隧道用新型水炮泥的试验研究*

孙忠强　孟令刚

（1.河北科技大学环境科学与工程学院　石家庄050018；2.中钢石家庄工程设计研究院有限公司　石家庄050000）

职业健康

隧道用新型水炮泥的试验研究*

孙忠强1孟令刚2

（1.河北科技大学环境科学与工程学院石家庄050018；2.中钢石家庄工程设计研究院有限公司石家庄050000）

为了降低隧道爆破施工时粉尘的浓度 ，改善劳动者作业环境，选用多种基料、表面活性剂等，通过润湿性试验、表面张力试验和降毒性试验，确定了新型水炮泥降尘剂的配方，即基料选氯化钠，表面活性剂选十二烷基苯磺酸钠，添加剂为氯化铵和硫酸铜；为了验证新型水炮泥降尘剂的降尘效果，设计了水炮泥现场装填方案 ，并进行了现场对比试验，试验结果表明：加入水炮泥爆破全尘降尘率可达48%以上，比现有的通风除尘措施有了较大的提高。

粉尘 爆破 新型水炮泥 隧道

0　引言

钻爆法是岩石隧道施工的一种最重要且经济高效的施工方式，然而在公路隧道钻爆法施工中 ，钻孔、爆破、出渣运输、喷射混凝土等施工过程中都会产生大量的粉尘，粉尘不仅对大气环境产生污染，而且对作业人员的职业健康也会产生严重的危害 ，为此，必须采取一切措施来有效控制粉尘的扩散和飞扬 ，使作业点空气中的粉尘浓度降至国家安全规程规定值以内。针对隧道爆破产尘量大的问题 ，本文研究了适用于降低公路隧道爆破粉尘的新型水炮泥。

1　新型水炮泥降尘剂组分的选择

水炮泥降尘的实质是爆破产生的高温高压冲击波，将炮孔中填塞的水袋破裂 ，并使部分水汽化，产生的雾粒与使爆破所形成粉尘润湿粘结，从而达到降尘的效果。同时将研制的降尘剂加入水炮泥袋中，能有效降低水的表面张力，改善岩尘的润湿能力，并与炮烟中有毒有害气体发生反应，能够明显改善水炮泥降低粉尘的效果。降尘剂的配方决定降尘剂降尘效果的好坏。一般降尘剂由多种组分复配而成，主要由基料、表面活性剂组成。由于降尘剂主要用于降尘和降毒，因此降尘剂中应含有表面活性剂和其他添加剂等多种物质。作为降尘剂的活性单体必须满足以下性能：润湿效率高，降尘能力强；药剂消耗量小，使用浓度低；低毒，生物降解率高；价廉。降尘剂主要成分的组成选择：

（1）基料的选择。降尘剂要有良好的润湿性能才能保证起到降尘功效。无机盐的水溶液一般有良好的润湿性能，选无机盐为基料。目前降尘剂中常选用的无机盐有：氯化钙、氯化镁、氯化钠、氯化钾等［1-2］。

（2）表面活性剂的选择。基料可以增强降尘剂的润湿性 ，但是溶液的表面张力值改变不大。但是表面活性剂可以明显降低表面张力，提高降尘剂降尘性能。表面活性剂主要起降低溶液表面张力、增强润湿、分散等性能。常用的表面活性剂有：十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、硅酸钠等［1-2］。

（3）其他添加剂的选择。降尘剂既要有良好的降尘效果，又要有明显的降毒功能。水能与CO和氮氧化物发生化学反应，使它们转化为无毒物质。但是在正常工作环境下，该化学反应缓慢，需要添加催化剂。而Cu2+对水与CO的反应能起催化作用，故可以选择含有Cu2+的化学物质作为催化剂。但是添加的催化剂必须满足无毒无害，且不影响表面活性剂和润湿剂的降尘效果。另外含NH的物质，溶入水溶液中一般能和氮氧化物反应，消除氮氧化物，起到降低有毒有害气体的作用。

（4）降尘剂无毒害性分析。本次实验选用的具体物质见表1。

表1　降尘剂配方实验中选用的物质

2　水炮泥降尘剂配方实验研究

2.1基料的确定及实验结果分析

使基料各物质溶液与岩粉在相同的条件下相接触，通过对湿润程度的观察 ，定量的测量出不同浓度时各种物质的相对润湿度。把这三种物质分别从低浓度到高浓度配成溶液，不断的探索其随浓度变化的趋势。在选出每种物质的最优润湿浓度后，进行对比，选出最终的基料。本次实验测量相对润湿速度采用粉末正向渗透法［3-5］。

