利用爆炸水雾抑制露天爆破粉尘的试验研究

杨年华，郭 尧，白和强，张 昭

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081；2.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083；3.北方爆破科技有限公司，北京100089)

近年来，大气粉尘污染防治问题受到广泛重视，爆破粉尘给露天矿山开采造成很大困扰。由于露天岩石爆破开挖规模大，粉尘产量大、粉尘浓度高、分散度高、易扩散、污染范围广[1]，使得针对露天深孔台阶爆破的降尘技术难以突破，目前尚处于探索阶段。最常见的方法有孔口水袋封堵、爆破前后高压水喷洒等一些简易降尘措施[2-4]，但似乎杯水车薪，降尘效果不很理想。我们经过多项工程实践，系统地对露天深孔台阶爆破的粉尘来源及扩散规律、水袋爆炸形成的水雾、水袋封堵炮孔爆破降尘效果、以及水袋布置和相关爆炸参数等几方面进行深入研究，开创出立体全方位爆炸水雾降尘模型和高效合理的设计方法。

1 露天台阶爆破粉尘产生和扩散规律

1.1 爆破粉尘产生及其影响因素

露天台阶爆破粉尘来源包括：爆区地表附着的粉尘、炮孔口部填塞岩粉、岩石被爆炸冲击破坏过程中产生的粉尘、爆堆抛掷过程形成的粉尘。这些粉尘由爆炸冲击波扬起并随爆生气体扩散[3,4]。爆破粉尘来源决定了粉尘的排放量，综合观察露天台阶爆破粉尘的扩散主要有以下特点：(1)爆生气体将炮孔填塞岩粉冲起，扬起很高粉尘柱；(2)岩石被爆炸冲击破裂粉碎产生的粉尘随爆堆运动，扩散较慢；(3)台阶临空面方向随爆生气体向前扩散形成粉尘云。见图1。

图 1 露天台阶爆破粉尘来源和扩散情况Fig. 1 The source and diffusion of blasting dust in open bench blasting

根据现场观察分析，三种爆破粉尘源根据地质、水文情况和爆破方式不同，产生的粉尘量比例也不同，所以影响爆破粉尘排量的因素主要有地下水情况、地质条件和爆破参数，下面对这三因素进行定性分析。

爆区地下水情况对爆破粉尘影响十分显著，地下水情况分三类：Ⅰ类，干炮区，炮孔内基本无水；Ⅱ类，局部炮孔有基岩裂隙水；Ⅲ类，地下水丰富，大多数炮孔内有水，且水位较满。Ⅰ类地下水情况极易产生大量爆破粉尘；Ⅱ类地下水情况产生爆破粉尘量稍轻，主要与岩性有关；Ⅲ类地下水情况下，岩体饱水，爆破产生粉尘量很轻微。见图2。

图 2 爆区地下水情况对爆破粉尘影响Fig. 2 Influence of groundwater condition in blasting area on blasting dust

地质条件对爆破粉尘影响较大，其中岩石性质、风化程度、地质构造为主要影响因素，岩性越软弱、风化越严重、节理裂隙越发育，则爆破粉尘量越大。

爆破参数对爆破粉尘量有一定影响，其中装药结构、炸药单耗量、爆破方式等为主要影响因素。不耦合装药或水耦合装药时爆破粉尘量稍轻[5,6]；压渣爆破比多临空面爆破粉尘量少；炸药单耗量越大，爆破粉尘量越大。

1.2 露天台阶爆破粉尘扩散分布规律试验

为研究露天台阶爆破粉尘空间扩散分布规律，选择某次常规爆破条件下，在爆区不同方向的不同距离点放置粉尘收集盒实测粉尘扩散情况。具体在临空面前分别50m、100m、150m距离放置5列，同时在爆区后方30m处放置1排集尘盒，图3为落尘采集盒的布设位置示意图。称量集尘前后的盒子重量，计算单位面积粉尘降落量，依此分析粉尘扩散分布规律。选择天气晴朗无风情况下进行试验，将试验结果进行统计处理，结果见表1。

图 3 落尘采集点示意图Fig. 3 Schematic diagram of dust collection point

表 1 不同距离的爆破粉尘扩散试验测试结果

试验表明，爆区边缘前方50 m处平均粉尘降落量为100 m处的3.7倍，100 m处平均粉尘降落量为150 m处的1.9倍。说明爆破粉尘扩散浓度随前冲距离呈指数下降，50 m范围以内的粉尘降落量极大。

2 水袋爆炸成雾过程的试验研究

2.1 爆炸形成水雾过程

根据水体受爆炸喷射的物理模型，将水袋爆炸抛撒成雾过程分为水雾升腾和水雾消散二个阶段，如图4所示。

图 4 爆炸水雾的不同时刻照片Fig. 4 Photos of different moments of the explosion water mist

Ⅰ)水雾升腾阶段。当炸药在水袋底部爆炸后，水袋瞬间破裂，水袋中的液体在爆炸冲击作用下形成射流喷射而出，在惯性作用下高速扩散的水体快速破碎形成水雾，水雾喷射高度与爆炸药量和水体量有关，水雾喷射至最大高度在1 s以内。

