某露天矿深孔爆破降尘实践

卜天宇，张雪中，陶翠林，张继荣

1 引言

某大型水泥厂配套的石灰石D矿山，年产矿石250万吨左右，矿山西南方向距离某即将投入运行的大型机场主跑道约1.3km左右。在机场开通运营前3个月，所在地空港区政府通知水泥厂，厂区内烟囱高度超过机场净空要求1m左右，所属矿山的爆破扬尘可能会影响通航安全，需要采取措施。厂方立即进行尘源分析和降尘方法探讨，形成了降尘方案并进行了试验，取得了较好的降尘效果。

2 尘源分析

矿山地处高原，除位置距机场较近外，相对高度也比机场高20～30m。其深孔爆破后粉尘量大，在风流影响下，扩散范围广，漂移时间长。图1是起爆75s后，该矿山一次普通深孔爆破的粉尘漂移情况。可以看出，从爆区到500m外的机场位置方向，均为扬尘所覆盖。分析露天深孔爆破扬尘的尘源，包括既有尘源和新生尘源两类。

2.1 既有尘源

主要来自三个方面：（1）钻机穿孔岩粉。穿孔岩粉量一般随孔径、孔深的增大而增大。D矿采用15m台阶、165mm孔径钻机，穿孔岩粉量较大。（2）矿岩内部构成。一是充填胶结于硬质岩石裂隙和软弱层部位的细粒，二是矿床内某些岩层的岩相特征本身呈微粒结构。例如D矿的围岩层（P1d层，见图2），主要由品位较低的高铝岩土构成，团粒呈微粒结构，构成接触层深孔爆破既有尘源的一部分。（3）以前爆堆残留。以前爆破的爆堆在铲装后，会残留许多岩粉在台阶坡面和爆区地表，对当次爆破而言，是“已存在”的粉尘。

图1 起爆75s后爆破粉尘漂移情况（侧视）

图2 围岩层P1d层高铝矿物的细粒结构（虚线内深色部分）

图3 台阶爆破作用过程

2.2 爆破新生尘源

根据目前主流的爆破岩体破坏理论，台阶爆破作用过程大体可以分为三个阶段[1]：第一阶段，径向压缩阶段。爆炸后在冲击波和爆生气体的压缩作用下，以药包为中心，由近及远形成压碎区和裂隙区；第二阶段，冲击波反射阶段。在自由面，入射波和反射波相互叠加作用，进一步扩大岩石裂隙并形成片落层；第三阶段，爆生气体膨胀做功阶段。爆生气体膨胀，破碎岩石形成鼓包运动，并在位移过程中相互碰撞，得到进一步破碎。整个过程如图3所示。不论是压碎、裂隙的产生，还是片落、碰撞，均伴随大量的粉尘产生。遗憾的是，我们现场缺乏手段来精确测定以上各尘源对深孔爆破扬尘的贡献率。

爆破时在塌落气浪、爆生气体以及外界空气流的多重作用下，各尘源被抛扬扩散，形成爆破扬尘。

3 降尘方法探讨

逻辑上，降尘可以从两个方面入手：一是爆前和爆破过程中对尘源的减少和控制；二是爆后对粉尘扩散过程和途径进行抑制。

3.1 爆前

减少钻机穿孔岩粉最有效的办法是利用钻机收尘设施收集岩粉后，爆前移除到排土场或加工厂（如果可以利用）[2]；出露于爆区地表的岩石微粒以及以前爆堆的残留微尘，可以通过爆前喷淋预湿的方法减小其飘扬的比率[3]；对于岩体内部的裂隙、结构面内的微粒，目前尚无有效的预处理办法。简而言之，爆前的措施主要是对爆区表面已存在尘源进行移除和控制。

3.2 爆中

爆破初期产生的压碎区，不仅不利于粉尘的控制，同时由于能量消耗巨大，也不利于对整体岩石的破碎。因而，不论是从提高爆破效果还是尘源控制角度来讲，均有必要减小压碎区的范围，常见措施有小直径炮孔、不耦合装药等。由于径向不耦合对爆破块度影响大，而合适的轴向不耦合—空气间隔已被许多实践证明可减小压碎区并改善爆破效果，但在随后的裂隙区和岩石碰撞过程中，控制尘源和减小爆破块度却不能兼得。若要控制尘源，要么提高整体块度（大块率），要么在整体块度不变的前提下，减少微粒分布比率，本质上是在粉尘控制与爆破块度以及爆破成本和后续工序成本之间寻找最佳平衡点。当爆破存在过粉碎现象时，“平衡点”则相对容易把握，适度降低单耗即可；当不存在过粉碎现象或者消除了这一现象时，则需通过孔网优化、改善装药结构、选择波阻抗匹配的炸药[4]等多种手段来改善块度分布，减少微粒分布比率。

3.3 爆后

主要是对粉尘扩散过程和途径进行抑制，目前常用手段是利用普通水雾或者有添加剂的水雾来捕集。

综合上述，深孔爆破降尘可从以下几个方面尝试：

（1）岩粉移除；

（2）预湿爆区；

（3）小孔径爆破；

（4）空气间隔装药；

（5）减小单耗；

（6）改善块度分布（孔网、装药结构、炸药品种等的优化）；

（7）水雾捕集。

4 降尘试验方案

在上述分析的基础上，D矿决定分步进行尝试，以寻求最佳途径和效果。鉴于实际操作时间距机场通航日不到2月，短期内不可能通过更换钻机来减小孔径；同时，炸药受当地民爆公司供应限制，选择范围很小，因此，此次暂不考虑小孔径爆破和优化炸药品种方案。