2.1.1不同基料最优润湿浓度测定

在实验时分别选定NaCl、KCl和CaCl2的5个质量浓度，分别是0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、1%，分别按其规定的浓度配制成溶液。首先，准备5个一样的试管，分别放入5g岩粉并慢慢敲匀，使试管内岩粉的高度距试管底部为5 cm；然后将试管垂直固定并标记好，接着向试管中分别慢慢滴加不同浓度的0.5 mL溶液，并在 滴加结束后立即计时［1-3］。各物质的相对润湿速度如图1～图3所示。

从图1可以看出，当NaCl溶液的质量浓度为0.1%～0.3%时，随浓度的增加，其润湿的效果也越为理想。当质量浓度为0.3%～0.5%时，其润湿效果变化却不大。当其质量浓度为0.5%～1%时，其润湿效果已开始有降低的现象。所以NaCl的最优润湿浓度为0.3%～0.5%，但从经济效益角度考虑，0.3%应为最佳。

图1　NaCl 不同浓度溶液的相对润湿速度

图2　KCl不同浓度溶液的相对润湿速度

从图2可以明显的看出，当KCl溶液的质量浓度在0.1%～0.5%时，随浓度的增加，其润湿的效果也越理想。在质量浓度为0.5%左右出现了峰值，当其质量浓度在0.5%～1%时，其润湿效果已开始降低，但降低的不多。因此，KCl的最优润湿浓度为0.5%～1%，但要是考虑经济效益，0.5%应为最佳。

由图3可以得到，当CaCl2溶液的质量浓度在0.1%～0.3%时，其润湿效果随着浓度的增加而增加。当其质量浓度为0.5%时，其润湿效果最差。当其质量浓度在0.7%～1%时，其润湿效果随着时间的增加有降低的现象。所以CaCl2的最优润湿浓度为0.1%～0.3%，但要是考虑经济效益，0.1%应为最佳。

图3　CaCl2不同浓度溶液的相对润湿速度

在实验时首先选定了NaCl、KCl、CaCl2的最优润湿质量浓度，其质量浓度分别是0.3%、0.5%、0.1%，分别按其规定的浓度配制成溶液。试验过程也与NaCl的最优润湿浓度实验相同，整理实验数据绘制成图4。

图4　各物质不同浓度的相对润湿速度

从图4中的变化趋势可以看出：在相同的实验条件下，每种物质在各自的最优润湿浓度时，NaCl与KCl的润湿性能最为优越，且NaCl开始阶段润湿速度快。通过实验可以认为，NaCl是所选3种基料中最优的，其最优润湿质量浓度为0.3%。

2.1.2基料溶液的表面张力测定数据分析

降尘剂的降尘性能除了与其溶液的相对润湿速度有关外，还取决于其溶液的表面张力［3］。经实验测定，NaCl不同浓度水溶液的表面张力，如表2所示。

表2　不同浓度NaCl水溶液的表面张力

测得水的表面张力为72.3 mN/m，所以NaCl做为基料添加到水中只是增强了水的相对润湿速度，没有降低水的表面张力。所以需要进一步研究如何降低水的表面张力。

2.2表面活性剂的确定及实验结果分析

2.2.1溶液表面张力测定实验及数据分析

要从十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸钠两种物质中选出作为降尘剂的表面活性剂就要通过测量两者溶液的表面张力。通过数据测定整理，绘制成图5。

图5　不同浓度下两种物质表面张力测定值

由图5可得出：两种物质的曲线基本相同，且都能降低水的表面张力，所以无法确定选用哪种物质，因而需考虑它们的相对润湿速度。

2.2.2粉末正向渗透法实验及数据分析

单纯从表面张力方面无法判定选用哪种物质为表面活性剂，所以需要测定两种物质的相对润湿速度。当然，研究表面活性剂对岩粉的润湿能力 ，需确保实验所需的岩粉相同。使物质与岩粉在相同的条件下相接触，通过对湿润程度的观察，定量的测量出不同浓度时表面活性剂的相对润湿速度。把这两种物质分别从低浓度到高浓度配成溶液，不断的探索其随浓度变化的趋势。在选出每种表面活性剂的最优润湿浓度后再进行对比 ，最终选出最优的表面活性剂。实验测量相对润湿速度采用的是粉末正向渗透法［6］。

（1）十二烷基苯磺酸钠的最优润湿浓度。在实验时首先选定了十二烷基苯磺酸钠的7个质量浓度，其质量浓度分别是0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、0.6%、0.8%，分别按其规定的浓度配制成溶液。其实验操作过程与NaCl的最优润湿浓度实验相同。不同浓度的十二烷基苯磺酸钠的相对润湿速度如图6所示。

