天池抽水蓄能电站地下洞室群爆破粉尘及炮烟控制技术分析

向冠霖 肖林斌 肖冬平 董平

摘要：为解决天池抽水蓄能电站地下洞室群爆破粉尘及炮烟污染问题，研究了爆破粉尘及炮烟的特征与消散规律，提出了高效的降塵方法。针对天池抽水蓄能电站尾水洞的爆破开挖，开展了施工现场试验。分别监测了常规光面爆破、加水袋及水沙袋的光面爆破产生的粉尘浓度;以常规光面爆破试验的粉尘平均浓度值为基准，对比了爆破粉尘及炮烟浓度大小，分析了水袋及水沙袋对粉尘消散的影响规律。研究结果表明：采取加水袋及水沙袋的光面爆破技术进行爆破粉尘及炮烟控制是可行、有效的;与常规光面爆破相比，加有水袋及水沙袋的光面爆破技术对爆破粉尘控制效果更加明显，水在高温作用下能够雾化，包裹粉尘颗粒，加速降尘过程，同时充分吸收爆炸产生的有毒、有害气体，达到改善洞内空气质量的目的。

关键词：爆破粉尘及炮烟;降尘技术;光面爆破;水袋及水沙袋;天池抽水蓄能电站;河南省

中图法分类号：TV743文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.06.007

文章编号：1006 - 0081（2021）06 - 0035 - 06

1 研究背景

目前在建的天池抽水蓄能电站位于河南省南阳市南召县马市坪乡境内，由上水库、输水系统、地下厂房系统、下水库及地面开关站等建筑物组成。该电站地下厂房洞室群爆破开挖过程中，因洞内通风条件较差，爆破后产生大量粉尘污染，严重影响洞内空气质量，难以满足绿色施工要求，严重危害施工人员的身体健康。此外，在有浓密电网和有精密、复杂仪器设备的地方，爆破粉尘可能引起电路的短接，影响电力供应、设备正常工作;粉尘与空气作用形成气溶胶并在空中长时间漂浮，影响采光和降水的清洁度[1- 2]。因此，研究爆破粉尘特征和降尘技术，解决地下洞室群爆破开挖过程中施工环境的粉尘及炮烟污染问题，对工程爆破技术的发展具有重要理论意义和现实意义。

爆破粉尘的来源可分为施工准备阶段产生的粉尘和施爆阶段产生的粉尘[3]。施工准备阶段产生粉尘主要为凿岩机钻孔中形成的粉尘;施爆阶段产生粉尘主要有：炮孔周围介质被炸药粉碎、断裂和破坏过程中产生的粉尘、由爆炸冲击波掀起的积尘、随爆生气体飘散的粉尘等。研究表明：爆破后，工作面附近的粉尘扩散速度快、滞留时间长，粉尘浓度较长时间后仍超过规定值[4]。当前，关于爆破粉尘及炮烟控制常采用的主流技术有：湿式凿岩技术、水幕过滤技术、水炮泥封堵技术和“环保型”降尘技术等[5-7]。

本文采取施工现场试验手段，分别监测常规光面爆破、加有水袋及水沙袋的光面爆破产生的粉尘浓度，以常规光面爆破试验的平均浓度值为基准，对比各爆破试验产生的爆破粉尘及炮烟浓度大小，分析水袋及水沙袋对降尘效果的影响规律。

2 工程概况

河南省天池抽水蓄能电站的地下厂房系统建筑物主要由主厂房、主变洞、母线洞、排风洞、500 kV 电缆出线平洞、500 kV 电缆出线竖井、进厂交通洞、主变运输洞、通风兼安全洞、排烟竖井、电缆交通洞、排水廊道、自流排水洞等洞室组成。地下厂房开发方式系尾部式开发，主厂房轴线方向为 N69°W，机组纵轴线距上库进出水口水平距离约3 000 m，距下库进出水口水平距离约 450 m。地下厂房三维立体图如图1所示。

主厂房由主机间、安装间和副厂房组成，呈“一”字形布置，安装间和副厂房分别布置在主机间的左、右两端，洞室断面为城门洞型，主厂房洞室开挖尺寸为156.50 m×23.50 m×51.80 m （长×宽×高）。主厂房与主变洞之间有4条母线洞、1条电缆交通洞和1条主变运输洞连接。主变洞开挖尺寸154.92 m×20.00 m×21.30 m （长×宽×高）。母线洞断面为城门洞型，净空尺寸为40.00 m×8.00 m×10.00 m（长×宽×高）。

3 爆破粉尘及炮烟控制

针对该工程中爆破开挖造成施工环境的粉尘污染问题，以尾水洞施工为例，拟采取常规光面爆破、加水袋及水沙袋的光面爆破，以及开挖掌子面悬挂水袋的水压光面爆破进行爆破试验。通过相应仪器测得各试验爆破后产生的平均粉尘浓度，以常规光面爆破试验的平均粉尘浓度为基准，对比其他爆破试验产生的平均浓度变化，分析各爆破试验对降低爆破粉尘的作用大小，爆破孔位置可根据现场实际情况调整。

