露天台阶爆破粉尘的爆炸水雾场拦截降尘技术研究

马 超 王德胜 郭 宾 李永华 王宏飞 丁 科

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

随着国民经济的快速发展，矿产资源的需求量急剧增加，推动了矿山产能的提升。钻爆法通过机械钻孔和装药爆破的方法实现岩石的高效破碎，是矿山开采的重要手段。常规爆破开采不可避免地产生大量粉尘，这些高浓度粉尘对作业人员的生产活动和身体健康产生了巨大危害。因此，采取科学高效的降尘措施是建设绿色矿山的关键[1-4]。露天台阶爆破的粉尘具有瞬时性、浓度高、扩散快等特点，传统洒水降尘方法无法同步实施[5-6]，其粉尘治理难度极大[7]。对此，国内外学者相继提出了洒水预湿地表、远距离喷雾除尘和爆炸水袋等湿式除尘技术[8]。具体来说，文献[9-11]设计了一种内置导爆索的水袋，通过模拟和试验研究了导爆索位置对爆炸水雾降尘效果的影响。李文军等[12]、曹勇等[13]提出了深孔台阶爆破水袋封堵降尘方法，对水袋规格和水袋填塞位置展开了研究;郝成磊等[14]、郭尧等[15]提出了台阶爆破地表铺设水袋就地降尘法，通过模拟和试验得出了新型泡沫发生装置和双水袋的合理起爆延期时间;杨年华等[16]设计了立体水雾降尘模型，对水袋爆炸成雾的影响因素进行了试验研究，确定了合理的水袋爆炸成雾设计参数。

综合分析已有成果可知，爆炸水雾降尘方法能够实现露天台阶爆破的高效降尘，是一种有前景的绿色环保新技术。但该类技术的实施还需要分别解决“时间”和“空间”层面的两个关键问题:一是爆炸水袋的合理空间布置，二是爆炸水雾场的合理激发时间。为此，本研究针对露天台阶爆破粉尘治理难题，结合数值模拟和现场试验方法，进行爆炸水雾场拦截降尘技术研究，探究爆炸水袋的合理空间布置和爆炸水雾场的合理激发时间，以期为爆破粉尘的高效治理提供技术依据。

1 爆炸水雾场与爆破粉尘生成特性数值模拟研究

1.1 模型构建及边界条件设定

本研究采用Solidworks软件构建露天台阶流场三维几何模型，并利用Fluent软件模拟研究爆炸水雾和爆破粉尘的生成及运移过程。为方便分析，对流场进行相应简化，并进行网格划分。爆炸水雾模拟对网格的精度要求高，为提高计算效率，对模型尺寸进行了缩减，具体模型尺寸如图1、图2所示。其中，露天台阶坡面角为70°，台阶高度为15 m。图1中下部台阶底面水袋设为水雾颗粒速度入口，图2中模型左侧设为风流入口，上部台阶中爆区位置和台阶坡面设为粉尘颗粒速度入口。

图1 爆炸水雾场几何模型Fig.1 Geometrical model of explosion water mist field

图2 爆破粉尘几何模型Fig.2 Geometric model of blasting dust

为直观地显示模拟结果，分别对爆破粉尘和爆炸水雾场生成过程进行研究。参考相关成果[17-18]，确定模拟研究所需基本参数，对模型网格进行自适应调整，相关参数取值见表1。

表1 计算模型基本参数Table 1 Basic parameters of calculation model

1.2 爆炸水雾场生成及特性

爆炸水雾场生成条件设置见表2，工程实践中的水雾是通过导爆索爆炸激发袋装水雾化形成的，数值模拟将其等效为空间喷射水颗粒，爆炸水雾场生成的模拟效果如图3所示。

表2 爆炸水雾场计算模型参数设定Table 2 Parameters of calculation model for explosion water mist field

