露天岩土爆破中的水介质降尘环保技术研究

露天岩土爆破中的水介质降尘环保技术研究

蒋佳良

浙江振冲岩土工程有限公司 浙江 杭州 310000

摘要:为了应对工程施工产生的砂砾岩爆破过程中粉尘的生成与扩散问题，本研究依据前人研究成果与实际工程需要，创新性地采用孔内置水袋分隔装填炸药以及地面布设水袋喷雾进行尘埃抑制的多重方案。通过现场试验，确认了这些措施具有显著的降尘效果，实现了爆破一分钟后尘埃降定率约70%的显著成效。此类融合多项防尘技术的专业爆破技术，在工程爆破应用中展现出广阔的发展潜力。

关键词：露天岩土爆破；水介质降尘；环保技术

引言

目前用于降低爆破粉尘的技术主要有三种类型：干式、湿式以及二者结合使用的方式。在这三种方式中，应用最广泛的是湿式降尘技术，原因是它既高效又低成本，并且其减尘效果也较为显著。常见的湿式降尘技术包括高压水喷雾、预先湿润爆破目标体、泡沫降尘、高效能水泥悬浮液喷射降尘、设置水帘减尘、以及采用环保型清洗剂降尘等方法。

1 爆破粉尘产生及扩散机理

1.1 爆破粉尘的产生

当炸药引爆，便迅速释放出充满澎湃能量的气体，这些气体温度与压力极高，迅猛扩张并压迫周围岩体作功。这种作用力使岩石结构崩解，进而形成浩如烟海的微粒尘埃，而这些细小颗粒在爆炸的强冲击力驱动下向外扩散入开放空间。在施工场景中，受爆破作用的岩石主要是泥肪质的粉砂岩与砾岩。粉砂岩主要由粉磨破碎形成的石英粒子构成的沉积岩，而砾岩则是颗粒直径超过2毫米的粗碎岩屑，在携带、沉积、加压和胶合过程中形成的另一类沉积岩，其间隙物质可能是沙子、粘土或化学沉淀物。这两种类型的岩石由于强度较弱，结合性不佳，在受到炸药爆炸带来的剧烈冲击动力影响之下，很快便碎裂为细小颗粒，并生成大量尘埃。

1.2 爆破粉尘的扩散

破裂作业完成后，粉尘扩散的过程大致可以划分为三个阶段：首先是冲击阶段，其次是蘑菇云的生成阶段，以及最后的弥散阶段。在起初的冲击阶段，即是指爆炸产生的气体以极大的力量把粉尘从地表弹射出去，此时的爆炸使得瞬间产生的高压气体对岩石产生强烈冲击，制造出裂缝，并将其内部颗粒随同爆炸气体向外喷射。随后，随着时间的转瞬，爆炸产生的气体迅速扩张并输出能量，彻底摧毁了岩层结构，将大气中带动的细小粉尘颗粒及其它地面粉尘共同扬向天际。当进入蘑菇云阶段，失去推进力的尘粒借助惯性继续上升。随着上升空气块体积的扩张，空气块中心的升速超出外围，而外围气体在湍流效应影响下吸引周遭空气加入，以高速中心气流为核心，空气块体积逐渐向外扩散，质量也逐步增加。整个空气块持续向上方移动，尽管体积膨胀增加了阻力，导致上升速率降低。一段时间过后，空气块停止升高，最终形成稳定的蘑菇形态。在扩散阶段，爆炸产生的尘埃颗粒由于抗拒空气的阻力已经全部耗尽，尘粒在重力及浮力作用下发生分化，较重的逐渐下沉，而较轻的则悬浮在空中，随着气流朝向浓度较低区域扩散。
2 粉尘颗粒的运动特性及相互作用

2.1 运动特性

各地露天矿区进行爆破时产生的尘埃，很容易被地面风吹起，漫游于空中，这对周围自然生态连同居民和机械设备的安全产生不良影响。通常，尘粒的直径越小，它们在空气中的传播速度越快。在引力的作用及不同风向的带动下，这些尘粒在大气中飘移，可能会污染附近的土壤与水体。遇到风力作用时，尘土分散迅速；反之，在无风环境中，尘土会因重力而沉降至地面。露天矿场的各个爆破区都普遍会受地质、水文及气候状况的制约，粉尘的沉降与扩散速度会有所区别，这直接关系到随后的爆破和降尘措施是否有效和准确。不同作业区的空气流动模式也不尽相同，须通过多方面措施，比如限制粉尘传播和加速其下落，来对爆破产生的粉尘进行迅速的收集与处理。粉尘粒子的移动特性与其亲水性、重力等物理性质紧密关联，如硅酸盐和二氧化硅等成分的粒子会在重力的作用下沉降至地面，并可被有效地聚集到指定区域。

