露天爆破炮煙和粉塵初期性狀模擬及防治技術(shù)研究

趙永崗，王德勝，秦鵬淵，高玉璞，張 麗，郭 賓，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)，北京100083)

露天(礦)爆破破巖過程產(chǎn)生大量的有毒炮煙和粉塵，成為露天(礦)采場及周圍大氣環(huán)境難以治理的重要污染源。爆破煙塵云的濃度和初期擴(kuò)展特性是研發(fā)爆破煙塵源頭治理技術(shù)和方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，受爆破飛石、沖擊波等有害效應(yīng)影響，傳統(tǒng)的降塵技術(shù)措施無法在爆破源頭與煙(粉)塵的產(chǎn)生同步實(shí)施，事后治理效果差強(qiáng)人意；針對(duì)爆破煙塵云源頭濃度和初期擴(kuò)展性狀的直接測量也難以實(shí)施。對(duì)爆破煙塵產(chǎn)生過程、空間濃度及初期擴(kuò)展特性進(jìn)行深入研究是爆破煙塵源頭防治技術(shù)的關(guān)鍵[1-5]，尚欠缺這方面的研究。

露天(礦)爆破粉塵污染防治是礦山綠色開采研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，爆破煙(粉)塵具有瞬時(shí)產(chǎn)生、高濃度強(qiáng)擴(kuò)散的特性，受被爆巖體的巖性、爆破工藝技術(shù)參數(shù)、爆破作業(yè)施工質(zhì)量等多方面因素影響，各因素對(duì)爆破煙塵的影響機(jī)制、爆破煙塵生成的初期擴(kuò)展性狀特征和對(duì)煙塵濃度的貢獻(xiàn)等難以確定。對(duì)爆區(qū)污染源頭—蘑菇塵云的生成及爆破破巖過程的擴(kuò)散機(jī)制、蘑菇塵云的粉塵濃度確定尚不明確。傳統(tǒng)的事后采樣測定，無法與煙塵的生成同步，受大氣環(huán)境等自然條件影響大，對(duì)爆破粉塵的源頭防治指導(dǎo)性較差。本文利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)露天深孔爆破粉塵生成過程進(jìn)行研究，分析炮孔填塞物料、被爆破巖體破碎和破碎巖塊拋擲堆積過程中煙塵的生成、擴(kuò)展特性和初始濃度等，探索精準(zhǔn)起爆的爆炸水霧場高速生成技術(shù)以期實(shí)現(xiàn)爆破煙粉塵污染源頭的爆炸水霧場直接降塵治理，促進(jìn)露天(礦)低粉塵爆破破巖和綠色開采。

1 臺(tái)階爆破炮煙和粉塵形成的數(shù)值模擬研究

露天臺(tái)階爆破破巖過程中，爆炸荷載對(duì)被爆巖體進(jìn)行破碎、爆轟氣體膨脹將破碎巖塊沿最小抵抗線方向拋擲堆積，巖體的破裂、地面震顫、爆轟氣體沖擊推升炮孔堵塞物料、巖塊觸地和相互碰撞都將產(chǎn)生粉塵；炸藥爆轟反應(yīng)產(chǎn)生的有毒炮煙也將隨著被爆巖體破碎而高速溢出，炮煙伴隨粉塵快速?zèng)_出形成的煙(粉)塵是采場和大氣環(huán)境的重要污染源。露天爆破破巖過程中炮煙等有害氣體、破碎巖塊和礦巖粉塵顆?；祀s，有毒炮煙和高濃度粉塵生成初期脫離原巖和爆堆急速向外擴(kuò)展，具有高速動(dòng)載特性，對(duì)炮煙和粉塵產(chǎn)生量和濃度的理論計(jì)算欠缺，污染源頭的直接測定因爆破飛石等無法靠近爆區(qū)也難以進(jìn)行，致使對(duì)爆破煙粉塵的防治無據(jù)可依。針對(duì)爆破炮煙和粉塵初期狀態(tài)和擴(kuò)展特性進(jìn)行定量理論分析的難題，借助數(shù)值模擬技術(shù)在求解爆炸荷載超動(dòng)態(tài)問題方面的優(yōu)勢，對(duì)露天爆破炮煙和粉塵初期性狀再現(xiàn)有著重要理論價(jià)值。

