露天深孔爆破自由面前水袋爆炸降尘关键参数研究

郭尧刘殿书

1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083;2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京 100083

随着露天矿山台阶爆破规模不断增大,单次炸药使用量随之增加,大规模的爆破作业产生大量的粉尘污染。 爆破粉尘在空气中自由扩散,停留时间较长,对矿区环境及人员健康造成严重影响,粉尘污染治理成为矿山亟待解决的问题[1-3]。 学者们做了大量的研究工作,提出了湿式钻孔法、预先淋水法、水管喷水法、悬挂水袋法、直升机撒水法等治理方法,并应用于城市拆除爆破等实际工程中[4-7]。 而露天深孔岩石爆破中,因粉尘具有产尘点多、产尘量大、粉尘浓度高、分散度高、易扩散、污染范围广等特点,降尘技术的研究较为复杂与困难,目前尚处于探索阶段。

爆炸水雾降尘是基于爆破粉尘具有良好的吸湿性而提出的一种新型降尘方法。 它是利用爆炸能量驱动雾化抛洒水,形成具有一定压力、粒径、速度和浓度的水雾,通过雾滴对尘粒碰撞、拦截、捕获和沉降,达到液态的雾滴与固态的尘粒凝结成较大的颗粒后加速沉降的目的。 诸多学者针对爆炸水雾降尘特性开展了大量研究。颜事龙等[8-9]采用高速摄像法研究不同比药量对爆炸水雾运动特性的影响,对水雾运动的特性和形状作了定性分析;同时,将传统的PIV 技术数字化,用数字化摄像机摄取流体中的传播粒子的图像,再用软件分析得出流体的瞬时速度,设计和发展了一种扩展的测量爆炸水雾场水雾粒径的DPIV 方法。 陈军等[10]利用激光散射的方法建立了一套测量爆炸抛撒后远场云雾液滴尺寸的测量系统,研究了爆炸抛撒后液滴的运动过程。 马素平等[11]通过对水雾粒度与供水压力的内在联系进行理论分析与研究,结合粉尘沉降效率与水雾粒度的关系,得出粉尘沉降效率与喷雾水压力之间的关系。 蔡庆军等[12]采用激光散射法测量液滴颗粒尺寸,以此为基础研究了液滴平均尺寸随时间变化的规律。 王喜世等[13]基于利用粒子成像原理,采用数字成像系统获取了喷雾粒子的运动轨迹图像,进而通过研制相应的图像处理和分析软件,重建了细水雾雾场粒子的速度分布。 刘锋等[14]基于高速摄像法记录了水在爆炸作用下的抛撒过程,研究了水袋长径比对水爆炸抛撒成雾运动的影响。 研究主要集中在粉尘和水雾运动规律及相互作用的过程上,而对现场爆炸水雾降尘的参数选取描述很少。

本文以露天采石场中深孔岩石爆破为研究背景,采用数值仿真计算软件系统分析了深孔爆破与水袋间隔起爆时差、水袋间隔起爆时差与水袋间隔距离对爆破降尘的影响,得到了最佳的水袋降尘主要参数;在数值计算的基础上,开展了现场水袋降尘实验研究,对比分析了有无水袋降尘下的落尘浓度。 本文研究的水袋爆破降尘技术为解决露天爆破中的粉尘问题指引了方向,对空气颗粒污染的防治具有重要的实用价值。

1 水袋爆破降尘关键参数研究

ANSYS Fluent 能够对各种流体进行求解计算,其准确性得到了广泛认可。 该软件对于稳态和瞬态求解可自由切换,并能够选择不同的求解器,包括完全分离的压力基求解器、带有拟瞬态选项的耦合压力基求解器、隐式和显式的密度基求解器等。因此,本文采用ANSYS Fluent 模拟软件计算分析爆炸水雾降尘参数。

1.1 几何模型的建立及求解参数的设置

根据现场露天台阶爆破实验模型的布置和尺寸,使用Soildworks 建立三维几何模型,如图1 所示。 其中:台阶倾角为75°,梯段高度H长12 m,底盘抵抗线W长3.8 m,炮孔间距a为4.5 m,炮孔排距b为3.8 m,炮孔超深h为1.5 m,孔深L为13.5 m。 第一排水袋距自由面15 m,第二排水袋距自由面27 m。

