露天岩土爆破中的水介质降尘环保技术研究

吴颂，韩景峰，刘明朗，肖若愚

(中国建筑第五工程局有限公司， 湖南 长沙 410004)

0 引言

浏阳瑞林场平项目在爆破开挖过程中，经常出现起爆后炮孔中部及以下位置岩石过度粉碎的现象，造成了爆后粉尘过大，产生环境污染。在当前环保要求高的前提下，研究一种降低爆破粉尘的技术实用性非常高。本课题旨在研究采用水介质作为间隔材料的技术来达到降尘环保的目的。

工程位于浏阳经开区洞阳镇，场地内原始地貌为中低山丘陵地貌。北部属于农田区域，地势相较为平整，中南部多为山地，部分山体已挖掘，地势起伏较大，坡脚区域局部基岩出露，山体植被多为灌木，植被较为茂密。

爆区开挖高度高低不一，有的地块高达数十米，有的地块可能只有数米，经核算需采用控制爆破的石方量大约为200万m3左右。

爆破粉尘的产生是爆破作业中常见的问题，粉尘会对环境造成恶劣的影响，也会危害人员身体健康。韩早等[1]的研究表明，爆破瞬间形成的粉尘浓度可达到1500 mg/m3～2000 mg/m3，其中粉尘颗粒粒径小于10 μm的可吸入颗粒物不仅占比高，而且粒径为0.5 μm～5 μm的颗粒可以到达人体肺泡并沉淀下来。

露天爆破的整个工作流程中，钻孔作业、爆破作业、铲装运输和倒碴等作业都会产生粉尘。杜翠凤等[2]发现所有作业中爆破作业产生粉尘的比例可以达到 98.145%。

目前比较常见的爆破降尘技术主要分为3类：干式降尘、湿式降尘和联合降尘。这3种方法中最常用的方法是湿式降尘，因为这种方式效率高、成本低，同时降尘效果比较明显。常用的湿式降尘方法有压力水降尘、水预湿被爆体降尘、泡沫降尘、高效水炮泥降尘、水幕帘降尘、环保清洁降尘等[3-11]。

1 爆破粉尘产生及扩散机理

1.1 爆破粉尘的产生

炸药爆炸时产生大量具有巨大能量的爆生气体，高温高压的爆生气体急剧膨胀挤压炸药周边的岩石对外做功，岩石被挤压破碎产生大量粉尘颗粒，这些颗粒在爆炸作用的冲击下向外界开放空间释放[4]。

在浏阳瑞林场平项目中，被爆破体主要为泥质粉砂岩和砾岩，粉砂岩主要是粉砂碎屑组成的沉积岩，组分主要为石英。砾岩也是一种沉积岩，由从母岩上破碎下来的颗粒直径大于2 mm的碎屑，经过搬运、沉积、压实、胶结而形成，填隙物有砂、黏土和化学沉淀物等。粉砂岩和砾岩强度都比较低，整体性差，在炸药爆炸的巨大冲击动能下会迅速生成细小的颗粒，形成大量粉尘。

1.2 爆破粉尘的扩散

邹常富等[4-5]的研究表明，爆破后粉尘的运动可大致分为3个阶段：冲击运动阶段、蘑菇云形成阶段和扩散阶段。

在冲击运动阶段，即爆生气体的冲击力将粉尘喷出地面，炸药爆炸后瞬间爆轰气体将砂砾岩冲击形成裂隙，内部的颗粒通过裂隙随着爆轰气体喷出地面，随着时间推移，爆轰气体急剧膨胀做功，将岩层完全破坏，大量的气体裹挟着被冲击破碎形成的粉尘颗粒以及地表粉尘一起喷向空中。在蘑菇云阶段，失去冲击力的粉尘颗粒在惯性作用下继续向上运动，由于上升气团在空中的体积不断增加，气团中心的上升速度比周围大，气团外缘部分在湍流作用下不断卷吸附近空气，体积以中间的高速气流为中心不断径向膨胀，气团质量不断增加，气团整体在向上移动，但因为体积增大导致阻力增大，所以上升速度减小。经过一段时间后，气团不再上升，形成最终的蘑菇状。扩散阶段，此时爆破粉尘颗粒上升的能力已经被空气阻力消耗，粉尘颗粒受到重力和浮力的作用，重量较大的颗粒慢慢沉降，重量小的颗粒漂浮在空中随气流运动向粉尘浓度低的地方扩散[5-6]。

