露天爆破炮烟和粉尘初期性状模拟及防治技术研究

赵永岗，王德胜，秦鹏渊，高玉璞，张 丽，郭 宾，李永华

(1.包钢(集团)公司白云铁矿，内蒙古 包头014080；2.北京科技大学，北京100083)

露天(矿)爆破破岩过程产生大量的有毒炮烟和粉尘，成为露天(矿)采场及周围大气环境难以治理的重要污染源。爆破烟尘云的浓度和初期扩展特性是研发爆破烟尘源头治理技术和方案设计的关键，受爆破飞石、冲击波等有害效应影响，传统的降尘技术措施无法在爆破源头与烟(粉)尘的产生同步实施，事后治理效果差强人意；针对爆破烟尘云源头浓度和初期扩展性状的直接测量也难以实施。对爆破烟尘产生过程、空间浓度及初期扩展特性进行深入研究是爆破烟尘源头防治技术的关键[1-5]，尚欠缺这方面的研究。

露天(矿)爆破粉尘污染防治是矿山绿色开采研究的热点和难点，爆破烟(粉)尘具有瞬时产生、高浓度强扩散的特性，受被爆岩体的岩性、爆破工艺技术参数、爆破作业施工质量等多方面因素影响，各因素对爆破烟尘的影响机制、爆破烟尘生成的初期扩展性状特征和对烟尘浓度的贡献等难以确定。对爆区污染源头—蘑菇尘云的生成及爆破破岩过程的扩散机制、蘑菇尘云的粉尘浓度确定尚不明确。传统的事后采样测定，无法与烟尘的生成同步，受大气环境等自然条件影响大，对爆破粉尘的源头防治指导性较差。本文利用数值模拟技术对露天深孔爆破粉尘生成过程进行研究，分析炮孔填塞物料、被爆破岩体破碎和破碎岩块抛掷堆积过程中烟尘的生成、扩展特性和初始浓度等，探索精准起爆的爆炸水雾场高速生成技术以期实现爆破烟粉尘污染源头的爆炸水雾场直接降尘治理，促进露天(矿)低粉尘爆破破岩和绿色开采。

1 台阶爆破炮烟和粉尘形成的数值模拟研究

露天台阶爆破破岩过程中，爆炸荷载对被爆岩体进行破碎、爆轰气体膨胀将破碎岩块沿最小抵抗线方向抛掷堆积，岩体的破裂、地面震颤、爆轰气体冲击推升炮孔堵塞物料、岩块触地和相互碰撞都将产生粉尘；炸药爆轰反应产生的有毒炮烟也将随着被爆岩体破碎而高速溢出，炮烟伴随粉尘快速冲出形成的烟(粉)尘是采场和大气环境的重要污染源。露天爆破破岩过程中炮烟等有害气体、破碎岩块和矿岩粉尘颗粒混杂，有毒炮烟和高浓度粉尘生成初期脱离原岩和爆堆急速向外扩展，具有高速动载特性，对炮烟和粉尘产生量和浓度的理论计算欠缺，污染源头的直接测定因爆破飞石等无法靠近爆区也难以进行，致使对爆破烟粉尘的防治无据可依。针对爆破炮烟和粉尘初期状态和扩展特性进行定量理论分析的难题，借助数值模拟技术在求解爆炸荷载超动态问题方面的优势，对露天爆破炮烟和粉尘初期性状再现有着重要理论价值。

本文用PFC2D建立台阶深孔爆破及烟尘生成模型，模拟研究大直径垂直深孔爆破时，爆炸荷载作用下台阶坡面和台阶顶面方向岩石的破碎、抛掷、烟粉尘生成及运移特性。

1)露天台阶深孔爆破烟尘生成模型的建立

白云铁矿台阶高度15 m，炮孔直径Φ310 mm，炮孔超深2.0 m，炮孔填塞长度6.5 m。被爆岩体为白云岩，炮孔装药用现场混装车装填铵油炸药，建立台阶爆破模型对爆破过程中炮烟和粉尘的产生计算模型。

数值模型试验中，将台阶坡面、坡顶面及坡底面设置为自由面，台阶后面及台阶底面深部岩体设置为边界条件。基于以上三步骤，台阶深孔爆破及粉尘生成模拟研究的物理模型如图1所示。

