露天礦山爆破抑塵技術研究與應用

李志鵬，張子祥，榮 輝

(河北鋼鐵集團礦業有限公司，河北 唐山 063000)

0 引言

司家營鐵礦采場爆破主要采用大孔徑牙輪鉆機和潛孔鉆機穿孔、混裝炸藥車現場裝藥、利用高精度導爆管雷管或數碼電子雷管實行毫秒延遲逐孔起爆技術，進行露天深孔臺階爆破施工作業。其爆破具有爆破頻次高、爆破規模小、爆破地點分散的特點。爆破粉塵伴隨爆破瞬間而產生，同時爆破又把地表的粉塵卷揚起來，使得粉塵的濃度增大，而且爆破粉塵粒徑分布范圍大，既有大直徑固體顆粒，也有細微浮游顆粒。同時爆破粉塵具有濃度高、擴散速度快、滯留時間長、在空中分布范圍廣、露天開放性、顆粒小、質量輕、吸濕性一般較好等特點。隨著環境保護要求日趨嚴格，減少爆破對生態環境的破壞和影響已顯得尤為重要。為了保證采場空氣質量符合二級標準限值要求，結合采場現狀和實際生產情況，采取系列抑塵技術措施。

1 水霧覆蓋法抑塵機理及影響因素

1.1 水霧消塵的機理

水顆粒俘獲煙塵顆粒，逐步形成大粉塵團(見圖1)，在重力作用下迅速沉降在爆破區域附近，達到粉塵沉降的目的。水流霧化，產生與煙塵顆粒粒徑相當的微小水顆粒，最大限度地增加水顆粒的表面積，增加俘獲煙塵顆粒的概率，提高消塵效率。

圖1 細水霧潤濕+包裹粉塵形成霧滴塵團使粉塵沉降機理

用水霧覆蓋爆破煙塵，因水霧的氣化作用，使該區域空氣濕度接近飽和，具有親水性的粉塵凝結空氣中的水分，形成水化膜，粒子間產生液橋力，在液橋力作用下粒子相互結合，加速粉塵顆粒的聚集。

炸藥爆炸產生高溫，使爆破煙塵具有較高溫度，在浮力作用下飄向高空。水霧覆蓋爆破煙塵，可降低其溫度，進而抑制粉塵粒子的擴散速度，使其不能高飄，進而為水霧消塵提供條件。

1.2 水霧抑塵影響因素

1)爆破作業參數對爆破消塵效果的影響。爆破參數主要包括裝藥量、炸藥單耗、耦合及不耦合裝藥結構、炮孔填塞、孔徑、首排最小抵抗線等。礦山露天深孔爆破常見松動爆破和拋擲爆破兩種，高單耗、首排最小抵抗線小容易形成拋擲爆破。拋擲爆破產生的爆破煙塵量遠大于松動爆破，其擴散范圍更大，消塵難度也更大。

2)風力風向等氣象條件對爆破消塵效果影響。爆破煙塵在后期擴散階段受風力和風向的影響較大。如果爆破作業時有風，就要求提高爆破煙塵在初期擴散時的消塵率。風向與水霧噴射相對，水霧與煙塵作用時間長，有利于消除爆破煙塵。風向與水霧噴射方向相同，煙塵借助風力擴散的更快、更遠，不利于消除爆破煙塵。

3)地質地形條件對爆破消塵效果的影響。爆區巖體的地質特點也會影響爆破煙塵的消除效果。巖體粉塵的親水性直接影響水霧消塵的效果，石灰巖、鐵礦石等巖體粉塵親水性好，煤粉等有憎水性。高邊坡地形不利于爆破煙塵的消除。臺階高度在10～15 m為最佳，過高的臺階高度會使得爆破巖體在推移和下落過程產生更多的煙塵，也容易超出水霧噴射范圍以外。