图1 露天台阶爆破三维几何模型Fig.1 Three-dimensional geometric model of open-pit bench blasting

露天爆破过程会产生大量粉尘,并在空间流场的影响下向四周扩散。 其中粉尘主要产生区域位于爆破点的位置。 网格划分中主要针对爆破过程中粉尘的主要产生位置和扩散区域采用ANSYS Workbench 进行网格划分,并按表1 和表2 设置求解过程中的相关参数。

表1 边界条件及求解参数设置Tab.1 Boundary conditions and solution parameter setting

表2 离散相模型及粉尘源设置Tab.2 Discrete phase model and dust source setting

根据露天台阶深孔爆破实验及粉尘动态扩散数值模拟结果可知,由于爆破冲击作用,炮孔破碎的粉尘会从爆破发生区域瞬间喷入露天台阶上方和右侧,而在自由面设置水袋可有效减少粉尘的扩散范围。 为确定自由面前水袋爆破降尘关键参数,对自由面深孔爆破与水袋起爆时差、水袋间起爆时差以及水袋间隔分别进行研究。

1.2 露天深孔爆破粉尘动态扩散过程分析

露天深孔爆破过程中产生的粉尘,一方面是爆破过程中产生的巨大能量使岩土破碎产生粉尘,另一方面是爆破产生的冲击气流引起二次扬尘。 为研究爆破后发生的粉尘在露天台阶附近的浓度时空分布特征,将露天深孔爆破区域设置为产尘源,以分析该爆破过程的粉尘扩散情况,如图2 所示。由图2 可以看出:

图2 露天台阶爆破后粉尘的动态扩散过程Fig.2 Dynamic diffusion process of dust after open-pit bench blasting

(1) 露天深孔爆破发生后,在深孔爆破冲击波的作用下,岩尘从爆破发生区域瞬间喷入露天台阶上方和右侧;在环境风流的作用下,台阶上方粉尘逐步朝风流方向扩散,露天台阶右侧受诱导气流引起的负压影响,也随着风流方向逐步扩散。

(2) 在爆破发生后的1 s 内,爆破产生的粉尘主要集中在爆破面附近区域,且台阶上方和右侧的粉尘均沿着爆破面方向扩散,这是由于爆破产生的强大冲击气流使得粉尘颗粒瞬间释放导致的;随着时间的推移,台阶上方粉尘主要集中在爆破面附近区域,而台阶右侧的粉尘浓度受环境风流的影响,逐步向风流方向扩散,且粉尘浓度分布区域随时间逐步扩大。

1.3 深孔爆破与水袋起爆时差分析

将水袋爆破与深孔爆破的时差分别设置为0.5 s、0.75 s、1 s、1.25 s、1.5 s 以及1.75 s,保持其他参数不变,模拟结果如图3 所示。

图3 深孔爆破与水袋起爆时差对爆破降尘效果的影响Fig.3 Effect of time difference between deep-hole blasting and water bag blasting on blasting dust removal effect

当水袋爆破距深孔爆破时差在0.5 ～1 s 时,水袋爆破产生的水雾时间较早,当粉尘云到达水袋位置时,水雾已经处于回落状态,此时雾化液滴与粉尘的相互作用较短;当水袋爆破距深孔爆破时差在1 ～1.5 s 时,爆破水雾浓度较大且扩散范围最广,能够与扩散过来的粉尘云充分接触;当水袋爆破距深孔爆破时差大于1.5 s 后,爆破粉尘云已经扩散到水袋位置,但水雾刚刚形成,水袋爆破的水雾与粉尘作用不及时而导致降尘效果不明显,粉尘云会越过水雾到达其他区域。 故深孔爆破与水袋起爆时差宜选取在1 ～1.5 s。

1.4 水袋间起爆时差对爆破降尘效果影响分析

为研究自由面前水袋间起爆时差对深孔爆破降尘效果的影响,设置水袋1 与水袋2 起爆时差间隔为0 s、0.5 s、1 s、1.5 s、2 s 以及2.5 s,保持其他参数不变,模拟结果如图4 所示。

图4 水袋间起爆时差对爆破降尘效果影响分析Fig.4 Analysis of the effect of time difference between water bags on blasting dust removal

