馬 超 王德勝 郭 賓 李永華 王宏飛 丁 科

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京100083;2.包鋼(集團(tuán))公司白云鄂博鐵礦,內(nèi)蒙古 包頭014080)

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，礦產(chǎn)資源的需求量急劇增加，推動了礦山產(chǎn)能的提升。鉆爆法通過機械鉆孔和裝藥爆破的方法實現(xiàn)巖石的高效破碎，是礦山開采的重要手段。常規(guī)爆破開采不可避免地產(chǎn)生大量粉塵，這些高濃度粉塵對作業(yè)人員的生產(chǎn)活動和身體健康產(chǎn)生了巨大危害。因此，采取科學(xué)高效的降塵措施是建設(shè)綠色礦山的關(guān)鍵[1-4]。露天臺階爆破的粉塵具有瞬時性、濃度高、擴散快等特點，傳統(tǒng)灑水降塵方法無法同步實施[5-6]，其粉塵治理難度極大[7]。對此，國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了灑水預(yù)濕地表、遠(yuǎn)距離噴霧除塵和爆炸水袋等濕式除塵技術(shù)[8]。具體來說，文獻(xiàn)[9-11]設(shè)計了一種內(nèi)置導(dǎo)爆索的水袋，通過模擬和試驗研究了導(dǎo)爆索位置對爆炸水霧降塵效果的影響。李文軍等[12]、曹勇等[13]提出了深孔臺階爆破水袋封堵降塵方法，對水袋規(guī)格和水袋填塞位置展開了研究;郝成磊等[14]、郭堯等[15]提出了臺階爆破地表鋪設(shè)水袋就地降塵法，通過模擬和試驗得出了新型泡沫發(fā)生裝置和雙水袋的合理起爆延期時間;楊年華等[16]設(shè)計了立體水霧降塵模型，對水袋爆炸成霧的影響因素進(jìn)行了試驗研究，確定了合理的水袋爆炸成霧設(shè)計參數(shù)。

綜合分析已有成果可知，爆炸水霧降塵方法能夠?qū)崿F(xiàn)露天臺階爆破的高效降塵，是一種有前景的綠色環(huán)保新技術(shù)。但該類技術(shù)的實施還需要分別解決“時間”和“空間”層面的兩個關(guān)鍵問題:一是爆炸水袋的合理空間布置，二是爆炸水霧場的合理激發(fā)時間。為此，本研究針對露天臺階爆破粉塵治理難題，結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗方法，進(jìn)行爆炸水霧場攔截降塵技術(shù)研究，探究爆炸水袋的合理空間布置和爆炸水霧場的合理激發(fā)時間，以期為爆破粉塵的高效治理提供技術(shù)依據(jù)。

1 爆炸水霧場與爆破粉塵生成特性數(shù)值模擬研究

1.1 模型構(gòu)建及邊界條件設(shè)定

本研究采用Solidworks軟件構(gòu)建露天臺階流場三維幾何模型，并利用Fluent軟件模擬研究爆炸水霧和爆破粉塵的生成及運移過程。為方便分析，對流場進(jìn)行相應(yīng)簡化，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。爆炸水霧模擬對網(wǎng)格的精度要求高，為提高計算效率，對模型尺寸進(jìn)行了縮減，具體模型尺寸如圖1、圖2所示。其中，露天臺階坡面角為70°，臺階高度為15 m。圖1中下部臺階底面水袋設(shè)為水霧顆粒速度入口，圖2中模型左側(cè)設(shè)為風(fēng)流入口，上部臺階中爆區(qū)位置和臺階坡面設(shè)為粉塵顆粒速度入口。

圖1 爆炸水霧場幾何模型Fig.1 Geometrical model of explosion water mist field

圖2 爆破粉塵幾何模型Fig.2 Geometric model of blasting dust

為直觀地顯示模擬結(jié)果，分別對爆破粉塵和爆炸水霧場生成過程進(jìn)行研究。參考相關(guān)成果[17-18]，確定模擬研究所需基本參數(shù)，對模型網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，相關(guān)參數(shù)取值見表1。

表1 計算模型基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of calculation model

1.2 爆炸水霧場生成及特性

爆炸水霧場生成條件設(shè)置見表2，工程實踐中的水霧是通過導(dǎo)爆索爆炸激發(fā)袋裝水霧化形成的，數(shù)值模擬將其等效為空間噴射水顆粒，爆炸水霧場生成的模擬效果如圖3所示。

表2 爆炸水霧場計算模型參數(shù)設(shè)定Table 2 Parameters of calculation model for explosion water mist field