4)起噴與起爆時間間隔對爆破消塵效果影響。爆破消塵器水霧噴射時間可以持續30 s左右。起爆后1 s起塵，之后噴射狀擴散，約10 s后煙塵轉為自由擴散，并超出爆破區域，即必須在起爆后10 s內控制住煙塵，消除煙塵在初始擴散的萌芽階段，一旦擴散開來擴散將無法控制。爆破作業時，爆破消塵器啟動時間比起爆時間提前5 s為最佳，當炸藥爆炸時水霧已經下落并形成覆蓋。爆破消塵器過早啟動將縮短水霧與煙塵的作用時間而影響消塵效果，爆破消塵器過晚啟動將造成煙塵彌散，導致煙塵擴散范圍超過水霧覆蓋面積，當水霧形成覆蓋時，煙塵已經擴散至覆蓋范圍之外，致使消塵效果變差。

2 爆破方案的優化

2.1 采用新型BHPO預裂爆破法

新型的BHPO預裂爆破法，是通過對預裂孔填塞長度的改革，使爆轟波及爆生氣體壓力降低，更加有效地保護孔壁巖石，減少受沖擊壓縮破壞，爆生氣體存在時間延長，使得成縫裂隙擴展，非導向裂隙閉合，從而提高巖石斷裂成縫的質量；同時實現了預裂孔炸藥的有效利用和導向孔孔網參數的擴大，提高本爆破法的經濟性和實用性。其開裂理論依據為爆破斷裂力學，通過大孔徑炮孔導向作用增加爆破壓應力減少爆破拉應力，提高爆破成縫概率。

BHPO預裂爆破法即大孔徑導向預裂爆破法，它的主要技術路線是基于爆破自由面理論和巖石定向斷裂控制爆破基礎，利用預裂孔與導向孔穿鑿時產生的細小裂隙在預裂孔爆炸壓力的作用下在方向上達到優先起裂、擴展、貫通，達到提高預裂爆破效果的目的。其適于大型礦山機械化高效生產，利于裂隙發育邊坡的安全穩定，見圖2。

圖2 BHPO預裂爆破法示意圖

2.2 預裂爆破優化設計方案

根據前期爆破效果經驗，結合不同巖層結構，設計選取邊坡預裂爆破最優方案，方案中主要對預裂孔、緩沖孔、正常孔三類進行爆破孔網參數設計。采場現有潛孔鉆6臺，其鉆機孔徑為D=120～150 mm。

