露天礦含水間隔裝藥的爆破抑塵效果研究

李小龍 王金海 吳健康 杜建磊 向何鋒

（1.北方爆破科技有限公司；2.安徽江南化工股份有限公司；3.長江存儲科技有限責任公司）

隨著人們對環境問題的重視度不斷加深，爆破技術不僅要解決工程要求，同時也要考慮設備使用問題和員工健康。爆破影響礦山安全生產，縮短礦山機械的服務年限，影響當地植物的生長，威脅職工的身體健康，降低礦區能見度，增加駕駛員的安全風險。統計資料表明，鉆爆采掘作業產生礦塵的比重為70%，裝運、破碎過程產生的礦塵比重30%，因此在露天礦生產中，鉆爆環節抑塵尤為重要［1］。

間隔裝藥爆破技術早已在采礦行業中得到了廣泛的應用，如果將空氣間隔用水柱取而代之，一方面可以降低爆壓的峰值從而降低或避免了對周圍巖體的破壞作用，另一方面由于水的氣化效果覆蓋爆破粉塵的產生，從而達到抑塵效果［2］。以某鐵礦為試驗背景，對比分析了相同裝藥量情況下，爆破后含水與干孔的炮區粉塵濃度及含水條件下不同裝藥結構的抑塵效果。

1 露天礦爆破粉塵產生機理

礦山爆破時，炸藥起爆后產生大量的熱能和氣體，形成了高溫、高壓、瞬間膨脹并高速運行的氣浪，對炮孔孔壁及其作用半徑內的礦巖驟然施以巨大沖擊作用，巖石由于受力而被壓裂、壓縮和破碎［3］。一般情況下巖石受力越大，其粉化程度越高，同時巖石在位移過程中產生劇烈的相互沖擊碰撞也會造成進一步的粉化，被粉化了的礦巖就會隨著爆炸波所形成的高壓氣浪高速度地充滿爆區及附近地區的整個空間［4］。由于采場擴散條件差，揚塵滯留懸浮時間較長，對工作人員及周邊環境的危害較為嚴重。

實際調研過程中發現，爆破粉塵的產生量一般為爆破礦巖量的0.001 1%。分析表明，影響爆破粉塵產生的主要因素有礦巖性質、炸藥性質、炸藥單耗、爆破參數、爆破工藝等。爆破過程產生的粉塵變化較大，與爆破區域、爆破炸藥用量、自然環境有很大的關系。爆破產生的粉塵，粒徑較大的在近距離內短時間發生沉降，粒徑小的揚塵不易沉降，在工作面懸浮時間長，影響范圍廣。

2 爆破粉塵的粒徑分布及逸散規律

2.1 粒徑分布

在爆破現場對產生的粉塵粒徑進行3次檢測，其測定結果和平均值見表1，并依此繪制了粒徑分布圖，如圖1所示。

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從表1 和圖1 中可以看出，粒徑在5～50 μm 的粉塵占絕大部分，粉塵的粒徑都在100 μm 以下；人體可吸入顆粒物，即粒徑在10 μm以下的粉塵占到30%左右，可見爆破過程中產生的粉塵對人體健康危害比較大。

2.2 逸散規律

爆破過程中粉塵粒徑較?。?0 μm）的細顆粒在大氣中的布朗運動對抗重力或靜電斥力，不易發生沉降，從而長時間懸浮在空氣中，對工作人員呼吸道健康影響嚴重［5］。在爆破完成后的同一時間點上，爆破粉塵濃度隨距爆區中心的距離的增大而減小，但爆破粉塵濃度隨距離的增加，降低速率不盡相同；在同一水平或垂直距離上，粉塵濃度隨時間的變化都會出現一個峰值，并且出現峰值的時間隨距離的增大而逐漸延后［6］。

3 控制爆破抑塵試驗

爆破作業防塵的方法主要分水力防塵和工藝防塵。水力防塵主要有爆破區灑水、水封爆破、含水泡沫覆蓋爆區、富水膠凍炮泥爆破等［7］。爆破工藝防塵是指從改進爆破工藝入手，有效利用炸藥的爆轟波來減少炮孔和爆區產生的粉塵。本試驗主要通過改變炮孔內的介質組分和裝藥結構來尋求一種最佳的抑塵措施。選擇水來作為炮孔內抑塵劑的主要原因：一是水不僅能濕潤礦巖表面及已有細顆粒，爆破時還能形成水霧使粉塵更容易沉降［8］；二是水介質間隔裝藥爆破具有破碎塊度均勻、震動強度小、噪音低、飛石容易控制等優點［9］；三是水容易獲得，不會增加太多的爆破經費預算和操作流程。

3.1 試驗布置

爆破試驗選擇某鐵礦為試驗背景，采用4 種不同爆區，一次起爆量在2 萬m2左右，炸藥消耗量約為11 t，炮孔數均在80 左右，爆區炮孔裝藥結構如圖2所示。A、B、C 分別為3 個不同爆區的裝藥結構，水柱、炸藥、炮泥量均相同，不同在于A區中間隔水柱位于炮孔底部和頂部，B 區中間隔水柱位于炸藥中部和炮孔頂部，C 區中間隔水柱全部位于炮孔頂部，D 區為正常裝藥結構。

