趙永崗，王德勝，秦鵬淵，高玉璞，張 麗，郭 賓，李永華

(1.包鋼(集團)公司白云鐵礦，內(nèi)蒙古 包頭014080；2.北京科技大學(xué)，北京100083)

露天(礦)爆破破巖過程產(chǎn)生大量的有毒炮煙和粉塵，成為露天(礦)采場及周圍大氣環(huán)境難以治理的重要污染源。爆破煙塵云的濃度和初期擴展特性是研發(fā)爆破煙塵源頭治理技術(shù)和方案設(shè)計的關(guān)鍵，受爆破飛石、沖擊波等有害效應(yīng)影響，傳統(tǒng)的降塵技術(shù)措施無法在爆破源頭與煙(粉)塵的產(chǎn)生同步實施，事后治理效果差強人意；針對爆破煙塵云源頭濃度和初期擴展性狀的直接測量也難以實施。對爆破煙塵產(chǎn)生過程、空間濃度及初期擴展特性進行深入研究是爆破煙塵源頭防治技術(shù)的關(guān)鍵[1-5]，尚欠缺這方面的研究。

露天(礦)爆破粉塵污染防治是礦山綠色開采研究的熱點和難點，爆破煙(粉)塵具有瞬時產(chǎn)生、高濃度強擴散的特性，受被爆巖體的巖性、爆破工藝技術(shù)參數(shù)、爆破作業(yè)施工質(zhì)量等多方面因素影響，各因素對爆破煙塵的影響機制、爆破煙塵生成的初期擴展性狀特征和對煙塵濃度的貢獻等難以確定。對爆區(qū)污染源頭—蘑菇塵云的生成及爆破破巖過程的擴散機制、蘑菇塵云的粉塵濃度確定尚不明確。傳統(tǒng)的事后采樣測定，無法與煙塵的生成同步，受大氣環(huán)境等自然條件影響大，對爆破粉塵的源頭防治指導(dǎo)性較差。本文利用數(shù)值模擬技術(shù)對露天深孔爆破粉塵生成過程進行研究，分析炮孔填塞物料、被爆破巖體破碎和破碎巖塊拋擲堆積過程中煙塵的生成、擴展特性和初始濃度等，探索精準起爆的爆炸水霧場高速生成技術(shù)以期實現(xiàn)爆破煙粉塵污染源頭的爆炸水霧場直接降塵治理，促進露天(礦)低粉塵爆破破巖和綠色開采。

1 臺階爆破炮煙和粉塵形成的數(shù)值模擬研究

露天臺階爆破破巖過程中，爆炸荷載對被爆巖體進行破碎、爆轟氣體膨脹將破碎巖塊沿最小抵抗線方向拋擲堆積，巖體的破裂、地面震顫、爆轟氣體沖擊推升炮孔堵塞物料、巖塊觸地和相互碰撞都將產(chǎn)生粉塵；炸藥爆轟反應(yīng)產(chǎn)生的有毒炮煙也將隨著被爆巖體破碎而高速溢出，炮煙伴隨粉塵快速沖出形成的煙(粉)塵是采場和大氣環(huán)境的重要污染源。露天爆破破巖過程中炮煙等有害氣體、破碎巖塊和礦巖粉塵顆?；祀s，有毒炮煙和高濃度粉塵生成初期脫離原巖和爆堆急速向外擴展，具有高速動載特性，對炮煙和粉塵產(chǎn)生量和濃度的理論計算欠缺，污染源頭的直接測定因爆破飛石等無法靠近爆區(qū)也難以進行，致使對爆破煙粉塵的防治無據(jù)可依。針對爆破炮煙和粉塵初期狀態(tài)和擴展特性進行定量理論分析的難題，借助數(shù)值模擬技術(shù)在求解爆炸荷載超動態(tài)問題方面的優(yōu)勢，對露天爆破炮煙和粉塵初期性狀再現(xiàn)有著重要理論價值。

本文用PFC2D建立臺階深孔爆破及煙塵生成模型，模擬研究大直徑垂直深孔爆破時，爆炸荷載作用下臺階坡面和臺階頂面方向巖石的破碎、拋擲、煙粉塵生成及運移特性。

1)露天臺階深孔爆破煙塵生成模型的建立

白云鐵礦臺階高度15 m，炮孔直徑Φ310 mm，炮孔超深2.0 m，炮孔填塞長度6.5 m。被爆巖體為白云巖，炮孔裝藥用現(xiàn)場混裝車裝填銨油炸藥，建立臺階爆破模型對爆破過程中炮煙和粉塵的產(chǎn)生計算模型。

數(shù)值模型試驗中，將臺階坡面、坡頂面及坡底面設(shè)置為自由面，臺階后面及臺階底面深部巖體設(shè)置為邊界條件?；谝陨先襟E，臺階深孔爆破及粉塵生成模擬研究的物理模型如圖1所示。

現(xiàn)場混裝炸藥的性能見表1，炸藥爆炸荷載作用在圓形單元化的模型被爆巖體上。

表1 炸藥物理力學(xué)性能參數(shù)