3.1 水袋及水沙袋降尘试验

加入水袋及水沙袋的光面爆破原理为：往炮眼底部加入袋，并用水袋及水沙袋回填堵塞炮眼，利用在水中传播的冲击波对水的不可压缩性，使爆炸能量经过水传递到围岩中几乎无损失，同时，水在爆炸气体膨胀作用下产生的“水楔”效应，有利于岩石破碎。另外，水渗入掌子面岩体中，可防止岩爆发生。水在高温作用下雾化，包裹粉尘颗粒，加速降尘过程，同时充分吸收爆炸产生的有毒、有害气体，改善了洞内环境。相比常规爆破，水压爆破炮眼底部的水袋取代了一部分炸药，然后填在炮眼中实现封堵，亦称水炮泥封堵技术。

3.1.1 布孔方式

以尾水洞爆破开挖段进行现场试验，炮孔起爆网络如图2所示，为了进一步控制爆破振动造成的影响，具体炮眼及其引爆连线方式为：6发雷管用于孔外联网，32发雷管用于孔内联网。

3.1.2 爆破参数

加有水袋及水沙袋的光面爆破参数详见表1。

3.1.3水袋及水沙袋制作

水袋（图3）是由KSP-60型水袋自动封装机生产而成，其工作原理为：采用高压泵式容积法计算方式进行灌装，由凸轮机构完成水袋自动热合封口，根据线装药密度、堵塞长度、药卷直径等参数选定合适的水袋规格。水袋规格：通用的聚乙烯塑料制成;分大、中、小3种类型，具体见表2所示。

水沙袋（图4）由水和土沙按一定比例组成，制作水沙袋的原材料土沙可就地取材，节约成本，按照土∶沙∶水= 0.75∶0.10∶0.15的比例制作。

3.1.4 装药结构

炮孔底部先放一节水袋再装药，然后用水袋及水沙袋进行回填充实（图5）。其中，炮眼底部水袋相对炮眼中上部水袋不能过长。采用水压爆破时应注意：水沙袋不宜过满，水与沙土混合不易过稠;底部水袋要到底，水袋装满水;周边眼炮泥堵塞时必须振捣密实，确保能量被充分利用[8]。

3.2 悬挂水袋降尘试验

悬挂水袋降尘试验即在隧洞开挖段掌子面设置水袋，在隧洞爆破开挖前，让水袋起爆形成水雾屏障，再进行开挖起爆。水袋起爆方式有：①水袋用导爆管连接提前起爆形成水雾屏障;②用导爆索连接水袋起爆形成水雾屏障。确定水袋最佳起爆方式预试验：预先对悬挂水袋光面爆破进行两种水袋起爆方式对比试验，选择中型水袋进行两种起爆方式预试验，各进行3次试验，对除尘效果检测，选定出一种最佳的水袋起爆方式。

爆破参数、炮孔布置同常规光面爆破试验，根据图2所示的炮孔布置图，依据水袋规格大小，拟定图6所示3种不同的水袋规格布置图。小水袋可布置17个，中水袋可布置11个，大水袋则布置6个，通过试验选定最佳的水袋布置方式。

3.3 常规光面爆破试验

常规光面爆破技术原理为：炮眼中的炸药爆炸后，在岩石中传播应力波产生径向压应力和切向拉应力。由于炮眼相邻互为“空眼”，所以在炮眼连线两侧产生应力集中度很高的拉应力，超过岩石抗拉强度，炮眼之间的岩体形成的初始裂缝要比其他方向厉害的多，除此之外，由于炸药爆炸生成的高压气体膨胀产生的静力作用促使初始裂缝进一步延伸扩大。

本文将常规光面爆破作为对比试验方案，即将加有水袋和水沙袋的光面爆破及掌子面悬挂水袋的水压光面爆破试验进行对比，监测出爆破后产生的粉尘及炮烟浓度，与常规光面爆破进行对比，分析水袋对于爆破降尘的作用。常规光面爆破试验炮眼布置及爆破参数与加有水袋及水沙袋的光面爆破一致，不同之处在于，常规光面爆破中爆孔装药结构未装水袋，具体如图7所示。

4 控制效果分析

4.1 测点布置与现场监测

4.1.1测点布置

利用粉尘检测仪对常规光面爆破和加有水袋及水沙袋的光面爆破两种爆破方式进行粉尘浓度监测，主要检查指标为：TSP（全尘）、PM10和PM2.5，每种爆破方式监测3组不同断面爆破后的粉尘含量，每组监测按爆后时间不同分3次监测。第1次：爆破后20min;第2次：爆破后30min;第3次：爆破后40min。3组数据取平均值进行爆后粉尘及炮烟浓度分析，测点布置如图8所示。