Ⅱ)水雾消散阶段。水雾形成后因自身惯性在空中漂浮、扩散，然后消落。水雾喷射越高扩散范围越宽，水雾的消散时程越长，水雾消散时程决定了水雾扑尘效果。试验测得水雾消散过程一般持续3～4 s。

2.2 爆炸水雾的炸药单耗试验研究

爆炸药量与水的体积之比是炸药单耗量，爆炸水雾的炸药单耗对成雾效果有很大的影响[7,8]。要保证水能被击散成水雾，且形成的水雾在空中持续一定时间，炸药单耗量必须适当。试验是在微风天气条件下进行的，试验布置了6条直径30 cm水袋，每条水袋长10 m，每3条水袋列成一排，3条水袋下分别埋设1根、2根、3根导爆索；第一排水袋内添加表面活性剂，第二排未添加。通过高速录像机观察不同药量爆炸后的成雾效果，同时测量水雾覆盖范围。图5为水袋爆破成雾过程。表2为爆炸成雾测试参数。

图 5 水袋爆炸成雾过程照片Fig. 5 Photos of water bags exploding into mist

表 2 爆炸水雾扩散参数

从表2中可以看出炸药量对成雾高度影响很大，单根导爆索爆炸时水雾高度很低，仅3～6 m；3根导爆索的爆炸水雾高度大约为1根导爆索的3倍，水雾宽度也达2倍。

若将炸药量和水量对成雾影响分开进行试验研究工作量太大，综合考虑水袋爆破试验中炸药量和装水量这两者对出雾率的影响，可将水体的炸药单耗量作为自变量，爆炸水雾参数为因变量，试验研究炸药单耗量K值与水雾的覆盖面积、持续时间以及喷射高度之间的关系。

根据不同炸药量和水量的小型水袋爆炸试验，利用EOS 70D相机高速连拍记录水袋爆破喷雾过程，并在现场设置长度标尺，对试验拍摄图像进行处理，用标准网格计算水雾覆盖面积、喷射高度。爆炸水雾试验共分5组进行，将试验数据和图像处理后计算结果列于表3，可以看出不同水炸药单耗与水雾覆盖面积、喷射高度以及持续之间的对应关系。

表 3 爆炸水雾试验结果

水雾试验得到以下认识：

(1)由水雾覆盖面积与炸药单耗关系来看，炸药单耗在0.37～0.65 kg/m3范围内，水雾覆盖面积A与炸药单耗K之间成正比关系，即单位体积水的炸药量越大，水雾覆盖面积越大。

(2)水雾喷射高度H与炸药单耗K之间成正比关系，但水雾高度增长幅度不大。

(3)由水雾持续时间t与水体炸药单耗K并非正相关，当K小于0.50 kg/m3时，水雾持续时间与炸药单耗成正相关；当K大于0.50 kg/m3以后，水雾持续时间反而减小，因水体的炸药单耗过大，喷射出的水雾粒径过小，水雾消散更快。

因此，通过对比研究水雾覆盖面积A、喷射高度H、持续时间t随炸药单耗K的变化规律，认为当K取0.40～0.50 kg/m3时，水袋爆炸出雾效果更佳。

爆炸能大小对水袋爆炸形成的水雾参数影响很大，不同台阶高度和孔排距的爆破体需选择不同的水雾爆炸能。设置在台阶自由面前的水袋，要求爆炸形成的水雾高度尽可能大于粉尘扩散高度，确保水雾对粉尘的有效拦截，因此台阶自由面前的水袋炸药单耗宜偏大；而爆破台阶上表面的水袋主要作用是将地表出现的粉尘笼罩在水雾范围内，水雾太高反而会降低水雾的浓度，因此台阶上表面水袋爆炸主要考虑水雾宽度，即水袋之间的间距和水雾宽度有关，保证爆区台阶顶面在爆炸水雾的覆盖下。见图6。

图 6 爆炸水雾网格分析图Fig. 6 Explosion water mist grid analysis diagram

3 爆炸水雾降尘技术在露天台阶爆破中的应用

露天矿山爆破降尘常规方法是采用爆破前后在爆区洒水的方法来降低爆破粉尘[9]，这种降尘方法效果非常有限。本文提出的新思路是爆破后能在台阶自由面前方和顶部同步出现立体喷射水雾，尽可能让水雾全方位包裹爆破烟尘，那就能取得显著降尘效果。根据台阶爆破粉尘产生和扩散特性，若在临空面前、台阶上表面和炮孔口三个主要出尘部位适时产生大量水雾，把握好立体水雾幕拦阻的方位，以及水雾形成和扩散时间，降尘效率将得到全面提高。