2)露天爆破煙塵的初期性狀特性研究

模擬研究(圖2)表明爆破煙粉塵隨著破巖過程產(chǎn)生、啟揚和高速向外擴展生成，巖石破碎的裂隙和巖塊拋擲分離過程大量爆破煙粉塵涌出，煙塵具有如下特性：

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圖2 臺階深孔爆破巖石破碎、拋擲及煙粉塵生成效果圖

(1)煙粉塵初期生成特征：①臺階頂部煙塵生產(chǎn)以炮孔堵塞物料上升啟揚及地面震顫起塵為主要特性，當有沖孔現(xiàn)象發(fā)生時，這種現(xiàn)象更加明顯。臺階頂部煙塵控制了爆破煙塵云啟揚的空間高度；②臺階坡面爆破設(shè)計拋擲方向上，爆破煙塵啟揚和擴散特征隨破碎巖塊的運動軌跡展開，是爆破煙塵橫向擴展的主體部分，和爆區(qū)的長度方向共同控制了爆破蘑菇煙塵云的空間廣度范圍。

(2)煙粉塵的初期濃度：結(jié)合現(xiàn)場高速攝影觀測結(jié)果顯示爆破蘑菇煙塵云含有粉塵顆粒、細小巖石碎塊、有毒炮煙。經(jīng)圖像灰度處理顯示和模擬結(jié)果表明煙塵初期濃度極高，煙塵生成初期，從臺階上部和坡面噴涌而出，粉塵濃度分布較均勻，濃度在733～1 100 mg/m3范圍內(nèi)，最高濃度可達1 833 mg/m3。隨著蘑菇煙塵云的向外擴展，煙塵濃度快速下降，微小巖塊和較大粉塵顆粒沉降落地，炮煙和微小塵粒則以慣性運動進入采場或大氣環(huán)境呈現(xiàn)布朗運動擴散。

以上特性決定了爆破有毒煙粉塵有效治理的關(guān)鍵在于爆破區(qū)域源頭的高效地同步降塵技術(shù)，需要有效覆蓋蘑菇煙塵云初期生成范圍，同時要求具有強大瞬時噴灑抑塵介質(zhì)能力，迫切需要研發(fā)與爆破煙塵云同步生成的高速水霧場生成技術(shù)，以便應(yīng)對高濃度、強擴散的爆破煙粉塵顆粒云團擴散污染。

2 爆炸水霧場的形成

在PFC3D模擬大直徑水袋在爆炸沖擊波和爆轟氣體作用下水體的拋擲拉伸、水團霧化及空間拋灑軌跡基礎(chǔ)上，針對常規(guī)臺階表面預(yù)灑水沁潤[6]、局部噴灑[7-9]和事后被動粉塵處置的缺陷，本文提出了分布式爆炸荷載激發(fā)筒型水袋形成高速爆炸水霧場[10]實施爆區(qū)范圍內(nèi)就地降塵的技術(shù)方案，摸索爆炸水霧在空間有序拋擲、同步吸附降塵的特性，為爆炸水霧場就地同步覆蓋爆破蘑菇煙塵云，實施就地吸附粉塵、中和有毒炮煙的爆破源頭降塵處理提供環(huán)保技術(shù)支撐。

依據(jù)白云鐵礦爆破設(shè)計和現(xiàn)場氣候條件，用厚塑料膜制成筒型袋，一端扎緊后注滿水或抑塵液體介質(zhì)形成“水袋”，導(dǎo)爆索束為激發(fā)荷載鋪設(shè)在水袋下方形成爆炸“水袋”，電子雷管起爆導(dǎo)爆索束激發(fā)“水袋”即形成射向空中的高速爆炸水霧場。

影響爆炸水霧場形成及其效果的因素有很多，依據(jù)數(shù)值模擬實驗的研究成果，確定爆炸水霧形成主要的影響因素為水袋直徑(單位水量)、水袋材質(zhì)和壁厚(水袋的約束條件)及爆炸荷載的大小(激發(fā)藥量及分布)。選擇普通聚乙烯塑料膜作為水袋的制成材料，普通導(dǎo)爆索(束)作為激發(fā)水袋的爆炸荷載。為克服多因素的相互關(guān)聯(lián)影響，提高試驗效率，采用正交試驗法來設(shè)計水袋尺寸參數(shù)及激發(fā)水袋炸藥量的試驗方案，確定上述因素參數(shù)的優(yōu)化組合，以獲得空間尺度寬廣、霧化均勻的高速爆炸水霧場，為爆區(qū)內(nèi)就地捕捉爆破粉塵、中和有毒炮煙提供濕式降塵的必要條件。

