大型露天建筑爆破粉尘污染控制建模研究_田颖.pdf

书书书第 48 卷第 2 期2023 年 2 月环境科学与管理ENVIONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENTVol.48 No.2Feb 2023收稿日期:2023 02 13基金项目:陕西工业职业技术学院 2021 年院级自然科学类一般项目(2021YKYB 070)作者简介:田颖(1988 )，女，硕士研究生，副高，二级造价工程师，主要研究方向:土建类的施工与管理、环境保护。文章编号:1674 6139(2023)02 0044 06大型露天建筑爆破粉尘污染控制建模研究田颖，凌飞(陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000)摘要:为降低建筑爆破对大气环境产生的污染，解决现有控制模型控制效果不佳的问题，构建大型露天建筑爆破粉尘污染控制优化模型。结合大型露天建筑的爆破方式，模拟爆破过程。综合考虑粉尘运动的三个阶段，建立爆破粉尘扩散运动方程，计算大型露天建筑爆破粉尘的产生量与控制量。最终在边界条件的约束下，从水雾捕尘和控制空间通风，实现大型露天建筑爆破粉尘的污染控制。现场测试结果表明:通过设计模型的应用，大型露天建筑爆破施工后的粉尘浓度能够维持为 200 mg/m3以下，且降尘效率高于预设值，即优化设计模型具有良好的粉尘污染控制效果。关键词:大型露天建筑;建筑爆破;粉尘污染;污染控制模型中图分类号:X513文献标志码:AStudy on Modeling of Blasting Dust Pollution Control of Large Open air BuildingsTian Ying，Ling Fei(College of Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China)Abstract:In order to reduce the pollution of building blasting to the atmospheric environment and solve the problem of poorcontrol effect of existing control models，an optimization model for dust pollution control of large open air building blasting is con-structed The blasting process is simulated by combining with the blasting mode of large open air buildings Considering the threestages of dust movement comprehensively，the equation of blasting dust diffusion movement is established to calculate the productionand control amount of blasting dust in large open air buildings Finally，under the constraint of boundary conditions，the pollutioncontrol of blasting dust in large open air buildings can be realized through water mist dust capture and controlled space ventilationThe field test results show that the dust concentration of large open air