现场混装炸药的性能见表1，炸药爆炸荷载作用在圆形单元化的模型被爆岩体上。

表1 炸药物理力学性能参数

2)露天爆破烟尘的初期性状特性研究

模拟研究(图2)表明爆破烟粉尘随着破岩过程产生、启扬和高速向外扩展生成，岩石破碎的裂隙和岩块抛掷分离过程大量爆破烟粉尘涌出，烟尘具有如下特性：

通过不断地推陈出新，赛默飞始终致力于以尖端的科技为全球客户带来研发上的突破；另一方面，赛默飞不断深化和本土的沟通与合作，为客户定制优秀的解决方案，帮助打造“更健康、更清洁、更安全”的世界。

图2 台阶深孔爆破岩石破碎、抛掷及烟粉尘生成效果图

(1)烟粉尘初期生成特征：①台阶顶部烟尘生产以炮孔堵塞物料上升启扬及地面震颤起尘为主要特性，当有冲孔现象发生时，这种现象更加明显。台阶顶部烟尘控制了爆破烟尘云启扬的空间高度；②台阶坡面爆破设计抛掷方向上，爆破烟尘启扬和扩散特征随破碎岩块的运动轨迹展开，是爆破烟尘横向扩展的主体部分，和爆区的长度方向共同控制了爆破蘑菇烟尘云的空间广度范围。

(2)烟粉尘的初期浓度：结合现场高速摄影观测结果显示爆破蘑菇烟尘云含有粉尘颗粒、细小岩石碎块、有毒炮烟。经图像灰度处理显示和模拟结果表明烟尘初期浓度极高，烟尘生成初期，从台阶上部和坡面喷涌而出，粉尘浓度分布较均匀，浓度在733～1 100 mg/m3范围内，最高浓度可达1 833 mg/m3。随着蘑菇烟尘云的向外扩展，烟尘浓度快速下降，微小岩块和较大粉尘颗粒沉降落地，炮烟和微小尘粒则以惯性运动进入采场或大气环境呈现布朗运动扩散。

以上特性决定了爆破有毒烟粉尘有效治理的关键在于爆破区域源头的高效地同步降尘技术，需要有效覆盖蘑菇烟尘云初期生成范围，同时要求具有强大瞬时喷洒抑尘介质能力，迫切需要研发与爆破烟尘云同步生成的高速水雾场生成技术，以便应对高浓度、强扩散的爆破烟粉尘颗粒云团扩散污染。

2 爆炸水雾场的形成

在PFC3D模拟大直径水袋在爆炸冲击波和爆轰气体作用下水体的抛掷拉伸、水团雾化及空间抛洒轨迹基础上，针对常规台阶表面预洒水沁润[6]、局部喷洒[7-9]和事后被动粉尘处置的缺陷，本文提出了分布式爆炸荷载激发筒型水袋形成高速爆炸水雾场[10]实施爆区范围内就地降尘的技术方案，摸索爆炸水雾在空间有序抛掷、同步吸附降尘的特性，为爆炸水雾场就地同步覆盖爆破蘑菇烟尘云，实施就地吸附粉尘、中和有毒炮烟的爆破源头降尘处理提供环保技术支撑。

依据白云铁矿爆破设计和现场气候条件，用厚塑料膜制成筒型袋，一端扎紧后注满水或抑尘液体介质形成“水袋”，导爆索束为激发荷载铺设在水袋下方形成爆炸“水袋”，电子雷管起爆导爆索束激发“水袋”即形成射向空中的高速爆炸水雾场。

影响爆炸水雾场形成及其效果的因素有很多，依据数值模拟实验的研究成果，确定爆炸水雾形成主要的影响因素为水袋直径(单位水量)、水袋材质和壁厚(水袋的约束条件)及爆炸荷载的大小(激发药量及分布)。选择普通聚乙烯塑料膜作为水袋的制成材料，普通导爆索(束)作为激发水袋的爆炸荷载。为克服多因素的相互关联影响，提高试验效率，采用正交试验法来设计水袋尺寸参数及激发水袋炸药量的试验方案，确定上述因素参数的优化组合，以获得空间尺度宽广、雾化均匀的高速爆炸水雾场，为爆区内就地捕捉爆破粉尘、中和有毒炮烟提供湿式降尘的必要条件。

