陳鵬能，李志國(guó)，涂 旺

(1.云南磷化集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650600；2.武漢工程大學(xué)興發(fā)礦業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430073)

在露天采礦爆破過程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，嚴(yán)重影響環(huán)境、危害人體，由塵肺病引起礦山工作人員致殘和死亡的人數(shù)，在國(guó)內(nèi)外都十分驚人。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，自建國(guó)以來(lái)，我國(guó)礦山企業(yè)累計(jì)已發(fā)生塵肺病近七十余萬(wàn)例，死亡人數(shù)超過二十余萬(wàn)人，居各類職業(yè)病之首[1-3]。同時(shí)工作人員的身體健康也被爆破過程中產(chǎn)生的有毒有害氣體所威脅，由于對(duì)炮煙和粉塵處理或防護(hù)不當(dāng)，炮煙中毒事故導(dǎo)致人員傷亡的案例時(shí)有發(fā)生。爆破粉塵、炮煙危害顯而易見，因此很有必要對(duì)爆破時(shí)產(chǎn)生的粉塵及有害氣體進(jìn)行控制[4]。目前已有爆破工程技術(shù)人員在解決爆破粉塵問題方面做了大量的研究工作。文獻(xiàn)[5]表明在高村鐵礦采用水間隔裝藥降塵爆破技術(shù)，利用爆破產(chǎn)生沖擊波將水瞬間霧化，高壓霧化水分子將粉塵吸附結(jié)團(tuán)，取得了一定降塵效果；文獻(xiàn)[6]在武漢軌道交通光谷廣場(chǎng)綜合體項(xiàng)目中采用水封爆破進(jìn)行降塵，采用水炮泥對(duì)炮孔進(jìn)行堵塞，取得了較好的降塵效果；文獻(xiàn)[7]在城市隧道施工環(huán)境保護(hù)措施中，采用水幕降塵，將水霧通過水幕降塵器化成細(xì)水滴噴射到空氣中，使之與爆破產(chǎn)生的粉塵碰撞，則塵粒附于水滴上，被潮濕的塵粒凝聚成大顆粒，加快了其降落速度，從而達(dá)到除塵的目的。隨著綠色礦山、和諧礦山等理念的不斷深入，尋求高效、快捷的爆破降塵除煙技術(shù)迫在眉睫。本文從粉塵產(chǎn)生的源頭入手，結(jié)合不同的間隔裝藥方式，在昆陽(yáng)磷礦開展降塵技術(shù)措施研究，通過水預(yù)濕和半水封作用，達(dá)到露天爆破煙塵控制的目的。

1 爆破煙塵控制機(jī)理

爆破降塵實(shí)質(zhì)就是減少被拋到空氣中的細(xì)顆粒物，據(jù)安斯托克斯沉降公式(式(1))，粉塵沉降速度與顆粒物密度、直徑、空氣密度及黏滯度有關(guān)。據(jù)相關(guān)研究表明，塵粒在紊流中的沉降與流體的黏性無(wú)關(guān)[8]。因此，要消除空氣中的粉塵，可以通過兩個(gè)方式，一個(gè)是增加顆粒物的密度，另一個(gè)是增加顆粒物粒徑[9]。

(1)

式中：ρp、ρg分別為可沉降顆粒、空氣密度，kg/m3；v1為沉降速度，m/s；dp為沉降顆粒直徑，m；μ為空氣黏滯度，kg/(m·s)。

增加爆破前爆炸物密度可以用水預(yù)濕技術(shù)。在爆破前對(duì)爆破對(duì)象用水淋濕，借助粉塵顆粒間液橋力的作用來(lái)達(dá)到降低爆破破碎時(shí)產(chǎn)生粉塵的目的[9]。在一定范圍內(nèi)，被爆破體含水率越高，降塵效果越好。但是該技術(shù)存在爆破對(duì)象干濕度把握不準(zhǔn)，容易出現(xiàn)防護(hù)過當(dāng)及防護(hù)不足的問題。相關(guān)研究表明，當(dāng)爆破對(duì)象含水率達(dá)到4%時(shí)，降塵率趨于穩(wěn)定，當(dāng)爆破體水分達(dá)到4%以上時(shí)，降塵率不再提高[8,10-11]。因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)中水預(yù)濕方案實(shí)施時(shí)，爆破體含水率控制在不低于4%的水平。