本文用PFC2D建立臺(tái)階深孔爆破及煙塵生成模型，模擬研究大直徑垂直深孔爆破時(shí)，爆炸荷載作用下臺(tái)階坡面和臺(tái)階頂面方向巖石的破碎、拋擲、煙粉塵生成及運(yùn)移特性。

1)露天臺(tái)階深孔爆破煙塵生成模型的建立

白云鐵礦臺(tái)階高度15 m，炮孔直徑Φ310 mm，炮孔超深2.0 m，炮孔填塞長度6.5 m。被爆巖體為白云巖，炮孔裝藥用現(xiàn)場混裝車裝填銨油炸藥，建立臺(tái)階爆破模型對(duì)爆破過程中炮煙和粉塵的產(chǎn)生計(jì)算模型。

數(shù)值模型試驗(yàn)中，將臺(tái)階坡面、坡頂面及坡底面設(shè)置為自由面，臺(tái)階后面及臺(tái)階底面深部巖體設(shè)置為邊界條件?；谝陨先襟E，臺(tái)階深孔爆破及粉塵生成模擬研究的物理模型如圖1所示。

現(xiàn)場混裝炸藥的性能見表1，炸藥爆炸荷載作用在圓形單元化的模型被爆巖體上。

表1 炸藥物理力學(xué)性能參數(shù)

2)露天爆破煙塵的初期性狀特性研究

模擬研究(圖2)表明爆破煙粉塵隨著破巖過程產(chǎn)生、啟揚(yáng)和高速向外擴(kuò)展生成，巖石破碎的裂隙和巖塊拋擲分離過程大量爆破煙粉塵涌出，煙塵具有如下特性：

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圖2 臺(tái)階深孔爆破巖石破碎、拋擲及煙粉塵生成效果圖

(1)煙粉塵初期生成特征：①臺(tái)階頂部煙塵生產(chǎn)以炮孔堵塞物料上升啟揚(yáng)及地面震顫起塵為主要特性，當(dāng)有沖孔現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，這種現(xiàn)象更加明顯。臺(tái)階頂部煙塵控制了爆破煙塵云啟揚(yáng)的空間高度；②臺(tái)階坡面爆破設(shè)計(jì)拋擲方向上，爆破煙塵啟揚(yáng)和擴(kuò)散特征隨破碎巖塊的運(yùn)動(dòng)軌跡展開，是爆破煙塵橫向擴(kuò)展的主體部分，和爆區(qū)的長度方向共同控制了爆破蘑菇煙塵云的空間廣度范圍。

(2)煙粉塵的初期濃度：結(jié)合現(xiàn)場高速攝影觀測結(jié)果顯示爆破蘑菇煙塵云含有粉塵顆粒、細(xì)小巖石碎塊、有毒炮煙。經(jīng)圖像灰度處理顯示和模擬結(jié)果表明煙塵初期濃度極高，煙塵生成初期，從臺(tái)階上部和坡面噴涌而出，粉塵濃度分布較均勻，濃度在733～1 100 mg/m3范圍內(nèi)，最高濃度可達(dá)1 833 mg/m3。隨著蘑菇煙塵云的向外擴(kuò)展，煙塵濃度快速下降，微小巖塊和較大粉塵顆粒沉降落地，炮煙和微小塵粒則以慣性運(yùn)動(dòng)進(jìn)入采場或大氣環(huán)境呈現(xiàn)布朗運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散。

以上特性決定了爆破有毒煙粉塵有效治理的關(guān)鍵在于爆破區(qū)域源頭的高效地同步降塵技術(shù)，需要有效覆蓋蘑菇煙塵云初期生成范圍，同時(shí)要求具有強(qiáng)大瞬時(shí)噴灑抑塵介質(zhì)能力，迫切需要研發(fā)與爆破煙塵云同步生成的高速水霧場生成技術(shù)，以便應(yīng)對(duì)高濃度、強(qiáng)擴(kuò)散的爆破煙粉塵顆粒云團(tuán)擴(kuò)散污染。