水袋1 与水袋2 起爆时差小于0.5 s 时,由于两个水袋起爆时差间隔较小,两个水袋的爆破产生的水雾运动状态相近,对爆破粉尘沿途扩散的降尘作用不佳;两水袋起爆时差在0.5～1.0 s 时,水袋1 首先捕获台阶爆破产生的粉尘,其余粉尘在此微差时间内被水袋2 捕获,水袋沿途降尘效果较优;而在1 s 后,粉尘在空气中扩散时间在3 s 以上,水袋2起爆时间对空气中弥漫的粉尘降尘效果下降。 综合以上分析,两水袋间的起爆时差宜选取0.5～1.0 s。

1.5 水袋间隔距离对爆破降尘效果影响分析

为分析水袋间隔对爆破水雾降尘效果的影响,设置水袋1 与水袋2 起爆时差间隔为1 s,分别设置2 个水袋间距为5 m、10 m、15 m,其他参数不变,在水袋起爆1 s 后,露天台阶水袋爆破形成的水雾效果如图5 所示。 在2 个水袋间隔5 ～15 m内,水袋间距越大,2 个水袋爆破雾化的覆盖面积越大,对爆破后粉尘的捕捉能力越好;当2 个水袋间隔为5 m 时水袋爆破水雾的覆盖范围重合度较大,相应的降尘范围也会减小。

图5 水袋间距差对爆破降尘效果影响分析Fig.5 Analysis of influence of water bag spacing difference on blasting dust removal effect

因此,确定自由面前水袋爆破除尘关键参数:自由面前水袋爆破降尘过程中,水袋1 与深孔爆破的时间差为1 ～1.5 s、水袋2 与水袋1 的起爆时差为0.5 ～1.0 s、两水袋间距为10 ～15 m 时,降尘效果较好。

2 自由面前水袋爆破成雾降尘实验研究

2.1 实验方案

根据数值模拟结果,在爆区自由面前布设2 排水袋,距自由面距离分别为15 m、27 m;每个水袋下铺设3 根导爆索;距第一排孔孔内起爆时差分别为:1.2 s、1.7 s;在距自由面50 m、100 m、150 m 布置集尘盒检测单位面积落尘量,在自由面80 m 处布设2 台测尘仪,分别检测两种情况下爆后50 s内的粉尘浓度。 现场测试方案如图6 所示。

图6 实验方案现场Fig.6 The site situation of the test scheme

2.2 实验结果分析

图7 为水袋实验爆破过程,通过对比可以看出,在自由面前布设水袋,利用爆破成雾捕尘的方法可以有效地降低爆破粉尘浓度,对比效果非常明显。

图7 爆破过程Fig.7 The blasting process

对落尘盒和测尘仪采集的数据进行处理分析,得到表3 和表4。

从表3、表4 可以看出,当采用水雾捕尘措施后,第一排测点处采集的粉尘浓度增加了27% ;第二排测点采集的粉尘浓度增加了12% ;第三排测点采集的粉尘浓度降低了16% ;爆后50 s 粉尘浓度降低了36% ,降尘效果显著。

表3 两种情况爆后50 s 的粉尘浓度Tab.3 Dust concentration 50 s after explosion in both cases

表4 落尘量统计值Tab.4 Dust fall statistics

3 结 论

为确定自由面前水袋爆破降尘关键参数,对自由面深孔爆破与水袋起爆时差、水袋间起爆时差以及水袋间隔距离分别进行研究,得到以下结论:

(1) 第一排水袋起爆与深孔爆破时差在1 ～1.5 s 时,爆破水雾浓度较大且扩散范围最广,能够与扩散过来的粉尘云充分接触;当大于或小于此时间段时,水袋爆破的水雾与粉尘作用不及时而导致降尘效果不明显。 第一排与第二排水袋起爆时差在0.5 ～1.0 s 时,水袋沿途降尘效果较优;2 个水袋间距在10 ～15 m 时,爆破雾化的覆盖面积大,爆破后粉尘的捕捉能力更好。

(2) 采用水雾捕尘措施后,50 m 处落尘量与未采取措施相比增加了27% ,100 m 处落尘量增加12% ,150 m 处落尘量减少16% ,水雾与尘粒作用,加速了尘粒的沉降,近区落尘量增加,远处落尘量减小;采用水雾捕尘措施后,爆后50 s 粉尘浓度降低36% 。