郭堯劉殿書

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;2.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083

隨著露天礦山臺(tái)階爆破規(guī)模不斷增大,單次炸藥使用量隨之增加,大規(guī)模的爆破作業(yè)產(chǎn)生大量的粉塵污染。 爆破粉塵在空氣中自由擴(kuò)散,停留時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)礦區(qū)環(huán)境及人員健康造成嚴(yán)重影響,粉塵污染治理成為礦山亟待解決的問(wèn)題[1-3]。 學(xué)者們做了大量的研究工作,提出了濕式鉆孔法、預(yù)先淋水法、水管噴水法、懸掛水袋法、直升機(jī)撒水法等治理方法,并應(yīng)用于城市拆除爆破等實(shí)際工程中[4-7]。 而露天深孔巖石爆破中,因粉塵具有產(chǎn)塵點(diǎn)多、產(chǎn)塵量大、粉塵濃度高、分散度高、易擴(kuò)散、污染范圍廣等特點(diǎn),降塵技術(shù)的研究較為復(fù)雜與困難,目前尚處于探索階段。

爆炸水霧降塵是基于爆破粉塵具有良好的吸濕性而提出的一種新型降塵方法。 它是利用爆炸能量驅(qū)動(dòng)霧化拋灑水,形成具有一定壓力、粒徑、速度和濃度的水霧,通過(guò)霧滴對(duì)塵粒碰撞、攔截、捕獲和沉降,達(dá)到液態(tài)的霧滴與固態(tài)的塵粒凝結(jié)成較大的顆粒后加速沉降的目的。 諸多學(xué)者針對(duì)爆炸水霧降塵特性開展了大量研究。顏事龍等[8-9]采用高速攝像法研究不同比藥量對(duì)爆炸水霧運(yùn)動(dòng)特性的影響,對(duì)水霧運(yùn)動(dòng)的特性和形狀作了定性分析;同時(shí),將傳統(tǒng)的PIV 技術(shù)數(shù)字化,用數(shù)字化攝像機(jī)攝取流體中的傳播粒子的圖像,再用軟件分析得出流體的瞬時(shí)速度,設(shè)計(jì)和發(fā)展了一種擴(kuò)展的測(cè)量爆炸水霧場(chǎng)水霧粒徑的DPIV 方法。 陳軍等[10]利用激光散射的方法建立了一套測(cè)量爆炸拋撒后遠(yuǎn)場(chǎng)云霧液滴尺寸的測(cè)量系統(tǒng),研究了爆炸拋撒后液滴的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。 馬素平等[11]通過(guò)對(duì)水霧粒度與供水壓力的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行理論分析與研究,結(jié)合粉塵沉降效率與水霧粒度的關(guān)系,得出粉塵沉降效率與噴霧水壓力之間的關(guān)系。 蔡慶軍等[12]采用激光散射法測(cè)量液滴顆粒尺寸,以此為基礎(chǔ)研究了液滴平均尺寸隨時(shí)間變化的規(guī)律。 王喜世等[13]基于利用粒子成像原理,采用數(shù)字成像系統(tǒng)獲取了噴霧粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡圖像,進(jìn)而通過(guò)研制相應(yīng)的圖像處理和分析軟件,重建了細(xì)水霧霧場(chǎng)粒子的速度分布。 劉鋒等[14]基于高速攝像法記錄了水在爆炸作用下的拋撒過(guò)程,研究了水袋長(zhǎng)徑比對(duì)水爆炸拋撒成霧運(yùn)動(dòng)的影響。 研究主要集中在粉塵和水霧運(yùn)動(dòng)規(guī)律及相互作用的過(guò)程上,而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)爆炸水霧降塵的參數(shù)選取描述很少。

本文以露天采石場(chǎng)中深孔巖石爆破為研究背景,采用數(shù)值仿真計(jì)算軟件系統(tǒng)分析了深孔爆破與水袋間隔起爆時(shí)差、水袋間隔起爆時(shí)差與水袋間隔距離對(duì)爆破降塵的影響,得到了最佳的水袋降塵主要參數(shù);在數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上,開展了現(xiàn)場(chǎng)水袋降塵實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)比分析了有無(wú)水袋降塵下的落塵濃度。 本文研究的水袋爆破降塵技術(shù)為解決露天爆破中的粉塵問(wèn)題指引了方向,對(duì)空氣顆粒污染的防治具有重要的實(shí)用價(jià)值。