2 爆炸水霧場的形成

在PFC3D模擬大直徑水袋在爆炸沖擊波和爆轟氣體作用下水體的拋擲拉伸、水團(tuán)霧化及空間拋灑軌跡基礎(chǔ)上，針對(duì)常規(guī)臺(tái)階表面預(yù)灑水沁潤[6]、局部噴灑[7-9]和事后被動(dòng)粉塵處置的缺陷，本文提出了分布式爆炸荷載激發(fā)筒型水袋形成高速爆炸水霧場[10]實(shí)施爆區(qū)范圍內(nèi)就地降塵的技術(shù)方案，摸索爆炸水霧在空間有序拋擲、同步吸附降塵的特性，為爆炸水霧場就地同步覆蓋爆破蘑菇煙塵云，實(shí)施就地吸附粉塵、中和有毒炮煙的爆破源頭降塵處理提供環(huán)保技術(shù)支撐。

依據(jù)白云鐵礦爆破設(shè)計(jì)和現(xiàn)場氣候條件，用厚塑料膜制成筒型袋，一端扎緊后注滿水或抑塵液體介質(zhì)形成“水袋”，導(dǎo)爆索束為激發(fā)荷載鋪設(shè)在水袋下方形成爆炸“水袋”，電子雷管起爆導(dǎo)爆索束激發(fā)“水袋”即形成射向空中的高速爆炸水霧場。

影響爆炸水霧場形成及其效果的因素有很多，依據(jù)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的研究成果，確定爆炸水霧形成主要的影響因素為水袋直徑(單位水量)、水袋材質(zhì)和壁厚(水袋的約束條件)及爆炸荷載的大小(激發(fā)藥量及分布)。選擇普通聚乙烯塑料膜作為水袋的制成材料，普通導(dǎo)爆索(束)作為激發(fā)水袋的爆炸荷載。為克服多因素的相互關(guān)聯(lián)影響，提高試驗(yàn)效率，采用正交試驗(yàn)法來設(shè)計(jì)水袋尺寸參數(shù)及激發(fā)水袋炸藥量的試驗(yàn)方案，確定上述因素參數(shù)的優(yōu)化組合，以獲得空間尺度寬廣、霧化均勻的高速爆炸水霧場，為爆區(qū)內(nèi)就地捕捉爆破粉塵、中和有毒炮煙提供濕式降塵的必要條件。

圖3 爆炸水袋激發(fā)形成爆炸水霧場的效果圖

3 爆破煙塵的爆炸水霧場降塵技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)

1)爆區(qū)概況及爆破設(shè)計(jì)：降塵試驗(yàn)爆區(qū)位于白云鐵礦主采場1 416 m水平南幫，爆區(qū)內(nèi)巖體為云母片巖，f系數(shù)為10～11。規(guī)劃爆區(qū)長度為120 m，臺(tái)階平均高度15.5 m，牙輪鉆穿鑿直徑Φ310 mm垂直深孔，設(shè)計(jì)炮孔超深1.5 m。臺(tái)階平面上炮孔按照三角形布置，孔排距為9 m×5 m，依據(jù)臺(tái)階平面條件爆區(qū)前后布置5～6排炮孔，總孔數(shù)65個(gè)。炮孔內(nèi)水深2～3 m不等，設(shè)計(jì)炮孔堵塞6.5～7.0 m，用鉆孔巖粉堵塞炮孔，設(shè)計(jì)爆區(qū)總裝藥量為乳化炸藥53 t。

2)爆炸水霧降塵設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)以第一排的左側(cè)炮孔為逐孔起爆法的起爆零點(diǎn)，同排炮孔間延時(shí)42 ms，排間延時(shí)65 ms，電子雷管精準(zhǔn)逐孔起爆網(wǎng)路。按照“爆區(qū)覆蓋、坡前攔截、同步生成和就地吸附”的布置原則，坡面前方布置1道爆炸水袋，爆區(qū)內(nèi)布置5道爆炸水袋，降塵爆炸水袋的布置設(shè)計(jì)如圖4示。

依據(jù)臺(tái)階爆破巖體的高速攝影測試結(jié)果，爆區(qū)內(nèi)臺(tái)階上水袋的起爆激發(fā)延時(shí)設(shè)計(jì)見圖4。按照破碎巖塊的初速度、拋射角及水袋與坡底線的距離，爆區(qū)前方水袋的激發(fā)時(shí)間確定為1 250 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)路上組成完整的并聯(lián)起爆網(wǎng)路。