4.1 试验方案一

（1）穿孔粉尘排移。爆前提前一天人工配合铲运机，将穿孔岩粉运到排土场填埋处理，避免二次扬尘。

（2）爆区预湿。爆区和台阶坡面装药前2～3h，用洒水车喷水预湿，使地面浮尘、岩粉呈糊状、半糊状，以达到固尘目的。

（3）优化孔网，逐步摸索将单耗降低、同时改善块度分布的措施。现场调查发现，D矿的深孔爆破虽然采用抗水性能良好的乳化炸药，选用国产导爆管雷管逐孔起爆，但相对一般石灰石0.15～0.20kg/t的单耗偏高，达0.25kg/t，爆破也存在过粉碎现象（见图4）。

通过KUZ-RAM数学模型工具[5]进一步分析表明，在抵抗线不变的情况下，将孔距增加0.5m，即尝试将目前的主孔网从3.5×5.5、4×5，分别提高到3.5×6、4×5.5，可减少0.5m以下、特别是0.2m以下块度的分布比例（见图5）。尽管从数值上看，块度的分布比例降低不大，但对粉尘的抛扬控制作用不可低估。

（4）改变充填材料。国外某些研究表明，对较大孔径的炮孔，穿孔岩粉充填效果差，最佳的充填材料是5%孔径的破碎石子，其比重和摩擦力可保证良好的充填效果[6]。因此决定充填采用公分石取代穿孔岩粉，以期减少扬尘的同时改善爆破效果。公分石从位于D矿山自有骨料厂获得，爆前直接用装载机运到爆区。

（5）采用空气间隔装药。通过减少单耗，改善或维持爆破效果来降低粉尘新的形成量。间隔长度初步确定为～1m，间隔器由外购取得。

（6）在爆区表面每排炮孔间敷设长条水带。水带由直径50cm的桶状塑料袋在市面上订做而成，现场自由裁剪长度，用洒水车充装后打结封堵。

现场经过两次尝试后，扬尘得到很大改善，但是也发现：a敷设水带方法费时、费力，且效果非常有限。爆后绝大多数水带没有充分破损，没有抛洒形成水雾。如果采用额外药包来爆破水带，又会带来破坏地表连接网路的风险，也会增大爆破声响，得不偿失，周边环境不允许；b空气间隔器放置过程较慢，有时要反复测量才能确定放置位置和间隔长度，延长了爆破作业时间。

图4 未采取措施前的爆破过粉碎现象

图5 Kuz-Ram模拟各种孔网下的结果

4.2 试验方案二

在试验方案一的基础上适当进行调整：（1）抛弃爆区地表敷设水带做法；（2）改空气间隔装药为水间隔，间隔长度为1～1.5m。资料表明，水间隔不仅可以改善爆破效果，而且可以降尘[7]。一是水的雾化可捕集粉尘；二是水间隔可减少炸药用量，一定程度上减少了爆破次生气体总量和压碎圈作用范围；三是水具有不可压缩性，能均匀传递爆炸能量，能量损失小，破碎的矿石均匀度好，破碎效率高[8]。间隔水袋的制作也很方便，即从市场订购120mm直径长条塑料袋，现场用水车充水后，利用自身柔韧性，打结密封一定长度，比如30～50cm，采用和条药一样的方式，用带勾测绳放入孔内。间隔高度可以通过放入水袋的数量来调节。水袋可提前一天作好堆放在爆区旁待用。（3）在爆区后方5m外（防止后冲）附近架设水喷头，爆后利用洒水车通过长距离（警戒区外）耐压水带，进行喷淋降尘。部分试验照片见图6。

尝试了三次方案二，降尘效果在方案一的基础上有所提高。图7是同样规模的爆破在起爆75s后的扬尘状况，与图1未采取措施前形成鲜明对比。

更重要的是，在降尘的过程中，由于孔网拉大、采用间隔装药，不仅有效保证了矿山深孔爆破的效果，爆堆整齐、块度均匀，而且炸药单耗由原来的0.25kg/t降到了0.17kg/t，降幅达1/3。折合可节约0.88元/t，年可节约220万元，不仅环保效果明显，经济效益也十分显著。采用降尘措施后，深孔爆破爆堆见图8。

5 结语

此次实践方法可概括为以下三点：一是爆前对已有尘土进行移除、固定，如爆前移走钻机穿孔岩粉、爆区预湿；二是在设计和施工上，通过减少炸药单耗、减少压碎圈的过粉碎量来减少新产生的粉尘总量，如孔网优化、KUZ-RAM块度分析、间隔装药等；三是利用水对扬尘进行捕集和抑制，如水间隔、爆后喷淋等。

未来可以在以下方面继续探索和尝试：

图6 部分试验照

图7 采取降尘措施后，起爆75s后爆破粉尘漂移情况（侧视，与图1同视角）

图8 采取降尘措施后，深孔爆破爆堆

（1）采用泡沫添加剂，以增加爆前和爆后喷淋的固化和捕集效果[9]。

（2）小孔径深孔爆破对过粉碎和爆破粉尘的减弱影响度。

（3）选择与岩石的波阻抗匹配的炸药。

（4）优化微差时间是否可减少爆破微粒的影响。

（5）爆后喷淋降尘。

a喷淋点的分布；

b耐压、防飞石水带研制；

c高压水车；

d爆破过程中抛射爆炸水带、水幕的研究。

（6）采用多点粉尘采样器、高速摄影机等，对降尘效果进行量化对比分析，如粉尘影响范围、持续时间、粉尘浓度等。