图3 爆炸水袋激发形成爆炸水雾场的效果图

3 爆破烟尘的爆炸水雾场降尘技术现场试验

1)爆区概况及爆破设计：降尘试验爆区位于白云铁矿主采场1 416 m水平南帮，爆区内岩体为云母片岩，f系数为10～11。规划爆区长度为120 m，台阶平均高度15.5 m，牙轮钻穿凿直径Φ310 mm垂直深孔，设计炮孔超深1.5 m。台阶平面上炮孔按照三角形布置，孔排距为9 m×5 m，依据台阶平面条件爆区前后布置5～6排炮孔，总孔数65个。炮孔内水深2～3 m不等，设计炮孔堵塞6.5～7.0 m，用钻孔岩粉堵塞炮孔，设计爆区总装药量为乳化炸药53 t。

2)爆炸水雾降尘设计：设计以第一排的左侧炮孔为逐孔起爆法的起爆零点，同排炮孔间延时42 ms，排间延时65 ms，电子雷管精准逐孔起爆网路。按照“爆区覆盖、坡前拦截、同步生成和就地吸附”的布置原则，坡面前方布置1道爆炸水袋，爆区内布置5道爆炸水袋，降尘爆炸水袋的布置设计如图4示。

依据台阶爆破岩体的高速摄影测试结果，爆区内台阶上水袋的起爆激发延时设计见图4。按照破碎岩块的初速度、抛射角及水袋与坡底线的距离，爆区前方水袋的激发时间确定为1 250 ms，激发爆炸水袋的电子雷管并联在爆区整体起爆网路上组成完整的并联起爆网路。

图4 降尘试验爆区精准起爆时间和爆炸水袋布置设计图

4 爆炸水雾场降尘效果测定

用高速摄影技术对降尘试验爆区的水雾抑尘效果进行观测，爆炸水雾场形成和爆破蘑菇尘云的实时降尘动态过程如图5所示，图5中显示台阶上部水袋激发形成的水雾场与爆破蘑菇云同步生成，实时覆盖蘑菇尘云；坡面前部水袋激发形成的水雾场及时拦截了爆破蘑菇烟尘云的横向扩展，高强度的爆炸水雾场实时吸附粉尘、同步中和有毒炮烟，可见黑色蘑菇云转化成浅灰色的明显降尘效果。

图5 爆炸水雾场覆盖、拦截爆破蘑菇烟尘云实况图

用FCS-30粉尘采样仪对试验爆区的水雾降尘试验效果进行了测定，降尘效果为：1)距爆区50 m处粉尘浓度由无降尘爆破时的135.231 mg/m3降为93.537 mg/m3，粉尘浓度降低了44.6%；2)距爆区100 m处粉尘浓度由76.341 mg/m3降为54.234 mg/m3，降低了40.8%；3)设计爆炸洒水28.6 t，单位爆破降尘平均耗水量为0.236 kg/t。

5 结论

露天矿爆破产生大量的有毒炮烟和粉尘，受爆破作用理论和飞石等安全因素影响，对爆破蘑菇烟尘云生成的初期特性缺乏深入了解，致使爆破粉尘至今无有效治理措施。利用数值模拟技术对露天爆破蘑菇烟尘云的产生及初期扩展特性进行研究，提出了爆炸高速水雾场生成及源头同步降尘技术方案，进行了生产爆破现场降尘试验，大幅降低了爆破烟粉尘云的浓度和扩散范围，为露天矿绿色开采和露天低粉尘爆破创造了良好条件。

1)有毒炮烟和高浓度粉尘组成的爆破蘑菇烟尘云的初期高度由上部台阶升腾的烟尘决定，台阶坡面抛掷和爆区长度方向的粉尘决定了烟尘云的初期空间范围，爆破烟尘云靠惯性进入采场和大气环境，后期扩散受自然气候条件控制。

2)用导爆索束激发塑料筒型水袋可以形成一定空间范围瞬时高强度喷洒的高速爆炸水雾场，按照“上部覆盖、坡前拦截、同步生成、就地吸附”的布置原则，在爆区内和台阶坡面前适当布设爆炸水袋，与爆区一次起爆合理延时可以形成高强度喷洒爆炸水雾场，对爆破有毒炮烟和粉尘进行源头同步有效治理，为露天矿绿色开采提供了一种新环保技术。

3)白云铁矿露天大直径深孔台阶爆破现场降尘试验显示距爆区50 m处的粉尘浓度降低了44.6%，距爆区100 m处粉尘浓度降低了40.8%，爆炸水雾降尘技术对露天矿低粉尘爆破和绿色开采具有重要社会环境效益。