奎屯河引水隧洞爆破粉尘监测与分析.pdf

作者简介吴卫东（），男，高级工程师，主要研究方向：土木与水利工程。通讯作者周廉浩（），男，硕士，主要研究方向：土木工程。奎屯河引水隧洞爆破粉尘监测与分析吴卫东周廉浩姚进马林文原俊峰徐哲（新疆兵团水利水电工程集团有限公司乌鲁木齐；河南理工大学土木工程学院焦作）摘要：隧洞爆破会产生大量的粉尘，对洞内设备、作业人员产生极大的危害，同时还会影响施工进度。本文分析隧洞爆破开挖条件下的粉尘浓度，以奎屯河引水隧洞爆破施工为背景，在洞内采用通风降尘条件下，监测得到掌子面后方、类类围岩、进尺和不同起爆药量下的 与变化规律。结果表明：同为进尺，一次起爆药量减小了，类围岩，粉尘峰值浓度相对降低了约；类围岩，粉尘峰值浓度相对降低了。在起爆药量相同的条件下，进尺，类围岩产生的 粉尘峰值浓度对比类围岩相对提高了。类围岩，一次起爆药量的粉尘监测结果显示，粉尘峰值浓度较 高出 。基于隧道粉尘容许浓度最高标准，推测出试验区最迟将在监测结束后，达到容许浓度。研究成果为类似工程施工与隧道爆破粉尘控制提供指导。关键词：隧洞爆破；通风降尘；粉尘监测；围岩类型；起爆药量 ，（，；，）：，第期青海交通科技：；引言钻爆法对地质条件适应性强、工艺简单、开挖成本相对较低，在我国岩质隧洞施工中普遍采用。爆破开挖会产生大量的粉尘，加上隧洞内空间有限，空气质量差，给人员、设备、施工带来较大影响。在粉尘危害方面，晋良海等在杨房沟水电站料场开挖爆破时，通过分析爆破粉尘各粒径占全尘的比例，定量表达爆破粉尘粒度分布特征。结果得出：离爆破中心距离越远，粒度分布范围越窄，对人体有害粉尘占比越大。粒径在 的粉尘对人体的危害较大，长期暴露于 环境中会对人体健康产生重大危害。等发现，与越来越多的粉尘致病事件有直接关系。李智在粉尘沉降实验研究中介绍了粒径在 以上的粉尘能够到达鼻腔部位，粒径在 的粉尘能够到达咽喉部位，粒径在 的粉尘能够到达气管部位，粒径在 的粉尘能够到达支气管部位，粒径在 的粉尘能够到肺泡部位。胡志伟等根据粒径不同的粉尘沉降试验得到，粒径在 之间的粉尘分布相对均匀。等通过扫描电子显微镜（）观察了三种形状的某铁矿疏水性爆破粉尘（）：棱柱状、片状和块状，发现这些小颗粒大多呈片状，被吸入的可能性更大。刘琦等以马堡煤矿采区轨道下山掘进工作面为研究背景，采用爆后的模拟研究以及实际测量得出：距离地表垂高为 处粉尘浓度最高，距地表处粉尘浓度最低。长距离隧洞爆破施工时，飘散在空气中的爆破粉尘具有浓度高、扩散速度快、颗粒分布范围广以及长时间悬浮等特点，严重影响作业人员的身体健康，延长循环作业时间，制约隧洞施工进度。在粉尘防治方面，胡方坤等 基于非定常模拟分析了掘进面粉尘运移规律和基于非稳态模拟了研究长压短抽式掘进面粉尘运移规律，得出多种粉尘防治措施相结合能发挥出最好的降尘效果。等针对特定的粉尘操作空间设计种排气方案，并利用仿真技术研究种方案的流场和除尘特性。结果表明，底部通风方案除尘效果最好。杨年华等在露天深孔爆破中，有针对性地设计了水袋封堵炮孔、爆区顶面和抛掷前方水袋爆炸成雾的立体水雾降尘模型，试验效果使爆破粉尘浓度降低了以上。