增加爆破過程粉塵粒徑及密度可用水封爆破技術(shù)。在爆破前將裝水的塑料袋充填于炮孔內(nèi)，利用炸藥爆炸能量霧化，拋撒水分，形成水霧，通過粉塵粒子與液滴的作用可捕集爆破瞬時(shí)形成的大面積粉塵，并受重力作用沉降，最終達(dá)到降塵的目的[9]。

2 爆破煙塵控制實(shí)驗(yàn)

2.1 礦山概況

昆陽(yáng)磷礦是國(guó)有大型露天礦山，礦體屬海相沉積的大型磷塊巖礦床，上覆巖層主要為白云質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和頁(yè)巖，采用露天大孔徑中深孔爆破逐孔微差起爆技術(shù)，隨著開采境界向南部的推進(jìn)，1采區(qū)、2采區(qū)和3采區(qū)距離生活區(qū)越來(lái)越近，爆破作業(yè)危及生活區(qū)的環(huán)境安全。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在空氣間隔裝藥的基礎(chǔ)上，結(jié)合半水封與水預(yù)濕降塵技術(shù)設(shè)計(jì)了4種實(shí)驗(yàn)方案，選取等面積的4塊實(shí)驗(yàn)區(qū)域，開展了12次實(shí)驗(yàn)研究。

方案一，對(duì)照實(shí)驗(yàn)。在裝藥、充填和起爆網(wǎng)絡(luò)連接完成之后，不采取任何措施，再接入磁電雷管和起爆器，然后起爆網(wǎng)絡(luò)起爆。

方案二，單純水預(yù)濕降塵。在裝藥、充填和起爆網(wǎng)絡(luò)連接完成之后，將水噴灑到整個(gè)爆區(qū)(圖1和圖2)。灑水量應(yīng)滿足爆破體含水率達(dá)到4%的控制指標(biāo)，同時(shí)在灑水過程中要求合理控制水的壓力，避免水壓過大而破壞起爆網(wǎng)絡(luò)，灑水完畢之后，檢查起爆網(wǎng)絡(luò)是否有損壞，確定無(wú)損壞之后方可接入磁電雷管和起爆器，然后按正常的起爆程序起爆。

圖1 灑水車對(duì)爆區(qū)進(jìn)行灑水

圖2 灑水后的爆區(qū)

方案三，單純半水封降塵。該方案關(guān)鍵技術(shù)在于炮孔裝藥完成后，巖渣填塞到距炮孔孔口1.0 m時(shí)，在孔口中裝入一個(gè)1.2 m長(zhǎng)的水袋(圖3)，然后連接起爆網(wǎng)絡(luò)起爆。

圖3 半水封水袋裝入炮孔

方案四，水預(yù)濕與半水封聯(lián)合降塵。在炮孔裝藥完成之后，將巖渣填塞到距孔口1.0 m時(shí)，裝入一個(gè)1.2 m長(zhǎng)的水袋，再連接起爆網(wǎng)絡(luò)，隨后將水噴灑到整個(gè)爆區(qū)。灑水量同樣需滿足爆破體含水率達(dá)到4%的控制指標(biāo)，同時(shí)在灑水過程中要求合理控制水的壓力，避免水壓過大而破壞起爆網(wǎng)絡(luò)，灑水完畢之后，檢查起爆網(wǎng)絡(luò)是否有損壞，確定無(wú)損壞之后方可接入磁電雷管和起爆器，最后按正常的起爆程序起爆。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)主要通過粉塵擴(kuò)散范圍及粉塵濃度來(lái)對(duì)比各方案降塵效果。