圖4 降塵試驗(yàn)爆區(qū)精準(zhǔn)起爆時(shí)間和爆炸水袋布置設(shè)計(jì)圖

4 爆炸水霧場降塵效果測定

用高速攝影技術(shù)對(duì)降塵試驗(yàn)爆區(qū)的水霧抑塵效果進(jìn)行觀測，爆炸水霧場形成和爆破蘑菇塵云的實(shí)時(shí)降塵動(dòng)態(tài)過程如圖5所示，圖5中顯示臺(tái)階上部水袋激發(fā)形成的水霧場與爆破蘑菇云同步生成，實(shí)時(shí)覆蓋蘑菇塵云；坡面前部水袋激發(fā)形成的水霧場及時(shí)攔截了爆破蘑菇煙塵云的橫向擴(kuò)展，高強(qiáng)度的爆炸水霧場實(shí)時(shí)吸附粉塵、同步中和有毒炮煙，可見黑色蘑菇云轉(zhuǎn)化成淺灰色的明顯降塵效果。

圖5 爆炸水霧場覆蓋、攔截爆破蘑菇煙塵云實(shí)況圖

用FCS-30粉塵采樣儀對(duì)試驗(yàn)爆區(qū)的水霧降塵試驗(yàn)效果進(jìn)行了測定，降塵效果為：1)距爆區(qū)50 m處粉塵濃度由無降塵爆破時(shí)的135.231 mg/m3降為93.537 mg/m3，粉塵濃度降低了44.6%；2)距爆區(qū)100 m處粉塵濃度由76.341 mg/m3降為54.234 mg/m3，降低了40.8%；3)設(shè)計(jì)爆炸灑水28.6 t，單位爆破降塵平均耗水量為0.236 kg/t。

5 結(jié)論

露天礦爆破產(chǎn)生大量的有毒炮煙和粉塵，受爆破作用理論和飛石等安全因素影響，對(duì)爆破蘑菇煙塵云生成的初期特性缺乏深入了解，致使爆破粉塵至今無有效治理措施。利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)露天爆破蘑菇煙塵云的產(chǎn)生及初期擴(kuò)展特性進(jìn)行研究，提出了爆炸高速水霧場生成及源頭同步降塵技術(shù)方案，進(jìn)行了生產(chǎn)爆破現(xiàn)場降塵試驗(yàn)，大幅降低了爆破煙粉塵云的濃度和擴(kuò)散范圍，為露天礦綠色開采和露天低粉塵爆破創(chuàng)造了良好條件。

1)有毒炮煙和高濃度粉塵組成的爆破蘑菇煙塵云的初期高度由上部臺(tái)階升騰的煙塵決定，臺(tái)階坡面拋擲和爆區(qū)長度方向的粉塵決定了煙塵云的初期空間范圍，爆破煙塵云靠慣性進(jìn)入采場和大氣環(huán)境，后期擴(kuò)散受自然氣候條件控制。

2)用導(dǎo)爆索束激發(fā)塑料筒型水袋可以形成一定空間范圍瞬時(shí)高強(qiáng)度噴灑的高速爆炸水霧場，按照“上部覆蓋、坡前攔截、同步生成、就地吸附”的布置原則，在爆區(qū)內(nèi)和臺(tái)階坡面前適當(dāng)布設(shè)爆炸水袋，與爆區(qū)一次起爆合理延時(shí)可以形成高強(qiáng)度噴灑爆炸水霧場，對(duì)爆破有毒炮煙和粉塵進(jìn)行源頭同步有效治理，為露天礦綠色開采提供了一種新環(huán)保技術(shù)。

3)白云鐵礦露天大直徑深孔臺(tái)階爆破現(xiàn)場降塵試驗(yàn)顯示距爆區(qū)50 m處的粉塵濃度降低了44.6%，距爆區(qū)100 m處粉塵濃度降低了40.8%，爆炸水霧降塵技術(shù)對(duì)露天礦低粉塵爆破和綠色開采具有重要社會(huì)環(huán)境效益。