魏利在露天料场爆破作业中，阐述了水压爆破施工产生的扬尘有良好的抑尘效果，水压爆破可以增大粉尘粒径，总体粉尘粒度指数好于常规爆破粉尘，对爆破过程中的扬尘具有很大的抑制作用。时训先等基于粉尘浓度的实测数据，分析综采工作面粉尘运动规律得出，尘源的性质和工作面的风速是影响粉尘运动的主要因素。张静等通过模拟云南南汀河新塘房水电站引水隧洞独头掘进工作面爆破通风过程，结果得出，在压入式通风情况下，独头掘进工作面附近存在涡流分布；粉尘浓度从涡流中心向周围空间逐渐降低。薛永庆以引汉济渭秦岭输水隧洞工程为依托，利用数值计算软件模拟洞内风速，结果得出，送风风速越大，洞内粉尘危险浓度区域越广，敞开式内人员集中作业区的粉尘质量浓度越小。国内外对于隧洞爆破通风式降尘的研究相对较少。本文以奎屯河长距离引水隧洞爆破开挖为背景，开展爆破施工条件下的粉尘监测与分析，以期为隧洞施工组织提供指导。工程背景奎屯河引水隧洞全长，设计纵坡，（桩号 ）、增施工支洞（桩号）、山区隧洞（桩号 ），在桩号处设置 增施工支洞，增施工支洞长。工程区地势南高北低，海拔 ，受北天山纬向构造控制，地形具有分带性。南部依连哈比尔尕山为构造剥蚀高山中山区，北部准噶尔青海交通科技 第期盆地南缘为构造剥蚀低山区和向北倾斜的冲洪积平原区。现场围岩类型为 类围岩，类围岩开挖最大直径，高，衬砌厚；类围岩，开挖最大直径，高，衬砌厚。现场采用钻爆法进行掘进施工，采用湿式钻孔法，炸药为岩石乳化炸药，雷管选用号电子毫秒电雷管。试验所选用的仪器为 系列微电脑激光粉尘仪。洞内排水采取设排水沟、集水坑集水，利用污水泵集中抽排。洞内采用通风式排尘，排尘风机为轴流接力风机，采用台，进入主洞后向两边同时供风，型号（）的轴流风机，风量，功率 。风管选用 的增强塑纤布，且为压入式风管，风管末端到工作面的距离约为。引水隧洞洞身为门型洞，隧洞轮廓尺寸宽为，高为。因为地势原因，掌子面处具有一定涌水量，多数由工作人员引致排水沟，少数形成不规则形状的水坑，水位为。洞内现场环境如图所示。图洞内环境与粉尘仪安放粉尘监测试验通过现场调研，为保证粉尘仪在工作时不被爆破飞石破坏，将测点布置在掌子面后方处的边墙处，距离底板，此高度为人类呼吸带位置，现场粉尘仪布置方案及安放如图和图所示。洞内 和通过调换粉尘仪配备的 和粒子切割器进行监测。粉尘仪设置为连续测量，一共组，一组，组与组间隔，一次采样时间共计。现场监测的围岩类型共有两类，针对不同围岩类型设计了不同起爆药量，类围岩的一次起爆药量为、，类围岩的一次起爆药量为、。总结得出不同爆破方案的爆破效果，现场爆破方案与爆破效果如表所列。图测点布置方案（）第期青海交通科技表爆破方案与测试方案试验编号一次起爆药量 雷管发围岩类型进尺 爆破块度 监测类型类 类 类 类 类 试验结果分析为保证人员安全，所有试验均在爆破前开启仪器进行监测，仪器开启后爆破，随后开始通风，测试左右开始出渣作业，出渣前停止监测，分析从爆破到监测停止时的粉尘运移规律。监测结果将试验 所测得的 粉尘监测结果绘制成图，如图所示。图 监测结果 从图（）中可以看出，在类围岩一次起爆药量和条件下，试验和试验在时，达到峰值 以及 ，随后开始下降，并出现一定的波动，在时停止粉尘监测，粉尘浓度降到 和 ，平均每下降约 和 。