某露天礦深孔爆破降塵實踐

卜天宇，張雪中，陶翠林，張繼榮

1 引言

某大型水泥廠配套的石灰石D礦山，年產礦石250萬噸左右，礦山西南方向距離某即將投入運行的大型機場主跑道約1.3km左右。在機場開通運營前3個月，所在地空港區政府通知水泥廠，廠區內煙囪高度超過機場凈空要求1m左右，所屬礦山的爆破揚塵可能會影響通航安全，需要采取措施。廠方立即進行塵源分析和降塵方法探討，形成了降塵方案并進行了試驗，取得了較好的降塵效果。

2 塵源分析

礦山地處高原，除位置距機場較近外，相對高度也比機場高20～30m。其深孔爆破后粉塵量大，在風流影響下，擴散范圍廣，漂移時間長。圖1是起爆75s后，該礦山一次普通深孔爆破的粉塵漂移情況。可以看出，從爆區到500m外的機場位置方向，均為揚塵所覆蓋。分析露天深孔爆破揚塵的塵源，包括既有塵源和新生塵源兩類。

2.1 既有塵源

主要來自三個方面：（1）鉆機穿孔巖粉。穿孔巖粉量一般隨孔徑、孔深的增大而增大。D礦采用15m臺階、165mm孔徑鉆機，穿孔巖粉量較大。（2）礦巖內部構成。一是充填膠結于硬質巖石裂隙和軟弱層部位的細粒，二是礦床內某些巖層的巖相特征本身呈微粒結構。例如D礦的圍巖層（P1d層，見圖2），主要由品位較低的高鋁巖土構成，團粒呈微粒結構，構成接觸層深孔爆破既有塵源的一部分。（3）以前爆堆殘留。以前爆破的爆堆在鏟裝后，會殘留許多巖粉在臺階坡面和爆區地表，對當次爆破而言，是“已存在”的粉塵。

圖1 起爆75s后爆破粉塵漂移情況（側視）

圖2 圍巖層P1d層高鋁礦物的細粒結構（虛線內深色部分）

圖3 臺階爆破作用過程

2.2 爆破新生塵源

根據目前主流的爆破巖體破壞理論，臺階爆破作用過程大體可以分為三個階段[1]：第一階段，徑向壓縮階段。爆炸后在沖擊波和爆生氣體的壓縮作用下，以藥包為中心，由近及遠形成壓碎區和裂隙區；第二階段，沖擊波反射階段。在自由面，入射波和反射波相互疊加作用，進一步擴大巖石裂隙并形成片落層；第三階段，爆生氣體膨脹做功階段。爆生氣體膨脹，破碎巖石形成鼓包運動，并在位移過程中相互碰撞，得到進一步破碎。整個過程如圖3所示。不論是壓碎、裂隙的產生，還是片落、碰撞，均伴隨大量的粉塵產生。遺憾的是，我們現場缺乏手段來精確測定以上各塵源對深孔爆破揚塵的貢獻率。

爆破時在塌落氣浪、爆生氣體以及外界空氣流的多重作用下，各塵源被拋揚擴散，形成爆破揚塵。

3 降塵方法探討

邏輯上，降塵可以從兩個方面入手：一是爆前和爆破過程中對塵源的減少和控制；二是爆后對粉塵擴散過程和途徑進行抑制。

3.1 爆前

減少鉆機穿孔巖粉最有效的辦法是利用鉆機收塵設施收集巖粉后，爆前移除到排土場或加工廠（如果可以利用）[2]；出露于爆區地表的巖石微粒以及以前爆堆的殘留微塵，可以通過爆前噴淋預濕的方法減小其飄揚的比率[3]；對于巖體內部的裂隙、結構面內的微粒，目前尚無有效的預處理辦法。簡而言之，爆前的措施主要是對爆區表面已存在塵源進行移除和控制。

