水袋在爆破水霧除塵技術(shù)中的應(yīng)用

胡 濤，刁 偉，崔正輝，吳曉楊，呂 鑫

（武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，武漢430072）

爆破技術(shù)已經(jīng)在水利水電工程巖石拆除工程中得到廣泛運(yùn)用，隨著我國(guó)水利事業(yè)的飛速發(fā)展，水利水電工程建設(shè)對(duì)爆破技術(shù)的依賴度越來越高，爆破技術(shù)的應(yīng)用范圍日益廣泛。

爆破過程中產(chǎn)生的粉塵對(duì)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(shè)研究的重要問題。由于相關(guān)技術(shù)還不成熟，爆破產(chǎn)生的粉塵問題一直沒有得到有效解決，成為阻礙爆破技術(shù)發(fā)展的難題［1］。因此，研究爆破粉塵特征和降塵技術(shù)，建立一套完整高效且快速的爆破降塵技術(shù)，改進(jìn)爆破過程中所使用的材料，解決爆破粉塵問題，對(duì)保護(hù)環(huán)境，保護(hù)工作人員的身體健康，使工程爆破技術(shù)有更深遠(yuǎn)的發(fā)展，都具有十分重要理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

目前關(guān)于爆破降塵有多種不同的工藝，其中利用水袋進(jìn)行水霧降塵是一種相對(duì)有效方便的降塵方式。其原理是設(shè)計(jì)一種裝有炸藥和水的水袋，利用炸藥爆炸能量將水霧化，水破碎后形成無數(shù)小液滴彌散在空氣中，液滴與空氣中的粉塵通過碰撞、膠結(jié)、凝聚等接觸形式最后沉降下來［2］。水袋的設(shè)計(jì)是水霧降塵工藝中關(guān)鍵技術(shù)，直接影響最后的降塵效果。

關(guān)于水袋的設(shè)計(jì)，目前工程上的應(yīng)用較單一，除塵效率并不十分理想，相關(guān)研究工作還不成熟。本文嘗試探討水袋的設(shè)計(jì)方案，為爆破水霧降塵提供一些參考。

1 水袋長(zhǎng)徑比對(duì)水霧參數(shù)的影響

工程中水袋一般設(shè)計(jì)成圓柱體，圓柱的高和底圓直徑為水袋的兩個(gè)重要參數(shù)。水袋長(zhǎng)徑比是指水袋長(zhǎng)度與直徑之比，是水霧發(fā)生裝置的一個(gè)重要指標(biāo)。很多學(xué)者［3-5］對(duì)水霧采用小水量、小藥量進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)選定藥量、水量、水袋層數(shù)等其他裝置，通過實(shí)驗(yàn)得出長(zhǎng)徑比對(duì)水爆炸拋撒成霧運(yùn)動(dòng)特性的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)水霧拋撒過程中形成近似圓錐體輪廓，一般規(guī)定水霧拋撒后形成圓錐體底圓半徑為拋撒半徑，拋撒圓錐體垂向的最大長(zhǎng)度為拋撒高度。

郭學(xué)永［3］通過試驗(yàn)研究了裝置參數(shù)對(duì)FAE云霧狀態(tài)［4］的影響，并得出不同材料水筒情況下拋撒液體拋撒半徑、高度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用其數(shù)據(jù)可以繪出拋撒半徑和高度隨時(shí)間變化的圖像。水筒裝置同水霧降塵的水袋類似，同樣可以用來分析水袋裝置參數(shù)對(duì)水霧狀態(tài)的影響。

圖1 云霧直徑和時(shí)間的關(guān)系

圖2 云霧高度和時(shí)間的關(guān)系

圖3 云霧徑向膨脹速度與時(shí)間的關(guān)系

由圖1可知，長(zhǎng)徑比大的水袋最終云霧直徑與長(zhǎng)徑比小的水袋云霧直徑相差不大；由圖2可見，長(zhǎng)徑比小的水袋其云霧軸向增長(zhǎng)速度大于長(zhǎng)徑比大的水袋，說明長(zhǎng)徑比大的水袋其軸向約束力較大，更有利于水霧的徑向拋撒，但最終的云霧高度大概相等。由圖3曲線可以看出，長(zhǎng)徑比大的水袋，其云霧徑向膨脹速度在水霧拋撒的近場(chǎng)階段遠(yuǎn)大于長(zhǎng)徑比小的水袋，因此可知長(zhǎng)徑比大的水袋其變形量較大，產(chǎn)生的射流量也較大，有利于水霧的拋撒。