由圖3可知:水霧場最大高度達(dá)18.9 m，最大寬度為9.2 m，水霧噴射至最大高度所需時間為1.21 s。在近地面6 m范圍內(nèi)，隨著噴射高度的升高，水霧濃度逐漸呈遞減趨勢。另外，當(dāng)爆炸沖擊波初始拋射力耗盡時，水霧開始回落，并出現(xiàn)小范圍水霧聚集，水霧場濃度也短暫升高。

圖3 爆炸水霧場模擬效果Fig.3 Simulation effects of explosion water mist field

1.3 爆破粉塵生成及特性

露天被爆巖石發(fā)生破碎、碎塊碰撞及拋擲堆積，從而產(chǎn)生大量粉塵。爆破粉塵相關(guān)初始條件設(shè)置見表3，爆破粉塵生成模擬的初期結(jié)果如圖4所示。

表3 爆破粉塵計算模型參數(shù)設(shè)定Table 3 Parameter setting of blasting dust calculation model

由圖4可知:被爆巖體破碎瞬間產(chǎn)生大量粉塵，隨著爆轟氣體自地表急速溢出沖入大氣，聚集在爆區(qū)臺階上方和臺階坡面前方形成粉塵蘑菇云。隨著初始動能逐漸消耗，爆破粉塵以慣性進(jìn)入大氣環(huán)境。由于其運移軌跡受到風(fēng)流控制及重力影響，粉塵云開始朝下風(fēng)向漂移，縱向躥升高度逐漸減小，橫向擴展距離逐漸增大。爆破粉塵初期特性如圖5所示。

圖4 爆破粉塵運移距離L和高度H隨時間t的變化情況Fig.4 Variation of blasting dust migration distance L and height H with time t

圖5 爆破粉塵運移時間與粉塵縱向躥升高度及橫向擴展距離的關(guān)系Fig.5 Relationship between blasting dust migration time and dust vertical jump height and horizontal expansion distance

2 爆炸水霧場攔截降塵技術(shù)方案

2.1 爆炸水霧場攔截降塵技術(shù)

根據(jù)露天臺階爆破粉塵生成的模擬研究成果，在粉塵產(chǎn)生的初始階段濃度較高，以爆區(qū)為基礎(chǔ)的空間形態(tài)范圍較小，防治范圍較小。結(jié)合爆炸水霧場的模擬研究成果分析認(rèn)為，在臺階坡面前方合理布設(shè)水袋，適時激發(fā)，依靠爆炸水霧場的強噴射和高加速特性，可以實現(xiàn)對爆破粉塵的及時攔截吸附治理，為此，本研究提出了爆炸水霧場攔截降塵治理技術(shù)方案。

2.2 爆炸水霧場激發(fā)合理延時確定

依據(jù)爆炸水霧場和爆破粉塵生成特性模擬研究結(jié)果，水霧場在t=1.21 s時，噴射最大高度為18.9 m;爆破粉塵在t=3.03 s時，躥升高度為19.3 m，橫向擴展距離約21 m，故水袋需布置在臺階坡面前21 m內(nèi);若水袋布置距離臺階坡面過近，拋擲的破碎礦巖塊會損毀水袋。綜合考慮破碎巖塊的初始拋射速度、拋射角度及從臺階不同高程處開始拋射的情形，將爆炸水袋布置在臺階坡面前方16～21 m位置較合理。

根據(jù)粉塵生成模擬結(jié)果，得到爆破粉塵運移時間t與橫向擴展距離L之間的多項式回歸曲線(圖5)，兩者函數(shù)關(guān)系可表示為

根據(jù)水霧降塵機理[18]，水霧與粉塵的相互作用時間越長，水霧降塵效率越高。由于爆炸水霧在空中擴散滯空時間較短，而爆破粉塵云擴散持續(xù)時間相對較長，所以爆炸水霧場合理激發(fā)時間的確定至關(guān)重要，以便實現(xiàn)兩者在時空上的最大接觸，實現(xiàn)最大效率地降塵。若激發(fā)時間過早，粉塵未擴散到水霧前方，水霧已達(dá)到最高點，并開始降落蒸發(fā)，無法有效攔截粉塵;若激發(fā)時間太遲，粉塵已擴散到水霧前方，而水霧未達(dá)到最高點，同樣不能有效攔截粉塵，如圖6所示。根據(jù)上式確定的爆炸水霧激發(fā)合理延時為

圖6 爆炸水霧與粉塵云時空合理匹配示意Fig.6 Schematic of reasonable spatiotemporal matching between explosive water mist and dust cloud

