利用爆炸水霧抑制露天爆破粉塵的試驗研究

楊年華，郭 堯，白和強，張 昭

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081；2.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083；3.北方爆破科技有限公司，北京100089)

近年來，大氣粉塵污染防治問題受到廣泛重視，爆破粉塵給露天礦山開采造成很大困擾。由于露天巖石爆破開挖規模大，粉塵產量大、粉塵濃度高、分散度高、易擴散、污染范圍廣[1]，使得針對露天深孔臺階爆破的降塵技術難以突破，目前尚處于探索階段。最常見的方法有孔口水袋封堵、爆破前后高壓水噴灑等一些簡易降塵措施[2-4]，但似乎杯水車薪，降塵效果不很理想。我們經過多項工程實踐，系統地對露天深孔臺階爆破的粉塵來源及擴散規律、水袋爆炸形成的水霧、水袋封堵炮孔爆破降塵效果、以及水袋布置和相關爆炸參數等幾方面進行深入研究，開創出立體全方位爆炸水霧降塵模型和高效合理的設計方法。

1 露天臺階爆破粉塵產生和擴散規律

1.1 爆破粉塵產生及其影響因素

露天臺階爆破粉塵來源包括：爆區地表附著的粉塵、炮孔口部填塞巖粉、巖石被爆炸沖擊破壞過程中產生的粉塵、爆堆拋擲過程形成的粉塵。這些粉塵由爆炸沖擊波揚起并隨爆生氣體擴散[3,4]。爆破粉塵來源決定了粉塵的排放量，綜合觀察露天臺階爆破粉塵的擴散主要有以下特點：(1)爆生氣體將炮孔填塞巖粉沖起，揚起很高粉塵柱；(2)巖石被爆炸沖擊破裂粉碎產生的粉塵隨爆堆運動，擴散較慢；(3)臺階臨空面方向隨爆生氣體向前擴散形成粉塵云。見圖1。

圖 1 露天臺階爆破粉塵來源和擴散情況Fig. 1 The source and diffusion of blasting dust in open bench blasting

根據現場觀察分析，三種爆破粉塵源根據地質、水文情況和爆破方式不同，產生的粉塵量比例也不同，所以影響爆破粉塵排量的因素主要有地下水情況、地質條件和爆破參數，下面對這三因素進行定性分析。

爆區地下水情況對爆破粉塵影響十分顯著，地下水情況分三類：Ⅰ類，干炮區，炮孔內基本無水；Ⅱ類，局部炮孔有基巖裂隙水；Ⅲ類，地下水豐富，大多數炮孔內有水，且水位較滿。Ⅰ類地下水情況極易產生大量爆破粉塵；Ⅱ類地下水情況產生爆破粉塵量稍輕，主要與巖性有關；Ⅲ類地下水情況下，巖體飽水，爆破產生粉塵量很輕微。見圖2。

圖 2 爆區地下水情況對爆破粉塵影響Fig. 2 Influence of groundwater condition in blasting area on blasting dust

地質條件對爆破粉塵影響較大，其中巖石性質、風化程度、地質構造為主要影響因素，巖性越軟弱、風化越嚴重、節理裂隙越發育，則爆破粉塵量越大。

爆破參數對爆破粉塵量有一定影響，其中裝藥結構、炸藥單耗量、爆破方式等為主要影響因素。不耦合裝藥或水耦合裝藥時爆破粉塵量稍輕[5,6]；壓渣爆破比多臨空面爆破粉塵量少；炸藥單耗量越大，爆破粉塵量越大。

1.2 露天臺階爆破粉塵擴散分布規律試驗

為研究露天臺階爆破粉塵空間擴散分布規律，選擇某次常規爆破條件下，在爆區不同方向的不同距離點放置粉塵收集盒實測粉塵擴散情況。具體在臨空面前分別50m、100m、150m距離放置5列，同時在爆區后方30m處放置1排集塵盒，圖3為落塵采集盒的布設位置示意圖。稱量集塵前后的盒子重量，計算單位面積粉塵降落量，依此分析粉塵擴散分布規律。選擇天氣晴朗無風情況下進行試驗，將試驗結果進行統計處理，結果見表1。

圖 3 落塵采集點示意圖Fig. 3 Schematic diagram of dust collection point

表 1 不同距離的爆破粉塵擴散試驗測試結果

試驗表明，爆區邊緣前方50 m處平均粉塵降落量為100 m處的3.7倍，100 m處平均粉塵降落量為150 m處的1.9倍。說明爆破粉塵擴散濃度隨前沖距離呈指數下降，50 m范圍以內的粉塵降落量極大。

2 水袋爆炸成霧過程的試驗研究

2.1 爆炸形成水霧過程

根據水體受爆炸噴射的物理模型，將水袋爆炸拋撒成霧過程分為水霧升騰和水霧消散二個階段，如圖4所示。

圖 4 爆炸水霧的不同時刻照片Fig. 4 Photos of different moments of the explosion water mist

Ⅰ)水霧升騰階段。當炸藥在水袋底部爆炸后，水袋瞬間破裂，水袋中的液體在爆炸沖擊作用下形成射流噴射而出，在慣性作用下高速擴散的水體快速破碎形成水霧，水霧噴射高度與爆炸藥量和水體量有關，水霧噴射至最大高度在1 s以內。