岳中文等［6］采用高速攝像法記錄水在爆炸作用下的拋撒過程，研究了不同爆炸水袋長(zhǎng)徑比對(duì)水爆炸拋撒成霧運(yùn)動(dòng)的影響。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)的分析，獲得了在不同的長(zhǎng)徑比條件下，水爆炸拋撒過程中的徑向半徑、徑向速度以及水霧軸向高度與時(shí)間的關(guān)系，同時(shí)還對(duì)水霧運(yùn)動(dòng)的特性和形狀做了定性分析。結(jié)果表明：水袋長(zhǎng)徑比對(duì)拋撒水霧的徑向半徑、軸向高度影響不大，但長(zhǎng)徑比是影響水霧徑向拋撒初速度的重要因素。

通過綜合不同學(xué)者試驗(yàn)成果得出：①水霧拋撒開始階段水霧拋撒半徑隨長(zhǎng)徑比增大而增大，但之后就變化不大。因此，長(zhǎng)徑比對(duì)水霧半徑影響不大。②水霧徑向拋撒速度隨長(zhǎng)徑比增大而增大。當(dāng)爆炸水袋的長(zhǎng)徑比較大時(shí)，形成水霧在空間排列比較均勻，速度增大快，同時(shí)減小也快。③水霧拋撒高度達(dá)到一定高度后，高度不再變化，即長(zhǎng)徑比對(duì)最終水霧拋撒高度的影響不大。但長(zhǎng)徑比小水霧拋撒的高度比長(zhǎng)徑大水霧拋撒高度要大。

2 水袋厚度對(duì)拋撒參數(shù)的影響

2.1 對(duì)水霧初期拋撒速度的影響

水袋厚度是影響拋撒速度的一個(gè)重要因素。水袋壁面可以阻止水霧向四周擴(kuò)散，在水霧拋撒過程中，水袋壁面對(duì)水霧做負(fù)功，使其速度減小。水袋厚度越大，水袋對(duì)拋撒水霧做的負(fù)功越多，水霧的速度減小的越多，則最終拋撒水霧的最大速度就越小。

吳德義［7］曾提出液體拋撒最大速度v0和壁面存在以下關(guān)系式，即

式中 D為水袋的直徑（cm）；ρ為液體水的密度（kg/m3）；L為水袋的高度（cm）；d為水袋的厚度（cm）；K6為系數(shù)，K6=2.7×103。

式（1）表明水霧拋撒最大速度和水袋壁面厚度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，同時(shí)把最大速度和水袋的相關(guān)參數(shù)聯(lián)系在一起，對(duì)于實(shí)際工程中設(shè)計(jì)合適形狀的水袋具有很大的參考價(jià)值。

2.2 對(duì)水霧半徑的影響

岳中文［6］曾通過實(shí)驗(yàn)研究水袋厚度對(duì)水爆炸拋撒成霧運(yùn)動(dòng)特性的影響。水袋裝水7500mL，中心藥包裝藥當(dāng)量為1.9g黑索金。水袋的厚度分別選取：A=3.75×10-2mm、B=15×10-2mm、C=15×10-2mm3種規(guī)格。

基于以上原因，我不同意說趙五娘的行為是封建的孝道，她更不是宣揚(yáng)封建孝道的典型。她只是我國(guó)古代千千萬萬勤勞、善良、寬厚的勞動(dòng)?jì)D女中的一員，她的品質(zhì)也正是我國(guó)古代勞動(dòng)?jì)D女的優(yōu)秀品質(zhì)。而這種品質(zhì)在當(dāng)今社會(huì)仍具有廣泛的進(jìn)步意義，仍值得提倡。