buildings after blasting construction can be maintained atbelow 200 mg/m3through the application of the design model The dust reduction efficiency is higher than the preset value，that is，the optimized design model has good dust pollution control effectKey words:large open air buildings;construction blasting;dust pollution;pollution control model前言爆破是一种重要科学技术手段，被应用到采矿、开山、工程施工以及建筑拆除等多个领域当中，并成为项目工程的重要施工工序。通过爆破手段的使用可以快速实现废弃建筑的拆除工作，对于后续地皮以及新建筑的开发具有重 要 意义1。建筑爆破施工中的爆破是高温高压高速的，爆破产生的高温高压爆燃气体和强烈的冲击波，在高压的冲击作用下，建筑物的结构会受到强烈的冲击而破碎成细小的颗粒，然后被高压的气流吹向空中形成粉尘云，并在大气流体作用下漂浮在爆破工作环境中，爆破威力越大产生的粉尘污染量越高2。建筑爆破产生的粉尘具有浓度44第 48 卷第 2 期2023 年 2 月田颖等大型露天建筑爆破粉尘污染控制建模研究Vol.48 No.2Feb 2023高、扩散速度快、停留时间长、不易沉降等特点，不仅会对周边环境造成破坏，同时还可能对现场施工人员的身体健康带来威胁。为了降低建筑爆破粉尘污染程度，需要在建筑爆破的同时采取相应的粉尘污染控制方法，因此提出并设计了建筑爆破粉尘污染控制模型。1大型露天建筑爆破粉尘污染控制模型设计在模拟环境下，分析大型露天建筑的爆破处理过程、起尘过程以及在外界环境作用下粉尘的运动过程，结合上述分析结果，选择合适的粉尘污染控制方式，通过对粉尘控制量的计算，实现爆破粉尘污染的精准控制。1 1模拟大型露天建筑爆破粉尘起尘过程大型露天建筑爆破的基本原理主要是:在建筑物倒塌的一侧炸出一道高达或稍大于其管壁周长二分之一的爆破切口。在自身重力的作用下，产生倾覆力矩，使得建筑物按预先设定的方向倾倒3。由于这种爆破方式的爆破力度较小，且可以准确的控制建筑的爆破方向，因此成为大型露天建筑使用频率最高的爆破方案。在建筑爆破过程中，其旋转轴线随着支承一侧的失效状态而发生变化，为便于计算，假设旋转轴线不变，以支承截面上的初始轴线作为旋转轴线。由于建筑爆破粉尘的运动会受到空气流体的影响，因此计算中考虑空气阻力的影响，将空气阻力定义为 fair，则根据牛顿第二定律和达朗贝尔原理，推导出了建筑爆破角加速度与倾角之间的关系式为公式(1):J0d1dt2=mgL0sin M()0 xfairdxd()dt2(1)上式中J0为建筑绕其质心的转动惯量，、t 和m分别表示的是建筑的爆破倾角、时间以及质量，M()代表建筑支撑侧的抵抗弯矩，L0代表爆破切口以上的建筑高度，g 为重力加速度，在初始状态下爆破时间、爆破倾角取值均为 0。在建筑物的倾斜方向上，在角速度较大的情况下，建筑支承侧的抗弯矩可以忽略不计。在大型露天建筑爆破冲击力的作用下，粉尘受到气流扰动和气压脉动的作用，在初始位置发生振荡或向后摆动。在风速超过一定阈值后，粉尘的振动频率会增强，正面的阻力和上升力也会随之增加，并且在二者之间的转动力矩也会随之增加，部分最不稳定的粉尘会发生翻滚或打滑现象。当尘土在滚动或滑动时，当尘土产生较大的冲量时，它会迅速地改变其原有的运动方向，从横向移动到竖直移动，再从上升进入空气中。建筑爆破粉尘的启动包括两个阶段:粉尘的抬升过程及加速过程。若建筑爆破过程中无横向风，则作用到粉尘上的力有流体的阻力和垂直于来流方向的升力，升力使粉尘抬升起来。升力计算公式如(2):Flift=CLAv2(2)其中 CL为粉尘的升力系数，A、和 v 分别为参考面积、流体密度和流体速度4。