1 水袋爆破降塵關(guān)鍵參數(shù)研究

ANSYS Fluent 能夠?qū)Ω鞣N流體進(jìn)行求解計(jì)算,其準(zhǔn)確性得到了廣泛認(rèn)可。 該軟件對(duì)于穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)求解可自由切換,并能夠選擇不同的求解器,包括完全分離的壓力基求解器、帶有擬瞬態(tài)選項(xiàng)的耦合壓力基求解器、隱式和顯式的密度基求解器等。因此,本文采用ANSYS Fluent 模擬軟件計(jì)算分析爆炸水霧降塵參數(shù)。

1.1 幾何模型的建立及求解參數(shù)的設(shè)置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)露天臺(tái)階爆破實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟贾煤统叽?使用Soildworks 建立三維幾何模型,如圖1 所示。 其中:臺(tái)階傾角為75°,梯段高度H長(zhǎng)12 m,底盤抵抗線W長(zhǎng)3.8 m,炮孔間距a為4.5 m,炮孔排距b為3.8 m,炮孔超深h為1.5 m,孔深L為13.5 m。 第一排水袋距自由面15 m,第二排水袋距自由面27 m。

圖1 露天臺(tái)階爆破三維幾何模型Fig.1 Three-dimensional geometric model of open-pit bench blasting

露天爆破過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量粉塵,并在空間流場(chǎng)的影響下向四周擴(kuò)散。 其中粉塵主要產(chǎn)生區(qū)域位于爆破點(diǎn)的位置。 網(wǎng)格劃分中主要針對(duì)爆破過(guò)程中粉塵的主要產(chǎn)生位置和擴(kuò)散區(qū)域采用ANSYS Workbench 進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并按表1 和表2 設(shè)置求解過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)。

表1 邊界條件及求解參數(shù)設(shè)置Tab.1 Boundary conditions and solution parameter setting

表2 離散相模型及粉塵源設(shè)置Tab.2 Discrete phase model and dust source setting

根據(jù)露天臺(tái)階深孔爆破實(shí)驗(yàn)及粉塵動(dòng)態(tài)擴(kuò)散數(shù)值模擬結(jié)果可知,由于爆破沖擊作用,炮孔破碎的粉塵會(huì)從爆破發(fā)生區(qū)域瞬間噴入露天臺(tái)階上方和右側(cè),而在自由面設(shè)置水袋可有效減少粉塵的擴(kuò)散范圍。 為確定自由面前水袋爆破降塵關(guān)鍵參數(shù),對(duì)自由面深孔爆破與水袋起爆時(shí)差、水袋間起爆時(shí)差以及水袋間隔分別進(jìn)行研究。

1.2 露天深孔爆破粉塵動(dòng)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程分析

露天深孔爆破過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵,一方面是爆破過(guò)程中產(chǎn)生的巨大能量使巖土破碎產(chǎn)生粉塵,另一方面是爆破產(chǎn)生的沖擊氣流引起二次揚(yáng)塵。 為研究爆破后發(fā)生的粉塵在露天臺(tái)階附近的濃度時(shí)空分布特征,將露天深孔爆破區(qū)域設(shè)置為產(chǎn)塵源,以分析該爆破過(guò)程的粉塵擴(kuò)散情況,如圖2 所示。由圖2 可以看出:

圖2 露天臺(tái)階爆破后粉塵的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程Fig.2 Dynamic diffusion process of dust after open-pit bench blasting

(1) 露天深孔爆破發(fā)生后,在深孔爆破沖擊波的作用下,巖塵從爆破發(fā)生區(qū)域瞬間噴入露天臺(tái)階上方和右側(cè);在環(huán)境風(fēng)流的作用下,臺(tái)階上方粉塵逐步朝風(fēng)流方向擴(kuò)散,露天臺(tái)階右側(cè)受誘導(dǎo)氣流引起的負(fù)壓影響,也隨著風(fēng)流方向逐步擴(kuò)散。