Ⅱ)水霧消散階段。水霧形成后因自身慣性在空中漂浮、擴散，然后消落。水霧噴射越高擴散范圍越寬，水霧的消散時程越長，水霧消散時程決定了水霧撲塵效果。試驗測得水霧消散過程一般持續3～4 s。

2.2 爆炸水霧的炸藥單耗試驗研究

爆炸藥量與水的體積之比是炸藥單耗量，爆炸水霧的炸藥單耗對成霧效果有很大的影響[7,8]。要保證水能被擊散成水霧，且形成的水霧在空中持續一定時間，炸藥單耗量必須適當。試驗是在微風天氣條件下進行的，試驗布置了6條直徑30 cm水袋，每條水袋長10 m，每3條水袋列成一排，3條水袋下分別埋設1根、2根、3根導爆索；第一排水袋內添加表面活性劑，第二排未添加。通過高速錄像機觀察不同藥量爆炸后的成霧效果，同時測量水霧覆蓋范圍。圖5為水袋爆破成霧過程。表2為爆炸成霧測試參數。

圖 5 水袋爆炸成霧過程照片Fig. 5 Photos of water bags exploding into mist

表 2 爆炸水霧擴散參數

從表2中可以看出炸藥量對成霧高度影響很大，單根導爆索爆炸時水霧高度很低，僅3～6 m；3根導爆索的爆炸水霧高度大約為1根導爆索的3倍，水霧寬度也達2倍。

若將炸藥量和水量對成霧影響分開進行試驗研究工作量太大，綜合考慮水袋爆破試驗中炸藥量和裝水量這兩者對出霧率的影響，可將水體的炸藥單耗量作為自變量，爆炸水霧參數為因變量，試驗研究炸藥單耗量K值與水霧的覆蓋面積、持續時間以及噴射高度之間的關系。

根據不同炸藥量和水量的小型水袋爆炸試驗，利用EOS 70D相機高速連拍記錄水袋爆破噴霧過程，并在現場設置長度標尺，對試驗拍攝圖像進行處理，用標準網格計算水霧覆蓋面積、噴射高度。爆炸水霧試驗共分5組進行，將試驗數據和圖像處理后計算結果列于表3，可以看出不同水炸藥單耗與水霧覆蓋面積、噴射高度以及持續之間的對應關系。

表 3 爆炸水霧試驗結果

水霧試驗得到以下認識：

(1)由水霧覆蓋面積與炸藥單耗關系來看，炸藥單耗在0.37～0.65 kg/m3范圍內，水霧覆蓋面積A與炸藥單耗K之間成正比關系，即單位體積水的炸藥量越大，水霧覆蓋面積越大。

(2)水霧噴射高度H與炸藥單耗K之間成正比關系，但水霧高度增長幅度不大。

(3)由水霧持續時間t與水體炸藥單耗K并非正相關，當K小于0.50 kg/m3時，水霧持續時間與炸藥單耗成正相關；當K大于0.50 kg/m3以后，水霧持續時間反而減小，因水體的炸藥單耗過大，噴射出的水霧粒徑過小，水霧消散更快。

因此，通過對比研究水霧覆蓋面積A、噴射高度H、持續時間t隨炸藥單耗K的變化規律，認為當K取0.40～0.50 kg/m3時，水袋爆炸出霧效果更佳。

爆炸能大小對水袋爆炸形成的水霧參數影響很大，不同臺階高度和孔排距的爆破體需選擇不同的水霧爆炸能。設置在臺階自由面前的水袋，要求爆炸形成的水霧高度盡可能大于粉塵擴散高度，確保水霧對粉塵的有效攔截，因此臺階自由面前的水袋炸藥單耗宜偏大；而爆破臺階上表面的水袋主要作用是將地表出現的粉塵籠罩在水霧范圍內，水霧太高反而會降低水霧的濃度，因此臺階上表面水袋爆炸主要考慮水霧寬度，即水袋之間的間距和水霧寬度有關，保證爆區臺階頂面在爆炸水霧的覆蓋下。見圖6。

圖 6 爆炸水霧網格分析圖Fig. 6 Explosion water mist grid analysis diagram

3 爆炸水霧降塵技術在露天臺階爆破中的應用

露天礦山爆破降塵常規方法是采用爆破前后在爆區灑水的方法來降低爆破粉塵[9]，這種降塵方法效果非常有限。本文提出的新思路是爆破后能在臺階自由面前方和頂部同步出現立體噴射水霧，盡可能讓水霧全方位包裹爆破煙塵，那就能取得顯著降塵效果。根據臺階爆破粉塵產生和擴散特性，若在臨空面前、臺階上表面和炮孔口三個主要出塵部位適時產生大量水霧，把握好立體水霧幕攔阻的方位，以及水霧形成和擴散時間，降塵效率將得到全面提高。

