露天矿爆破(烟)粉尘的爆炸水雾降尘技术研究

赵永岗 王德胜 秦鹏渊 高玉璞 张 丽 李永华

(1.包钢(集团)公司白云铁矿,内蒙古 包头 014080;2.北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083)

露天矿山开采的各个工艺环节都产生粉尘污染,通常穿孔、铲装矿岩石、矿用汽车运输和排土过程中产生的粉尘扩散慢,通过洒水沁润、喷淋吸附可取得较好降尘效果。研究及现场测试表明露天矿90%以上粉尘污染是由爆破破岩过程产生的有毒炮烟和粉尘引起的[1-7],至今仍无有效治理措施。近年来,矿山随着绿色开采和可持续发展等环保理念的深入,国内外学者对爆破炮烟和爆破粉尘及治理技术研究已成为绿色开采的热点和技术难点。露天矿爆破炮烟和粉尘具有瞬时产生、浓度高、扩散速度快和毒害性强的特点,传统的洒水、喷淋降尘技术措施因无法靠近爆区污染源头和与粉尘产生过程不能同步等缺陷不能用于爆破烟粉尘治理,文献[8-12]提出了在被爆破台阶表面预先洒水沁润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。文献[13-14]探索了在爆区台阶表面布设爆炸水袋治理露天矿山爆破粉尘的应用尝试,对矿岩爆破粉尘治理具有同步性和污染源头治理的优势,但对不同露天爆破形式和爆区起爆方式特别在电子雷管起爆网络普及的条件下,爆炸水雾源头同步降尘和露天爆破关键技术参数合理匹配的统筹考虑欠缺,针对目前露天矿普及电子雷管起爆的爆破炮烟和粉尘治理理论指导空白。

综合来看对露天矿爆破炮烟和粉尘控制技术是矿山绿色开采的研究热点和难点,传统的地面预洒水沁润只能减少爆破矿岩表层的产尘量;炮孔填塞段上部用水袋填塞,则受填塞材料冲击强度和方向限制,形成水雾范围难以与弥散整个爆区的高浓度、强扩散爆破炮烟和蘑菇尘云匹配,传统降尘方法无法对爆破炮烟和粉尘的主要产生方向——台阶坡面抛掷方向进行降尘,降尘效果大打折扣。对爆破污染源头降尘的作用机制、爆炸水袋的布设原则和关键技术参数的确定尚需进一步探讨。爆炸水雾降尘对电子雷管精准起爆条件下水袋布置设计及关键技术参数确定尚欠缺直接理论指导。本研究针对白云铁矿台阶深孔电子雷管精准逐孔起爆条件,提出了“抛掷前方阻拦、爆区上部平台覆盖、爆破烟尘与爆炸水雾同步生成,就地吸附捕捉粉尘、稀释中和炮烟的降尘技术方案,探索爆破炮烟和粉尘源头治理的设计原则、关键技术和应用方法,通过正交试验和现场降尘试验来确定爆炸水雾成型技术和降尘关键技术参数,以期实现爆破炮烟和粉尘的源头有效治理,助力露天矿山绿色开采技术发展。

1 露天矿爆破炮烟和粉尘治理的技术难题及治理原则

露天矿爆破烟尘的产生不同于其他工艺环节中的粉尘,在爆破破岩和对破碎岩块的抛掷堆积过程中,炮孔内炸药爆轰引起台阶地面震颤激起表面粉尘;岩石被破碎致使台阶膨胀鼓包隆起,鼓包破裂产生炮烟和粉尘;孔内填塞物料被冲击压缩和上冲产生炮烟和高速粉尘云;沿台阶坡面起爆方向,破碎岩块被抛掷、相互撞击、落地堆积过程也产生大量粉尘。上述各个过程都呈现与爆炸荷载高速作用高度关联的特征,对露天深孔DIC 观测研究发现爆破粉尘具有如下特征:①炮烟等有毒气体和矿岩粉尘颗粒混杂;②炮烟和粉尘浓度高;③炮烟和粉尘向外扩展速度快,快速弥漫采场,靠惯性作用进入大气环境。

爆破炮烟和粉尘治理的难题体现在:①炮烟和粉尘在破岩、抛掷过程中产生,传统的洒水喷淋、矿用水炮车等不能靠近爆区而无法实施;②预洒水沁润爆区表面不仅对炮孔内的非防水炸药安全准爆和电力起爆网络安全传爆有不利影响,而且预洒水只能沁润台阶表面浅层岩体,对于爆破粉尘的主要产出部位、方向不能形成实质性的降尘作用;③在电子雷管精准逐孔起爆的露天爆破新技术趋势下,缺乏精准起爆形成的瞬时自由面所确定的炮孔抛掷方向、烟尘生成性状及扩展特性的爆炸水雾匹配技术。故本研究将针对露天矿台阶深孔爆破的蘑菇炮烟和粉尘云的高效治理技术进行探讨,提出如下技术解决原则。