由图3可知:水雾场最大高度达18.9 m，最大宽度为9.2 m，水雾喷射至最大高度所需时间为1.21 s。在近地面6 m范围内，随着喷射高度的升高，水雾浓度逐渐呈递减趋势。另外，当爆炸冲击波初始抛射力耗尽时，水雾开始回落，并出现小范围水雾聚集，水雾场浓度也短暂升高。

图3 爆炸水雾场模拟效果Fig.3 Simulation effects of explosion water mist field

1.3 爆破粉尘生成及特性

露天被爆岩石发生破碎、碎块碰撞及抛掷堆积，从而产生大量粉尘。爆破粉尘相关初始条件设置见表3，爆破粉尘生成模拟的初期结果如图4所示。

表3 爆破粉尘计算模型参数设定Table 3 Parameter setting of blasting dust calculation model

由图4可知:被爆岩体破碎瞬间产生大量粉尘，随着爆轰气体自地表急速溢出冲入大气，聚集在爆区台阶上方和台阶坡面前方形成粉尘蘑菇云。随着初始动能逐渐消耗，爆破粉尘以惯性进入大气环境。由于其运移轨迹受到风流控制及重力影响，粉尘云开始朝下风向漂移，纵向蹿升高度逐渐减小，横向扩展距离逐渐增大。爆破粉尘初期特性如图5所示。

图4 爆破粉尘运移距离L和高度H随时间t的变化情况Fig.4 Variation of blasting dust migration distance L and height H with time t

图5 爆破粉尘运移时间与粉尘纵向蹿升高度及横向扩展距离的关系Fig.5 Relationship between blasting dust migration time and dust vertical jump height and horizontal expansion distance

2 爆炸水雾场拦截降尘技术方案

2.1 爆炸水雾场拦截降尘技术

根据露天台阶爆破粉尘生成的模拟研究成果，在粉尘产生的初始阶段浓度较高，以爆区为基础的空间形态范围较小，防治范围较小。结合爆炸水雾场的模拟研究成果分析认为，在台阶坡面前方合理布设水袋，适时激发，依靠爆炸水雾场的强喷射和高加速特性，可以实现对爆破粉尘的及时拦截吸附治理，为此，本研究提出了爆炸水雾场拦截降尘治理技术方案。

2.2 爆炸水雾场激发合理延时确定

依据爆炸水雾场和爆破粉尘生成特性模拟研究结果，水雾场在t=1.21 s时，喷射最大高度为18.9 m;爆破粉尘在t=3.03 s时，蹿升高度为19.3 m，横向扩展距离约21 m，故水袋需布置在台阶坡面前21 m内;若水袋布置距离台阶坡面过近，抛掷的破碎矿岩块会损毁水袋。综合考虑破碎岩块的初始抛射速度、抛射角度及从台阶不同高程处开始抛射的情形，将爆炸水袋布置在台阶坡面前方16～21 m位置较合理。

根据粉尘生成模拟结果，得到爆破粉尘运移时间t与横向扩展距离L之间的多项式回归曲线(图5)，两者函数关系可表示为

根据水雾降尘机理[18]，水雾与粉尘的相互作用时间越长，水雾降尘效率越高。由于爆炸水雾在空中扩散滞空时间较短，而爆破粉尘云扩散持续时间相对较长，所以爆炸水雾场合理激发时间的确定至关重要，以便实现两者在时空上的最大接触，实现最大效率地降尘。若激发时间过早，粉尘未扩散到水雾前方，水雾已达到最高点，并开始降落蒸发，无法有效拦截粉尘;若激发时间太迟，粉尘已扩散到水雾前方，而水雾未达到最高点，同样不能有效拦截粉尘，如图6所示。根据上式确定的爆炸水雾激发合理延时为

图6 爆炸水雾与粉尘云时空合理匹配示意Fig.6 Schematic of reasonable spatiotemporal matching between explosive water mist and dust cloud

