露天矿山爆破抑尘技术研究与应用

李志鹏，张子祥，荣 辉

(河北钢铁集团矿业有限公司，河北 唐山 063000)

0 引言

司家营铁矿采场爆破主要采用大孔径牙轮钻机和潜孔钻机穿孔、混装炸药车现场装药、利用高精度导爆管雷管或数码电子雷管实行毫秒延迟逐孔起爆技术，进行露天深孔台阶爆破施工作业。其爆破具有爆破频次高、爆破规模小、爆破地点分散的特点。爆破粉尘伴随爆破瞬间而产生，同时爆破又把地表的粉尘卷扬起来，使得粉尘的浓度增大，而且爆破粉尘粒径分布范围大，既有大直径固体颗粒，也有细微浮游颗粒。同时爆破粉尘具有浓度高、扩散速度快、滞留时间长、在空中分布范围广、露天开放性、颗粒小、质量轻、吸湿性一般较好等特点。随着环境保护要求日趋严格，减少爆破对生态环境的破坏和影响已显得尤为重要。为了保证采场空气质量符合二级标准限值要求，结合采场现状和实际生产情况，采取系列抑尘技术措施。

1 水雾覆盖法抑尘机理及影响因素

1.1 水雾消尘的机理

水颗粒俘获烟尘颗粒，逐步形成大粉尘团(见图1)，在重力作用下迅速沉降在爆破区域附近，达到粉尘沉降的目的。水流雾化，产生与烟尘颗粒粒径相当的微小水颗粒，最大限度地增加水颗粒的表面积，增加俘获烟尘颗粒的概率，提高消尘效率。

图1 细水雾润湿+包裹粉尘形成雾滴尘团使粉尘沉降机理

用水雾覆盖爆破烟尘，因水雾的气化作用，使该区域空气湿度接近饱和，具有亲水性的粉尘凝结空气中的水分，形成水化膜，粒子间产生液桥力，在液桥力作用下粒子相互结合，加速粉尘颗粒的聚集。

炸药爆炸产生高温，使爆破烟尘具有较高温度，在浮力作用下飘向高空。水雾覆盖爆破烟尘，可降低其温度，进而抑制粉尘粒子的扩散速度，使其不能高飘，进而为水雾消尘提供条件。

1.2 水雾抑尘影响因素

1)爆破作业参数对爆破消尘效果的影响。爆破参数主要包括装药量、炸药单耗、耦合及不耦合装药结构、炮孔填塞、孔径、首排最小抵抗线等。矿山露天深孔爆破常见松动爆破和抛掷爆破两种，高单耗、首排最小抵抗线小容易形成抛掷爆破。抛掷爆破产生的爆破烟尘量远大于松动爆破，其扩散范围更大，消尘难度也更大。

2)风力风向等气象条件对爆破消尘效果影响。爆破烟尘在后期扩散阶段受风力和风向的影响较大。如果爆破作业时有风，就要求提高爆破烟尘在初期扩散时的消尘率。风向与水雾喷射相对，水雾与烟尘作用时间长，有利于消除爆破烟尘。风向与水雾喷射方向相同，烟尘借助风力扩散的更快、更远，不利于消除爆破烟尘。

3)地质地形条件对爆破消尘效果的影响。爆区岩体的地质特点也会影响爆破烟尘的消除效果。岩体粉尘的亲水性直接影响水雾消尘的效果，石灰岩、铁矿石等岩体粉尘亲水性好，煤粉等有憎水性。高边坡地形不利于爆破烟尘的消除。台阶高度在10～15 m为最佳，过高的台阶高度会使得爆破岩体在推移和下落过程产生更多的烟尘，也容易超出水雾喷射范围以外。