3.1 露天深孔臺階爆炸水霧降塵實例

本技術在某大型露天礦進行現場試驗，取得顯著爆炸水霧降塵效果。露天臺階爆區的炮孔直徑為250 mm，孔深17 m，底部裝填8 m高銨油炸藥，再回填5 m長巖粉，最后填封4 m高水袋，由此徹底消除了炮孔填塞巖粉沖炮產生的粉塵柱[10]。為獲得爆炸立體水霧幕，在炮區臨空面前方鋪設2條水袋，水袋距離爆區臨空面坡底距離分別為15 m、20 m；爆區臺階上表面共鋪設多條水袋，水袋間隔在炮孔之間。在φ300 mm的水袋底部埋設炸藥，將水袋內的溶液爆炸噴射成水霧，爆區臨空面前方水袋的爆炸藥量為39 g/m，爆區臺階上表面的水袋爆炸藥量為26 g/m。臺階上表面的水袋比前排炮孔延后50 ms起爆；臨空面前方距離坡底較近處的水袋比第一排炮孔延期爆炸時間宜為1500 ms以上，第二排水袋再延時500 ms起爆。水袋布置情況見圖7。

爆破及水霧撲塵過程見圖8，爆破安全與爆破效果都有保證，而且整體降塵效果非常明顯。

圖 7 爆區炮孔和水袋布置剖面示意圖(單位：m)Fig. 7 Diagram of layout of hole and water bag in blasting area(unit:m)

圖 8 爆炸水霧攔阻粉塵效果Fig. 8 The effect of explosive water mist to restrain dust

3.2 爆炸水霧降塵效果分析

通過FCC-25型防爆型粉塵采樣儀器，對同等條件下未采取任何降塵措施的其它爆區進行粉塵濃度采集，采集地點在爆區的下風側，風速2級，距離爆區分別為50 m、75 m、100 m。從采集的數據來看，距離爆區50 m處的粉塵濃度在358～397 mg/m3之間，75 m處粉塵濃度在169～193 mg/m3之間，100 m處粉塵濃度在85～105 mg/m3之間。可見露天臺階爆破粉塵濃度隨著距離漸遠會逐漸降低，100 m以遠爆破粉塵濃度衰減趨緩。

再看本次采用爆炸水霧降塵新技術后，以相同方法側得的粉塵濃度為：距離炮區50 m處的粉塵濃度為192 mg/m3，75 m處粉塵濃度為103 mg/m3，100 m處粉塵濃度為51 mg/m3。通過計算可得出最大爆破粉塵濃度降低50%左右，對于露天臺階爆破來說降塵效果非常明顯。未采用任何降塵措施條件下的爆破煙塵量，比采用爆炸水霧降塵后的煙塵量成倍增加，現場肉眼觀察爆炸水霧降塵效果也非常明顯。

4 結論與展望

隨著露天礦山臺階爆破的規模不斷增大，大規模爆破開采產生的粉塵污染對礦區環境及人員健康造成嚴重影響，研究出高效合理的爆破降塵技術是綠色礦山建設的當務之急，本試驗研究針對露天深孔臺階爆破，找到了一種簡便有效的爆炸水霧降塵技術，主要取得以下幾點新的認識。

(1)露天臺階爆破粉塵的三大來源是：炮孔填塞物沖孔揚塵；巖石破裂及粉碎產生的粉塵；爆堆向臨空面拋散出現的粉塵云。三種粉塵源受地下水影響最顯著，巖性影響次之，爆破方式的影響有限。通過大量觀測，露天臺階爆破的粉塵擴散宜在50 m范圍內防阻。

(2)依據爆破粉塵的產生源，有針對性地設置爆炸水霧降塵方案，綜合采用水袋封堵炮孔、爆區頂面水袋爆炸成霧和臨空面前方水袋爆炸成霧，在合適的時間爆炸形成立體全方位水霧捕塵，其工藝簡單、降塵效果明顯。

(3)對水袋爆炸成霧進行了試驗，得到了其關鍵控制參數：

①臨空面前方水袋底部炸藥單耗為0.55 kg/m3，爆區頂面的水袋炸藥單耗為0.4 kg/m3。

②臨空面前方宜布設2排以上水袋，第1排水袋距臨空面1倍臺階高度，第2排水袋再外延5～10 m；第1排水袋起爆時間比前排炮孔延遲1.5 s，第2排水袋起爆時間比第1排水袋再延遲0.5～0.8 s。

③封堵炮孔的水袋直徑宜大于炮孔直徑，水袋膜要有足夠強度，否則容易劃破水袋。水袋封堵長度一般在4 m以內。

(4)立體爆炸水霧全方位降塵技術現場試驗應用表明，爆破粉塵濃度可降低50%左右，降塵效果明顯，該技術非常適用于露天臺階爆破的大面積降塵，具有較高的推廣利用價值。

展望露天臺階爆破的粉塵污染防治，需要對露天臺階爆破的同步爆炸水霧降塵工藝進行更多的改進，特別對現場鋪設水袋、灌水施工工藝需做成標準化產品，封堵炮孔的水袋和封口方式也需進行專門設計和工廠化生產。