(2) 在爆破發(fā)生后的1 s 內(nèi),爆破產(chǎn)生的粉塵主要集中在爆破面附近區(qū)域,且臺(tái)階上方和右側(cè)的粉塵均沿著爆破面方向擴(kuò)散,這是由于爆破產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊氣流使得粉塵顆粒瞬間釋放導(dǎo)致的;隨著時(shí)間的推移,臺(tái)階上方粉塵主要集中在爆破面附近區(qū)域,而臺(tái)階右側(cè)的粉塵濃度受環(huán)境風(fēng)流的影響,逐步向風(fēng)流方向擴(kuò)散,且粉塵濃度分布區(qū)域隨時(shí)間逐步擴(kuò)大。

1.3 深孔爆破與水袋起爆時(shí)差分析

將水袋爆破與深孔爆破的時(shí)差分別設(shè)置為0.5 s、0.75 s、1 s、1.25 s、1.5 s 以及1.75 s,保持其他參數(shù)不變,模擬結(jié)果如圖3 所示。

圖3 深孔爆破與水袋起爆時(shí)差對(duì)爆破降塵效果的影響Fig.3 Effect of time difference between deep-hole blasting and water bag blasting on blasting dust removal effect

當(dāng)水袋爆破距深孔爆破時(shí)差在0.5 ～1 s 時(shí),水袋爆破產(chǎn)生的水霧時(shí)間較早,當(dāng)粉塵云到達(dá)水袋位置時(shí),水霧已經(jīng)處于回落狀態(tài),此時(shí)霧化液滴與粉塵的相互作用較短;當(dāng)水袋爆破距深孔爆破時(shí)差在1 ～1.5 s 時(shí),爆破水霧濃度較大且擴(kuò)散范圍最廣,能夠與擴(kuò)散過(guò)來(lái)的粉塵云充分接觸;當(dāng)水袋爆破距深孔爆破時(shí)差大于1.5 s 后,爆破粉塵云已經(jīng)擴(kuò)散到水袋位置,但水霧剛剛形成,水袋爆破的水霧與粉塵作用不及時(shí)而導(dǎo)致降塵效果不明顯,粉塵云會(huì)越過(guò)水霧到達(dá)其他區(qū)域。 故深孔爆破與水袋起爆時(shí)差宜選取在1 ～1.5 s。

1.4 水袋間起爆時(shí)差對(duì)爆破降塵效果影響分析

為研究自由面前水袋間起爆時(shí)差對(duì)深孔爆破降塵效果的影響,設(shè)置水袋1 與水袋2 起爆時(shí)差間隔為0 s、0.5 s、1 s、1.5 s、2 s 以及2.5 s,保持其他參數(shù)不變,模擬結(jié)果如圖4 所示。

圖4 水袋間起爆時(shí)差對(duì)爆破降塵效果影響分析Fig.4 Analysis of the effect of time difference between water bags on blasting dust removal

水袋1 與水袋2 起爆時(shí)差小于0.5 s 時(shí),由于兩個(gè)水袋起爆時(shí)差間隔較小,兩個(gè)水袋的爆破產(chǎn)生的水霧運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相近,對(duì)爆破粉塵沿途擴(kuò)散的降塵作用不佳;兩水袋起爆時(shí)差在0.5～1.0 s 時(shí),水袋1 首先捕獲臺(tái)階爆破產(chǎn)生的粉塵,其余粉塵在此微差時(shí)間內(nèi)被水袋2 捕獲,水袋沿途降塵效果較優(yōu);而在1 s 后,粉塵在空氣中擴(kuò)散時(shí)間在3 s 以上,水袋2起爆時(shí)間對(duì)空氣中彌漫的粉塵降塵效果下降。 綜合以上分析,兩水袋間的起爆時(shí)差宜選取0.5～1.0 s。

