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摘要 ：为降低露天采场爆破作业过程中的粉尘浓度， 实施了爆破水雾法抑尘技术， 通过深入剖析露天矿爆破过程 中粉尘产生机理，有针对性地完善爆破抑尘方案，在多次调 整爆破水雾抑尘车摆放位置、水雾喷射角度以及多台水雾抑 尘车联合作业基础上， 有效地降低了采场爆破产生的粉尘浓 度。根据监测数据统计，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%。该技术可在类似矿山推广应用。
金属非金属露天矿山爆破属于空间开敞式爆破工程， 在作业过程中其自由空间较大，使得在粉尘扩散方面，其 空间也很大，对周围环境以及空气质量容易造成严重影 响。伴随着露天采矿场实施爆破作业， 爆破扬尘腾空而起， 爆破粉尘在局部区域集中释放，具有强度大、范围大、并 快速弥漫于空气中的特点 ;此外除爆破作业自身产生的爆 破扬尘外，爆破振动及冲击波等有害效应也会引起爆破对 象周围地表粉尘的二次卷扬，进一步增加了爆破作业局部 区域空气中粉尘浓度。有研究显示，爆破现场粉尘浓度可 达 1500~2000mg/m3 以上，已严重超标，作为重大污染源， 由于粉尘浓度大，颗粒小，且质量轻，在空气中滞留时间 长， 已成为目前我国绿色矿山建设中重要推进方向。
随着社会环境保护意识的提高，“绿水青山就是金山 银山”理念的深入人心，该露天矿山在发展过程中，始终 践行“资源开发规划与生态环境保护同步、矿山开采利用 与生态修复治理同步”生态环保观，紧紧围绕转变资源利 用方式和矿山开发方式，高起点谋划、高品质打造、高效 率推进，积极探索，旨在创出一条矿山企业科学绿色循环 发展之路，因此爆破扬尘对绿色矿山建设的影响愈加明 显，有效解决爆破扬尘问题正在变得愈发迫切。
1 研究现状
多年的发展实践使矿山企业家深深认识到，露天矿山 生产爆破所产生的粉尘对环境的污染是显而易见的，必须坚决摒弃以往的粗放型发展模式，提升保护生态环境意 识，加强绿色矿山建设。目前生态文明建设和大气污染防 治攻坚计划的深入实施，推进矿山企业智能、节约、绿色 生产，成为矿山企业实现可持续建设的现实需要。凝聚发 展共识，在保护生态环境的前提下努力做好矿产资源开发 利用。考虑到爆破粉尘对采场空气质量所产生的破坏，为 了保证降低采场周界粉尘浓度小于 1.0mg/m3.满足《大气 污染物综合排放标准》(GB16297-1996)二级标准限值要求， 结合采场现状和实际生产情况，计划从爆破抑尘角度开展 应用研究。
2 爆破粉尘产生机理
爆破粉尘是指因炸药在发生爆炸过程，爆破对象出现 过度粉碎，且爆炸产物形成颗粒物悬浮在空气中形成的粉 尘，此外在爆炸冲击波及气流作用下，周围浮尘产生的二 次扬尘。
进行露天爆破作业起爆时，在微秒甚至毫秒时间内会 形成爆破对象压碎圈，其次是爆破裂隙，而后爆渣抛掷， 由于压碎圈伴生的粉尘在爆破对象内，同时与爆破对象一 起抛掷。随后约 1 秒 ~3 秒，爆渣塌落挤压，空间压缩，使 得内部产生的粉尘随爆渣空间压缩，在形成的气流作用 下，以喷射状涌出，并且炸药爆炸的高温特性使该效应得 到增强，粉尘扩散范围更大。此外爆渣空间压缩时形成的 气流具有一定范围的影响力，仍可将地表浮尘吹起，一般 以卷积状向外扩散，通过现场观察发现，一般在 10秒钟内 该效应即可完成，随后转为空气中自由扩散，一般爆破粉 尘扩散范围约20米 ~50米左右。
由于爆破过程是在极短时间内发生的，因而粉尘也会 迅速产生，其高温高压气体以及爆破对象内部空间骤胀骤 缩导致粉尘范围影响较广，该特点成为了爆破粉尘控制的 关键难点。通过现场观察研究发现，在起爆后的 10秒内属 于实现爆破粉尘抑制的黄金期，可称之为萌芽阶段，若能 在该阶段进行抑制，则可实现最有效抑尘。研究表明，爆破粉尘的来源有以下四种 ：
2.1 爆破压碎圈