而当爆破环境中存在风力作用时，粉尘在水平方向上存在初始速度，且初始起尘方向与风向一致。1 2建立建筑爆破粉尘扩散运动方程爆破粉尘随气流运动可分为冲击运动、蘑菇云运动、扩散运动三个阶段。如图 1 所示的是建筑爆破粉尘在空气湍流中的运动规律和轨迹。图 1建筑爆破粉尘在空气湍流中的运动轨迹54第 48 卷第 2 期2023 年 2 月田颖等大型露天建筑爆破粉尘污染控制建模研究Vol.48 No.2Feb 2023破碎站粉尘的产生到扩散受到多种力同时作用，假设破碎站卸料口处粉尘颗粒为规则球形颗粒，根据牛顿第二定律以及流体力学的基本原理，粉尘在空气中受到的作用力包括重力、浮力、压力梯度力、气体拖曳阻力、布朗力等5。其中部分作用力的计算公式如(3):FG=6d3ppgFf=16d3ppgFp=d3p6pvFd=18gd2pCDe24(v vp)(3)公式 3 中变量 dp为建筑爆破粉尘颗粒的直径，p和 g分别为粉尘颗粒物质密度以及空气密度，变量pv对应的是沿风力流动方向的压强梯度，CD、e和 分别对应的是粉尘颗粒的雷诺系数、拖拽阻力系数和流体相动力粘度系数，v和vp分别表示的是气体密度和风力流体相的速度6。根据扩散理论可以得出一维条件下扩散规律为:cst=sa2csL2blast(4)上式中 cs为粉尘的时均浓度，sa表示的是粉尘与空气双元系统分子扩散系数，Lblast代表检测点与释放源间距离7。结合大型露天建筑爆破环境的实际情况，将相关系数代入到公式(3)中，即可得出爆破粉尘颗粒的具体受力情况，同理可得出其他作用力的具体求解结果。综合多个作用力得出大型露天建筑爆破粉尘颗粒的一般运动形式，可量化表示为:mdustdvpdtpFi+mdustg=0(5)其中 mdust为粉尘颗粒的质量，vp和 tp分别为粉尘的运动速度和运动时间，Fi表示的是粉尘颗粒所受作用力的合力，在考虑方向的情况下，对公式(3)的计算结果进行累加，便可得出 Fi的最终计算结果。由于受重力的影响，粉尘颗粒的沉降速率增大，气流阻力增大。如果与包括引力在内的其它力的力量方向是完全相反的，那么粉尘颗粒就会以一个相对稳定的速率下降。1 3计算大型露天建筑爆破粉尘控制量大型露天建筑爆破产生的粉尘类型包括爆破导致建筑混凝土破碎产生的粉尘、建筑结构坍塌与撞击作用下产生的粉尘、建筑周围地面扬尘以及拆除建筑物表面积尘等，建筑爆破产生的粉尘污染量即为模型控制的污染量，其计算公式如(6):Q=Qblast+Qhit+Qground+QSoil(6)公式(6)中变量 Qblast、Qhit、Qground和 QSoil分别表示的是不同类型的粉尘，以爆破破碎直接产生粉尘为例，其计算表达式为公式(7):Qb=qbVbqb=149(k1)2k2(7)其中 qb和 Vb分别为单位建筑产生的粉尘量以及爆破的露天建筑体积，代表爆破炸药的消耗量，k1和 k2分别为爆破能力利用系数和建筑材料的产尘系数。同理可以得出其他类型粉尘量的计算结果，将相关数据代入到公式(6)中，即可得出大型露天建筑爆破粉尘控制量的计算结果。1 4实现大型露天建筑爆破粉尘污染控制1 4 1爆破水雾捕尘数值模拟在大型露天建筑物爆破的同时喷射水雾，利用空气动力学原理进行捕尘，细小的水雾被喷射到粉尘中，在极短的时间内迅速饱和，过饱和水汽凝聚到尘埃颗粒上，形成凝聚和并联的微观物理过程。在水雾作用下粉尘的沉降速度可以表示为公式(8):Vt=v018d2p(8)其中 v0为爆破粉尘的初始沉降速度。从公式(8)中可以看出，提高粉尘的降尘速度有两种方法，64第 48 卷第 2 期2023 年 2 月田颖等大型露天建筑爆破粉尘污染控制建模研究Vol.48 No.2Feb 2023一是提高尘土的密度，二是提高尘土的粒度，而水雾的除尘技术正是充分利用了这两个原理。在吸附水分后，颗粒的密度明显增大，对沉淀有利，同时，吸水会促进粉尘的凝固，颗粒尺寸增大，从而导致粉尘的沉降，进而实现建筑爆破粉尘的控制。