露天臺階爆破粉塵的爆炸水霧場攔截降塵技術研究

馬 超 王德勝 郭 賓 李永華 王宏飛 丁 科

(1.北京科技大學土木與資源工程學院,北京100083;2.包鋼(集團)公司白云鄂博鐵礦,內蒙古 包頭014080)

隨著國民經濟的快速發展，礦產資源的需求量急劇增加，推動了礦山產能的提升。鉆爆法通過機械鉆孔和裝藥爆破的方法實現巖石的高效破碎，是礦山開采的重要手段。常規爆破開采不可避免地產生大量粉塵，這些高濃度粉塵對作業人員的生產活動和身體健康產生了巨大危害。因此，采取科學高效的降塵措施是建設綠色礦山的關鍵[1-4]。露天臺階爆破的粉塵具有瞬時性、濃度高、擴散快等特點，傳統灑水降塵方法無法同步實施[5-6]，其粉塵治理難度極大[7]。對此，國內外學者相繼提出了灑水預濕地表、遠距離噴霧除塵和爆炸水袋等濕式除塵技術[8]。具體來說，文獻[9-11]設計了一種內置導爆索的水袋，通過模擬和試驗研究了導爆索位置對爆炸水霧降塵效果的影響。李文軍等[12]、曹勇等[13]提出了深孔臺階爆破水袋封堵降塵方法，對水袋規格和水袋填塞位置展開了研究;郝成磊等[14]、郭堯等[15]提出了臺階爆破地表鋪設水袋就地降塵法，通過模擬和試驗得出了新型泡沫發生裝置和雙水袋的合理起爆延期時間;楊年華等[16]設計了立體水霧降塵模型，對水袋爆炸成霧的影響因素進行了試驗研究，確定了合理的水袋爆炸成霧設計參數。

綜合分析已有成果可知，爆炸水霧降塵方法能夠實現露天臺階爆破的高效降塵，是一種有前景的綠色環保新技術。但該類技術的實施還需要分別解決“時間”和“空間”層面的兩個關鍵問題:一是爆炸水袋的合理空間布置，二是爆炸水霧場的合理激發時間。為此，本研究針對露天臺階爆破粉塵治理難題，結合數值模擬和現場試驗方法，進行爆炸水霧場攔截降塵技術研究，探究爆炸水袋的合理空間布置和爆炸水霧場的合理激發時間，以期為爆破粉塵的高效治理提供技術依據。

1 爆炸水霧場與爆破粉塵生成特性數值模擬研究

1.1 模型構建及邊界條件設定

本研究采用Solidworks軟件構建露天臺階流場三維幾何模型，并利用Fluent軟件模擬研究爆炸水霧和爆破粉塵的生成及運移過程。為方便分析，對流場進行相應簡化，并進行網格劃分。爆炸水霧模擬對網格的精度要求高，為提高計算效率，對模型尺寸進行了縮減，具體模型尺寸如圖1、圖2所示。其中，露天臺階坡面角為70°，臺階高度為15 m。圖1中下部臺階底面水袋設為水霧顆粒速度入口，圖2中模型左側設為風流入口，上部臺階中爆區位置和臺階坡面設為粉塵顆粒速度入口。

圖1 爆炸水霧場幾何模型Fig.1 Geometrical model of explosion water mist field

圖2 爆破粉塵幾何模型Fig.2 Geometric model of blasting dust

為直觀地顯示模擬結果，分別對爆破粉塵和爆炸水霧場生成過程進行研究。參考相關成果[17-18]，確定模擬研究所需基本參數，對模型網格進行自適應調整，相關參數取值見表1。

表1 計算模型基本參數Table 1 Basic parameters of calculation model

1.2 爆炸水霧場生成及特性

爆炸水霧場生成條件設置見表2，工程實踐中的水霧是通過導爆索爆炸激發袋裝水霧化形成的，數值模擬將其等效為空間噴射水顆粒，爆炸水霧場生成的模擬效果如圖3所示。

表2 爆炸水霧場計算模型參數設定Table 2 Parameters of calculation model for explosion water mist field