粉塵擴(kuò)散范圍，通過在距炮區(qū)200 m處安裝相機(jī)來(lái)記錄。設(shè)置相機(jī)在爆破后4 s自動(dòng)拍照。

粉塵濃度由粉塵采樣儀采集。起爆前，在距炮區(qū)50 m處布置粉塵采樣儀。粉塵采集選用的儀器為FCC-25防爆型粉塵采樣儀。設(shè)置起爆后4 s開始采樣，采樣時(shí)間為2 min，采樣流量調(diào)整在20 L/min處，并保持整個(gè)采樣過程中流量保持不變。采樣結(jié)束后，應(yīng)小心的取出粉塵樣品放入相應(yīng)的樣品盒內(nèi)，樣品在進(jìn)行干燥處理后再稱重記錄。通過電子天平對(duì)采樣前后樣品質(zhì)量進(jìn)行稱重。FCC-25防爆型粉塵采樣儀工作原理：采樣工作時(shí)，微電機(jī)帶動(dòng)葉片泵工作產(chǎn)生負(fù)壓將含塵空氣抽入采樣器，形成圖4所示的氣流運(yùn)動(dòng)。含塵氣流通過粉塵采樣裝置1分離后呼吸性粉塵被捕集在濾膜夾2上，通過采樣前后濾膜的質(zhì)量差，計(jì)算出單位體積空氣中粉塵濃度，粉塵濃度計(jì)算見式(2)。

(2)

式中：C為粉塵濃度，mg/m3；W1為采樣前濾膜的質(zhì)量，mg；W2為采樣后濾膜的質(zhì)量，mg；t為采樣時(shí)間，min；Q為采樣流量，L/min。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1) 圖5是在爆破后4 s相機(jī)拍攝的典型粉塵擴(kuò)散范圍。對(duì)比不同實(shí)驗(yàn)方案獲得的照片可得到初步結(jié)論：在同樣的爆破方法爆破后，單純水預(yù)濕區(qū)域粉塵范圍明顯較大，半水封實(shí)驗(yàn)區(qū)域粉塵范圍相對(duì)小。單從照片上看，水預(yù)濕與半水封聯(lián)合降塵區(qū)域相較半水封實(shí)驗(yàn)區(qū)域無(wú)明顯差別。

圖4 采樣器工作原理圖

圖5 水預(yù)濕和半水封降塵效果

2) 整理粉塵采樣結(jié)果見表1。該表反映了四種方案的降塵效果，方案一(對(duì)照實(shí)驗(yàn))粉塵濃度為0.51 mg/m3，方案二粉塵濃度為0.43 mg/m3，方案三粉塵濃度為0.24 mg/m3，方案四粉塵濃度為0.17 mg/m3。方案四對(duì)比方案一粉塵濃度下降66.7%，效果非常明顯。

3) 各方案現(xiàn)場(chǎng)施工及投入情況見表2(不包括作為實(shí)驗(yàn)參照的方案——方案一)。方案二操作簡(jiǎn)單，對(duì)施工影響小，但是降塵效果不好；方案三除塵率高，較方案二施工復(fù)雜，勞動(dòng)強(qiáng)度大；方案四較方案三勞動(dòng)強(qiáng)度有所加大，但除塵效果比方案三更加明顯，并且相對(duì)方案三不增加額外投入。綜合分析，雖然方案四勞動(dòng)強(qiáng)度有所增大，但是在生產(chǎn)工作時(shí)對(duì)工作效率的影響不大，符合現(xiàn)場(chǎng)施工要求，該方案為露天采礦爆破降塵最優(yōu)方案。

表1 不同方案粉塵測(cè)試結(jié)果

表2 爆破降塵實(shí)驗(yàn)方案綜合比較分析

3 結(jié) 論

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用水預(yù)濕和半水封聯(lián)合降塵，在距炮區(qū)50 m處，起爆后4 s，采樣2 min內(nèi)地平均爆破粉塵濃度只有0.17 mg/m3，對(duì)照方案一,粉塵平均濃度下降66.7%，降塵效果明顯。

綜合分析現(xiàn)場(chǎng)施工、投入和降塵效果，采用水預(yù)濕和半水封聯(lián)合實(shí)施時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度有所增大，投入與單純半水封降塵持平，但降塵效果最為明顯。其勞動(dòng)強(qiáng)度的增大對(duì)實(shí)際生產(chǎn)效率的影響不大，是昆陽(yáng)磷礦爆破降塵的最優(yōu)方案。