在实际水雾捕尘过程中，在现场铺设布下水袋，通过引爆线的爆炸，将水囊中的液体释放出来，形成水汽和气泡，并在炮区布置水袋，保证捕尘控制在空间和时间上的准确性。1 4 2爆破空间通风模拟控制防风网是利用动态的基本原理，在一定程度上改变了网面周围的微环境，从而降低了下游的流场和流场的紊流度，从而有效地阻止了尘埃的扩散。防风网可以减小来流气流的速度，从而限制爆破粉尘的移动。防风网的形状有直板型、蝶形等多种形式，气流经过蝶形防风网的原理见图 2。图 2蝶形防风网抑尘原理图在防风网安装之前需要计算防风网开孔率，并对防风网结构进行调整，以保证防风网的抑尘效果。1 4 3设置建筑爆破粉尘污染控制边界条件设置人体对粉尘吸入量的安全阈值作为大型露天建筑爆破粉尘污染控制模型的边界条件，其表达式为公式(9):W=Hc(t)A0 vhumandt(9)其中Hc(t)、A0和vhuman分别为浓度变化函数、粉尘吸入面积和气流速率。当检测到建筑爆破环境中的粉尘浓度低于安全阈值，则模型停止控制程序。2现场测试实验分析为测试设计的粉尘污染控制模型在实际大型露天建筑爆破工作中的应用效果，选择某个待拆除建筑作为研究对象，结合建筑特征以及周围环境特征，制定合适的爆破方案，并通过测定爆破环境中粉尘污染的浓度、扩散速度等指标，判定在应用控制模型的前提下，大型露天建筑爆破产生的粉尘污染程度，进而反映构建模型的污染控制效果。2 1建筑爆破方案设计此次实验选择的待爆破拆除的建筑物为某市郊区的废弃医院，该建筑物由门诊部和住院部两个大楼组成，两个建筑部分之间呈 L 形分布。建筑物研究对象使用的混凝土等级为 C25，同时使用了砖、砂浆等材料。选择研究的建筑物框架结构为现浇框架，预制楼板，楼高 32 米，其中门诊部共四层，住院部共8 层。受到大型露天建筑周围环境以及建筑本身结构的限制，在建筑拆除过程中采用定向逐跨解体的爆破方案，结构倒塌方向为两建筑楼的夹角方向。在具体的爆破施工过程中，在建筑的水平方向上，分别安装爆炸装置。从一端起，按隔距顺序引爆，对各单元的下部进行连续爆炸，一旦底板被破坏，没有支撑，就会变成悬臂梁。在重力的作用下，围绕固定端部旋转，造成结构的挠曲和损坏。在第一个单元旋转还没有落地的情况下，引爆下一单元使其失去支撑，在重力的作用下，围绕着静止的一端旋转，而前者的分解运动会给后者带来竖向的额外负荷，从而增大后者的解体。由此使建筑从一端向另一端定向推移，直到整个建筑的全部倒塌为止。在大型露天建筑爆破过程中，如果延迟时间太短，前一单元无法完74第 48 卷第 2 期2023 年 2 月田颖等大型露天建筑爆破粉尘污染控制建模研究Vol.48 No.2Feb 2023全分解，后一个单元就会爆炸，无法实现分段分解。如果延迟时间太长，上一个单元分解着地后，对后一个单元的一个支承力将会对后一个单元的分解产生很大的影响，因此在执行爆破方案时，应选取合适的跨间起爆间隔。2 2布设爆破粉尘污染测点在理想状态下，在取样时，必须在靠近工作面的位置设置检测点，但由于爆破后氧气含量低，施工现场地形复杂，检测车辆难以通过，因此，在大型露天建筑爆破后方以及建筑地面上设置检测点。在各个测点位置上安装 CCZ1000 型直读式粉尘测量仪，用来检测爆破环境中粉尘的浓度参数。2 3设置模型粉尘污染控制效果评价指标此次实验分别设置粉尘浓度和降尘效率作为模型控制效果的量化评价指标，其中粉尘浓度的数值结果可以表示为公式(10):cdust=(m2 m1)1 000qair(10)上式中 m2和 m1分别表示的是爆破前后的粉尘质量，可以利用粉尘测量仪直接得出上述参数的具体取值，qair表示的是空气流量，该参数的取值由建筑爆破环境决定。公式(10)计算结果越大，说明相应模型的粉尘污染控制效率越差。另外，降尘效率的数值结果如公式(11):=cdustSQ 100%(11)其中参数 S 和 Q 分别表示相同粉尘浓度的空间体积和爆破实际产生的粉尘量。最终得出的 越高，说明构建模型的污染控制效果越好。