图6　不同浓度的十二烷基苯磺酸钠的相对润湿速度

从图6可以得出，当十二烷基苯磺酸钠溶液的质量浓度在0.05%～0.5%时，其润湿效果随浓度的增加而越来越好。当其质量浓度在0.5%～0.8%时，其润湿效果已经基本无变化，只是在初始阶段浓度越高，润湿的越快，在后段时间它们的润湿效果十分接近。因此，考虑成本的问题，十二烷基苯磺酸钠的最优润湿浓度确定为0.5%。

（2）十二烷基硫酸钠的最优润湿浓度。实验时首先选定了十二烷基硫酸钠的5个质量浓度分别是0.05%、0.1%、0.2%、0.5%、0.8%，分别按其规定的浓度配制成溶液，实验操作过程同NaCl的最优润湿浓度实验。不同浓度的十二烷基硫酸钠的相对润湿速度如图7所示。

图7　不同浓度的十二烷基硫酸钠的相对润湿速度

由图7可得：当十二烷基硫酸钠溶液的质量浓度在0.05%～0.2%时，随浓度的增加，其润湿的效果也越理想。当其质量浓度为0.8%时，在0～25 min之内，比浓度为0.2%时的润湿速度快的多；但在25 min之后两者润湿能力又十分接近。因此，考虑成本的问题，确定0.2%为十二烷基硫酸钠的最优润湿浓度。

（3）确定最优表面活性剂。在实验时首先选定了十二烷基硫酸钠和十二烷基苯磺酸钠2种物质的最优润湿质量浓度，其质量浓度分别是0.2%、0.5%，分别按其规定的浓度配制成溶液。实验操作过程同NaCl的最优润湿浓度实验。不同表面活性剂的相对润湿速度如图8所示。

图8　两种表面活性剂的相对润湿速度

从图8中的变化趋势可以看出 ：在相同的实验条件下，两种润湿剂在各自的最优润湿浓度时，十二烷基苯磺酸钠的润湿性能最为优越。从实验起初到实验时间不断增加 ，十二烷基苯磺酸钠的润湿效果都是最明显的。通过本实验可以得出，十二烷基苯磺酸钠为最优润湿剂，其最优的润湿质量浓度为0.5%。

2.3其他添加剂的确定及实验结果分析

降尘剂不但要降低粉尘的浓度 ，而且还应降低有毒有害气体的浓度，因此，还需要加入其他添加剂。

2.3.1降氮氧化合物毒性的研究

众所周知，爆破产生的有毒、有害气体主要为一氧化碳和氮氧化物。故本次实验的主要目的是找到合适的添加剂并确定其最佳浓度来作为降低氮氧化物的主要成分。通过查阅文献确定了降低氮氧化物的物质为氯化铵；本实验采用的设备为空气采样器和分光光度计，其操作过程：首先制备具有一定浓度的气态氮氧化物，然后利用空气采样器抽取并测定其吸收液的吸光度；接着把不同浓度的液态氯化铵喷洒到已经制备好的气态氮氧化物中，再测定其吸光度；然后最终选定氯化铵的最佳添加浓度［3］。

图9为不同质量浓度的氯化铵喷洒后其吸收液的吸光度（抽30 s和60 s）变化曲线。

图9　不同质量浓度氯化铵喷洒后吸收液的吸光度

由图9可以得到：随着氯化铵质量浓度的增加，其降毒率不断提高（吸光度值不断降低）；当其质量浓度在0.03%～0.05%时，其吸光度数值基本上达到了最低的状态（降毒率达最高），即达到了明显降低氮氧化物含量的要求。本着节约成本的原则，选氯化铵的最佳质量浓度为0.03%。

2.3.2添加剂的粉末正向渗透法实验及数据分析

（1）氯化铵对降尘剂的影响分析。实验时首先选定了氯化钠、十二烷基苯磺酸钠、氯化铵的质量浓度分别为0.3%、0.5%、0.03%，分别按其规定的浓度配制成溶液，还要有单纯的水作为空白参照。实验操作过程同NaCl的最优润湿浓度实验。加入不同物质的相对润湿速度如图10所示。

由图10可以看出：加入氯化铵后混合溶液的润湿速度与不加之前的润湿速度基本相同。因此，加入氯化铵对基料和表面活性剂不存在负面影响。所以氯化铵的最佳质量浓度为0.03%。

图10　加入不同物质的相对润湿速度

（2）硫酸铜对降尘剂的影响分析。在配制降尘剂的过程中，不但要使试剂能去除空气中的粉尘，而且还要去除空气中的有毒有害气体。由于硫酸铜能催化水与CO的反应，所以它是降尘剂中的一个重要组成部分。本实验依然采用粉末正向渗透法，确定了硫酸铜的最优质量浓度为0.1%。另外，还要研究它对其他试剂的性能是否有影响。