3 爆炸水霧場定型試驗

根據(jù)爆炸水霧生成特性模擬研究結(jié)果，評價爆炸水霧場生成效果的主要指標(biāo)為水霧高度、水霧寬度和噴射上升時間。爆炸水霧場生成效果主要受水袋直徑、水袋厚度和爆炸荷載大小的影響，這些因素對爆炸水霧場的影響相互關(guān)聯(lián)。為了提高試驗效率，本研究設(shè)計了L9(33)正交試驗，研究各因素對水霧場生成效果的影響，試驗共計9組，水袋構(gòu)成要素如圖7所示，試驗結(jié)果見表4。

圖7 爆炸水袋構(gòu)成Fig.7 Components of the explosive water bag

表4 不同因素對爆炸水霧場生成效果的影響Table 4 Influence of different factors on the formation effect of explosive water mist field

試驗顯示，水介質(zhì)在爆炸沖擊波的作用下經(jīng)過加速拋擲、拉伸成團(tuán)及沖擊霧化的過程，在該過程中水介質(zhì)發(fā)生了兩次破碎，現(xiàn)場試驗效果如圖8所示。

圖8 試驗水霧效果Fig.8 Test ffects of water mist

本研究采用SPSS計算軟件進(jìn)行多因素極差分析，分析結(jié)果見表5。將水霧高度、水霧寬度和噴射上升時間作為評價指標(biāo)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，各指標(biāo)的優(yōu)化組合均為A2B1C3，生成的水霧場高度為18 m、寬度為8.7 m、噴射上升時間為1.20 s。

表5 爆炸水霧場多因素極差分析結(jié)果Table 5 Multifactor range analysis results of explosive water mist field

4 爆炸水霧場降塵現(xiàn)場試驗

4.1 試驗方案

爆炸水霧降塵試驗在白云鄂博鐵礦1 416 m水平S幫實施，對比研究同爆區(qū)有、無降塵措施下的粉塵濃度及擴散情況。經(jīng)風(fēng)速儀現(xiàn)場測量，本次爆破作業(yè)平均風(fēng)速為1.5 m/s，爆破作業(yè)區(qū)域大小為120 m×50 m(長×寬)，總炸藥消耗量53 t。結(jié)合現(xiàn)場實際條件，水袋布置在臺階坡面前18.5 m處，確定爆炸水霧場激發(fā)合理延時Δt=1 100 ms。在距爆區(qū)50 m和100 m處各布置2臺測塵儀，水袋和儀器、現(xiàn)場試驗器材布置如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場試驗器材布置示意Fig.9 Schematic of field test equipment arrangement

4.2 降塵試驗測試結(jié)果及分析

利用攝像機拍攝的爆破水霧場降塵過程如圖10所示，通過對測塵儀采集的粉塵數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，距離爆區(qū)50 m處，無水袋布置區(qū)粉塵濃度為165.832 mg/m3，水袋布置區(qū)粉塵濃度為93.537 mg/m3，爆破粉塵濃度降低了43.6%;距離爆區(qū)100 m處，無水袋布置區(qū)粉塵濃度為96.673 mg/m3，水袋布置區(qū)粉塵濃度為57.144 mg/m3，粉塵濃度降低了40.9%。降塵結(jié)果分析表明:爆炸水霧場可以對爆破粉塵進(jìn)行有效攔截捕捉，粉塵濃度下降明顯，爆炸水霧場攔截降塵技術(shù)效果顯著。

圖10 水霧降塵效果Fig.10 Effects of dust removal by water mist

5 結(jié) 論

(1)結(jié)合白云鄂博鐵礦臺階爆破粉塵擴散及爆炸水霧場生成的數(shù)值模擬分析，提出了爆炸水霧場攔截降塵技術(shù)方案，分析并確定了水袋在臺階坡面前16～21 m的合理布置范圍和水袋合理激發(fā)延期時間。

(2)水霧場定型試驗確定了爆炸水袋的優(yōu)化構(gòu)成組合為A2B1C3，生成的水霧場高度為18 m、寬度為8.7 m、水霧噴射上升時間為1.2 s。爆破水霧降塵試驗中，水袋布置在臺階坡面前18.5 m處，計算的爆炸水霧場激發(fā)合理延時Δt=1 100 ms。試驗結(jié)果顯示:距爆區(qū)50 m處，粉塵濃度降低了43.6%;距爆區(qū)100 m處，粉塵濃度降低了40.9%。

(3)本研究尚存在不足之處，冬季水介質(zhì)易結(jié)冰，影響降塵試驗效果，后續(xù)工作中將針對抗凍水溶液配方進(jìn)行研究。