3.1 露天深孔台阶爆炸水雾降尘实例

本技术在某大型露天矿进行现场试验，取得显著爆炸水雾降尘效果。露天台阶爆区的炮孔直径为250 mm，孔深17 m，底部装填8 m高铵油炸药，再回填5 m长岩粉，最后填封4 m高水袋，由此彻底消除了炮孔填塞岩粉冲炮产生的粉尘柱[10]。为获得爆炸立体水雾幕，在炮区临空面前方铺设2条水袋，水袋距离爆区临空面坡底距离分别为15 m、20 m；爆区台阶上表面共铺设多条水袋，水袋间隔在炮孔之间。在φ300 mm的水袋底部埋设炸药，将水袋内的溶液爆炸喷射成水雾，爆区临空面前方水袋的爆炸药量为39 g/m，爆区台阶上表面的水袋爆炸药量为26 g/m。台阶上表面的水袋比前排炮孔延后50 ms起爆；临空面前方距离坡底较近处的水袋比第一排炮孔延期爆炸时间宜为1500 ms以上，第二排水袋再延时500 ms起爆。水袋布置情况见图7。

爆破及水雾扑尘过程见图8，爆破安全与爆破效果都有保证，而且整体降尘效果非常明显。

图 7 爆区炮孔和水袋布置剖面示意图(单位：m)Fig. 7 Diagram of layout of hole and water bag in blasting area(unit:m)

图 8 爆炸水雾拦阻粉尘效果Fig. 8 The effect of explosive water mist to restrain dust

3.2 爆炸水雾降尘效果分析

通过FCC-25型防爆型粉尘采样仪器，对同等条件下未采取任何降尘措施的其它爆区进行粉尘浓度采集，采集地点在爆区的下风侧，风速2级，距离爆区分别为50 m、75 m、100 m。从采集的数据来看，距离爆区50 m处的粉尘浓度在358～397 mg/m3之间，75 m处粉尘浓度在169～193 mg/m3之间，100 m处粉尘浓度在85～105 mg/m3之间。可见露天台阶爆破粉尘浓度随着距离渐远会逐渐降低，100 m以远爆破粉尘浓度衰减趋缓。

再看本次采用爆炸水雾降尘新技术后，以相同方法侧得的粉尘浓度为：距离炮区50 m处的粉尘浓度为192 mg/m3，75 m处粉尘浓度为103 mg/m3，100 m处粉尘浓度为51 mg/m3。通过计算可得出最大爆破粉尘浓度降低50%左右，对于露天台阶爆破来说降尘效果非常明显。未采用任何降尘措施条件下的爆破烟尘量，比采用爆炸水雾降尘后的烟尘量成倍增加，现场肉眼观察爆炸水雾降尘效果也非常明显。

4 结论与展望

随着露天矿山台阶爆破的规模不断增大，大规模爆破开采产生的粉尘污染对矿区环境及人员健康造成严重影响，研究出高效合理的爆破降尘技术是绿色矿山建设的当务之急，本试验研究针对露天深孔台阶爆破，找到了一种简便有效的爆炸水雾降尘技术，主要取得以下几点新的认识。

(1)露天台阶爆破粉尘的三大来源是：炮孔填塞物冲孔扬尘；岩石破裂及粉碎产生的粉尘；爆堆向临空面抛散出现的粉尘云。三种粉尘源受地下水影响最显著，岩性影响次之，爆破方式的影响有限。通过大量观测，露天台阶爆破的粉尘扩散宜在50 m范围内防阻。

(2)依据爆破粉尘的产生源，有针对性地设置爆炸水雾降尘方案，综合采用水袋封堵炮孔、爆区顶面水袋爆炸成雾和临空面前方水袋爆炸成雾，在合适的时间爆炸形成立体全方位水雾捕尘，其工艺简单、降尘效果明显。

(3)对水袋爆炸成雾进行了试验，得到了其关键控制参数：

①临空面前方水袋底部炸药单耗为0.55 kg/m3，爆区顶面的水袋炸药单耗为0.4 kg/m3。

②临空面前方宜布设2排以上水袋，第1排水袋距临空面1倍台阶高度，第2排水袋再外延5～10 m；第1排水袋起爆时间比前排炮孔延迟1.5 s，第2排水袋起爆时间比第1排水袋再延迟0.5～0.8 s。

③封堵炮孔的水袋直径宜大于炮孔直径，水袋膜要有足够强度，否则容易划破水袋。水袋封堵长度一般在4 m以内。

(4)立体爆炸水雾全方位降尘技术现场试验应用表明，爆破粉尘浓度可降低50%左右，降尘效果明显，该技术非常适用于露天台阶爆破的大面积降尘，具有较高的推广利用价值。

展望露天台阶爆破的粉尘污染防治，需要对露天台阶爆破的同步爆炸水雾降尘工艺进行更多的改进，特别对现场铺设水袋、灌水施工工艺需做成标准化产品，封堵炮孔的水袋和封口方式也需进行专门设计和工厂化生产。