为了保证设计大型露天建筑爆破粉尘污染控制模型的应用价值，要求应用该模型后，爆破环境中的粉尘浓度不得高于 200 mg/m3，且降尘效率不得低于 85%。2 4现场测试实验过程与结果分析根据大型露天建筑爆破粉尘污染控制模型的应用条件，首先收集建筑爆破过程中风向与风速的分布情况，并分布在控制模型中，具体的风向与风速模拟结果见图 3。图 3建筑爆破环境风向风速模拟示意图在此基础上，结合模型的控制方式，通过引爆线，可以在一瞬间将水囊内的液体分散开来，形成一片水汽和气泡。在炮区临空侧水袋的设计装药量为 52 g/m，地表水袋装药浓度为 302 g/m，孔内管延迟 400 ms，地表水袋底部的引爆索与水袋覆盖区域的最后一道爆破孔相连，引爆延迟 30 ms;在临空面一侧，在斜坡底附近的引爆索和前排孔的引信延迟为1 200 ms，两列引爆索延迟 600 ms。同时启动建筑爆破程序和粉尘污染检测设备，在控制模型的约束下，得出爆破粉尘污染的控制结果，见图 4。图 4建筑爆破粉尘污染控制结果84第 48 卷第 2 期2023 年 2 月田颖等大型露天建筑爆破粉尘污染控制建模研究Vol.48 No.2Feb 2023提取粉尘测量仪以及控制模型输出的相关数据，通过公式(10)与公式(11)的计算得出构建模型污染效果的测试结果，见表 1。表 1爆破粉尘污染控制效果测试结果数据表测试时间/s5101520测点 01粉尘浓度(mg/m3)96185156121降尘效率(%)875935915897测点 02粉尘浓度(mg/m3)107191164144降尘效率(%)866958923874测点 03粉尘浓度(mg/m3)128182173169降尘效率(%)871944942882测点 04粉尘浓度(mg/m3)111197149135降尘效率(%)86292190.6859计算表 1 中数据的平均值，综合四个粉尘污染测点得出应用控制模型，建筑爆破粉尘浓度的平均值 为 150.5 mg/m3，构 建 模 型 的 降 尘 效 率 为90.19%。由此可见，在设计污染控制模型的约束下，爆破粉尘浓度和降尘效率均低于预设值，即满足设计与应用要求。3结语目前，现有污染控制模型主要是针对地下建筑和小型露天建筑进行爆破控制，故在进行大型露天建筑爆破时存在覆盖面积大、产生粉尘量大等特点，故本次研究针对现有控制模型控制效果不佳，建筑爆破产生的粉尘严重污染大气环境的问题，提出了一种大型露天建筑爆破粉尘污染控制优化模型设计。首先模拟大型露天建筑爆破粉尘起尘过程，建立建筑爆破粉尘扩散运动方程，计算大型露天建筑爆破粉尘控制量，然后通过爆破水雾捕尘数值模拟、爆破空间通风模拟控制、设置建筑爆破粉尘污染控制边界条件等完成其爆破控制。最后利用实验证明所设计控制模型的先进性从实验结果中可以看出，优化设计的粉尘污染控制模型在实际建筑爆破工作中具有明显的控制效果，对于大型露天建筑爆破工作而言，具有较高的应用价值。参考文献:1 杨年华，郭尧，白和强，等 利用爆炸水雾抑制露天爆破粉尘的试验研究 J 爆破，2021，38(3):130 135 2 郑霞忠，杨丘，晋良海，等 露天料场爆破粉尘质量浓度时空分布特征数值模拟 J 中国安全科学学报，2020，30(10):55 62 3 解治宇，李翰林，房洪亮，等 露天采场高陡边坡下深部采空区的爆破处理研究 J 金属矿山，2020(1):49 55 4 李云鹏，张俊芳，李若洁，等 中性与稳定层结条件下建筑物周围流场与污染物扩散的风洞模拟研究 J 太原理工大学学报，2021，52(3):404 410.5 胡成功，赵奇 露天煤矿破碎站粉尘无组织排放治理方案研究 J 中国煤炭，2020，46(4):57 61 6 孔阳，庞浩生，宋淑郑，等 综采工作面粉尘弥散污染规律数值模拟研究 J 煤矿安全，2020，51(6):218 222 7 晋良海，吴志鹏，陈述，等 杨房沟水电站料场开挖爆破粉尘粒度分布特征 J 防灾减灾工程学报，2020，40(6):1045 105294