炸药在岩土等固体介质中爆炸后，瞬间产生的爆炸气 体压强可达 104MPa~105MPa， 在形成高温、高压爆轰气体 的同时，也会伴随着有爆炸冲击波。冲击波在爆破对象内 自爆源延径向传播，作用至孔壁，会产生压碎圈。压碎圈 中的爆破对象由于过度粉碎，会形成微小颗粒，最终成为 爆破粉尘的主要成分之一。深孔爆破耦合装药的压碎圈范 围一般约为孔径的2倍 ~3倍，据此计算，产生的过度粉碎 石粉量约为炸药量的 8倍 ~20倍。若进行 10 吨级的爆破， 其产生的过度粉碎石粉可达 70 吨 ~150 吨，若有 10% 外溢 至天空，即可形成 7 吨 ~15 吨的爆破粉尘，经测量发现有 约0.53 吨的PM10 以下的呼吸性粉尘来源于此。
2.2 浮尘
在爆破对象表面，一般都存在沉积性浮尘，部分来自 于空间中沉积落下的，部分粉尘是在钻孔作业中形成的， 还有一部分是在装渣过程中遗留的。这些粉尘在爆破作业 时，由于冲击波产生的气流会将其吹起，与爆破作业自身 产生的粉尘混合在一起，共同弥漫在空气中，也是形成爆 破粉尘的重要成分之一。该部分浮尘属于循环性粉尘，存 在于日常生产作业中，因此对于该部分浮尘的抑制，可采 用提前洒水等方式，将爆破对象周围环境润湿，使该部分 浮尘与水颗粒充分结合，在爆破作业发生时，由于其自身 结合体的重力，无法飘散于空气中，或者仅可能被爆破振 动及冲击波吹起，很快会回落至地面，不会加剧空气中粉 尘浓度。
2.3 炸药爆炸残留的颗粒物
炸药在爆炸作业中，未能完全反应，或反应后形成颗 粒状固体、水滴状、气溶胶等状态物质， 也是粉尘产生的重 要原因之一。该类粉尘一般仍具有较强的化学活性，在局 部区域内对空气、人体有严重危害，为此在爆破作业过程 中，要严格把控炸药质量， 按照爆破设计进行施工作业， 尽 量做到零氧平衡， 避免或减少有毒有害的爆破产物生成。
2.4 被爆物碎裂过程产生的颗粒物
爆破作业中，爆破对象因碎裂、碰撞等作用，会产生较 多颗粒物，由于爆炸产生的高温高压气体，会将其扬向空 中，形成严重的爆破粉尘。由于该部分颗粒物被爆炸气体产 物加热， 因此采用可通过降低颗粒物温度角度出发， 抑制该 部分颗粒物在空气中扩散的活性， 进而减小对环境的污染。
3 水雾覆盖法抑尘机理及应用
3.1 水雾抑尘机理
炸药爆炸会产生高温，进一步加热爆破粉尘，在空气 浮力作用下扩散空气中。当水雾与粉尘进行结合，可有效 地降低粉尘温度，进而降低爆破粉尘向周围扩散的速度， 避免粉尘流入到大气中。
采用水雾对爆破粉尘进行覆盖，因水雾的气化作用， 使爆破对象区域的空气湿度接近于饱和，当具有亲水性的 粉尘与空气中的水分进行凝结，形成水化膜，其粒子间会 产生相应的液桥力，在液桥力作用下，凝结分子进一步结 合，加速粉尘颗粒聚集。
水体雾化，可以将水体的粒径尽可能的缩小，其粒径 可达到与粉尘颗粒相当，极大地增强水颗粒的作用力，提 升水颗粒对粉尘颗粒的俘获概率，达到消尘效果。水颗粒 在俘获爆破作业产生的粉尘颗粒后，会凝结成为较大的粉 尘团，在其自身的重力作用下，将会在爆破对象区域附近 进行沉降， 达到消尘的目的。
根据上文中提到的机理，为有效地实现水雾抑尘目 的，在实施过程中必须达到以下四项要求 ：
(1)及时性。通过现场爆破工程试验统计可知，在起 爆后 10秒内是抑尘高效作用的黄金时期， 同时为防止爆破 对象周围沉积浮尘被吹起，因此粉尘消除作业的启动可略 提前于起爆，或者至少需要与起爆同步。晚于 10 秒，其抑 尘效果将大大降低。
(2)包围性。由于粉尘质量小的特性，要求水分子必 须与粉尘颗粒充分结合后，才能真正地实现抑尘，因此必 须使水雾充分覆盖爆破对象区域，增加该区域空气湿度， 保证粉尘在进行扩散时，只能首先与水分子相结合，并最 终形成较大颗粒，其自身重力无法继续在空气中悬浮，从 空气中降落。
(3)亲水性。爆破产生的粉尘必须亲水性，方可利用 水雾法抑尘，或者可在水中添加其他化学物质，使其能够 浸润爆破粉尘。通过现场试验，对于一般的石灰石矿、铁 矿等爆破产生的粉尘颗粒，均具有较好的亲水性，能较好 地与水分子结合。
(4)可操作性。由于爆破作业的特殊性，在进行爆破 抑尘实施中需格外注意，在严格执行爆破安全标准前提 下，做到保证不能影响爆破效果的同时，也要做到操作安 全简便、成本低廉。
3.2 水雾抑尘技术应用