由圖3可知:水霧場最大高度達18.9 m，最大寬度為9.2 m，水霧噴射至最大高度所需時間為1.21 s。在近地面6 m范圍內，隨著噴射高度的升高，水霧濃度逐漸呈遞減趨勢。另外，當爆炸沖擊波初始拋射力耗盡時，水霧開始回落，并出現小范圍水霧聚集，水霧場濃度也短暫升高。

圖3 爆炸水霧場模擬效果Fig.3 Simulation effects of explosion water mist field

1.3 爆破粉塵生成及特性

露天被爆巖石發生破碎、碎塊碰撞及拋擲堆積，從而產生大量粉塵。爆破粉塵相關初始條件設置見表3，爆破粉塵生成模擬的初期結果如圖4所示。

表3 爆破粉塵計算模型參數設定Table 3 Parameter setting of blasting dust calculation model

由圖4可知:被爆巖體破碎瞬間產生大量粉塵，隨著爆轟氣體自地表急速溢出沖入大氣，聚集在爆區臺階上方和臺階坡面前方形成粉塵蘑菇云。隨著初始動能逐漸消耗，爆破粉塵以慣性進入大氣環境。由于其運移軌跡受到風流控制及重力影響，粉塵云開始朝下風向漂移，縱向躥升高度逐漸減小，橫向擴展距離逐漸增大。爆破粉塵初期特性如圖5所示。

圖4 爆破粉塵運移距離L和高度H隨時間t的變化情況Fig.4 Variation of blasting dust migration distance L and height H with time t

圖5 爆破粉塵運移時間與粉塵縱向躥升高度及橫向擴展距離的關系Fig.5 Relationship between blasting dust migration time and dust vertical jump height and horizontal expansion distance

2 爆炸水霧場攔截降塵技術方案

2.1 爆炸水霧場攔截降塵技術

根據露天臺階爆破粉塵生成的模擬研究成果，在粉塵產生的初始階段濃度較高，以爆區為基礎的空間形態范圍較小，防治范圍較小。結合爆炸水霧場的模擬研究成果分析認為，在臺階坡面前方合理布設水袋，適時激發，依靠爆炸水霧場的強噴射和高加速特性，可以實現對爆破粉塵的及時攔截吸附治理，為此，本研究提出了爆炸水霧場攔截降塵治理技術方案。

2.2 爆炸水霧場激發合理延時確定

依據爆炸水霧場和爆破粉塵生成特性模擬研究結果，水霧場在t=1.21 s時，噴射最大高度為18.9 m;爆破粉塵在t=3.03 s時，躥升高度為19.3 m，橫向擴展距離約21 m，故水袋需布置在臺階坡面前21 m內;若水袋布置距離臺階坡面過近，拋擲的破碎礦巖塊會損毀水袋。綜合考慮破碎巖塊的初始拋射速度、拋射角度及從臺階不同高程處開始拋射的情形，將爆炸水袋布置在臺階坡面前方16～21 m位置較合理。

根據粉塵生成模擬結果，得到爆破粉塵運移時間t與橫向擴展距離L之間的多項式回歸曲線(圖5)，兩者函數關系可表示為

根據水霧降塵機理[18]，水霧與粉塵的相互作用時間越長，水霧降塵效率越高。由于爆炸水霧在空中擴散滯空時間較短，而爆破粉塵云擴散持續時間相對較長，所以爆炸水霧場合理激發時間的確定至關重要，以便實現兩者在時空上的最大接觸，實現最大效率地降塵。若激發時間過早，粉塵未擴散到水霧前方，水霧已達到最高點，并開始降落蒸發，無法有效攔截粉塵;若激發時間太遲，粉塵已擴散到水霧前方，而水霧未達到最高點，同樣不能有效攔截粉塵，如圖6所示。根據上式確定的爆炸水霧激發合理延時為

圖6 爆炸水霧與粉塵云時空合理匹配示意Fig.6 Schematic of reasonable spatiotemporal matching between explosive water mist and dust cloud