硫酸铜对氯化钠的影响分析。在实验时首先选定了一定浓度的硫酸铜和NaCl的最优质量浓度，其质量浓度分别为0.1%、0.3%，配制成氯化钠溶液和混合溶液。实验操作过程同NaCl的最优润湿浓度实验过程一样。硫酸铜对氯化钠的影响分析如图11所示。

图11　硫酸铜对氯化钠润湿性的影响

由图11可以得：相同的实验条件下，其润湿高度基本相同，可见硫酸铜对氯化钠润湿速度的影响很小。可以认为硫酸铜对NaCl的润湿性基本没有影响。

硫酸铜对十二烷基苯磺酸钠的影响分析。在实验时首先选定了十二烷基苯磺酸钠的最优质量浓度和一定浓度的硫酸铜，其质量浓度分别是0.5%、0.1%。配制成十二烷基苯磺酸钠溶液和混合溶液。实验操作过程同NaCl的最优润湿浓度实验操作过程。硫酸铜对十二烷基苯磺酸钠的影响分析如图12所示。

由图12可以看出：在相同的实验条件下，在起初和后段时间其润湿高度基本相同，只是中间时间段有点差异，可见硫酸铜对十二烷基苯磺酸钠润湿速度的影响也很小。所以最终可以确定硫酸铜的最佳质量浓度为0.1%。

图12　硫酸铜对十二烷基苯磺酸钠润湿性的影响

3　添加水炮泥现场降尘效果分析

为了验证添加水炮泥后的效果，选择辛庄公路隧道进行了现场试验。将水炮泥袋灌装满已配置好的降尘剂溶液后，填装在各个钻孔孔口附近，然后用普通炮泥封住孔口。添加水炮泥前后，爆破后全尘浓度对比如图13～图15所示，分别为距隧道左侧壁2 m、8 m、14 m处。

图13　距左侧14 m 采取措施后全尘降尘效率

图14　距左侧8 m 采取措施后全尘降尘效率

图15　距左侧2 m采取措施后全尘降尘效率

由图13～图15可得：采用水炮泥后整个隧道内全尘浓度大幅度降低，平均降尘效率达48%，其中越靠近掌子面降尘效率越高。

4　结论

（1）通过粉末正向渗透法和溶液表面张力测定实验，以及降低氮氧化物毒性的测定，确定了新型水炮泥降尘剂的基料和表面活性剂等的成分，即水炮泥降尘剂的配方如下：基料选氯化钠，其质量浓度为0.3%；表面活性剂选十二烷基苯磺酸钠，其质量浓度为0.5%；降低氮氧化物的物质选用氯化铵和硫酸铜，其质量浓度分别为0.03%和0.1%。

（2）通过在辛庄公路隧道进行现场试验 ，添加新型水炮泥后降尘效果明显提高，全尘的降尘效率达48%，越靠近掌子面降尘效率越高。

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［2］程燕，蒋仲安，陈仲秋，等.煤层注水中添加表面活性剂的研究［J］.煤矿安全，2006（3）：9-12.

［3］李向东，孙萌苑.新型水炮泥降低爆破烟尘的试验［J］.煤炭科学技术，2011，39（1）：53-56.

［4］金龙哲 ，刘结友，于猛.高效水炮泥的降尘机理及应用研究［J］.北京科技大学学报，2007，29（11）：1079-1082.

［5］姚海飞，金龙哲，刘建，等.高效水炮泥降尘试验研究［J］.中国煤炭，2009，35（11）：99-102.

［6］蒋仲安 ，姜兰，陈举师.露天矿潜孔钻泡沫抑尘剂配方及试验研究［J］.煤炭学报2014，39（5）：903-907.

Study on New Water Stemming for Tunnel

SUN Zhongqiang1MENG Linggang2
（1.Department of Environment Science&Engineering，Hebei University of Science and Technology Shijiazhuang 050018）

In order to reduce the dustconcentration of tunnel blasting，improve the working environment，a number of base materials and surface-active agents are adopted in the experiment.By measuring the surface tension of the solution，powder forward osmosis method and determination of toxicity reduction of nitrogen oxides，the basic material of water stemming dustfall agent is determined，that is，the base material is sodium chloride，surface-active agents is dodecyl benzene sulfonic acid sodium and additives for ammonium chloride and copper sulfate.In order to verify the new water stemming dustfall effect，the specific fill scheme is determined，the field comparison tests are conducted and the results show thatthe average removal efficiency on all size dust reaches up to 48%，when the new water stemming blasting dust is used and it has been greatly improved compared with the traditional ventilation and dust-collecting measures.

dust blasting new water stemming tunnel

河北省交通运输厅科技计划项目（2013544），河北省高等学校科学技术研究青年基金（QN2016059），河北科技大学博士基金项目（QD201516）。

孙忠强，男，博士，讲师，主要从事安全工程方面的教学与科研工作。

（2015-09-20）