露天矿掘沟爆破的爆炸水雾场降尘技术研究

黄毅伟 王德胜 郭 宾 李永华 王宏飞 丁 科

(1.北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083;2.包钢(集团)公司白云鄂博铁矿,内蒙古 包头 014080)

由于露天矿掘沟爆区只有单个自由面，为取得良 好的掘沟爆破效果，需采用较正常台阶爆破更小的孔网参数和更高的炸药单耗，从而导致爆破作业过程中产生大量的爆破粉尘。爆破粉尘具有瞬时性、浓度高和扩散快等特点，对作业人员的健康和生产设备的进气系统带来了严重威胁，已成为矿山环保、职业健康和大气环境污染治理领域急需解决的难题。传统的水袋封堵炮孔和爆前洒水预湿等措施降尘效果有限[1-3]。文献[4-7]研究了爆炸水雾技术及其在正常台阶爆破降尘中的应用，取得了较好的降尘效果。然而，现有的研究还处于露天正常台阶爆破高效降尘的初探阶段，对露天深孔爆破粉尘产生的初期特性、粉尘产生初期就地拦截、爆炸水袋合理构成及爆炸水雾空间尺度等动态研究仍十分欠缺。特别地，掘沟爆破产生的高浓度、强扩散粉尘治理技术尚属空白。

针对露天矿掘沟爆破中部掏心、逐圈扩展的特点，本研究重点探索爆破粉尘产生及初期扩展特性，研发空间尺度宽厚、滞空时间较长的强喷洒爆炸水雾场，采用爆破粉尘蘑菇云形成初期就地拦截降尘技术，降低爆破粉尘质量浓度和扩散范围，推动露天矿低粉尘掘沟爆破技术和露天矿绿色开采技术发展。

1 露天矿掘沟爆破粉尘生成数值模拟研究

探索露天爆破粉尘生成的特性，针对现行露天爆破粉尘处置只涉及局部[8-9]和被动后治理[10-11]的不足，研发在爆破粉尘产生的初期于爆区范围内就地消降粉尘的高效环保技术，是实现露天矿绿色开采的重要保障。本研究针对中部掏心掘沟爆破方案，采用数值模拟技术探索其爆破粉尘的生成特性，为开发爆破粉尘治理新技术提供依据。

1.1 假设条件

(1)爆破粉尘源限定在设计爆破区域范围内，不考虑爆区外其他因素生成的粉尘。

(2)各炮孔爆破产出的粉尘，简化为由地表炮孔所在的固定位置定流率连续排出。

(3)爆破粉尘由爆轰波和爆轰气体在爆破破岩过程中高速生成，具有超动载特性，远比常规自然环境条件影响剧烈，故假设在粉尘生成初期的一定空间范围(爆区范围内)不考虑大气环境条件(风速及风向)对粉尘高速生成初期性状的影响。

1.2 爆破粉尘生成模型构建1.2.1 爆破粉尘生成模型

根据白云鄂博铁矿掘沟爆破的岩性、水文地质和气象条件，结合掘沟爆破设计，采用Fluent中的Geometry模块建立掘沟爆破粉尘生成的三维模型。白云鄂博地区常年多风，年平均风力3～5级，风速1～2 m/s。采用正方形布孔方式，孔、排距均为6 m，掘沟爆破一般布置6排6列炮孔，爆区平面尺寸为36 m×36 m，掘沟深度(台阶高度)为15 m，炮孔超深2.5 m。

掘沟爆破为单一自由面条件，爆破粉尘的生成初期以冲出炮孔、从爆区地表高速蹿升为主。参照爆破粉尘的现场高速摄影结果，研究爆破粉尘初期蘑菇云形成特性，取模型高30 m，长、宽取爆区范围的2倍(72 m)，构建掘沟爆破粉尘生成的数值模型。

利用Mesh模块将数值模型网格化，受掘沟爆破单自由面影响，爆破粉尘表现出从爆区地表高速喷出蹿升为主。为提高计算精度，对爆区表面进行网格加密处理，网格划分尺寸设置为250 mm，其余空间全域尺寸设置为6 m，模型及网格划分如图1所示。

图1 露天掘沟爆破粉尘生成三维模型及网格划分Fig.1 3D model and mesh division of the dust induced by open-pit trench blasting

