水利水电工程岩石爆破水雾降尘技术研究

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）

1 研究背景

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。但爆破产生的粉尘的危害仍然没有得到有效的控制，在环境保护、劳动保护等方面引发一些问题，使得水利水电工程岩石的拆除爆破受到了一定的限制，成为阻碍爆破技术发展的难题［1-3］。

2 爆破粉尘的特性与除尘机理

2.1 来源

爆破粉尘的来源主要分为两部分［4］：①施工准备阶段产生的粉尘，主要包括拆除物表面的粉尘，施工器械附着的粉尘，钻孔产生的岩屑等；②在进行爆破阶段产生的粉尘，主要包括拆除物破碎产生的粉尘，构件触地解体产生的粉尘，爆破冲击波扬起的粉尘等。

2.2 危害

近年来，水利水电工程爆破施工及城市爆破拆除中的粉尘对环境和社会的危害越来越受到人们的关注。①环境危害，主要包括大气污染和生态系统的破坏；②社会影响，对人体产生的危害会引起矽肺等呼吸系统疾病；③粉尘污染后的空气通过大气循环对周边的城市空气质量造成严重的影响［5-6］。

2.3 防治现状

爆破粉尘污染的防治一直是水利水电工程研究的重要问题，长期以来形成了多种除尘方法。但是目前爆破降尘技术还没有形成一套完整的技术体系，很多研究工作比较分散，理论成果也很难应用到实际工程中，而且应用仅局限于城市建筑物爆破领域，并未在野外一些工程中大量使用，其次爆破工艺还存在着各种问题，例如材料不合理，容易造成二次污染；除尘效率低；除尘花费高；除尘安全性低，易造成事故［8］。

2.4 水雾除尘机理

普遍认为在水雾中存在的各种动力学现象和蒸发、凝结及水蒸气浓度差异造成的扩散现象等对呼吸性粉尘的捕集起重要作用［8-10］。其中包括空气动力学理论、云物理学机理、斯蒂芬输运原理［11-15］。

3 水雾除尘效果影响因素

3.1 爆炸水雾的粒径

捕尘效率与爆炸水雾粒径大小关系密切，粒径过小或者过大都会影响捕尘效率；雾滴与尘粒粒径大小应大体相当，否则会使尘粒沿雾滴周围绕过而逃逸，使除尘效率降低。对于不同粒径的粉尘，有最佳雾滴直径范围，最佳雾滴直径随粉尘粒径减小而减小，且雾滴直径为尘粒直径的100～150倍适宜。史富川、康聚鼎通过分析各国学者的研究成果，认为：①粒径在l00um左右雾滴的捕尘能力为最强；②雾滴粒径在l00um以下却又在十分容易汽化的湿度以上时，则50um左右的雾滴对捕获呼吸性粉尘的效果为最佳。薛里等［16］在理论和实验数据分析的基础上，提出在水雾和粉尘高速碰撞中，水雾粒度在大于300～450um时捕尘为益，但有一定的浓度限制，即在距离超过2.5m后，水雾粒度较均匀，但浓度较低，水雾将会很难对粉尘起到抑制效果。张小艳［17］从超声雾化系统的除尘效果出发，建立了除尘效率与雾化效果之间关系的数学模型，对于除尘效率的量化计算具有重要意义。

3.2 爆炸水雾雾滴与尘粒的相对速度

一般来说，冲击能量会随着水雾雾滴与尘粒的相对速度提高而提高，同时雾滴的表面张力对粉尘的阻力会减小，从而湿润尘粒。但要注意相对速度不宜过高，过高会使尘粒与雾滴的接触时间缩短，使捕尘效率降低。

根据资料［18-19］表明，当雾滴与尘粒碰撞时，雾粒和尘粒的相对速度不应小于20～30m/s，水雾雾滴的初速度以不小于80～100m/s为宜。总之所有的参数调整都是为了在水雾捕尘的有效半径内，尽量让雾滴和尘粒发生正碰，以实现有效降尘的目的。

3.3 水量对水雾捕尘效果的影响

水量的大小是影响除尘效果的主要因素。一般认为水量增大可以有效提高除尘效率，如表1。

表1 同水量不同尘量的除尘效果

表1可以看出，捕尘效率与水量及空气中含尘浓度有密切关系。总捕尘效率随着粉尘浓度的升高而升高，当粉尘量到达一定数值后，捕尘效率开始减小。在其他条件相同下，一定的水量对应一定的最大除尘量。研究最大捕尘量和水量的关系有利于充分利用水量，以节约总用水量。

3.4 水袋爆破时间间隔对水雾捕尘效果的影响

根据水雾与粉尘作用原理，水雾对粉尘的作用时间越长越好，因此应设定一定的起爆时间，使水雾与粉尘具有较长的作用时间。水袋爆破时间的确定主要包括两个方面：①确定爆破粉尘与爆破水雾之间的时间间隔，谁先爆破，时间间隔多少；②由于爆破开挖的面积较大，不会只有1个水袋，为加强除尘效果，单个炮孔的周围不会只设置1个水袋，因此还要确定不同布置位置水袋起爆时间。

单水袋爆炸后水雾的停留时间较短，但一般爆破工程中粉尘的停留时间却很长，因此需要先进行岩体的爆破，再进行水袋的爆破。增加水袋的个数，爆破除尘可以有效延长水雾与粉尘的作用时间。

安徽理工大学薛里等［16］做双水袋实验，利用控制变量法，研究水袋爆破延时单一变量对爆破除尘的影响。实验中第1个水袋与尘源同时起爆，第2个水袋延迟第1个水袋分别为1s、2s和3s进行起爆，粉尘的原始浓度为472.61mg/m3，检测第2个水袋爆破一定时间后的粉尘浓度，如表2。

表2 不同延时除尘效果

由表2可以看出，双水袋捕尘效率提高较小，即双水袋的相对单个水袋除尘效率没有现在变化。因此，采用双水袋除尘并不是十分有效的除尘方式，反而加大了水袋的使用量而使工程造价提高，既不经济也不实用，一般采用单一水袋除尘最佳。

4 结语

（1）捕尘效率与爆炸水雾粒径大小关系密切，粒径过小或者过大都会影响捕尘效率，且雾滴直径为尘粒直径的100～150倍适宜。

（2）在设计水雾爆破速度时，应根据粉尘的速度进行调整。雾粒和尘粒的相对速度应20～30m/s之上，水雾雾滴的初速度以大于80～l00m/s为宜。

（3）一定的水量对应一定的最大除尘量，且粉尘浓度提高可以增大捕尘效率，但粉尘浓度到达一定数值后，除尘效率不再增大反而较小。

（4）采用双水袋除尘效果不明显，既不经济也不实用，一般采用单一水袋除尘即可。

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