試驗采用定點監測法，用CCZ1000 直讀式粉塵濃度測量儀對爆破現場產生的粉塵進行監測，在爆破前和爆破后用多功能數字風速儀監測氣象參數，數據顯示爆破區域在試驗時天氣多云，風速為2.0～6.0 m/s，空氣濕度30%～50%，風流方向較穩定。設計監測以爆區為中心，在爆破中心的水平距離上設置15個監測點，分別距中心為40，60，80，100，120 m，每段平行距離上設置3個監測點，測量數據取算術平均值；在爆破中心的垂直距離上設置5個監測點，分別距中心10，20，30，40，50 m。具體監測布點如圖3所示。

3.2 試驗結果

A，B，C，D 爆區爆破后粉塵垂直方向和水平方向濃度隨時間變化監測結果分別見表2和表3。

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3.3 試驗結果分析

試驗結果均是測得的瞬時粉塵濃度，為了便于分析，根據大氣污染擴散理論，在露天采場空曠條件下，爆破粉塵污染源可作為瞬間點源，爆破粉塵排放量可用實測的多點粉塵濃度進行反推計算。根據該理論可知，瞬時污染點源擴散方程為［10］

式中，C表示監測點處粉塵瞬時濃度，kg/m3；Q為爆破粉塵排放量，kg；X、Y分別代表水平、垂直方向上測點與爆區距離，m；Z代表垂直向上距離，m；Vx、Vy分別為X、Z方向的平均風速，m/s；Vp表示粉塵沉降速度，m/s；σx、σy、σz分別為X、Y、Z方向上的均方差，m/s；t為監測時間，s。

根據式（1）可推導出粉塵排放量與粉塵瞬時濃度的關系，可表示為

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式（2）均方差是監測點位置與氣象參數的函數，可從擴散參數冪函數表達式表中查閱獲得；平均風速可通過多功能數字風速儀測得。根據表2 中的粉塵粒徑分布可計算出爆破粉塵等效平均沉降直徑，再計算得到粉塵沉降速度；瞬時粉塵濃度為試驗測得［11］。由此可計算出A，B，C，D爆區的粉塵排放量。

根據表2 和表3 中數據可得出各爆區粉塵濃度變化曲線，如圖4所示。綜合垂直方向上和水平方向上的粉塵濃度，得出粉塵濃度隨時間變化曲線，如圖5所示。

由圖4 可知，隨著與爆源中心的距離增加，粉塵濃度逐漸降低，水平方向上降低的速度較快。對比A，B，C，D 區相同測點的濃度值表明，炮孔采用水柱間隔的爆區明顯比炮孔未采取措施的爆區粉塵濃度低，降低了40%～60%，說明采用間隔水柱的爆區降塵取得明顯效果。由圖5可知，隨著時間的變化粉塵濃度會到達一個峰值，隨后逐漸降低，出現峰值的原因是由粉塵逸散規律導致的。在120 s時A，B，C 3個爆區的粉塵濃度均降到了5 mg/m3以下，而D 區在150 s時才到達5 mg/m3以下。

為了驗證水間隔裝藥的實用性，必須還要考察現場爆區的爆破效果，根據式（2）計算出各爆區各測點的粉塵排放量，再取其平均值，綜合水平方向和垂直方向粉塵排放量，用粉塵排放量與礦巖爆破量的比值來表示粉塵排放強度，具體數據見表4。根據表4可得各爆區粉塵排放強度的柱狀圖，如圖6所示。

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對比A，B，C區3種不同的裝藥結構，結果顯示間隔水柱位于炮孔底端時，即A爆區，降塵效果最明顯，由于在爆破開始的瞬間，形成高溫高壓的沖擊波，將位于底部的間隔水柱霧化，與破碎巖石充分接觸，形成凝結物，吸收了大量粉塵。

4 結 論

（1）因為有水的作用，爆破時產生水霧，導致未采用間隔水柱裝藥的爆區礦塵排放強度約為采用間隔水柱裝藥的爆區的1.4 倍左右，說明在含水的爆破條件下，爆破抑塵效果明顯，是一種比較經濟有效的降塵措施。

（2）對比3 種含有間隔水柱的不同結構炮孔，結果顯示，在相同含水量和炸藥量的情況下，間隔水柱分布在炮孔底部和頂部的抑塵作用最明顯，體現了含水條件間隔裝藥的良好抑塵作用，對露天礦山爆破抑塵技術具有一定參考價值。

（3）為了驗證A區炮孔的裝藥結構是否具有實用性，試驗記錄爆破粉塵瞬時濃度后，對4 個爆區的爆破效果進行了勘查，發現A區周圍巖體的穩定性有所降低，這主要是水介質的能量利用率比空氣介質高，所以實際施工中，應根據礦山地質先進行合理的爆破參數設計，再組織施工。