2.2 相互作用

在许多开放式岩石挖掘现场，爆炸施工造成的尘埃在不同力量的作用下，导致环境污染和安全事故频发，严重妨碍了矿业开采的进程和环境的安全。当各种尘粒在大气中悬浮时，它们会受到如范德华力、静电作用与毛细聚合力等因素的影响，尘埃间的互相碰撞可能会对附近的生态环境稳定性产生消极效应。在建立尘粒力学模型的过程中，范德华力成为了关键的物理参量，它涉及到的微观深层次，与尘粒原子核周围电子云的形成机制有着紧密的联系。在露天煤矿开发作业中，种类繁多的粉尘微粒通过彼此间的力量交互影响，其中静电力成为干扰开采作业效率和潜在环境安全的关键因素。施工人员体表也可能因而带电，极易触发突发的安全生产事件。这种静电力的产生，主要归因于库仑作用力以及颗粒表面的电势差等元素。另外，在对水有很高亲和力的粉尘颗粒中，液体侨联（毛细）力较为普遍，此力通过在颗粒表面产生的压强和张力的作用，进一步影响粉尘的沉降速率和收集效率。

3 降尘措施及现场试验

3.1 降尘措施的选取

经过对室外石矿爆炸作业时粉尘产生的根本原因和其传播趋势的综合分析，并参照本次工程室外炸药作业的具体施工情况，构建了一套既简便、经济又高效的降尘处理方案。首先，在粉尘发生的初始阶段，对源头进行控制，实施利用水袋与炸药交替填充的装填方式；其次，在粉尘已经形成并开始扩散的阶段，在爆破区域的地面上展开水袋，通过水袋爆炸产生的水雾来抑制粉尘的进一步扩散。

3.2 爆破技术方案

实施大孔径阶梯爆破技术，孔徑直径115毫米，采用自上而下的分层逐步挖掘手法，具体的阶梯数将依据工地具体情况来设定。爆破设计方案中，使用MS-15型号的高能导爆管起爆雷管于孔内，而孔外则采用MS-3型号的导爆管雷管进行延时爆破，通过逐一连接来激活整个爆破网络。

3.3 降尘技术方案

3.3.1 孔内水袋间隔装药

在该工程项下，爆破孔的口径达到115毫米，深入地下10米。为了进行填充，使用了直径为100毫米、总长1.5米的圆柱形PE塑料水袋。整体炸药的布置长度介于6.8米至7.3米之间，通过水袋将炸药分割成上下两段，首先在底部4米处填入水袋，随后再往上累积填充炸药3米。

3.3.2 地表水袋

在进行爆破施工前，要根据预设爆破孔的数量来准备对应数量的水囊，每个水囊的尺寸设定为长3米、宽150毫米，并将其注满水，摆放在待爆炮孔的顶部。每个水囊中要装填11克的乳化炸药以实现引爆。研究指出，爆破作业时地面的粉尘将比孔内粉尘更早扬起。因此，为了有效同步控制地面与孔内的粉尘飞扬，需在孔内爆炸之前优先引爆水囊。依据相关研究的做法，在此次试验中决定将水囊引爆的时机提前400毫秒。

3.4 爆破粉尘的测量方法

在借鉴已有粉尘监测的研究成果基础上，本次项目结合现场实际情况，运用了粉尘采样设备来测定空气中的粉尘含量。具体使用FCS-30型号的采样器对施工爆破后空气中的粉尘进行采样，三个采样点分布在爆炸现场周边，采样点的位置距离爆心分别为20米、30米和40米处。为了确保仪器平稳，仪器需放置于地势平坦的区域，并使用钢丝网围绕四周做必要的防护措施，防止因爆破产生的飞石对设备造成损伤。

结束语

在进行爆破作业时出现的粉尘问题，目前广泛应用的湿法抑尘技术中，结合该工程的砂石岩爆破属性与现场作业的实际需求，选用了在爆破孔内交替放置水袋的药包以及在地面使用水袋爆破相配合的减尘方案。这种做法以实践效果为主导，但仍有其他因素需进一步探讨，例如在水袋内添加泡沫剂，或在堵塞爆孔时加入额外的水袋或使用泥浆封堵，以及调整地表水袋体积大小等细节。

参考文献

[1]吴颂,韩景峰,刘明朗等.露天岩土爆破中的水介质降尘环保技术研究[J].采矿技术,2021,21(02)

[2]王会敏,王会秋.露天铁矿台阶水压爆破试验研究[J].采矿技术, 2020,20(02):131-134.