1.2.2 模拟计算参数

模拟计算求解过程中的相关参数赋值设置见表1和表2。

表1 露天矿掘沟爆破粉尘源设定Table 1 Dust source setting of open-pit trench blasting

表2 边界条件及求解参数设定Table 2 Setting of boundary condition and solution parameter

1.3 掘沟爆破粉尘生成初期模拟研究

1.3.1 爆破粉尘竖直蹿升初期特性分析

为摸清爆破粉尘蘑菇云在竖直方向上的蹿升特性，距离爆区地表不同高度截取粉尘蘑菇云的分层平面图，分析爆破粉尘的浓度、速度分布特性。在爆区刚完成爆破的瞬间，距离地表不同高度粉尘蘑菇云的浓度分布分层平面如图2所示。

由图2可知:

图2 爆破粉尘在不同高度上的浓度变化云图(t=0.7 s)Fig.2 Nephogram of concentration variation of blasting dust at different heights (t=0.7 s)

(1)临近地面段(图2(a)、图2(b))，受夹制作用影响，掘沟爆破的抛掷漏斗张开角较小，爆破粉尘在爆炸冲击荷载作用下呈似垂直喷射状冲出地表，爆区范围内粉尘浓度高且分布较均匀，最大粉尘浓度可达1 073 mg/m3。

(2)粉尘蘑菇云中段(图2(c)、图2(d))，粉尘浓度随着蹿升高度增加呈递减趋势，在分层平面上也呈现不均匀分布，自爆区中心向外粉尘浓度递减明显。这主要因为随着粉尘云团向上蹿升，粉尘气浪不断卷吸四周空气，蘑菇云随上升膨胀发生空间湍流作用，促使粉尘云在空间上向外扩散，粉尘浓度稀释。粉尘云团高浓度主体部分随时间变化一直保持在15 m高度范围内。

(3)粉尘蘑菇云上段(图2(e)、图2(f))，爆破粉尘生成初期，当粉尘云蹿升至18 m高度时，其浓度较临近地面段已大幅降低，爆区中心部位的浓度仅为40.94 mg/m3。蹿升至一定高度后，粉尘云的膨胀压力与大气压力均衡，粉尘云将不再上升，之后靠惯性进入大气环境，其后续扩散受大气环境条件控制。

(4)受爆炸冲击波及爆生气体作用，粉尘生成初期扩展速度快，主体部分速度高达20 m/s，比自然风速高一个数量级，因而外界自然风流的扰动影响可忽略。

1.3.2 爆破粉尘横向扩展初期特性分析

模拟结果显示:掘沟爆破刚完成时，粉尘云横向扩展速度如图3所示，浓度分布如图4所示。图3显示，掘沟爆破粉尘在横向上的扩散速度也很快，云团内不同位置处的粉尘水平扩展速度从爆区中心向外呈现由高到低的变化趋势。

图3 爆破粉尘扩展速度分布云图Fig.3 Nephogram of expansion velocity distribution of blasting dust

由图4可知:

图4 爆区外8 m处不同时间爆破粉尘质量浓度变化云图Fig.4 Nephogram of dust mass concentration at 8 m outside the blasting area at different time

(1)距离爆区边缘外粉尘浓度呈现由初期较低(最大浓度仅为32.8 mg/m3)，随着扩展时间增加粉尘浓度而增大的变化趋势;不同距离处粉尘浓度分布不均匀，距离爆区边缘越远，浓度越低。

(2)随着粉尘横向扩展，粉尘浓度由低到高变化，1.3 s后开始逐渐趋于平稳(此处特指在粉尘扩散初期，远未到扩散后期粉尘浓度降低的时刻)，稳定在600～700 mg/m3范围内(图5)。临近爆区边缘一定范围(不超过10 m)内，不同位置处的粉尘浓度分布相差不明显，但仍然呈现随着与爆区距离的增加、粉尘浓度递减的趋势。

图5 不同距离下粉尘质量浓度随时间的变化趋势Fig.5 Variation trend of dust mass concentration with time at different distance

1.3.3 掘沟爆破粉尘生成初期特性

数值模拟研究结果表明，掘沟爆破粉尘生成初期具有如下特征:

(1)掘沟爆破粉尘以地表蹿升为主体，蹿升的蘑菇云在高度上粉尘浓度呈现下高上低的分布趋势，粉尘云团高浓度主体部分随着时间变化一直保持在15 m高度范围内。

(2)粉尘蘑菇云的横向扩展范围超越爆区范围，但主体部分距离爆区边缘一定范围(不超过10 m)内粉尘浓度分布呈现由低到高的变化过程，约1.3 s后粉尘浓度稳定在600～700 mg/m3。