3 爆炸水霧場定型試驗

根據爆炸水霧生成特性模擬研究結果，評價爆炸水霧場生成效果的主要指標為水霧高度、水霧寬度和噴射上升時間。爆炸水霧場生成效果主要受水袋直徑、水袋厚度和爆炸荷載大小的影響，這些因素對爆炸水霧場的影響相互關聯。為了提高試驗效率，本研究設計了L9(33)正交試驗，研究各因素對水霧場生成效果的影響，試驗共計9組，水袋構成要素如圖7所示，試驗結果見表4。

圖7 爆炸水袋構成Fig.7 Components of the explosive water bag

表4 不同因素對爆炸水霧場生成效果的影響Table 4 Influence of different factors on the formation effect of explosive water mist field

試驗顯示，水介質在爆炸沖擊波的作用下經過加速拋擲、拉伸成團及沖擊霧化的過程，在該過程中水介質發生了兩次破碎，現場試驗效果如圖8所示。

圖8 試驗水霧效果Fig.8 Test ffects of water mist

本研究采用SPSS計算軟件進行多因素極差分析，分析結果見表5。將水霧高度、水霧寬度和噴射上升時間作為評價指標，對數據進行分析可知，各指標的優化組合均為A2B1C3，生成的水霧場高度為18 m、寬度為8.7 m、噴射上升時間為1.20 s。

表5 爆炸水霧場多因素極差分析結果Table 5 Multifactor range analysis results of explosive water mist field

4 爆炸水霧場降塵現場試驗

4.1 試驗方案

爆炸水霧降塵試驗在白云鄂博鐵礦1 416 m水平S幫實施，對比研究同爆區有、無降塵措施下的粉塵濃度及擴散情況。經風速儀現場測量，本次爆破作業平均風速為1.5 m/s，爆破作業區域大小為120 m×50 m(長×寬)，總炸藥消耗量53 t。結合現場實際條件，水袋布置在臺階坡面前18.5 m處，確定爆炸水霧場激發合理延時Δt=1 100 ms。在距爆區50 m和100 m處各布置2臺測塵儀，水袋和儀器、現場試驗器材布置如圖9所示。

圖9 現場試驗器材布置示意Fig.9 Schematic of field test equipment arrangement

4.2 降塵試驗測試結果及分析

利用攝像機拍攝的爆破水霧場降塵過程如圖10所示，通過對測塵儀采集的粉塵數據分析發現，距離爆區50 m處，無水袋布置區粉塵濃度為165.832 mg/m3，水袋布置區粉塵濃度為93.537 mg/m3，爆破粉塵濃度降低了43.6%;距離爆區100 m處，無水袋布置區粉塵濃度為96.673 mg/m3，水袋布置區粉塵濃度為57.144 mg/m3，粉塵濃度降低了40.9%。降塵結果分析表明:爆炸水霧場可以對爆破粉塵進行有效攔截捕捉，粉塵濃度下降明顯，爆炸水霧場攔截降塵技術效果顯著。

圖10 水霧降塵效果Fig.10 Effects of dust removal by water mist

5 結 論

(1)結合白云鄂博鐵礦臺階爆破粉塵擴散及爆炸水霧場生成的數值模擬分析，提出了爆炸水霧場攔截降塵技術方案，分析并確定了水袋在臺階坡面前16～21 m的合理布置范圍和水袋合理激發延期時間。

(2)水霧場定型試驗確定了爆炸水袋的優化構成組合為A2B1C3，生成的水霧場高度為18 m、寬度為8.7 m、水霧噴射上升時間為1.2 s。爆破水霧降塵試驗中，水袋布置在臺階坡面前18.5 m處，計算的爆炸水霧場激發合理延時Δt=1 100 ms。試驗結果顯示:距爆區50 m處，粉塵濃度降低了43.6%;距爆區100 m處，粉塵濃度降低了40.9%。

(3)本研究尚存在不足之處，冬季水介質易結冰，影響降塵試驗效果，后續工作中將針對抗凍水溶液配方進行研究。