水利水電工程巖石爆破水霧降塵技術研究

胡 濤，刁 偉，崔正輝，吳曉楊，呂 鑫

（武漢大學水利水電學院，武漢430072）

1 研究背景

隨著我國水利事業(yè)的飛速發(fā)展，水利水電工程建設對爆破技術的依賴度越來越高，爆破技術的應用范圍日益廣泛。爆破過程中產(chǎn)生的粉塵對環(huán)境、施工人員健康危害較大，消除爆破粉塵一直是工程建設研究的重要問題。但爆破產(chǎn)生的粉塵的危害仍然沒有得到有效的控制，在環(huán)境保護、勞動保護等方面引發(fā)一些問題，使得水利水電工程巖石的拆除爆破受到了一定的限制，成為阻礙爆破技術發(fā)展的難題［1-3］。

2 爆破粉塵的特性與除塵機理

2.1 來源

爆破粉塵的來源主要分為兩部分［4］：①施工準備階段產(chǎn)生的粉塵，主要包括拆除物表面的粉塵，施工器械附著的粉塵，鉆孔產(chǎn)生的巖屑等；②在進行爆破階段產(chǎn)生的粉塵，主要包括拆除物破碎產(chǎn)生的粉塵，構件觸地解體產(chǎn)生的粉塵，爆破沖擊波揚起的粉塵等。

2.2 危害

近年來，水利水電工程爆破施工及城市爆破拆除中的粉塵對環(huán)境和社會的危害越來越受到人們的關注。①環(huán)境危害，主要包括大氣污染和生態(tài)系統(tǒng)的破壞；②社會影響，對人體產(chǎn)生的危害會引起矽肺等呼吸系統(tǒng)疾??；③粉塵污染后的空氣通過大氣循環(huán)對周邊的城市空氣質(zhì)量造成嚴重的影響［5-6］。

2.3 防治現(xiàn)狀

爆破粉塵污染的防治一直是水利水電工程研究的重要問題，長期以來形成了多種除塵方法。但是目前爆破降塵技術還沒有形成一套完整的技術體系，很多研究工作比較分散，理論成果也很難應用到實際工程中，而且應用僅局限于城市建筑物爆破領域，并未在野外一些工程中大量使用，其次爆破工藝還存在著各種問題，例如材料不合理，容易造成二次污染；除塵效率低；除塵花費高；除塵安全性低，易造成事故［8］。

2.4 水霧除塵機理

普遍認為在水霧中存在的各種動力學現(xiàn)象和蒸發(fā)、凝結及水蒸氣濃度差異造成的擴散現(xiàn)象等對呼吸性粉塵的捕集起重要作用［8-10］。其中包括空氣動力學理論、云物理學機理、斯蒂芬輸運原理［11-15］。

3 水霧除塵效果影響因素

3.1 爆炸水霧的粒徑

捕塵效率與爆炸水霧粒徑大小關系密切，粒徑過小或者過大都會影響捕塵效率；霧滴與塵粒粒徑大小應大體相當，否則會使塵粒沿霧滴周圍繞過而逃逸，使除塵效率降低。對于不同粒徑的粉塵，有最佳霧滴直徑范圍，最佳霧滴直徑隨粉塵粒徑減小而減小，且霧滴直徑為塵粒直徑的100～150倍適宜。史富川、康聚鼎通過分析各國學者的研究成果，認為：①粒徑在l00um左右霧滴的捕塵能力為最強；②霧滴粒徑在l00um以下卻又在十分容易汽化的濕度以上時，則50um左右的霧滴對捕獲呼吸性粉塵的效果為最佳。薛里等［16］在理論和實驗數(shù)據(jù)分析的基礎上，提出在水霧和粉塵高速碰撞中，水霧粒度在大于300～450um時捕塵為益，但有一定的濃度限制，即在距離超過2.5m后，水霧粒度較均勻，但濃度較低，水霧將會很難對粉塵起到抑制效果。張小艷［17］從超聲霧化系統(tǒng)的除塵效果出發(fā)，建立了除塵效率與霧化效果之間關系的數(shù)學模型，對于除塵效率的量化計算具有重要意義。

