水袋在爆破水雾除尘技术中的应用

胡 涛，刁 伟，崔正辉，吴晓杨，吕 鑫

（武汉大学 水利水电学院，武汉430072）

爆破技术已经在水利水电工程岩石拆除工程中得到广泛运用，随着我国水利事业的飞速发展，水利水电工程建设对爆破技术的依赖度越来越高，爆破技术的应用范围日益广泛。

爆破过程中产生的粉尘对环境、施工人员健康危害较大，消除爆破粉尘一直是工程建设研究的重要问题。由于相关技术还不成熟，爆破产生的粉尘问题一直没有得到有效解决，成为阻碍爆破技术发展的难题［1］。因此，研究爆破粉尘特征和降尘技术，建立一套完整高效且快速的爆破降尘技术，改进爆破过程中所使用的材料，解决爆破粉尘问题，对保护环境，保护工作人员的身体健康，使工程爆破技术有更深远的发展，都具有十分重要理论意义和现实意义。

目前关于爆破降尘有多种不同的工艺，其中利用水袋进行水雾降尘是一种相对有效方便的降尘方式。其原理是设计一种装有炸药和水的水袋，利用炸药爆炸能量将水雾化，水破碎后形成无数小液滴弥散在空气中，液滴与空气中的粉尘通过碰撞、胶结、凝聚等接触形式最后沉降下来［2］。水袋的设计是水雾降尘工艺中关键技术，直接影响最后的降尘效果。

关于水袋的设计，目前工程上的应用较单一，除尘效率并不十分理想，相关研究工作还不成熟。本文尝试探讨水袋的设计方案，为爆破水雾降尘提供一些参考。

1 水袋长径比对水雾参数的影响

工程中水袋一般设计成圆柱体，圆柱的高和底圆直径为水袋的两个重要参数。水袋长径比是指水袋长度与直径之比，是水雾发生装置的一个重要指标。很多学者［3-5］对水雾采用小水量、小药量进行模拟实验。试验选定药量、水量、水袋层数等其他装置，通过实验得出长径比对水爆炸抛撒成雾运动特性的影响规律。研究发现水雾抛撒过程中形成近似圆锥体轮廓，一般规定水雾抛撒后形成圆锥体底圆半径为抛撒半径，抛撒圆锥体垂向的最大长度为抛撒高度。

郭学永［3］通过试验研究了装置参数对FAE云雾状态［4］的影响，并得出不同材料水筒情况下抛撒液体抛撒半径、高度的实验数据，利用其数据可以绘出抛撒半径和高度随时间变化的图像。水筒装置同水雾降尘的水袋类似，同样可以用来分析水袋装置参数对水雾状态的影响。

图1 云雾直径和时间的关系

图2 云雾高度和时间的关系

图3 云雾径向膨胀速度与时间的关系

由图1可知，长径比大的水袋最终云雾直径与长径比小的水袋云雾直径相差不大；由图2可见，长径比小的水袋其云雾轴向增长速度大于长径比大的水袋，说明长径比大的水袋其轴向约束力较大，更有利于水雾的径向抛撒，但最终的云雾高度大概相等。由图3曲线可以看出，长径比大的水袋，其云雾径向膨胀速度在水雾抛撒的近场阶段远大于长径比小的水袋，因此可知长径比大的水袋其变形量较大，产生的射流量也较大，有利于水雾的抛撒。

岳中文等［6］采用高速摄像法记录水在爆炸作用下的抛撒过程，研究了不同爆炸水袋长径比对水爆炸抛撒成雾运动的影响。通过对实验记录数据的分析，获得了在不同的长径比条件下，水爆炸抛撒过程中的径向半径、径向速度以及水雾轴向高度与时间的关系，同时还对水雾运动的特性和形状做了定性分析。结果表明：水袋长径比对抛撒水雾的径向半径、轴向高度影响不大，但长径比是影响水雾径向抛撒初速度的重要因素。

通过综合不同学者试验成果得出：①水雾抛撒开始阶段水雾抛撒半径随长径比增大而增大，但之后就变化不大。因此，长径比对水雾半径影响不大。②水雾径向抛撒速度随长径比增大而增大。当爆炸水袋的长径比较大时，形成水雾在空间排列比较均匀，速度增大快，同时减小也快。③水雾抛撒高度达到一定高度后，高度不再变化，即长径比对最终水雾抛撒高度的影响不大。但长径比小水雾抛撒的高度比长径大水雾抛撒高度要大。

2 水袋厚度对抛撒参数的影响

2.1 对水雾初期抛撒速度的影响

水袋厚度是影响抛撒速度的一个重要因素。水袋壁面可以阻止水雾向四周扩散，在水雾抛撒过程中，水袋壁面对水雾做负功，使其速度减小。水袋厚度越大，水袋对抛撒水雾做的负功越多，水雾的速度减小的越多，则最终抛撒水雾的最大速度就越小。