(3)爆破粉尘蘑菇云形成初期的空间范围相对较小，粉尘浓度高，研发空间范围宽厚的强喷洒水雾场就地高效降尘技术是露天矿绿色开采的迫切需求。

2 爆炸水雾场生成技术研究

抑制高浓度强扩散爆破粉尘需要强喷洒的水雾场，水介质爆炸抛撒成雾技术的相关研究表明，借助炸药爆炸冲击波和爆轰气体的急速膨胀将水介质射向空中可形成强喷洒水雾场[12-16]。影响爆炸成雾的主要因素有单位长度的水量、盛水容器的约束强度和爆炸激发药量。为综合考察上述因素对成雾效果的影响，提高试验效率，本研究通过正交试验来确定爆炸水袋及所形成的爆炸水雾场空间规模等技术参数。

2.1 试验方案

用聚乙烯塑料薄膜制成筒状水袋，水袋的直径决定了单位长度的水量，塑料薄膜的厚度决定了对水介质的约束条件，用线装药量不同的导爆索束表征激发水袋的爆炸荷载。据L9(33)设计爆炸水袋及爆炸水雾场正交试验(表3)。用电子雷管激发铺设在水袋下的导爆索束形成爆炸水雾场。采用高速摄影测定水袋爆炸成雾过程，通过图像分析爆炸成雾效果。

表3 爆炸水雾场正交试验方案及结果Table 3 Orthogonal test schemes and results of explosive water mist field

2.2 试验结果分析

高速摄影分析表明，水介质爆炸成雾过程大致可分为冲击波冲击水介质拉伸成团、爆破气体冲击液团形成扩展水雾场、水雾场回落消散3个阶段，水袋爆炸抛撒成雾效果如图6所示。

图6 爆炸水雾抛撒过程Fig.6 Dispersal process of explosive water mist

以单位长度水袋爆炸形成水雾场的高度、宽度及水雾滞空时间为评价指标，评价爆炸成雾效果的优劣。对各影响因素进行了极差分析，结果见表4。

表4 爆炸水雾场各影响因素极差分析结果Table 4 Range analysis results of influential factors in explosive water mist field

结合表4综合分析确定爆炸水袋的优化组合为A2B1C3，可形成爆炸水雾场的最大抛撒半径为6.45 m，抛撒高度为15.4 m，抛撒形成空间范围最大的水雾场需要0.9 s，水雾滞空时间达5.4 s。

3 掘沟爆破爆炸水雾场降尘现场试验

3.1 掘沟爆破粉尘的爆炸水雾场拦截降尘技术方案

依据掘沟爆破粉尘生成和爆炸水雾场试验研究结果，结合掘沟爆破粉尘的高速摄影分析结果，发现爆破粉尘形成初期具有粉尘浓度高、空间范围小的特性。针对粉尘初期形成蘑菇云进行爆炸强喷洒水雾场，本研究提出了“四周拦截、同步生成、就地吸附”的环保降尘技术治理方案，该方案通过在掘沟爆区外围布设爆炸水袋，在掘沟爆破过程中适时起爆导爆索束激发水袋形成空间范围宽厚的强喷洒水雾场，对爆破粉尘源头实现高效治理。

该方案的核心在于掘沟爆破粉尘蘑菇云形成尚未进入大气扩散时，就适时激发水袋形成爆炸水雾场，高速生成的水雾滴与粉尘云团在空中相遇，微小粒径的粉尘发生布朗运动，粉尘颗粒受惯性碰撞或截留作用被水雾滴吸附，携带导电荷的粉尘颗粒与水雾颗粒相互吸附并结合形成易沉降的颗粒团。另外，空中的水雾会使粉尘颗粒、颗粒团表面形成液膜，液膜促使吸附凝结的颗粒团与水雾滴之间进一步相互吸引，形成聚集体自然沉降落地。

3.2 爆炸水雾降尘现场试验

3.2.1 爆区概况及掘沟爆破设计

试验爆区位于白云鄂博铁矿采场1 374 m水平沟掘沟第三区，被爆岩体为白云岩，设计掘沟爆区长度约50 m，掘沟面积约2 469 m2。炮孔布置为矩形，孔网参数为6 m×6 m，爆区布置8排、8列炮孔，共64个炮孔。掘沟深度(台阶高度15 m)，炮孔超深2.5 m，孔内水深8～10 m，设计爆区装填现场混制乳化炸药65 t。采用高精度塑料导爆管雷管进行中部掏心、四周外扩起爆，炮孔7段别毫秒延时起爆，炮孔布置及起爆设计如图7所示。

图7 掘沟爆破的炮孔、水袋布置及起爆延时示意Fig.7 Schematic of the distribution of borehole and water bag and the initiation delay for trench blasting