4)起喷与起爆时间间隔对爆破消尘效果影响。爆破消尘器水雾喷射时间可以持续30 s左右。起爆后1 s起尘，之后喷射状扩散，约10 s后烟尘转为自由扩散，并超出爆破区域，即必须在起爆后10 s内控制住烟尘，消除烟尘在初始扩散的萌芽阶段，一旦扩散开来扩散将无法控制。爆破作业时，爆破消尘器启动时间比起爆时间提前5 s为最佳，当炸药爆炸时水雾已经下落并形成覆盖。爆破消尘器过早启动将缩短水雾与烟尘的作用时间而影响消尘效果，爆破消尘器过晚启动将造成烟尘弥散，导致烟尘扩散范围超过水雾覆盖面积，当水雾形成覆盖时，烟尘已经扩散至覆盖范围之外，致使消尘效果变差。

2 爆破方案的优化

2.1 采用新型BHPO预裂爆破法

新型的BHPO预裂爆破法，是通过对预裂孔填塞长度的改革，使爆轰波及爆生气体压力降低，更加有效地保护孔壁岩石，减少受冲击压缩破坏，爆生气体存在时间延长，使得成缝裂隙扩展，非导向裂隙闭合，从而提高岩石断裂成缝的质量；同时实现了预裂孔炸药的有效利用和导向孔孔网参数的扩大，提高本爆破法的经济性和实用性。其开裂理论依据为爆破断裂力学，通过大孔径炮孔导向作用增加爆破压应力减少爆破拉应力，提高爆破成缝概率。

BHPO预裂爆破法即大孔径导向预裂爆破法，它的主要技术路线是基于爆破自由面理论和岩石定向断裂控制爆破基础，利用预裂孔与导向孔穿凿时产生的细小裂隙在预裂孔爆炸压力的作用下在方向上达到优先起裂、扩展、贯通，达到提高预裂爆破效果的目的。其适于大型矿山机械化高效生产，利于裂隙发育边坡的安全稳定，见图2。

图2 BHPO预裂爆破法示意图

2.2 预裂爆破优化设计方案

根据前期爆破效果经验，结合不同岩层结构，设计选取边坡预裂爆破最优方案，方案中主要对预裂孔、缓冲孔、正常孔三类进行爆破孔网参数设计。采场现有潜孔钻6台，其钻机孔径为D=120～150 mm。

