露天礦爆破(煙)粉塵的爆炸水霧降塵技術研究

趙永崗 王德勝 秦鵬淵 高玉璞 張 麗 李永華

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

露天礦山開采的各個工藝環節都產生粉塵污染,通常穿孔、鏟裝礦巖石、礦用汽車運輸和排土過程中產生的粉塵擴散慢,通過灑水沁潤、噴淋吸附可取得較好降塵效果。研究及現場測試表明露天礦90%以上粉塵污染是由爆破破巖過程產生的有毒炮煙和粉塵引起的[1-7],至今仍無有效治理措施。近年來,礦山隨著綠色開采和可持續發展等環保理念的深入,國內外學者對爆破炮煙和爆破粉塵及治理技術研究已成為綠色開采的熱點和技術難點。露天礦爆破炮煙和粉塵具有瞬時產生、濃度高、擴散速度快和毒害性強的特點,傳統的灑水、噴淋降塵技術措施因無法靠近爆區污染源頭和與粉塵產生過程不能同步等缺陷不能用于爆破煙粉塵治理,文獻[8-12]提出了在被爆破臺階表面預先灑水沁潤和用水袋部分填塞炮孔的治理方法,取得了一定的治理效果。文獻[13-14]探索了在爆區臺階表面布設爆炸水袋治理露天礦山爆破粉塵的應用嘗試,對礦巖爆破粉塵治理具有同步性和污染源頭治理的優勢,但對不同露天爆破形式和爆區起爆方式特別在電子雷管起爆網絡普及的條件下,爆炸水霧源頭同步降塵和露天爆破關鍵技術參數合理匹配的統籌考慮欠缺,針對目前露天礦普及電子雷管起爆的爆破炮煙和粉塵治理理論指導空白。

綜合來看對露天礦爆破炮煙和粉塵控制技術是礦山綠色開采的研究熱點和難點,傳統的地面預灑水沁潤只能減少爆破礦巖表層的產塵量;炮孔填塞段上部用水袋填塞,則受填塞材料沖擊強度和方向限制,形成水霧范圍難以與彌散整個爆區的高濃度、強擴散爆破炮煙和蘑菇塵云匹配,傳統降塵方法無法對爆破炮煙和粉塵的主要產生方向——臺階坡面拋擲方向進行降塵,降塵效果大打折扣。對爆破污染源頭降塵的作用機制、爆炸水袋的布設原則和關鍵技術參數的確定尚需進一步探討。爆炸水霧降塵對電子雷管精準起爆條件下水袋布置設計及關鍵技術參數確定尚欠缺直接理論指導。本研究針對白云鐵礦臺階深孔電子雷管精準逐孔起爆條件,提出了“拋擲前方阻攔、爆區上部平臺覆蓋、爆破煙塵與爆炸水霧同步生成,就地吸附捕捉粉塵、稀釋中和炮煙的降塵技術方案,探索爆破炮煙和粉塵源頭治理的設計原則、關鍵技術和應用方法,通過正交試驗和現場降塵試驗來確定爆炸水霧成型技術和降塵關鍵技術參數,以期實現爆破炮煙和粉塵的源頭有效治理,助力露天礦山綠色開采技術發展。

1 露天礦爆破炮煙和粉塵治理的技術難題及治理原則

露天礦爆破煙塵的產生不同于其他工藝環節中的粉塵,在爆破破巖和對破碎巖塊的拋擲堆積過程中,炮孔內炸藥爆轟引起臺階地面震顫激起表面粉塵;巖石被破碎致使臺階膨脹鼓包隆起,鼓包破裂產生炮煙和粉塵;孔內填塞物料被沖擊壓縮和上沖產生炮煙和高速粉塵云;沿臺階坡面起爆方向,破碎巖塊被拋擲、相互撞擊、落地堆積過程也產生大量粉塵。上述各個過程都呈現與爆炸荷載高速作用高度關聯的特征,對露天深孔DIC 觀測研究發現爆破粉塵具有如下特征:①炮煙等有毒氣體和礦巖粉塵顆粒混雜;②炮煙和粉塵濃度高;③炮煙和粉塵向外擴展速度快,快速彌漫采場,靠慣性作用進入大氣環境。

爆破炮煙和粉塵治理的難題體現在:①炮煙和粉塵在破巖、拋擲過程中產生,傳統的灑水噴淋、礦用水炮車等不能靠近爆區而無法實施;②預灑水沁潤爆區表面不僅對炮孔內的非防水炸藥安全準爆和電力起爆網絡安全傳爆有不利影響,而且預灑水只能沁潤臺階表面淺層巖體,對于爆破粉塵的主要產出部位、方向不能形成實質性的降塵作用;③在電子雷管精準逐孔起爆的露天爆破新技術趨勢下,缺乏精準起爆形成的瞬時自由面所確定的炮孔拋擲方向、煙塵生成性狀及擴展特性的爆炸水霧匹配技術。故本研究將針對露天礦臺階深孔爆破的蘑菇炮煙和粉塵云的高效治理技術進行探討,提出如下技術解決原則。