實(shí)驗(yàn)得到了水霧拋撒半徑隨時(shí)間的變化圖像，如圖4。

圖4 不同厚度水袋的水霧拋撒半徑—時(shí)間變化曲線

從圖4可以看出，水霧半徑隨水袋壁面厚度增大而減?。?］。因?yàn)樗诿婵梢缘窒ㄋ幈〞r(shí)對(duì)水滴的沖擊力，水袋壁面越厚，抵消的作用效果越大，最后形成水霧的半徑就越小。在設(shè)計(jì)水袋厚度時(shí)，既不能設(shè)計(jì)太大，也不能設(shè)計(jì)太小。厚度太大，水霧半徑過小，形成水霧除塵的范圍就很小，除塵效率就很低；厚度太小，作用于水滴的能量過大，形成水霧的不均勻，且濃度比較小，也不能有效除塵。實(shí)際設(shè)計(jì)中，要取厚度適中的水袋厚度，既要達(dá)到有效除塵的目的，也要節(jié)約經(jīng)濟(jì)。

3 材料的選擇與形狀改進(jìn)

傳統(tǒng)的水袋，是由無色、無味、透明、柔軟的乳膠或聚乙烯注塑而成，此種材料在燃燒過后，會(huì)產(chǎn)生一氧化碳等有毒氣體，同時(shí)未燃燒殆盡的殘骸難于被土壤微生物分解，從而產(chǎn)生白色污染。新型水袋是在保持原有普通水袋的耐溫、抗壓等功能基礎(chǔ)上，通過改變其形狀、結(jié)構(gòu)及材料，以改善水霧化慢、爆炸后產(chǎn)生有害氣體及殘留物難降解的現(xiàn)狀，從而能夠在降塵的同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生二次污染。具體可以從以下幾點(diǎn)方向改進(jìn)。

3.1 環(huán)保改進(jìn)

材料的選擇，以改善爆炸后水霧化慢、產(chǎn)生有害氣體及殘留物難降解等現(xiàn)狀。如可以應(yīng)用純天然環(huán)保材料，點(diǎn)燃后迅速燃燒，不會(huì)產(chǎn)生一氧化碳、氮的氧化物的有毒氣體；同時(shí)，水袋的殘留物能夠很快地被土壤的微生物分解，從而避免在降塵的同時(shí)產(chǎn)生二次污染。

3.2 造價(jià)改進(jìn)

在保證水袋高效環(huán)保的基礎(chǔ)上，力求選擇最經(jīng)濟(jì)廉價(jià)的材料。

水袋的形狀改進(jìn)也是一個(gè)很有研究?jī)r(jià)值的改進(jìn)方向。筆者認(rèn)為將圓柱體水袋設(shè)計(jì)成圓錐體、長(zhǎng)方體、組合體等其他形狀以提高除塵效率節(jié)約材料，有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）水霧拋撒起始階段水霧拋撒半徑隨長(zhǎng)徑比增大增大，但之后就變化不大。因此，長(zhǎng)徑比對(duì)水霧半徑影響不大。水霧徑向拋撒速度隨長(zhǎng)徑比增大而增大，當(dāng)爆炸水袋的長(zhǎng)徑比較大時(shí)，形成水霧在空間排列比較均勻，速度增大快，同時(shí)減小也快。水霧拋撒高度達(dá)到一定高度后，高度不再變化，即長(zhǎng)徑比對(duì)最終水霧拋撒高度的影響不大。但長(zhǎng)徑比小水霧拋撒的高度比長(zhǎng)徑大水霧拋撒高度要大。

（2）水袋越厚，水霧拋撒速度越小，水霧半徑越小。因此在設(shè)計(jì)水霧拋撒裝置時(shí)，為增大霧化體積改善拋撒效果，盡量選擇壁薄的材料。

（3）水袋材料的選擇對(duì)環(huán)保具有重要意義。通過選擇良好的材料，解決爆炸后產(chǎn)生有害氣體及殘留物難降解的問題，從而避免在降塵的同時(shí)產(chǎn)生二次污染。

水袋的形狀確定和材料選擇是水霧降塵技術(shù)中關(guān)鍵步驟。選擇合適的水袋對(duì)完善水霧降塵施工工藝，提高工程效益，保護(hù)環(huán)境，都具有十分重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

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