类围岩条件下，试验与试验相比，一次爆破药量减少了，粉尘峰值浓度由 降至，降低了约。类围岩条件下，一次起爆药量越大，粉尘浓度越高。从图（）中可以看出，在类围岩一次起爆药量条件下，试验在时，达到峰值 ，随后开始下降，并出现一定的波动，在时停止粉尘监测，粉尘浓度降到，平均每下降约 。对比试验和试验，在一次起爆药量均为时，试验（围岩类型为类）粉尘达到峰值浓度的时间较试验（类围岩）提前了，粉尘峰值浓度由 上升到 ，提高了，围岩等级越低，岩石越破碎，粉尘浓度越高。隧道粉尘容许浓度最高标准不得超过，青海交通科技 第期试验在监测结束时的粉尘浓度为 ，两者相差 ，由其粉尘平均下降浓度推测出，监测结束后，试验粉尘浓度将下降到隧道粉尘容许浓度。试验在监测结束时的粉尘浓度为 ，已经达到容许浓度。试验在监测结束时的粉尘浓度为，刚好达到容许浓度。在 粉尘监测试验中，起爆前的粉尘平均浓度为 ，与监测结束时的粉尘浓度相比，试验监测结束时的粉尘浓度与起爆前的粉尘平均浓度相差约 ，试验相差约 ，试验相差约 。而监测结束时的粉尘浓度与监测时的粉尘峰值浓度相比，试验监测结束时的粉尘浓度与监测时的粉尘峰值浓度相差 ，相对粉尘峰值浓度降低率为，试验相差 ，降低率为，试验相差 ，降低率为。监测结果将试验和试验所测得的粉尘监测结果绘制成图，如图所示。图 监测结果通过分析图得出，在类围岩一次起爆药量为和条件下，试验和试验分别在和时，达到峰值 以及 ，随后开始下降，并呈现类似台阶状，在时停止粉尘监测，粉尘浓度降到 和 ，平均每下降约 和 。类围岩条件下，试验与试验相比，一次爆破药量减少了，粉尘峰值浓度由 降至 ，降低了约。类围岩条件下，一次起爆药量越大，粉尘浓度越高。根据隧道粉尘容许浓度，试验在监测结束时的粉尘浓度为 ，两者相差 ，由其粉尘平均下降浓度推测出，监测结束后，试验粉尘浓度将下降到隧道粉尘容许浓度；试验在监测结束时的粉尘浓度为 ，两者相差 ，由其粉尘平均下降浓度推测出，监测结束后，试验粉尘浓度将下降到隧道粉尘容许浓度。在粉尘监测试验中，起爆前的粉尘平均浓度约为 ，与监测结束时的粉尘浓度相比，试验监测结束时的粉尘浓度与起爆前的粉尘平均浓度相差 ，试验相差 。而监测结束时的粉尘浓度与监测时的粉尘峰值浓度相比，试验监测结束时的粉尘浓度与监测时的粉尘峰值浓度相差 ，相对粉尘峰值浓度降低率为，试验相差 ，降低率为。综合分析表明：一次起爆药量越高，起爆能量越强，对周围的介质破坏越大，岩石越破碎，其爆生气体更大可能将原本处于静止状态下附着于岩石上和岩石之间的细小固体颗粒冲散到空气中。因此，相同围岩条件下，一次起爆药量越高，粉尘浓度越高，两者之间呈正相关。同样地，围岩等级越低，岩性指标越差，起爆能量对岩石的破坏越大，产生的粉尘浓度越高。尽管监测结束时的粉尘浓度与起爆前的粉尘平均浓度仍有差距，但根据趋势可推出，两者将快速持平，而根据降低率而言，在起爆后，能够大幅降低临近掌子面处的粉尘浓度，有效减轻临近掌子面处的粉尘污染。与对比试验和试验的试验情况均为类围岩、进尺和一次起爆药量，与的监测结果如图所示。第期青海交通科技从图中可以看出，相同围岩类型与起爆药量条件下，粉尘峰值浓度较 粉尘高出 。