露天巖土爆破中的水介質(zhì)降塵環(huán)保技術(shù)研究

吳頌，韓景峰，劉明朗，肖若愚

(中國(guó)建筑第五工程局有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

瀏陽(yáng)瑞林場(chǎng)平項(xiàng)目在爆破開(kāi)挖過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)起爆后炮孔中部及以下位置巖石過(guò)度粉碎的現(xiàn)象，造成了爆后粉塵過(guò)大，產(chǎn)生環(huán)境污染。在當(dāng)前環(huán)保要求高的前提下，研究一種降低爆破粉塵的技術(shù)實(shí)用性非常高。本課題旨在研究采用水介質(zhì)作為間隔材料的技術(shù)來(lái)達(dá)到降塵環(huán)保的目的。

工程位于瀏陽(yáng)經(jīng)開(kāi)區(qū)洞陽(yáng)鎮(zhèn)，場(chǎng)地內(nèi)原始地貌為中低山丘陵地貌。北部屬于農(nóng)田區(qū)域，地勢(shì)相較為平整，中南部多為山地，部分山體已挖掘，地勢(shì)起伏較大，坡腳區(qū)域局部基巖出露，山體植被多為灌木，植被較為茂密。

爆區(qū)開(kāi)挖高度高低不一，有的地塊高達(dá)數(shù)十米，有的地塊可能只有數(shù)米，經(jīng)核算需采用控制爆破的石方量大約為200萬(wàn)m3左右。

爆破粉塵的產(chǎn)生是爆破作業(yè)中常見(jiàn)的問(wèn)題，粉塵會(huì)對(duì)環(huán)境造成惡劣的影響，也會(huì)危害人員身體健康。韓早等[1]的研究表明，爆破瞬間形成的粉塵濃度可達(dá)到1500 mg/m3～2000 mg/m3，其中粉塵顆粒粒徑小于10 μm的可吸入顆粒物不僅占比高，而且粒徑為0.5 μm～5 μm的顆粒可以到達(dá)人體肺泡并沉淀下來(lái)。

露天爆破的整個(gè)工作流程中，鉆孔作業(yè)、爆破作業(yè)、鏟裝運(yùn)輸和倒碴等作業(yè)都會(huì)產(chǎn)生粉塵。杜翠鳳等[2]發(fā)現(xiàn)所有作業(yè)中爆破作業(yè)產(chǎn)生粉塵的比例可以達(dá)到 98.145%。

目前比較常見(jiàn)的爆破降塵技術(shù)主要分為3類：干式降塵、濕式降塵和聯(lián)合降塵。這3種方法中最常用的方法是濕式降塵，因?yàn)檫@種方式效率高、成本低，同時(shí)降塵效果比較明顯。常用的濕式降塵方法有壓力水降塵、水預(yù)濕被爆體降塵、泡沫降塵、高效水炮泥降塵、水幕簾降塵、環(huán)保清潔降塵等[3-11]。

1 爆破粉塵產(chǎn)生及擴(kuò)散機(jī)理

1.1 爆破粉塵的產(chǎn)生

炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生大量具有巨大能量的爆生氣體，高溫高壓的爆生氣體急劇膨脹擠壓炸藥周邊的巖石對(duì)外做功，巖石被擠壓破碎產(chǎn)生大量粉塵顆粒，這些顆粒在爆炸作用的沖擊下向外界開(kāi)放空間釋放[4]。

在瀏陽(yáng)瑞林場(chǎng)平項(xiàng)目中，被爆破體主要為泥質(zhì)粉砂巖和礫巖，粉砂巖主要是粉砂碎屑組成的沉積巖，組分主要為石英。礫巖也是一種沉積巖，由從母巖上破碎下來(lái)的顆粒直徑大于2 mm的碎屑，經(jīng)過(guò)搬運(yùn)、沉積、壓實(shí)、膠結(jié)而形成，填隙物有砂、黏土和化學(xué)沉淀物等。粉砂巖和礫巖強(qiáng)度都比較低，整體性差，在炸藥爆炸的巨大沖擊動(dòng)能下會(huì)迅速生成細(xì)小的顆粒，形成大量粉塵。

1.2 爆破粉塵的擴(kuò)散

鄒常富等[4-5]的研究表明，爆破后粉塵的運(yùn)動(dòng)可大致分為3個(gè)階段：沖擊運(yùn)動(dòng)階段、蘑菇云形成階段和擴(kuò)散階段。

在沖擊運(yùn)動(dòng)階段，即爆生氣體的沖擊力將粉塵噴出地面，炸藥爆炸后瞬間爆轟氣體將砂礫巖沖擊形成裂隙，內(nèi)部的顆粒通過(guò)裂隙隨著爆轟氣體噴出地面，隨著時(shí)間推移，爆轟氣體急劇膨脹做功，將巖層完全破壞，大量的氣體裹挾著被沖擊破碎形成的粉塵顆粒以及地表粉塵一起噴向空中。在蘑菇云階段，失去沖擊力的粉塵顆粒在慣性作用下繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，由于上升氣團(tuán)在空中的體積不斷增加，氣團(tuán)中心的上升速度比周圍大，氣團(tuán)外緣部分在湍流作用下不斷卷吸附近空氣，體積以中間的高速氣流為中心不斷徑向膨脹，氣團(tuán)質(zhì)量不斷增加，氣團(tuán)整體在向上移動(dòng)，但因?yàn)轶w積增大導(dǎo)致阻力增大，所以上升速度減小。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，氣團(tuán)不再上升，形成最終的蘑菇狀。擴(kuò)散階段，此時(shí)爆破粉塵顆粒上升的能力已經(jīng)被空氣阻力消耗，粉塵顆粒受到重力和浮力的作用，重量較大的顆粒慢慢沉降，重量小的顆粒漂浮在空中隨氣流運(yùn)動(dòng)向粉塵濃度低的地方擴(kuò)散[5-6]。