(1)爆炸水霧全場覆蓋技術。基于露天爆破現場高速DIC 測試結果,按照爆破炮煙和粉塵云的生成擴展特征,在臺階上部、設計起爆零點方向的前方布設相應數量和形式的水袋,在爆破炮煙和粉塵云形成的過程中實時激發水袋,形成覆蓋全爆破區域及拋擲范圍蘑菇(煙)塵云的爆炸水霧場,整體包覆爆破蘑菇(煙)塵云,實現全場景的爆破煙塵治理目標。

(2)爆炸水霧與爆破煙塵的同步生成技術。在保證爆區起爆網絡安全準則條件下,依據現場高速DIC 測試結果設計爆炸水袋定型尺寸和精準起爆激發時間,實現爆破煙塵蘑菇云與爆炸水霧場的同步生成及實時源頭治理。

(3)爆破煙塵的源頭濕式就地捕捉、吸附和中和技術。爆破有毒炮煙主要成分有CO、CO2、氮氧化物(NO+ NO2)等和粉塵顆粒均具有親水性,在爆破(煙)塵云產生的同時,實時形成覆蓋全場的爆炸水霧場,實施霧化水場對爆破有毒炮煙和粉塵顆粒的同步實時就地吸附、炮煙稀釋中和和粉塵捕捉治理,實現污染源頭的根本治理。本文介紹露天臺階爆破煙塵的爆炸水霧降塵技術和相關試驗研究。

2 爆炸水霧場生成正交試驗

依據白云鐵礦爆破作業和現場氣候條件,用塑料薄膜制成直徑?300～350 mm的空心筒袋,普通導爆索(藥芯為黑索金或泰安,裝藥量12.0～14.0 g/m)鋪設在筒袋下方,注滿水后用電子雷管起爆導爆索激發水袋形成射向空中的爆炸水霧場,作為爆破降塵的水源場。

影響爆炸水霧形成效果的因素很多,最主要的影響因素是爆炸荷載、水袋直徑和塑料膜的壁厚,這些因素的影響相互交織在一起,要單獨考察它們對爆炸水霧形成效果的影響顯然比較困難。為綜合考察這些因素的影響,盡可能減少試驗次數,采用正交試驗法來制定爆炸水袋優化尺寸定型和水霧場規模的試驗方案。對不同爆破荷載(1、2 和3 根導爆索)、水袋尺寸(?300、?325 和?350 mm)和塑料膜厚(8、17 和20 絲)等工況條件在爆炸荷載作用下的水霧顆粒拋擲軌跡和空中持續時間等進行現場試驗,用高速DIC技術測定生成水霧場的空間形態和拋擲軌跡,摸清水介質顆粒的起揚規律,確定爆炸水袋定型、水霧場的規模及特性,試驗方案及結果見表1。

表1 爆炸水霧試驗方案及效果指標Table 1 Explosion water spray test plans and effect indexes

采用SPSS 計算軟件分別對爆炸水霧場高度、寬度以及水霧空中持續時間進行多因素方差分析,依據分析結果最終確定合理的水袋規格為直徑325 mm、塑料膜厚度為8 絲,對應起爆的爆炸荷載為3 根并列普通導爆索,即可形成橫截面8.70 m ×12.40 m 的爆炸水霧場,水霧在空中持續時間可達3.6 s,為爆破蘑菇煙塵云爆區源頭同步降塵、吸附和中和可提供有效水霧支撐基礎條件。

3 爆破煙塵的爆炸水霧降塵設計及現場試驗

(1)深孔爆破設計。試驗爆區位于白云鐵礦主采場南幫1 416 m 水平,臺階高度15 m,被爆巖體為云母片巖。設計用牙輪鉆穿鑿?310 mm炮孔,孔排距為8 m×6 m,三角形布孔,依據現場條件爆區布置7～8 排炮孔,炮孔超深1.5～2.0 m。大部分炮孔內有水,水深3～4 m 不等。炮孔裝填現場混裝乳化炸藥,單孔裝藥量800～950 kg,前排炮孔按照實際最小抵抗線調整藥量。用水孔空氣水間隔器實施上部間隔控制炮孔堵塞長度6.0～6.5 m,填塞機扒推鉆孔巖粉堵塞炮孔。設計電子雷管精準逐孔起爆裝藥炮孔,第一排中間炮孔設為起爆零點,同排炮孔間延時45 ms,排間孔延時65 ms。爆區炮孔布置及炮孔精準起爆延時設計如圖1所示。

(2)爆炸水霧降塵設計。爆區設計以第一排中間炮孔為零點的V 型起爆,現場試驗設計爆區一側布置爆炸水霧降塵,另一側不做降塵處理,進行同等巖性、爆破條件下降塵與非降塵效果對比試驗。按照“前方阻攔、爆區覆蓋、同步生成和就地吸附”的原則,降塵側爆區前方布置2 道爆炸水袋,爆區內布置4條爆炸水袋,降塵爆炸水袋的布置設計如圖1所示。