图 与的对比结论通过对长距离引水隧洞爆破粉尘浓度的监测与分析，得出以下结论：（）一次起爆药量与粉尘浓度呈正相关。在进尺，一次起爆药量减少了，在粉尘浓度峰值上，同为类围岩，试验与试验相比，其产生的 粉尘相对降低约；同为类围岩，试验与试验相比，其产生的粉尘相对降低约。（）围岩类型对粉尘浓度有直接影响，相同起爆药量条件下，围岩类型越差，岩石越破碎，粉尘浓度越高。在进尺，一次起爆药量均为时，类围岩产生的 粉尘峰值浓度对比类围岩提高了。根据类围岩，在进尺，一次起爆药量均为的粉尘监测结果得出：粉尘峰值浓度较 高出 。（）基于隧道粉尘容许浓度最高标准，推测出试验区最迟会在监测结束后，达到容许浓度。（）在进行隧洞爆破施工时，采用压入式风筒，在起爆后，能够有效减轻临近掌子面处的粉尘污染，改善洞内环境，有利于爆破后的一系列工作开展。在进行隧洞爆破施工时，需要合理控制药量，针对性地采用通风方式，以保证良好的工作环境。参考文献晋良海，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防灾减灾工程学报，（）：，（）：聂百胜，李祥春，杨涛，等工作面采煤期间 粉尘的分布规律煤炭学报，（）：，（）（），（）：李智爆破掘进空间内粉尘非稳态运移规律与防尘系统设计研究阜新：辽宁工程技术大学，胡志伟，毕建乙，王海东斜沟煤矿长距离掘进面爆破粉尘运移规律研究中国矿业，（）：，（）：刘琦，孙亮长距离掘进巷道爆破粉尘非稳态分布规律陕西煤炭，（）：，刘锋爆炸水雾降除爆破拆除粉尘的研究淮南：安徽理工大学，（下转第页）青海交通科技 第期参考文献中华人民共和国交通运输部 年交通运输行业发展统计公报 韩冰，胡娟娟公路管理概论北京：人民交通出版社，王瑞桥梁群桩基础沉降的数值分析公路工程，（）：马丹，陈文，张勇，等基于网络的远程遥控业务及探索联通创新，（）：朱飞飞防冻液的防腐蚀性能分析与研究中国化工贸易，（）：袁焕鑫，陈晓婉，向虎，等弯剪作用下不锈钢薄腹梁承载性能试验研究土木工程学报，（）：曾煜橡胶软管及软管组合件钢丝缠绕增强外覆橡胶液压规范广东橡胶，（），孙东山基于网络的数控系统监控平台技术研究武汉：华中科技大学，吴秋平，邹峰光学成像位移测量方法研究激光杂志，（）：曹世钦，唐朝，陈可基于深度学习和无线传输的桥梁裂缝图像识别系统建材世界，（）：櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺（上接第页）郑波隧道爆破施工粉尘污染的水雾控制技术公路，（）：胡方坤，王帅领，王德明，等基于非定常模拟分析掘进面粉尘运移规律研究中国煤炭，（）：胡方坤，时国庆，张义坤，等基于非稳态模拟研究长压短抽式掘进面粉尘运移规律中国煤炭，（）：，：，（）：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爆破，（）：魏利露天石料场开挖中深孔梯段水压爆破对粉尘的控制四川水利，（）：时训先，蒋仲安，周姝嫣，等综采工作面粉尘分布规律的实验研究煤炭学报，（）：张静，王晓玲，陈红超，等引水隧洞独头掘进工作面风流和粉尘扩散的模拟水力发电学报，（）：薛永庆敞开式隧洞通风系统布置及除尘效果研究水利水电技术，（）：青海交通科技 第期