2 降尘措施及现场试验

2.1 降尘措施的选取

通过以上对露天砂砾岩爆破粉尘产生机理及扩散规律的分析，结合本项目露天爆破现场的施工特点，形成针对本项目的简单、经济、有效的降尘方案。一是针对粉尘产生源头进行粉尘形成阶段的控制，采取孔内水袋间隔炸药的装药结构[7]；二是针对爆破粉尘形成后的扩散阶段，在爆破范围内的地表铺设水袋，利用地表水袋爆炸后形成的水雾对粉尘进行压制[8-9]。

2.2 爆破技术方案

露天爆破施工工艺流程如图1所示。

图1 露天爆破施工工艺

采用深孔台阶爆破方法，孔径Φ115 mm，石方开挖由上到下顺序逐级，分多个台阶开挖，台阶数量由现场确定。

露天台阶爆破要素及相关参数见图2、表1。

网路设计孔内高段位MS-15段导爆管雷管，孔外间隔用MS-3段导爆管雷管延期，起爆网路逐孔串联。

图2 露天台阶爆破要素

表1 露天台阶爆破参数

2.3 降尘技术方案

2.3.1 孔内水袋间隔装药

在浏阳瑞林场平项目中，炮孔直径为115 mm，炮孔深度为10 m，采用直径100 mm、长度1.5 m柱状聚乙烯塑料袋装水。总装药长度为6.8 m～7.3 m，用水袋将装药分为上下2部分，底部装药4 m后装填水袋，然后继续装药3 m。

2.3.2 地表水袋

爆破作业前根据爆破孔数准备相应数量的水袋，每个水袋长度为3 m，宽度为150 mm，将水袋装满水（每条水袋容积约为22 L），放置在炮孔上方，每条水袋分配11 g乳化炸药用于起爆。根据管仁生[3]的研究，爆破区域地表的粉尘起跳时间会比爆孔内的爆破粉尘提前[3]，因此为了能够同时控制住地表粉尘与爆破粉尘，需要在孔内起爆时提前将水袋起爆。参考类似研究[3]，本次实验中将水袋起爆时间提前400 ms。水间隔装药结构见图3。

图3 水间隔装药结构

2.4 爆破粉尘的测量方法

参考现有研究的粉尘测量方法，结合实际情况，本项目使用粉尘采样仪获取粉尘浓度。采用FCS-30型粉尘采样器采集爆破后的粉尘浓度，在区域内共设置3个采样点，测点布置在爆区附近，与爆区的距离分别为20 m、30 m、40 m。仪器尽量放置在平整地面，周围采用钢丝网做好防护，以防飞石将仪器损坏。

2.5 实验结果分析

选取有无采取降尘措施的爆破进行比较，对比两者在爆破1 min后的粉尘浓度，结果见表2。

表2 粉尘浓度对比

通过对比可以看出，采用了水间隔装药与地表水袋爆破的降尘措施后，爆破后1 min的降尘率可以达到70%左右，效果很明显。

3 结语

本文针对浏阳瑞林场平项目在爆破开挖过程中出现的爆破粉尘现象，在目前常用的湿式降尘措施中，结合本项目砂砾岩的爆破特点以及现场施工选择了孔内水袋间隔装药及地表水袋爆破相结合的降尘措施。

现场实验表明，将2种降尘方式相结合的降尘措施效果十分明显，爆破1 min后粉尘降尘率可以降低70%左右。

本项目以实际应用为主要目的，还有其他细节值得深入研究，如在水袋中同时加入发泡剂，在孔口堵塞时加入一条水袋或采用泥浆堵孔，改变地表水袋的尺寸等。