3.2 爆中

爆破初期產生的壓碎區，不僅不利于粉塵的控制，同時由于能量消耗巨大，也不利于對整體巖石的破碎。因而，不論是從提高爆破效果還是塵源控制角度來講，均有必要減小壓碎區的范圍，常見措施有小直徑炮孔、不耦合裝藥等。由于徑向不耦合對爆破塊度影響大，而合適的軸向不耦合—空氣間隔已被許多實踐證明可減小壓碎區并改善爆破效果，但在隨后的裂隙區和巖石碰撞過程中，控制塵源和減小爆破塊度卻不能兼得。若要控制塵源，要么提高整體塊度（大塊率），要么在整體塊度不變的前提下，減少微粒分布比率，本質上是在粉塵控制與爆破塊度以及爆破成本和后續工序成本之間尋找最佳平衡點。當爆破存在過粉碎現象時，“平衡點”則相對容易把握，適度降低單耗即可；當不存在過粉碎現象或者消除了這一現象時，則需通過孔網優化、改善裝藥結構、選擇波阻抗匹配的炸藥[4]等多種手段來改善塊度分布，減少微粒分布比率。

3.3 爆后

主要是對粉塵擴散過程和途徑進行抑制，目前常用手段是利用普通水霧或者有添加劑的水霧來捕集。

綜合上述，深孔爆破降塵可從以下幾個方面嘗試：

（1）巖粉移除；

（2）預濕爆區；

（3）小孔徑爆破；

（4）空氣間隔裝藥；

（5）減小單耗；

（6）改善塊度分布（孔網、裝藥結構、炸藥品種等的優化）；

（7）水霧捕集。

4 降塵試驗方案

在上述分析的基礎上，D礦決定分步進行嘗試，以尋求最佳途徑和效果。鑒于實際操作時間距機場通航日不到2月，短期內不可能通過更換鉆機來減小孔徑；同時，炸藥受當地民爆公司供應限制，選擇范圍很小，因此，此次暫不考慮小孔徑爆破和優化炸藥品種方案。

4.1 試驗方案一

（1）穿孔粉塵排移。爆前提前一天人工配合鏟運機，將穿孔巖粉運到排土場填埋處理，避免二次揚塵。

（2）爆區預濕。爆區和臺階坡面裝藥前2～3h，用灑水車噴水預濕，使地面浮塵、巖粉呈糊狀、半糊狀，以達到固塵目的。

（3）優化孔網，逐步摸索將單耗降低、同時改善塊度分布的措施。現場調查發現，D礦的深孔爆破雖然采用抗水性能良好的乳化炸藥，選用國產導爆管雷管逐孔起爆，但相對一般石灰石0.15～0.20kg/t的單耗偏高，達0.25kg/t，爆破也存在過粉碎現象（見圖4）。

通過KUZ-RAM數學模型工具[5]進一步分析表明，在抵抗線不變的情況下，將孔距增加0.5m，即嘗試將目前的主孔網從3.5×5.5、4×5，分別提高到3.5×6、4×5.5，可減少0.5m以下、特別是0.2m以下塊度的分布比例（見圖5）。盡管從數值上看，塊度的分布比例降低不大，但對粉塵的拋揚控制作用不可低估。

（4）改變充填材料。國外某些研究表明，對較大孔徑的炮孔，穿孔巖粉充填效果差，最佳的充填材料是5%孔徑的破碎石子，其比重和摩擦力可保證良好的充填效果[6]。因此決定充填采用公分石取代穿孔巖粉，以期減少揚塵的同時改善爆破效果。公分石從位于D礦山自有骨料廠獲得，爆前直接用裝載機運到爆區。