3 爆炸水雾场定型试验

根据爆炸水雾生成特性模拟研究结果，评价爆炸水雾场生成效果的主要指标为水雾高度、水雾宽度和喷射上升时间。爆炸水雾场生成效果主要受水袋直径、水袋厚度和爆炸荷载大小的影响，这些因素对爆炸水雾场的影响相互关联。为了提高试验效率，本研究设计了L9(33)正交试验，研究各因素对水雾场生成效果的影响，试验共计9组，水袋构成要素如图7所示，试验结果见表4。

图7 爆炸水袋构成Fig.7 Components of the explosive water bag

表4 不同因素对爆炸水雾场生成效果的影响Table 4 Influence of different factors on the formation effect of explosive water mist field

试验显示，水介质在爆炸冲击波的作用下经过加速抛掷、拉伸成团及冲击雾化的过程，在该过程中水介质发生了两次破碎，现场试验效果如图8所示。

图8 试验水雾效果Fig.8 Test ffects of water mist

本研究采用SPSS计算软件进行多因素极差分析，分析结果见表5。将水雾高度、水雾宽度和喷射上升时间作为评价指标，对数据进行分析可知，各指标的优化组合均为A2B1C3，生成的水雾场高度为18 m、宽度为8.7 m、喷射上升时间为1.20 s。

表5 爆炸水雾场多因素极差分析结果Table 5 Multifactor range analysis results of explosive water mist field

4 爆炸水雾场降尘现场试验

4.1 试验方案

爆炸水雾降尘试验在白云鄂博铁矿1 416 m水平S帮实施，对比研究同爆区有、无降尘措施下的粉尘浓度及扩散情况。经风速仪现场测量，本次爆破作业平均风速为1.5 m/s，爆破作业区域大小为120 m×50 m(长×宽)，总炸药消耗量53 t。结合现场实际条件，水袋布置在台阶坡面前18.5 m处，确定爆炸水雾场激发合理延时Δt=1 100 ms。在距爆区50 m和100 m处各布置2台测尘仪，水袋和仪器、现场试验器材布置如图9所示。

图9 现场试验器材布置示意Fig.9 Schematic of field test equipment arrangement

4.2 降尘试验测试结果及分析

利用摄像机拍摄的爆破水雾场降尘过程如图10所示，通过对测尘仪采集的粉尘数据分析发现，距离爆区50 m处，无水袋布置区粉尘浓度为165.832 mg/m3，水袋布置区粉尘浓度为93.537 mg/m3，爆破粉尘浓度降低了43.6%;距离爆区100 m处，无水袋布置区粉尘浓度为96.673 mg/m3，水袋布置区粉尘浓度为57.144 mg/m3，粉尘浓度降低了40.9%。降尘结果分析表明:爆炸水雾场可以对爆破粉尘进行有效拦截捕捉，粉尘浓度下降明显，爆炸水雾场拦截降尘技术效果显著。

图10 水雾降尘效果Fig.10 Effects of dust removal by water mist

5 结 论

(1)结合白云鄂博铁矿台阶爆破粉尘扩散及爆炸水雾场生成的数值模拟分析，提出了爆炸水雾场拦截降尘技术方案，分析并确定了水袋在台阶坡面前16～21 m的合理布置范围和水袋合理激发延期时间。

(2)水雾场定型试验确定了爆炸水袋的优化构成组合为A2B1C3，生成的水雾场高度为18 m、宽度为8.7 m、水雾喷射上升时间为1.2 s。爆破水雾降尘试验中，水袋布置在台阶坡面前18.5 m处，计算的爆炸水雾场激发合理延时Δt=1 100 ms。试验结果显示:距爆区50 m处，粉尘浓度降低了43.6%;距爆区100 m处，粉尘浓度降低了40.9%。

(3)本研究尚存在不足之处，冬季水介质易结冰，影响降尘试验效果，后续工作中将针对抗冻水溶液配方进行研究。