIC 測(cè)試結(jié)果,爆區(qū)內(nèi)水袋的起爆激發(fā)延時(shí)取該水袋對(duì)應(yīng)的最后排炮孔的起爆延時(shí)時(shí)間;爆區(qū)前方的2 列水袋的激發(fā)時(shí)間按照破碎巖塊的初速度、拋射角及水袋與坡底線的距離確定為1 300 ms,激發(fā)爆炸水袋的電子雷管并聯(lián)在爆區(qū)整體起爆網(wǎng)路上組成完整并聯(lián)起爆網(wǎng)路。

4 爆炸水霧降塵效果觀測(cè)

4.1 臺(tái)階深孔爆破煙塵的爆炸水霧降塵DIC 測(cè)定

對(duì)爆區(qū)降塵效果進(jìn)行了DIC 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),測(cè)試頻率為60 FPS。測(cè)試結(jié)果顯示,爆區(qū)前方爆炸水袋激發(fā)形成的水霧場(chǎng)與前沖爆破煙塵蘑菇云同步形成,形成的高速水霧場(chǎng)等效于一道高速水霧幕簾實(shí)時(shí)有效攔截了爆破蘑菇煙塵云的前沖擴(kuò)展;爆區(qū)內(nèi)的爆炸水袋被激發(fā)后形成了覆蓋抑塵側(cè)的上部水霧場(chǎng),實(shí)時(shí)對(duì)快速上升的爆破蘑菇煙塵云及時(shí)就地覆蓋,前方阻截的水霧場(chǎng)和上部覆蓋水霧場(chǎng)共同組成了覆蓋設(shè)計(jì)抑塵側(cè)的整體空間水霧場(chǎng),總重量達(dá)29.1 t 水被瞬時(shí)激發(fā)形成了寬厚的水霧場(chǎng)同步實(shí)時(shí)就地吸附、中和爆破煙塵,爆破蘑菇煙塵呈現(xiàn)明顯的輕灰色煙塵效應(yīng)(見圖2),與未布置降塵爆炸水袋側(cè)的濃密黑色蘑菇云團(tuán)形成鮮明對(duì)比,污染源頭直接降塵效果明顯。

圖2 爆炸水霧場(chǎng)降塵效果實(shí)況Fig.2 Dust removal effect of explosive water mist field

4.2 爆炸水霧降塵效果測(cè)定

用FCS-30 粉塵采樣儀對(duì)試驗(yàn)爆區(qū)兩側(cè)對(duì)比區(qū)域的粉塵濃度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,降塵區(qū)一側(cè)與非降塵區(qū)粉塵濃度測(cè)試結(jié)果:①距離爆區(qū)50 m 處粉塵濃度由165.832 mg/m3降為113.333 mg/m3,粉塵濃度降低了46%;②距離爆區(qū)100 m 處粉塵濃度由96.673 mg/m3降為70.423 mg/m3,降低了37%。爆破后現(xiàn)場(chǎng)觀察可見降塵區(qū)一側(cè)的爆堆表面經(jīng)爆炸水霧噴灑,爆堆表面濕潤(rùn),為下一步的電鏟作業(yè)粉塵控制創(chuàng)造了有利條件。

5 結(jié) 論

露天(礦)爆破產(chǎn)生大量有毒炮煙和粉塵,傳統(tǒng)灑水噴淋和礦用水炮車因安全因素?zé)o法靠近爆破區(qū)域?qū)嵤?地面灑水沁潤(rùn)和用水袋封堵炮孔(水霧范圍小)只有局部作用,降塵效果不明顯。對(duì)白云露天礦臺(tái)階深孔爆破DIC 觀測(cè)分析研究表明,爆破蘑菇煙塵具有坡面拋擲為主、臺(tái)階頂部上升為輔的特點(diǎn),本研究提出了“前方阻攔、爆區(qū)覆蓋、同步生成、就地吸附”的爆炸水霧場(chǎng)降塵技術(shù)方案,現(xiàn)場(chǎng)降塵試驗(yàn)結(jié)果表明,爆炸水霧可以降低粉塵濃度和擴(kuò)散范圍,是露天礦綠色開采和露天爆破低粉塵產(chǎn)出的關(guān)鍵技術(shù)。

(1)壁厚8 絲塑料薄膜制成直徑?325 mm的空心筒袋,注滿水后用3 根并列普通導(dǎo)爆索起爆激發(fā)能形成斷面8.7 m×12.4 m 的爆炸水霧場(chǎng),水霧在空中持續(xù)時(shí)間可達(dá)3.6 s,為露天爆破濕式降塵提供了有效的爆炸水霧條件。

(2)白云鐵礦現(xiàn)場(chǎng)降塵試驗(yàn)證實(shí)在爆區(qū)臺(tái)階頂部,同排炮孔間跨越前后排按照14～16 m 間距布設(shè)爆炸水袋,電子雷管與水袋對(duì)應(yīng)的最后排炮孔起爆時(shí)間同步起爆激發(fā)能形成覆蓋爆區(qū)上方的水霧幕場(chǎng)。

(3)基于臺(tái)階深孔爆破的DIC 測(cè)試的前沖距離、破碎巖石的初速度、拋射角度、落地時(shí)間、爆破煙塵的升騰時(shí)間和范圍等因素,以起爆零點(diǎn)為中心對(duì)應(yīng)1.3～1.5 倍臺(tái)階高度距離到前排一側(cè)端點(diǎn)1 倍臺(tái)階高度距離布置2 道爆炸水袋,間距6～8 m,爆區(qū)起爆后延時(shí)1 300 ms 激發(fā)爆炸水袋能形成寬厚的水霧幕簾墻,可有效攔截爆破蘑菇煙塵的前沖擴(kuò)散,降低爆破蘑菇塵云的粉塵濃度和擴(kuò)散范圍。

(4)用FCS-30 粉塵采樣儀對(duì)試驗(yàn)爆區(qū)兩側(cè)對(duì)比區(qū)域的粉塵濃度測(cè)定結(jié)果顯示,爆炸水霧降塵使距爆區(qū)50 m 處的粉塵濃度降低了46%;距離爆區(qū)100 m處的粉塵濃度降低了37%;爆破粉塵的擴(kuò)散范圍顯著降低,對(duì)露天礦山綠色開采和露天爆破低污染治理具有重要現(xiàn)實(shí)意義和良好的社會(huì)環(huán)境效益。