(1)爆炸水雾全场覆盖技术。基于露天爆破现场高速DIC 测试结果,按照爆破炮烟和粉尘云的生成扩展特征,在台阶上部、设计起爆零点方向的前方布设相应数量和形式的水袋,在爆破炮烟和粉尘云形成的过程中实时激发水袋,形成覆盖全爆破区域及抛掷范围蘑菇(烟)尘云的爆炸水雾场,整体包覆爆破蘑菇(烟)尘云,实现全场景的爆破烟尘治理目标。

(2)爆炸水雾与爆破烟尘的同步生成技术。在保证爆区起爆网络安全准则条件下,依据现场高速DIC 测试结果设计爆炸水袋定型尺寸和精准起爆激发时间,实现爆破烟尘蘑菇云与爆炸水雾场的同步生成及实时源头治理。

(3)爆破烟尘的源头湿式就地捕捉、吸附和中和技术。爆破有毒炮烟主要成分有CO、CO2、氮氧化物(NO+ NO2)等和粉尘颗粒均具有亲水性,在爆破(烟)尘云产生的同时,实时形成覆盖全场的爆炸水雾场,实施雾化水场对爆破有毒炮烟和粉尘颗粒的同步实时就地吸附、炮烟稀释中和和粉尘捕捉治理,实现污染源头的根本治理。本文介绍露天台阶爆破烟尘的爆炸水雾降尘技术和相关试验研究。

2 爆炸水雾场生成正交试验

依据白云铁矿爆破作业和现场气候条件,用塑料薄膜制成直径ϕ300～350 mm的空心筒袋,普通导爆索(药芯为黑索金或泰安,装药量12.0～14.0 g/m)铺设在筒袋下方,注满水后用电子雷管起爆导爆索激发水袋形成射向空中的爆炸水雾场,作为爆破降尘的水源场。

影响爆炸水雾形成效果的因素很多,最主要的影响因素是爆炸荷载、水袋直径和塑料膜的壁厚,这些因素的影响相互交织在一起,要单独考察它们对爆炸水雾形成效果的影响显然比较困难。为综合考察这些因素的影响,尽可能减少试验次数,采用正交试验法来制定爆炸水袋优化尺寸定型和水雾场规模的试验方案。对不同爆破荷载(1、2 和3 根导爆索)、水袋尺寸(ϕ300、ϕ325 和ϕ350 mm)和塑料膜厚(8、17 和20 丝)等工况条件在爆炸荷载作用下的水雾颗粒抛掷轨迹和空中持续时间等进行现场试验,用高速DIC技术测定生成水雾场的空间形态和抛掷轨迹,摸清水介质颗粒的起扬规律,确定爆炸水袋定型、水雾场的规模及特性,试验方案及结果见表1。

表1 爆炸水雾试验方案及效果指标Table 1 Explosion water spray test plans and effect indexes

采用SPSS 计算软件分别对爆炸水雾场高度、宽度以及水雾空中持续时间进行多因素方差分析,依据分析结果最终确定合理的水袋规格为直径325 mm、塑料膜厚度为8 丝,对应起爆的爆炸荷载为3 根并列普通导爆索,即可形成横截面8.70 m ×12.40 m 的爆炸水雾场,水雾在空中持续时间可达3.6 s,为爆破蘑菇烟尘云爆区源头同步降尘、吸附和中和可提供有效水雾支撑基础条件。

3 爆破烟尘的爆炸水雾降尘设计及现场试验

(1)深孔爆破设计。试验爆区位于白云铁矿主采场南帮1 416 m 水平,台阶高度15 m,被爆岩体为云母片岩。设计用牙轮钻穿凿ϕ310 mm炮孔,孔排距为8 m×6 m,三角形布孔,依据现场条件爆区布置7～8 排炮孔,炮孔超深1.5～2.0 m。大部分炮孔内有水,水深3～4 m 不等。炮孔装填现场混装乳化炸药,单孔装药量800～950 kg,前排炮孔按照实际最小抵抗线调整药量。用水孔空气水间隔器实施上部间隔控制炮孔堵塞长度6.0～6.5 m,填塞机扒推钻孔岩粉堵塞炮孔。设计电子雷管精准逐孔起爆装药炮孔,第一排中间炮孔设为起爆零点,同排炮孔间延时45 ms,排间孔延时65 ms。爆区炮孔布置及炮孔精准起爆延时设计如图1所示。

(2)爆炸水雾降尘设计。爆区设计以第一排中间炮孔为零点的V 型起爆,现场试验设计爆区一侧布置爆炸水雾降尘,另一侧不做降尘处理,进行同等岩性、爆破条件下降尘与非降尘效果对比试验。按照“前方阻拦、爆区覆盖、同步生成和就地吸附”的原则,降尘侧爆区前方布置2 道爆炸水袋,爆区内布置4条爆炸水袋,降尘爆炸水袋的布置设计如图1所示。