3.2.2 爆炸水雾降尘试验设计

掘沟爆区降尘按照“四周拦截、同步生成、就地吸附”的设计原则布设爆炸水袋，依据爆炸水雾场生成特性，确定单条水袋水雾场的横向覆盖面积约为100 m2，布置于距离爆区外缘8 m处，爆区两侧布置的水袋激发后的水雾场可基本覆盖爆区。受上次掘沟少量爆堆压渣影响，掘沟口端不布设水袋，其余三面布置如图7所示，设计降尘用水约14.0 t。

依据本研究爆破粉尘生成模拟试验和现场高速摄影分析结果，爆炸水袋在炮孔起爆后适当延期激发(用MS11段雷管激发起爆水袋)，整个爆区粉尘蘑菇云正在生成初期、粉尘浓度处于高位，但尚未大规模向外扩散，此时爆炸水雾场激发生成，高速扩展覆盖爆区蘑菇云，实现了粉尘云与水雾场空间同步扩展，就地吸附粉尘和中和炮烟的环保治理目标。爆区炮孔与爆炸水袋起爆延时如图7所示。

本研究采用FCS-30型粉尘采样仪测定爆破粉尘浓度，分别布置在距爆区50 m和100 m处，通过沟口端的测试浓度与其余3个方向的浓度进行对比计算降尘率。采用高速摄影测定爆炸水雾场降尘全过程。

3.2.3 降尘试验效果分析

掘沟爆破粉尘生成及爆炸水雾场实时同步就地降尘过程如图8所示。

图8 露天掘沟爆破的爆炸水雾场降尘过程Fig.8 Dustfall process of explosive water mist field in open-pit trench blasting

分析图8可知:

(1)炮孔起爆后爆破粉尘迅速蹿升，爆区起爆结束至1.3 s时，爆破粉尘蘑菇云形成并横向扩展至铺设水袋位置附近，粉尘浓度高(图像黑暗)。

(2)爆炸水袋在炮孔起爆后0.4 s被激发，生成的水雾场高速强力喷洒射向空中，约1.0 s喷射至蘑菇云的主体高度，开始吸附粉尘、中和炮烟实施就地拦截降尘。

(3)至3.0 s爆炸水雾场已大幅度吸附粉尘颗粒，粉尘蘑菇云由黑色转变成浅灰色，粉尘质量浓度已明显降低，之后靠惯性进入大气环境逐步消弭。经爆炸水雾场拦截粉尘的扩散范围也大幅度缩减。

经测试，爆破粉尘的浓度降低了40%，爆炸水雾源头降尘效果显著，实际降尘效果见表5。

表5 爆炸水雾降低粉尘质量浓度测试结果Table 5 Test results of dust mass concentration reduction by explosive water mist

4 结 论

针对露天矿掘沟爆破单一自由面、爆破夹制强，炸药单耗高，爆破粉尘浓度高、难治理的难题，通过爆破粉尘生成、水袋爆炸成雾数值模拟研究，研发了爆区周边爆炸水雾场拦截降尘技术，现场试验取得了显著的降尘效果。主要得到如下结论:

(1)掘沟爆破粉尘生成初期呈现围绕爆区范围的蘑菇云状，粉尘浓度从地面到粉尘顶端呈现由高到低分布，粉尘云团的高浓度主体部分集中在离地表15 m左右高度;粉尘云在横向上扩展速度很快，浓度从爆区中部到边缘也呈现由高到低分布，临近爆区边缘外10 m处，1.3 s后粉尘浓度可达600～700 mg/m3。在此基础上，提出了掘沟爆破临近爆区周边爆炸水雾场拦截就地降尘技术方案，不仅治理范围可控，而且湿式强喷洒水雾场降尘效率也很理想。

(2)聚乙烯塑料薄膜制成的直径为φ300～350 mm的筒型水袋，在一定线形分布条形药包爆炸载荷激发作用下可以形成射向空中的高速强喷洒水雾颗粒场。正交试验的高速摄影结果表明:1 m水袋在导爆索束激发下可形成横截面12.9 m×15.4 m(宽×高)的爆炸水雾场，水雾在空中持续时间可达5.4 s，可为爆区源头同步降尘、炮烟吸附和中和提供有效的水雾湿式降尘支撑条件。

(3)在白云鄂博铁矿掘沟爆破粉尘治理中，通过采用“四周拦截、同步生成、就地吸附”的爆炸水雾场降尘技术，实现了爆炸水雾场与掘沟粉尘同步生成、爆破粉尘形成初期就地降尘的目标，现场实测降低了爆破粉尘质量浓度达40%左右，为实现低粉尘掘沟爆破和露天矿绿色开采提供了一种新的环保型技术。