1)预裂孔参数设计

预裂孔孔距a预=(7～12)D=0.9 m

式中：S—炮孔负担面积，m2；m—炮孔密集系数。

孔深L预=H/sinα+h=16 m

穿孔角度按岩石自然倾角确定穿孔角度ɑ预=65°，向西倾斜，允许偏差角度2°，为保证预裂孔底部效果，设计预裂孔较台阶高度超深1.0 m。

2)缓冲孔及正常孔参数设计

为防止缓冲及阶梯孔破坏坡面，要保证各孔孔底距坡面距离大于2 m，经测算缓冲及阶梯孔穿孔角度均为85°。

第一排缓冲孔孔距a缓阶=m×w=3 m

式中：m—炮孔密集系数；w—底盘抵抗线。

孔深满足距坡面距离大于2 m，L缓阶=6 m，向西倾斜，允许偏差角度1°。

第二排正常孔孔距a正阶=3 m，距离缓冲孔排距b正阶=2.5 m，孔深L正阶=12 m，向西倾斜，允许偏差角度1°。

具体炮孔平面布置图见图3，炮孔纵切面图见图4。

注：导向孔为两个预裂孔中间不进行装药的空孔，相关参数与预裂孔一致。图3 阶梯孔与预裂孔平面布置图

图4 阶梯孔与预裂孔剖面图

2.3 装药量计算及填塞高度

在实施边坡预裂爆破工程中，其中预裂孔使用2#岩石乳化炸药，缓冲孔及正常炮孔使用多孔粒状铵油炸药，以下为各类炮孔装药参数设计。

1)不耦合系数为炮孔直径与装药炮孔的药包直径的比值即：D/d=2.4。

2)根据该区域地质条件选取单耗q=1 500 kg/万t。

3)填塞高度h=(20～30)D=3.6 m，为便于施工统一填塞4 m。

4)因线装药密度行业内并无准确算法，故结合该区域地质条件及经验技算得出：预裂孔平均线装药密度ρ线=0.57 kg/m3。

5)缓冲及正常孔装药量：Q=k.q.a.b.w.h

式中：a—正常孔孔距；b—缓冲孔排距；w—底盘抵抗线；h—填塞高度；q—炸药单耗；k—考虑受前面各排孔的矿岩阻力作用的增加系数，k=1.1～1.2。

2.4 预裂孔一次成型的技术方案

根据司家营高陡边坡的特殊情况，预裂孔钻孔角度根据初步设计已经确定，根据三角函数确定出预裂炮孔深度为22 m，潜孔钻直径如何选择已根据实际生产确定，由于选择大孔径预裂炮孔，所以2号岩石乳化炸药药卷直径选择大直径胶乳。钻孔方向对结构不规则的预裂面，通常需要测量人员放出钻机要对准的方向点，一般距开挖设计线5 m左右，移动钻机时在方向点处人工吊线锤，调整好钻孔角度。装药前应根据预裂孔深度，计算出实际装药长度、装药量、导爆索长度，装药时严格控制装药结构，并将药卷和导爆索固定牢固防止掉入孔内。

2.5 爆破效果

根据前期爆破效果经验，通过结合不同岩层结构，设计选取边坡预裂爆破最优方案，方案中预裂孔、缓冲孔、正常孔三类爆破孔网参数设计，优化选取三类爆破孔内装药量及装药结构，采用数码雷管起爆方式及合适的毫秒延期(42 ms/100 ms)，还有预裂孔一次成型的技术方案，有效降低了爆破震动及爆破冲击波，以此减少了爆破烟尘的产生。

3 爆破抑尘技术方案

3.1 抑尘车摆放位置对效果的影响

1)后侧方案：抵抗线背向，如果不出现冲炮，没有飞石威胁，安全性最好。通常放置在距离最近炮孔10～15 m范围，太近存在风险，太远会影响造成喷射距离损失。特别适合大平台爆破作业。布设数量取决于工作线长度，通常间距15～20 m。

2)侧向方案：消尘器布设在爆区侧向，布置灵活，可获得较大的水雾喷射纵深。适宜工作线长80 m内的爆区。对于现场空间狭小的区域，以侧向方案为宜。

3)正向方案：消尘器布设在爆区的抵抗线方向，考虑飞石威胁，需要远离爆破边坡60 m以上。正向摆放在顺风爆破时易取得良好的爆破消尘效果。

3.2 抑尘车喷射角度对效果的影响

抑尘车喷射装置上的喷嘴喷出的水雾呈扇形，尽可能增大水雾的覆盖面积，并且使水雾均匀分布，水雾的颗粒越小，越容易凝结粉尘，提高了抑尘的效果。抑尘车喷嘴可通过旋转接头进行旋转，调整喷射出水雾的角度或方向，进一步提高喷射装置的实用性。对于一些大型爆区，在使用抑尘车时，在喷水过程中可以左右摇摆，以增加降尘效果。

4 结语

1)通过结合不同岩层结构，设计选取边坡预裂爆破最优方案，方案中预裂孔、缓冲孔、正常孔三类爆破孔网参数设计，优化选取三类爆破孔内装药量及装药结构，采用数码雷管起爆方式及合适的毫秒延期(42 ms/100 ms)，还有预裂孔一次成型的技术方案，有效降低了爆破震动及爆破冲击波，以此减少了爆破烟尘的产生。

2)通过对比试验进行数据分析，优化抑尘车使用方案，清渣爆区抑尘率提高至55%，压渣爆区抑尘率提高至70%，在特殊情况下，个别爆区抑尘率可提升至80%～90%。

3)建立爆破抑尘管理体系，做到爆区抑尘全覆盖。

4)改善现场职工的工作环境。