图1 爆区精准逐孔起爆和爆炸水雾降尘布置设计Fig.1 Accurate initiation design of blasthole and design drawing of explosion water mist dust reduction layout

依据台阶爆破岩体的高速DIC 测试结果,爆区内水袋的起爆激发延时取该水袋对应的最后排炮孔的起爆延时时间;爆区前方的2 列水袋的激发时间按照破碎岩块的初速度、抛射角及水袋与坡底线的距离确定为1 300 ms,激发爆炸水袋的电子雷管并联在爆区整体起爆网路上组成完整并联起爆网路。

4 爆炸水雾降尘效果观测

4.1 台阶深孔爆破烟尘的爆炸水雾降尘DIC 测定

对爆区降尘效果进行了DIC 现场观测,测试频率为60 FPS。测试结果显示,爆区前方爆炸水袋激发形成的水雾场与前冲爆破烟尘蘑菇云同步形成,形成的高速水雾场等效于一道高速水雾幕帘实时有效拦截了爆破蘑菇烟尘云的前冲扩展;爆区内的爆炸水袋被激发后形成了覆盖抑尘侧的上部水雾场,实时对快速上升的爆破蘑菇烟尘云及时就地覆盖,前方阻截的水雾场和上部覆盖水雾场共同组成了覆盖设计抑尘侧的整体空间水雾场,总重量达29.1 t 水被瞬时激发形成了宽厚的水雾场同步实时就地吸附、中和爆破烟尘,爆破蘑菇烟尘呈现明显的轻灰色烟尘效应(见图2),与未布置降尘爆炸水袋侧的浓密黑色蘑菇云团形成鲜明对比,污染源头直接降尘效果明显。

图2 爆炸水雾场降尘效果实况Fig.2 Dust removal effect of explosive water mist field

4.2 爆炸水雾降尘效果测定

用FCS-30 粉尘采样仪对试验爆区两侧对比区域的粉尘浓度进行了现场测定,降尘区一侧与非降尘区粉尘浓度测试结果:①距离爆区50 m 处粉尘浓度由165.832 mg/m3降为113.333 mg/m3,粉尘浓度降低了46%;②距离爆区100 m 处粉尘浓度由96.673 mg/m3降为70.423 mg/m3,降低了37%。爆破后现场观察可见降尘区一侧的爆堆表面经爆炸水雾喷洒,爆堆表面湿润,为下一步的电铲作业粉尘控制创造了有利条件。

5 结 论

露天(矿)爆破产生大量有毒炮烟和粉尘,传统洒水喷淋和矿用水炮车因安全因素无法靠近爆破区域实施,地面洒水沁润和用水袋封堵炮孔(水雾范围小)只有局部作用,降尘效果不明显。对白云露天矿台阶深孔爆破DIC 观测分析研究表明,爆破蘑菇烟尘具有坡面抛掷为主、台阶顶部上升为辅的特点,本研究提出了“前方阻拦、爆区覆盖、同步生成、就地吸附”的爆炸水雾场降尘技术方案,现场降尘试验结果表明,爆炸水雾可以降低粉尘浓度和扩散范围,是露天矿绿色开采和露天爆破低粉尘产出的关键技术。

(1)壁厚8 丝塑料薄膜制成直径ϕ325 mm的空心筒袋,注满水后用3 根并列普通导爆索起爆激发能形成断面8.7 m×12.4 m 的爆炸水雾场,水雾在空中持续时间可达3.6 s,为露天爆破湿式降尘提供了有效的爆炸水雾条件。

(2)白云铁矿现场降尘试验证实在爆区台阶顶部,同排炮孔间跨越前后排按照14～16 m 间距布设爆炸水袋,电子雷管与水袋对应的最后排炮孔起爆时间同步起爆激发能形成覆盖爆区上方的水雾幕场。

(3)基于台阶深孔爆破的DIC 测试的前冲距离、破碎岩石的初速度、抛射角度、落地时间、爆破烟尘的升腾时间和范围等因素,以起爆零点为中心对应1.3～1.5 倍台阶高度距离到前排一侧端点1 倍台阶高度距离布置2 道爆炸水袋,间距6～8 m,爆区起爆后延时1 300 ms 激发爆炸水袋能形成宽厚的水雾幕帘墙,可有效拦截爆破蘑菇烟尘的前冲扩散,降低爆破蘑菇尘云的粉尘浓度和扩散范围。

(4)用FCS-30 粉尘采样仪对试验爆区两侧对比区域的粉尘浓度测定结果显示,爆炸水雾降尘使距爆区50 m 处的粉尘浓度降低了46%;距离爆区100 m处的粉尘浓度降低了37%;爆破粉尘的扩散范围显著降低,对露天矿山绿色开采和露天爆破低污染治理具有重要现实意义和良好的社会环境效益。