圖3 爆炸水袋激發(fā)形成爆炸水霧場的效果圖

3 爆破煙塵的爆炸水霧場降塵技術(shù)現(xiàn)場試驗

1)爆區(qū)概況及爆破設(shè)計：降塵試驗爆區(qū)位于白云鐵礦主采場1 416 m水平南幫，爆區(qū)內(nèi)巖體為云母片巖，f系數(shù)為10～11。規(guī)劃爆區(qū)長度為120 m，臺階平均高度15.5 m，牙輪鉆穿鑿直徑Φ310 mm垂直深孔，設(shè)計炮孔超深1.5 m。臺階平面上炮孔按照三角形布置，孔排距為9 m×5 m，依據(jù)臺階平面條件爆區(qū)前后布置5～6排炮孔，總孔數(shù)65個。炮孔內(nèi)水深2～3 m不等，設(shè)計炮孔堵塞6.5～7.0 m，用鉆孔巖粉堵塞炮孔，設(shè)計爆區(qū)總裝藥量為乳化炸藥53 t。

2)爆炸水霧降塵設(shè)計：設(shè)計以第一排的左側(cè)炮孔為逐孔起爆法的起爆零點，同排炮孔間延時42 ms，排間延時65 ms，電子雷管精準逐孔起爆網(wǎng)路。按照“爆區(qū)覆蓋、坡前攔截、同步生成和就地吸附”的布置原則，坡面前方布置1道爆炸水袋，爆區(qū)內(nèi)布置5道爆炸水袋，降塵爆炸水袋的布置設(shè)計如圖4示。

依據(jù)臺階爆破巖體的高速攝影測試結(jié)果，爆區(qū)內(nèi)臺階上水袋的起爆激發(fā)延時設(shè)計見圖4。按照破碎巖塊的初速度、拋射角及水袋與坡底線的距離，爆區(qū)前方水袋的激發(fā)時間確定為1 250 ms，激發(fā)爆炸水袋的電子雷管并聯(lián)在爆區(qū)整體起爆網(wǎng)路上組成完整的并聯(lián)起爆網(wǎng)路。

圖4 降塵試驗爆區(qū)精準起爆時間和爆炸水袋布置設(shè)計圖

4 爆炸水霧場降塵效果測定

用高速攝影技術(shù)對降塵試驗爆區(qū)的水霧抑塵效果進行觀測，爆炸水霧場形成和爆破蘑菇塵云的實時降塵動態(tài)過程如圖5所示，圖5中顯示臺階上部水袋激發(fā)形成的水霧場與爆破蘑菇云同步生成，實時覆蓋蘑菇塵云；坡面前部水袋激發(fā)形成的水霧場及時攔截了爆破蘑菇煙塵云的橫向擴展，高強度的爆炸水霧場實時吸附粉塵、同步中和有毒炮煙，可見黑色蘑菇云轉(zhuǎn)化成淺灰色的明顯降塵效果。

圖5 爆炸水霧場覆蓋、攔截爆破蘑菇煙塵云實況圖

用FCS-30粉塵采樣儀對試驗爆區(qū)的水霧降塵試驗效果進行了測定，降塵效果為：1)距爆區(qū)50 m處粉塵濃度由無降塵爆破時的135.231 mg/m3降為93.537 mg/m3，粉塵濃度降低了44.6%；2)距爆區(qū)100 m處粉塵濃度由76.341 mg/m3降為54.234 mg/m3，降低了40.8%；3)設(shè)計爆炸灑水28.6 t，單位爆破降塵平均耗水量為0.236 kg/t。

5 結(jié)論

露天礦爆破產(chǎn)生大量的有毒炮煙和粉塵，受爆破作用理論和飛石等安全因素影響，對爆破蘑菇煙塵云生成的初期特性缺乏深入了解，致使爆破粉塵至今無有效治理措施。利用數(shù)值模擬技術(shù)對露天爆破蘑菇煙塵云的產(chǎn)生及初期擴展特性進行研究，提出了爆炸高速水霧場生成及源頭同步降塵技術(shù)方案，進行了生產(chǎn)爆破現(xiàn)場降塵試驗，大幅降低了爆破煙粉塵云的濃度和擴散范圍，為露天礦綠色開采和露天低粉塵爆破創(chuàng)造了良好條件。

1)有毒炮煙和高濃度粉塵組成的爆破蘑菇煙塵云的初期高度由上部臺階升騰的煙塵決定，臺階坡面拋擲和爆區(qū)長度方向的粉塵決定了煙塵云的初期空間范圍，爆破煙塵云靠慣性進入采場和大氣環(huán)境，后期擴散受自然氣候條件控制。

2)用導(dǎo)爆索束激發(fā)塑料筒型水袋可以形成一定空間范圍瞬時高強度噴灑的高速爆炸水霧場，按照“上部覆蓋、坡前攔截、同步生成、就地吸附”的布置原則，在爆區(qū)內(nèi)和臺階坡面前適當布設(shè)爆炸水袋，與爆區(qū)一次起爆合理延時可以形成高強度噴灑爆炸水霧場，對爆破有毒炮煙和粉塵進行源頭同步有效治理，為露天礦綠色開采提供了一種新環(huán)保技術(shù)。

3)白云鐵礦露天大直徑深孔臺階爆破現(xiàn)場降塵試驗顯示距爆區(qū)50 m處的粉塵濃度降低了44.6%，距爆區(qū)100 m處粉塵濃度降低了40.8%，爆炸水霧降塵技術(shù)對露天礦低粉塵爆破和綠色開采具有重要社會環(huán)境效益。