4.1.2 现场监测

由于现场施工条件限制，开挖掌子面悬挂水袋降尘方案未进行试验，本文进行了3组爆破试验，每组试验均含常规光面爆破、加有水袋及水沙袋的光面爆破两种爆破方式。爆破现场及粉尘浓度监测如图9～10所示。

4.2 监测结果分析

分别对常规光面爆破，和加有水袋及水沙袋的光面爆破这两种方式爆破后空气中的粉尘，及炮烟浓度进行实时监测，具体监测数据见表3～4所示。

分别对3次监测得到的常规光面爆破，和加有水袋及水沙袋的光面爆破方式爆破后空气中的粉尘及炮烟浓度取平均值，且对TSP、PM10和PM2.5 3个监测指标分别进行对比分析，如图11所示。以常规光面爆破试验的粉尘及炮烟浓度为基准，对比其他试验的平均粉尘浓度增加量，分析水袋及水沙袋对降尘效果的影响规律。

由图11可知：爆破结束后20 min时，监测得常规爆破空气中产生的粉尘及炮烟浓度仍在增加，直至30 min后开始下降;然而，采用加水袋及水沙袋的光面爆破技术进行爆破开挖，监测结果显示，从爆破结束20 min后开始监测，空气中产生的粉尘及炮烟浓度持续降低;由此可知，采用加水袋及水沙袋的光面爆破技术进行爆破开挖，装药结构中的水袋及水沙袋爆破后，在高温作用下易产生雾化，包裹爆破过程中产生的粉尘颗粒，粉尘颗粒与水结合，体积增大，更利于下沉，即爆破粉尘颗粒与水结合作用下，加速粉尘颗粒下沉，达降尘、改善洞内空气质量等目的。也就是说，加水袋及水沙袋的光面爆破产生的粉尘浓度衰减速率大于常规光面爆破，且加水袋及水沙袋的光面爆破后粉尘达浓度峰值的时间超前于常规光面爆破。

监测数据也显示，加水袋及水沙袋的光面爆破产生的粉尘浓度略高于常规光面爆破。笔者在此作出分析，产生该现象的原因为：现场爆破试验在尾水洞不同的开挖标段进行，不同区域岩体的岩性存在差异性，爆破粉尘浓度的高低受现场爆破工艺、岩层地质条件及炮孔钻凿质量等多种因素的综合影响。因此，为了使粉尘与炮烟得到有效控制，还需要综合考虑各方面因素，例如炸药类型、岩层地质条件以及炮孔钻凿质量等，才能够使爆破效果得到改进，使粉尘与炮烟得到有效控制。

5 结 论

本文以河南省天池抽水蓄能电站地下洞室爆破施工为实例，针对地下洞室群爆破粉尘及炮烟污染问题，围绕爆破开挖中产生的爆破粉尘与炮烟控制技术进行试验与分析，分别监测常规光面爆破、加有水袋及水沙袋的光面爆破产生的粉尘浓度，以常规光面爆破试验的平均浓度值为基准，对比各爆破试验产生的爆破粉尘及炮烟浓度大小，分析水袋及水沙袋对降尘效果的影响规律。

现场试验结果表明：采用加水袋及水沙袋的光面爆破技术进行爆破粉尘及炮烟控制是可行的、有效的。为了使粉尘与炮烟得到有效控制，还需要综合考虑各方面因素，例如爆破工艺、炸药类型、岩层地质条件以及炮孔钻凿质量等，才能够使爆破效果得到改进，使粉尘与炮烟得到有效控制。而本文中提及的在开挖掌子面悬挂水袋进行爆破粉尘及炮烟控制，因现在施工条件限制，未能实现该方案的爆破效果对比，该方法需进一步进行验证。

参考文献：

[1] 袁辉. 金庙井金矿探矿巷道掘进爆破粉尘及炮烟控制技術探讨[J]. 世界有色金属， 2017（19）：229-230.

[2] 李舸. 浅谈工程爆破对环境的污染与治理[J]. 广东科技， 2014，23（20）：113-114.

[3] 朱金华， 夏军， 梁钱福， 等. 建筑物爆破粉尘控制[J]. 采矿技术， 2009，9（5）：125-126.

[4] 李雨成， 高军军， 李智， 等. 金川龙首矿长距离掘进巷道爆破粉尘分布分析[J]. 有色金属工程， 2016，6（2）：69-74.

[5] 董晓斌. 探矿坑道爆破粉尘及炮烟控制技术分析[J]. 资源节约与环保， 2017（7）：4-6.

[6] 管仁生， 孟海利， 薛里， 等. 爆破粉尘捕捉吸附技术试验研究[J]. 铁道建筑， 2017（1）：68-71.

[7] 张瑞. 水间隔装药降尘爆破技术在高村铁矿的应用[J]. 现代矿业， 2016，32（10）：4-5.

[8] 陈士海. 深孔水压爆破装药结构与应用研究[J]. 煤炭学报， 2000（增1）：112-116.

（编辑：江 文）