圖1 爆區精準逐孔起爆和爆炸水霧降塵布置設計Fig.1 Accurate initiation design of blasthole and design drawing of explosion water mist dust reduction layout

依據臺階爆破巖體的高速DIC 測試結果,爆區內水袋的起爆激發延時取該水袋對應的最后排炮孔的起爆延時時間;爆區前方的2 列水袋的激發時間按照破碎巖塊的初速度、拋射角及水袋與坡底線的距離確定為1 300 ms,激發爆炸水袋的電子雷管并聯在爆區整體起爆網路上組成完整并聯起爆網路。

4 爆炸水霧降塵效果觀測

4.1 臺階深孔爆破煙塵的爆炸水霧降塵DIC 測定

對爆區降塵效果進行了DIC 現場觀測,測試頻率為60 FPS。測試結果顯示,爆區前方爆炸水袋激發形成的水霧場與前沖爆破煙塵蘑菇云同步形成,形成的高速水霧場等效于一道高速水霧幕簾實時有效攔截了爆破蘑菇煙塵云的前沖擴展;爆區內的爆炸水袋被激發后形成了覆蓋抑塵側的上部水霧場,實時對快速上升的爆破蘑菇煙塵云及時就地覆蓋,前方阻截的水霧場和上部覆蓋水霧場共同組成了覆蓋設計抑塵側的整體空間水霧場,總重量達29.1 t 水被瞬時激發形成了寬厚的水霧場同步實時就地吸附、中和爆破煙塵,爆破蘑菇煙塵呈現明顯的輕灰色煙塵效應(見圖2),與未布置降塵爆炸水袋側的濃密黑色蘑菇云團形成鮮明對比,污染源頭直接降塵效果明顯。

圖2 爆炸水霧場降塵效果實況Fig.2 Dust removal effect of explosive water mist field

4.2 爆炸水霧降塵效果測定

用FCS-30 粉塵采樣儀對試驗爆區兩側對比區域的粉塵濃度進行了現場測定,降塵區一側與非降塵區粉塵濃度測試結果:①距離爆區50 m 處粉塵濃度由165.832 mg/m3降為113.333 mg/m3,粉塵濃度降低了46%;②距離爆區100 m 處粉塵濃度由96.673 mg/m3降為70.423 mg/m3,降低了37%。爆破后現場觀察可見降塵區一側的爆堆表面經爆炸水霧噴灑,爆堆表面濕潤,為下一步的電鏟作業粉塵控制創造了有利條件。

5 結 論

露天(礦)爆破產生大量有毒炮煙和粉塵,傳統灑水噴淋和礦用水炮車因安全因素無法靠近爆破區域實施,地面灑水沁潤和用水袋封堵炮孔(水霧范圍小)只有局部作用,降塵效果不明顯。對白云露天礦臺階深孔爆破DIC 觀測分析研究表明,爆破蘑菇煙塵具有坡面拋擲為主、臺階頂部上升為輔的特點,本研究提出了“前方阻攔、爆區覆蓋、同步生成、就地吸附”的爆炸水霧場降塵技術方案,現場降塵試驗結果表明,爆炸水霧可以降低粉塵濃度和擴散范圍,是露天礦綠色開采和露天爆破低粉塵產出的關鍵技術。

(1)壁厚8 絲塑料薄膜制成直徑?325 mm的空心筒袋,注滿水后用3 根并列普通導爆索起爆激發能形成斷面8.7 m×12.4 m 的爆炸水霧場,水霧在空中持續時間可達3.6 s,為露天爆破濕式降塵提供了有效的爆炸水霧條件。

(2)白云鐵礦現場降塵試驗證實在爆區臺階頂部,同排炮孔間跨越前后排按照14～16 m 間距布設爆炸水袋,電子雷管與水袋對應的最后排炮孔起爆時間同步起爆激發能形成覆蓋爆區上方的水霧幕場。

(3)基于臺階深孔爆破的DIC 測試的前沖距離、破碎巖石的初速度、拋射角度、落地時間、爆破煙塵的升騰時間和范圍等因素,以起爆零點為中心對應1.3～1.5 倍臺階高度距離到前排一側端點1 倍臺階高度距離布置2 道爆炸水袋,間距6～8 m,爆區起爆后延時1 300 ms 激發爆炸水袋能形成寬厚的水霧幕簾墻,可有效攔截爆破蘑菇煙塵的前沖擴散,降低爆破蘑菇塵云的粉塵濃度和擴散范圍。

(4)用FCS-30 粉塵采樣儀對試驗爆區兩側對比區域的粉塵濃度測定結果顯示,爆炸水霧降塵使距爆區50 m 處的粉塵濃度降低了46%;距離爆區100 m處的粉塵濃度降低了37%;爆破粉塵的擴散范圍顯著降低,對露天礦山綠色開采和露天爆破低污染治理具有重要現實意義和良好的社會環境效益。