2 降塵措施及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 降塵措施的選取

通過(guò)以上對(duì)露天砂礫巖爆破粉塵產(chǎn)生機(jī)理及擴(kuò)散規(guī)律的分析，結(jié)合本項(xiàng)目露天爆破現(xiàn)場(chǎng)的施工特點(diǎn)，形成針對(duì)本項(xiàng)目的簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、有效的降塵方案。一是針對(duì)粉塵產(chǎn)生源頭進(jìn)行粉塵形成階段的控制，采取孔內(nèi)水袋間隔炸藥的裝藥結(jié)構(gòu)[7]；二是針對(duì)爆破粉塵形成后的擴(kuò)散階段，在爆破范圍內(nèi)的地表鋪設(shè)水袋，利用地表水袋爆炸后形成的水霧對(duì)粉塵進(jìn)行壓制[8-9]。

2.2 爆破技術(shù)方案

露天爆破施工工藝流程如圖1所示。

圖1 露天爆破施工工藝

采用深孔臺(tái)階爆破方法，孔徑Φ115 mm，石方開(kāi)挖由上到下順序逐級(jí)，分多個(gè)臺(tái)階開(kāi)挖，臺(tái)階數(shù)量由現(xiàn)場(chǎng)確定。

露天臺(tái)階爆破要素及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)圖2、表1。

網(wǎng)路設(shè)計(jì)孔內(nèi)高段位MS-15段導(dǎo)爆管雷管，孔外間隔用MS-3段導(dǎo)爆管雷管延期，起爆網(wǎng)路逐孔串聯(lián)。

圖2 露天臺(tái)階爆破要素

表1 露天臺(tái)階爆破參數(shù)

2.3 降塵技術(shù)方案

2.3.1 孔內(nèi)水袋間隔裝藥

在瀏陽(yáng)瑞林場(chǎng)平項(xiàng)目中，炮孔直徑為115 mm，炮孔深度為10 m，采用直徑100 mm、長(zhǎng)度1.5 m柱狀聚乙烯塑料袋裝水?？傃b藥長(zhǎng)度為6.8 m～7.3 m，用水袋將裝藥分為上下2部分，底部裝藥4 m后裝填水袋，然后繼續(xù)裝藥3 m。

2.3.2 地表水袋

爆破作業(yè)前根據(jù)爆破孔數(shù)準(zhǔn)備相應(yīng)數(shù)量的水袋，每個(gè)水袋長(zhǎng)度為3 m，寬度為150 mm，將水袋裝滿水（每條水袋容積約為22 L），放置在炮孔上方，每條水袋分配11 g乳化炸藥用于起爆。根據(jù)管仁生[3]的研究，爆破區(qū)域地表的粉塵起跳時(shí)間會(huì)比爆孔內(nèi)的爆破粉塵提前[3]，因此為了能夠同時(shí)控制住地表粉塵與爆破粉塵，需要在孔內(nèi)起爆時(shí)提前將水袋起爆。參考類似研究[3]，本次實(shí)驗(yàn)中將水袋起爆時(shí)間提前400 ms。水間隔裝藥結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 水間隔裝藥結(jié)構(gòu)

2.4 爆破粉塵的測(cè)量方法

參考現(xiàn)有研究的粉塵測(cè)量方法，結(jié)合實(shí)際情況，本項(xiàng)目使用粉塵采樣儀獲取粉塵濃度。采用FCS-30型粉塵采樣器采集爆破后的粉塵濃度，在區(qū)域內(nèi)共設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置在爆區(qū)附近，與爆區(qū)的距離分別為20 m、30 m、40 m。儀器盡量放置在平整地面，周圍采用鋼絲網(wǎng)做好防護(hù)，以防飛石將儀器損壞。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

選取有無(wú)采取降塵措施的爆破進(jìn)行比較，對(duì)比兩者在爆破1 min后的粉塵濃度，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 粉塵濃度對(duì)比

通過(guò)對(duì)比可以看出，采用了水間隔裝藥與地表水袋爆破的降塵措施后，爆破后1 min的降塵率可以達(dá)到70%左右，效果很明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)瀏陽(yáng)瑞林場(chǎng)平項(xiàng)目在爆破開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)的爆破粉塵現(xiàn)象，在目前常用的濕式降塵措施中，結(jié)合本項(xiàng)目砂礫巖的爆破特點(diǎn)以及現(xiàn)場(chǎng)施工選擇了孔內(nèi)水袋間隔裝藥及地表水袋爆破相結(jié)合的降塵措施。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，將2種降塵方式相結(jié)合的降塵措施效果十分明顯，爆破1 min后粉塵降塵率可以降低70%左右。

本項(xiàng)目以實(shí)際應(yīng)用為主要目的，還有其他細(xì)節(jié)值得深入研究，如在水袋中同時(shí)加入發(fā)泡劑，在孔口堵塞時(shí)加入一條水袋或采用泥漿堵孔，改變地表水袋的尺寸等。