3.2 爆炸水霧霧滴與塵粒的相對速度

一般來說，沖擊能量會隨著水霧霧滴與塵粒的相對速度提高而提高，同時霧滴的表面張力對粉塵的阻力會減小，從而濕潤塵粒。但要注意相對速度不宜過高，過高會使塵粒與霧滴的接觸時間縮短，使捕塵效率降低。

根據(jù)資料［18-19］表明，當霧滴與塵粒碰撞時，霧粒和塵粒的相對速度不應小于20～30m/s，水霧霧滴的初速度以不小于80～100m/s為宜?？傊械膮?shù)調(diào)整都是為了在水霧捕塵的有效半徑內(nèi)，盡量讓霧滴和塵粒發(fā)生正碰，以實現(xiàn)有效降塵的目的。

3.3 水量對水霧捕塵效果的影響

水量的大小是影響除塵效果的主要因素。一般認為水量增大可以有效提高除塵效率，如表1。

表1 同水量不同塵量的除塵效果

表1可以看出，捕塵效率與水量及空氣中含塵濃度有密切關系?？偛秹m效率隨著粉塵濃度的升高而升高，當粉塵量到達一定數(shù)值后，捕塵效率開始減小。在其他條件相同下，一定的水量對應一定的最大除塵量。研究最大捕塵量和水量的關系有利于充分利用水量，以節(jié)約總用水量。

3.4 水袋爆破時間間隔對水霧捕塵效果的影響

根據(jù)水霧與粉塵作用原理，水霧對粉塵的作用時間越長越好，因此應設定一定的起爆時間，使水霧與粉塵具有較長的作用時間。水袋爆破時間的確定主要包括兩個方面：①確定爆破粉塵與爆破水霧之間的時間間隔，誰先爆破，時間間隔多少；②由于爆破開挖的面積較大，不會只有1個水袋，為加強除塵效果，單個炮孔的周圍不會只設置1個水袋，因此還要確定不同布置位置水袋起爆時間。

單水袋爆炸后水霧的停留時間較短，但一般爆破工程中粉塵的停留時間卻很長，因此需要先進行巖體的爆破，再進行水袋的爆破。增加水袋的個數(shù)，爆破除塵可以有效延長水霧與粉塵的作用時間。

安徽理工大學薛里等［16］做雙水袋實驗，利用控制變量法，研究水袋爆破延時單一變量對爆破除塵的影響。實驗中第1個水袋與塵源同時起爆，第2個水袋延遲第1個水袋分別為1s、2s和3s進行起爆，粉塵的原始濃度為472.61mg/m3，檢測第2個水袋爆破一定時間后的粉塵濃度，如表2。

表2 不同延時除塵效果

由表2可以看出，雙水袋捕塵效率提高較小，即雙水袋的相對單個水袋除塵效率沒有現(xiàn)在變化。因此，采用雙水袋除塵并不是十分有效的除塵方式，反而加大了水袋的使用量而使工程造價提高，既不經(jīng)濟也不實用，一般采用單一水袋除塵最佳。

4 結語

（1）捕塵效率與爆炸水霧粒徑大小關系密切，粒徑過小或者過大都會影響捕塵效率，且霧滴直徑為塵粒直徑的100～150倍適宜。

（2）在設計水霧爆破速度時，應根據(jù)粉塵的速度進行調(diào)整。霧粒和塵粒的相對速度應20～30m/s之上，水霧霧滴的初速度以大于80～l00m/s為宜。

（3）一定的水量對應一定的最大除塵量，且粉塵濃度提高可以增大捕塵效率，但粉塵濃度到達一定數(shù)值后，除塵效率不再增大反而較小。

（4）采用雙水袋除塵效果不明顯，既不經(jīng)濟也不實用，一般采用單一水袋除塵即可。

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