1.5 水袋間隔距離對(duì)爆破降塵效果影響分析

為分析水袋間隔對(duì)爆破水霧降塵效果的影響,設(shè)置水袋1 與水袋2 起爆時(shí)差間隔為1 s,分別設(shè)置2 個(gè)水袋間距為5 m、10 m、15 m,其他參數(shù)不變,在水袋起爆1 s 后,露天臺(tái)階水袋爆破形成的水霧效果如圖5 所示。 在2 個(gè)水袋間隔5 ～15 m內(nèi),水袋間距越大,2 個(gè)水袋爆破霧化的覆蓋面積越大,對(duì)爆破后粉塵的捕捉能力越好;當(dāng)2 個(gè)水袋間隔為5 m 時(shí)水袋爆破水霧的覆蓋范圍重合度較大,相應(yīng)的降塵范圍也會(huì)減小。

圖5 水袋間距差對(duì)爆破降塵效果影響分析Fig.5 Analysis of influence of water bag spacing difference on blasting dust removal effect

因此,確定自由面前水袋爆破除塵關(guān)鍵參數(shù):自由面前水袋爆破降塵過(guò)程中,水袋1 與深孔爆破的時(shí)間差為1 ～1.5 s、水袋2 與水袋1 的起爆時(shí)差為0.5 ～1.0 s、兩水袋間距為10 ～15 m 時(shí),降塵效果較好。

2 自由面前水袋爆破成霧降塵實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,在爆區(qū)自由面前布設(shè)2 排水袋,距自由面距離分別為15 m、27 m;每個(gè)水袋下鋪設(shè)3 根導(dǎo)爆索;距第一排孔孔內(nèi)起爆時(shí)差分別為:1.2 s、1.7 s;在距自由面50 m、100 m、150 m 布置集塵盒檢測(cè)單位面積落塵量,在自由面80 m 處布設(shè)2 臺(tái)測(cè)塵儀,分別檢測(cè)兩種情況下爆后50 s內(nèi)的粉塵濃度。 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案如圖6 所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)方案現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 The site situation of the test scheme

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖7 為水袋實(shí)驗(yàn)爆破過(guò)程,通過(guò)對(duì)比可以看出,在自由面前布設(shè)水袋,利用爆破成霧捕塵的方法可以有效地降低爆破粉塵濃度,對(duì)比效果非常明顯。

圖7 爆破過(guò)程Fig.7 The blasting process

對(duì)落塵盒和測(cè)塵儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,得到表3 和表4。

從表3、表4 可以看出,當(dāng)采用水霧捕塵措施后,第一排測(cè)點(diǎn)處采集的粉塵濃度增加了27% ;第二排測(cè)點(diǎn)采集的粉塵濃度增加了12% ;第三排測(cè)點(diǎn)采集的粉塵濃度降低了16% ;爆后50 s 粉塵濃度降低了36% ,降塵效果顯著。

表3 兩種情況爆后50 s 的粉塵濃度Tab.3 Dust concentration 50 s after explosion in both cases

表4 落塵量統(tǒng)計(jì)值Tab.4 Dust fall statistics

3 結(jié) 論

為確定自由面前水袋爆破降塵關(guān)鍵參數(shù),對(duì)自由面深孔爆破與水袋起爆時(shí)差、水袋間起爆時(shí)差以及水袋間隔距離分別進(jìn)行研究,得到以下結(jié)論:

(1) 第一排水袋起爆與深孔爆破時(shí)差在1 ～1.5 s 時(shí),爆破水霧濃度較大且擴(kuò)散范圍最廣,能夠與擴(kuò)散過(guò)來(lái)的粉塵云充分接觸;當(dāng)大于或小于此時(shí)間段時(shí),水袋爆破的水霧與粉塵作用不及時(shí)而導(dǎo)致降塵效果不明顯。 第一排與第二排水袋起爆時(shí)差在0.5 ～1.0 s 時(shí),水袋沿途降塵效果較優(yōu);2 個(gè)水袋間距在10 ～15 m 時(shí),爆破霧化的覆蓋面積大,爆破后粉塵的捕捉能力更好。

(2) 采用水霧捕塵措施后,50 m 處落塵量與未采取措施相比增加了27% ,100 m 處落塵量增加12% ,150 m 處落塵量減少16% ,水霧與塵粒作用,加速了塵粒的沉降,近區(qū)落塵量增加,遠(yuǎn)處落塵量減小;采用水霧捕塵措施后,爆后50 s 粉塵濃度降低36% 。