（5）采用空氣間隔裝藥。通過減少單耗，改善或維持爆破效果來降低粉塵新的形成量。間隔長度初步確定為～1m，間隔器由外購取得。

（6）在爆區表面每排炮孔間敷設長條水帶。水帶由直徑50cm的桶狀塑料袋在市面上訂做而成，現場自由裁剪長度，用灑水車充裝后打結封堵。

現場經過兩次嘗試后，揚塵得到很大改善，但是也發現：a敷設水帶方法費時、費力，且效果非常有限。爆后絕大多數水帶沒有充分破損，沒有拋灑形成水霧。如果采用額外藥包來爆破水帶，又會帶來破壞地表連接網路的風險，也會增大爆破聲響，得不償失，周邊環境不允許；b空氣間隔器放置過程較慢，有時要反復測量才能確定放置位置和間隔長度，延長了爆破作業時間。

圖4 未采取措施前的爆破過粉碎現象

圖5 Kuz-Ram模擬各種孔網下的結果

4.2 試驗方案二

在試驗方案一的基礎上適當進行調整：（1）拋棄爆區地表敷設水帶做法；（2）改空氣間隔裝藥為水間隔，間隔長度為1～1.5m。資料表明，水間隔不僅可以改善爆破效果，而且可以降塵[7]。一是水的霧化可捕集粉塵；二是水間隔可減少炸藥用量，一定程度上減少了爆破次生氣體總量和壓碎圈作用范圍；三是水具有不可壓縮性，能均勻傳遞爆炸能量，能量損失小，破碎的礦石均勻度好，破碎效率高[8]。間隔水袋的制作也很方便，即從市場訂購120mm直徑長條塑料袋，現場用水車充水后，利用自身柔韌性，打結密封一定長度，比如30～50cm，采用和條藥一樣的方式，用帶勾測繩放入孔內。間隔高度可以通過放入水袋的數量來調節。水袋可提前一天作好堆放在爆區旁待用。（3）在爆區后方5m外（防止后沖）附近架設水噴頭，爆后利用灑水車通過長距離（警戒區外）耐壓水帶，進行噴淋降塵。部分試驗照片見圖6。

嘗試了三次方案二，降塵效果在方案一的基礎上有所提高。圖7是同樣規模的爆破在起爆75s后的揚塵狀況，與圖1未采取措施前形成鮮明對比。

更重要的是，在降塵的過程中，由于孔網拉大、采用間隔裝藥，不僅有效保證了礦山深孔爆破的效果，爆堆整齊、塊度均勻，而且炸藥單耗由原來的0.25kg/t降到了0.17kg/t，降幅達1/3。折合可節約0.88元/t，年可節約220萬元，不僅環保效果明顯，經濟效益也十分顯著。采用降塵措施后，深孔爆破爆堆見圖8。

5 結語

此次實踐方法可概括為以下三點：一是爆前對已有塵土進行移除、固定，如爆前移走鉆機穿孔巖粉、爆區預濕；二是在設計和施工上，通過減少炸藥單耗、減少壓碎圈的過粉碎量來減少新產生的粉塵總量，如孔網優化、KUZ-RAM塊度分析、間隔裝藥等；三是利用水對揚塵進行捕集和抑制，如水間隔、爆后噴淋等。

未來可以在以下方面繼續探索和嘗試：

圖6 部分試驗照

圖7 采取降塵措施后，起爆75s后爆破粉塵漂移情況（側視，與圖1同視角）

圖8 采取降塵措施后，深孔爆破爆堆

（1）采用泡沫添加劑，以增加爆前和爆后噴淋的固化和捕集效果[9]。

（2）小孔徑深孔爆破對過粉碎和爆破粉塵的減弱影響度。

（3）選擇與巖石的波阻抗匹配的炸藥。

（4）優化微差時間是否可減少爆破微粒的影響。

（5）爆后噴淋降塵。

a噴淋點的分布；

b耐壓、防飛石水帶研制；

c高壓水車；

d爆破過程中拋射爆炸水帶、水幕的研究。

（6）采用多點粉塵采樣器、高速攝影機等，對降塵效果進行量化對比分析，如粉塵影響范圍、持續時間、粉塵濃度等。