吴德义［7］曾提出液体抛撒最大速度v0和壁面存在以下关系式，即

式中 D为水袋的直径（cm）；ρ为液体水的密度（kg/m3）；L为水袋的高度（cm）；d为水袋的厚度（cm）；K6为系数，K6=2.7×103。

式（1）表明水雾抛撒最大速度和水袋壁面厚度存在负相关关系，同时把最大速度和水袋的相关参数联系在一起，对于实际工程中设计合适形状的水袋具有很大的参考价值。

2.2 对水雾半径的影响

岳中文［6］曾通过实验研究水袋厚度对水爆炸抛撒成雾运动特性的影响。水袋装水7500mL，中心药包装药当量为1.9g黑索金。水袋的厚度分别选取：A=3.75×10-2mm、B=15×10-2mm、C=15×10-2mm3种规格。

基于以上原因，我不同意说赵五娘的行为是封建的孝道，她更不是宣扬封建孝道的典型。她只是我国古代千千万万勤劳、善良、宽厚的劳动妇女中的一员，她的品质也正是我国古代劳动妇女的优秀品质。而这种品质在当今社会仍具有广泛的进步意义，仍值得提倡。

实验得到了水雾抛撒半径随时间的变化图像，如图4。

图4 不同厚度水袋的水雾抛撒半径—时间变化曲线

从图4可以看出，水雾半径随水袋壁面厚度增大而减小［8］。因为水袋壁面可以抵消炸药爆炸时对水滴的冲击力，水袋壁面越厚，抵消的作用效果越大，最后形成水雾的半径就越小。在设计水袋厚度时，既不能设计太大，也不能设计太小。厚度太大，水雾半径过小，形成水雾除尘的范围就很小，除尘效率就很低；厚度太小，作用于水滴的能量过大，形成水雾的不均匀，且浓度比较小，也不能有效除尘。实际设计中，要取厚度适中的水袋厚度，既要达到有效除尘的目的，也要节约经济。

3 材料的选择与形状改进

传统的水袋，是由无色、无味、透明、柔软的乳胶或聚乙烯注塑而成，此种材料在燃烧过后，会产生一氧化碳等有毒气体，同时未燃烧殆尽的残骸难于被土壤微生物分解，从而产生白色污染。新型水袋是在保持原有普通水袋的耐温、抗压等功能基础上，通过改变其形状、结构及材料，以改善水雾化慢、爆炸后产生有害气体及残留物难降解的现状，从而能够在降尘的同时不会产生二次污染。具体可以从以下几点方向改进。

3.1 环保改进

材料的选择，以改善爆炸后水雾化慢、产生有害气体及残留物难降解等现状。如可以应用纯天然环保材料，点燃后迅速燃烧，不会产生一氧化碳、氮的氧化物的有毒气体；同时，水袋的残留物能够很快地被土壤的微生物分解，从而避免在降尘的同时产生二次污染。

3.2 造价改进

在保证水袋高效环保的基础上，力求选择最经济廉价的材料。

水袋的形状改进也是一个很有研究价值的改进方向。笔者认为将圆柱体水袋设计成圆锥体、长方体、组合体等其他形状以提高除尘效率节约材料，有待进一步研究。

4 结语

（1）水雾抛撒起始阶段水雾抛撒半径随长径比增大增大，但之后就变化不大。因此，长径比对水雾半径影响不大。水雾径向抛撒速度随长径比增大而增大，当爆炸水袋的长径比较大时，形成水雾在空间排列比较均匀，速度增大快，同时减小也快。水雾抛撒高度达到一定高度后，高度不再变化，即长径比对最终水雾抛撒高度的影响不大。但长径比小水雾抛撒的高度比长径大水雾抛撒高度要大。

（2）水袋越厚，水雾抛撒速度越小，水雾半径越小。因此在设计水雾抛撒装置时，为增大雾化体积改善抛撒效果，尽量选择壁薄的材料。

（3）水袋材料的选择对环保具有重要意义。通过选择良好的材料，解决爆炸后产生有害气体及残留物难降解的问题，从而避免在降尘的同时产生二次污染。

水袋的形状确定和材料选择是水雾降尘技术中关键步骤。选择合适的水袋对完善水雾降尘施工工艺，提高工程效益，保护环境，都具有十分重要的理论意义和现实意义。

［1］徐立成，孙和平.微细水雾捕尘理论与应用［J］.通风除尘，1996，15（4）：16-18.

［2］郑炳旭.城市爆破拆除的粉尘预测和降尘措施［J］.中国工程科学，2002，8（4）：69-73.

［3］郭学永，惠君明.装置参数对FAE云雾状态的影响［J］.含能材料， 2002，10（4）：161-164.

［4］Glassz W Micheal.Far-field dispersal modeling for fuel-airexplosive［R］.SAND-90-0686，1990.

［5］Gardner D R.Near-field dispersal modeling for liquid fuelair-explosive［R］.SAND-90-0686，1990.

［6］岳中文，颜事龙，刘锋.液体抛撤初期水雾运动速度的实验研究［J］.安徽理工大学学报，2006，26（1）：61-62.

［7］吴德义，杨基明.爆炸与冲击，强冲击波作用下液体抛撒的试验研究［J］.2003（3）：91-95.

［8］丁珏，刘家骢.V形槽内爆炸抛撒水雾形成过程的数值研究［J］.含能材料，2001，9（9）：136-138.