根据上文中提到的机理，为进一步强化抑尘效果，在 爆破作业时，提出实施爆破抑尘启动时间较起爆时间提前 约 5 秒，当炸药爆炸时水雾已经下落并形成覆盖。爆破抑 尘车过晚启动将造成粉尘弥散，导致粉尘扩散范围超过水 雾覆盖面积，当水雾形成覆盖时，粉尘已经扩散至覆盖范 围之外， 致使抑尘效果变差。
3.2.1 抑尘车摆放位置对效果的影响
(1)抑尘车在爆区后方。该方案与爆破最小抵抗线呈 背向，如果未出现冲炮等现象，则无爆破飞石等威胁，其 操作的安全性最理想。根据现场爆破试验统计爆破侧向影 响距离，并提出将抑尘车停放至距离最后排炮孔约 10米 ~15米范围最优。若距离减小， 则存在损伤车辆的风险， 若 距离增加，由于喷射水雾的射程有限，会影响造成喷射距 离损失， 进而对于抑尘效果也会产生较大影响。经过试验， 爆破抑尘车停放在后方，适用于大平台爆破作业。布设数 量取决于工作线长度， 通常间距 15~20米。
(2)抑尘车在爆区侧向。该方案布置灵活，垂直与抵 抗线方向布置，其安全性虽然较爆破后方减小，但仍满足 远程操作安全要求，此外抑尘车布置在侧向方位，可获得 较大的水雾喷射纵深，适用于工作线长 80米内的爆区，特 别是对于现场空间狭小的区域， 以侧向方案为宜。
(3)抑尘车在爆区正向。该方案面向抵抗线，其安全风 险性大大增加。考虑爆破作业飞石威胁，该条件下需要远 离爆破边坡至少 60米以上，且严格按照设计进行装药、填 塞，保证施工质量， 尽量减少不必要的风险产生。此外该方 案实施受天气影响较大，只有当风向与水雾喷射方向一致 或者无风条件时， 该方案才能取得良好的爆破消尘效果。
3.2.2 抑尘车喷射角度对效果的影响
通过现场水雾抑尘试验发现，在进行水雾喷射过程 中，水雾在水流喷射方向长度基本可以覆盖整个爆破对象 区域，可以达到约 50米，但是在垂直喷射方向覆盖面相对 较窄，其有效地抑尘范围甚至不足 10米，若要达到良好的 爆破效果，则需要布置大量抑尘车，成本相对较高，需要 操作人员等也相对较多。为此将抑尘车喷射装置进行改 进，使喷射的水流以扇形水雾状布置在爆破对象上部空 间，有效地扩大了水雾的作业范围，使水雾在爆破对象周 围均匀分布，且通过试验测试，水分子颗粒越小，越容易凝结粉尘， 进而提高了爆破作业抑尘的效果。
此外通过借鉴田地喷灌技术，将抑尘车喷嘴进一步优 化，利用旋转接头使喷嘴可以在水平方向进行旋转，并通 过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，实现装置的高效利用，经对比，改进后其抑尘效 果较最初增加约 5~8倍。
3.2.3 多台抑尘车联合作业
随着目前爆破技术愈加成熟，在大型露天矿山开采过 程中，其爆破规模也随之增大，特别是采用大孔径310毫米 的深孔牙轮钻进行穿孔作业，一般成型爆破区域长度在40 米 ~90米，甚至部分矿山爆破区域长度可达到上百米，其纵 深区域一般也在40米左右，整体爆破规模越来越大，为此若 保证有效地抑尘效果， 可使用多台爆破抑尘车联合使用。
理论上爆破抑尘车使用数量越多，形成覆盖空间中的 水雾越致密，对爆破粉尘消除效果越好。但同时需要综合 考虑生产成本问题，因此需要根据现场实际，灵活调整多 台爆破抑尘车的排布，优化水雾覆盖空间。此外在涉及采 场临近边坡位置爆破作业实施过程中，由于爆破区域相对 空间狭小，所属空间不满足爆破抑尘车布置条件，亦可采 用多台阶布置抑尘车方式，通过自上而下水雾覆盖与自下 而上加密浓度等组合方式， 以达到爆破抑尘的效果。
4 结论
露天矿山爆破作业中会出现的大量粉尘，可利用水雾 抑尘手段实现环保型爆破作业。通过使用国内先进的爆破 抑尘车，利用其高压气体，将水在极短的时间内以雾状形 式喷出，形成水雾覆盖膜，增加爆破区域水颗粒密度，利 用液桥力聚集粉尘颗粒，最终减少爆破粉尘扩散至空气 中。通过多功能抑尘车摆放位置、喷射角度及多台爆破抑 尘车的排布方式的优化，实现采场爆破水雾抑尘效果最佳 的目的。根据现场监测数据表明，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%。
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