1)預裂孔參數設計

預裂孔孔距a預=(7～12)D=0.9 m

式中：S—炮孔負擔面積，m2；m—炮孔密集系數。

孔深L預=H/sinα+h=16 m

穿孔角度按巖石自然傾角確定穿孔角度ɑ預=65°，向西傾斜，允許偏差角度2°，為保證預裂孔底部效果，設計預裂孔較臺階高度超深1.0 m。

2)緩沖孔及正常孔參數設計

為防止緩沖及階梯孔破壞坡面，要保證各孔孔底距坡面距離大于2 m，經測算緩沖及階梯孔穿孔角度均為85°。

第一排緩沖孔孔距a緩階=m×w=3 m

式中：m—炮孔密集系數；w—底盤抵抗線。

孔深滿足距坡面距離大于2 m，L緩階=6 m，向西傾斜，允許偏差角度1°。

第二排正常孔孔距a正階=3 m，距離緩沖孔排距b正階=2.5 m，孔深L正階=12 m，向西傾斜，允許偏差角度1°。

具體炮孔平面布置圖見圖3，炮孔縱切面圖見圖4。

注：導向孔為兩個預裂孔中間不進行裝藥的空孔，相關參數與預裂孔一致。圖3 階梯孔與預裂孔平面布置圖

圖4 階梯孔與預裂孔剖面圖

2.3 裝藥量計算及填塞高度

在實施邊坡預裂爆破工程中，其中預裂孔使用2#巖石乳化炸藥，緩沖孔及正常炮孔使用多孔粒狀銨油炸藥，以下為各類炮孔裝藥參數設計。

1)不耦合系數為炮孔直徑與裝藥炮孔的藥包直徑的比值即：D/d=2.4。

2)根據該區域地質條件選取單耗q=1 500 kg/萬t。

3)填塞高度h=(20～30)D=3.6 m，為便于施工統一填塞4 m。

4)因線裝藥密度行業內并無準確算法，故結合該區域地質條件及經驗技算得出：預裂孔平均線裝藥密度ρ線=0.57 kg/m3。

5)緩沖及正常孔裝藥量：Q=k.q.a.b.w.h

式中：a—正常孔孔距；b—緩沖孔排距；w—底盤抵抗線；h—填塞高度；q—炸藥單耗；k—考慮受前面各排孔的礦巖阻力作用的增加系數，k=1.1～1.2。

2.4 預裂孔一次成型的技術方案

根據司家營高陡邊坡的特殊情況，預裂孔鉆孔角度根據初步設計已經確定，根據三角函數確定出預裂炮孔深度為22 m，潛孔鉆直徑如何選擇已根據實際生產確定，由于選擇大孔徑預裂炮孔，所以2號巖石乳化炸藥藥卷直徑選擇大直徑膠乳。鉆孔方向對結構不規則的預裂面，通常需要測量人員放出鉆機要對準的方向點，一般距開挖設計線5 m左右，移動鉆機時在方向點處人工吊線錘，調整好鉆孔角度。裝藥前應根據預裂孔深度，計算出實際裝藥長度、裝藥量、導爆索長度，裝藥時嚴格控制裝藥結構，并將藥卷和導爆索固定牢固防止掉入孔內。

2.5 爆破效果

根據前期爆破效果經驗，通過結合不同巖層結構，設計選取邊坡預裂爆破最優方案，方案中預裂孔、緩沖孔、正常孔三類爆破孔網參數設計，優化選取三類爆破孔內裝藥量及裝藥結構，采用數碼雷管起爆方式及合適的毫秒延期(42 ms/100 ms)，還有預裂孔一次成型的技術方案，有效降低了爆破震動及爆破沖擊波，以此減少了爆破煙塵的產生。

3 爆破抑塵技術方案

3.1 抑塵車擺放位置對效果的影響

1)后側方案：抵抗線背向，如果不出現沖炮，沒有飛石威脅，安全性最好。通常放置在距離最近炮孔10～15 m范圍，太近存在風險，太遠會影響造成噴射距離損失。特別適合大平臺爆破作業。布設數量取決于工作線長度，通常間距15～20 m。

2)側向方案：消塵器布設在爆區側向，布置靈活，可獲得較大的水霧噴射縱深。適宜工作線長80 m內的爆區。對于現場空間狹小的區域，以側向方案為宜。

3)正向方案：消塵器布設在爆區的抵抗線方向，考慮飛石威脅，需要遠離爆破邊坡60 m以上。正向擺放在順風爆破時易取得良好的爆破消塵效果。

3.2 抑塵車噴射角度對效果的影響

抑塵車噴射裝置上的噴嘴噴出的水霧呈扇形，盡可能增大水霧的覆蓋面積，并且使水霧均勻分布，水霧的顆粒越小，越容易凝結粉塵，提高了抑塵的效果。抑塵車噴嘴可通過旋轉接頭進行旋轉，調整噴射出水霧的角度或方向，進一步提高噴射裝置的實用性。對于一些大型爆區，在使用抑塵車時，在噴水過程中可以左右搖擺，以增加降塵效果。

4 結語

1)通過結合不同巖層結構，設計選取邊坡預裂爆破最優方案，方案中預裂孔、緩沖孔、正常孔三類爆破孔網參數設計，優化選取三類爆破孔內裝藥量及裝藥結構，采用數碼雷管起爆方式及合適的毫秒延期(42 ms/100 ms)，還有預裂孔一次成型的技術方案，有效降低了爆破震動及爆破沖擊波，以此減少了爆破煙塵的產生。

2)通過對比試驗進行數據分析，優化抑塵車使用方案，清渣爆區抑塵率提高至55%，壓渣爆區抑塵率提高至70%，在特殊情況下，個別爆區抑塵率可提升至80%～90%。

3)建立爆破抑塵管理體系，做到爆區抑塵全覆蓋。

4)改善現場職工的工作環境。