豎井掘進爆破有毒廢氣擴散規律數值研究

羅周全，謝承煜，賈楠，羅俊，程貴海

(1. 中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083;2. 廣西大學 資源與冶金學院，廣西 南寧，530004)

監測技術在我國煤礦應用較成熟[1]，但在金屬及非金屬地下礦山剛興起。目前，關于該類礦山監測系統的建設面臨不少的問題，尤其是監測系統前端設備(傳感器)的布置是否合理，還未引起礦山及系統建設方足夠的重視和思考，設計傳感器布置的系統方案時仍摻雜較多主觀意愿，缺乏完善的科學設計依據。同時，伴隨地下礦山開采深度的增加，通風困難等問題更加凸顯，爆破后產生的有毒廢氣對作業人員的健康及生命安全造成較大威脅。由于作業人員施工時仍需進入工作面進行鉆鑿作業，因此，在豎井掘進工作面布置傳感器實現對爆破有毒廢氣的有效監測已經成為必然趨勢[2]。但考慮爆破所產生的沖擊波，要在豎井掘進工作面對傳感器進行安全防護難度較大，故在爆破前，傳感器需要卸載轉移，因此，如何通過有效監測手段較準確地獲取掘進工作面有毒廢氣的稀釋排放情況變為難點[3?4]。通常采用高壓通風方法對工作面進行通風沖洗，并沒有科學的手段提供有毒廢氣真實濃度，作業人員主要還是通過便攜式監測儀器或直接通過人的感官和經驗逐步涉入工作面判斷有毒廢氣的濃度值，這種原始的方法存在著諸多不科學之處。基于此，本文以計算流體力學Fluent軟件為手段，通過對豎井爆破掘進時產生的廢氣進行仿真模擬，探尋爆破廢氣的流動分布狀況及其變化規律，最終為傳感器在井下的優化布置提供科學的理論依據。

1 氣相主控方程

豎井掘進中爆破廢氣流動的物理條件較復雜，影響因素也較多，為了方便研究，在氣相主控方程確定之前，必須對氣體對象進行以下假設[5?6]：

(1) 氣體假設成不可壓縮的對象，可忽略氣體流動需要克服黏性作用力而引起的熱量耗散，且不考慮浮力對密度比較輕的氣體的影響，并設定豎井壁面總是處于絕熱、恒溫狀態。

(2) 氣體的渦流黏性中涉及的渦流黏性系數應為標量處理，同時需做出各向同性的特點假設。

(3) 氣體流動的本質為穩態渦流，滿足Boussinesq的基本假想。

描述豎井中廢氣流動過程、分布狀態及擴散現象的微分方程概括起來即包括連續微分方程，動量微分方程，紊流能量方程以及氣體組分方程[7?8]。k?ε方程標準模型可用來模擬氣體的系列流動規律現象，其基本的控制方程即為雷諾方程、k?ε方程標準模型方程為[9?10]

式中：ρ為爆生氣體的密度；ms為加入到連續相的質量；T為溫度；u'為速度矢量；Ks為氣體的傳熱系數；cp為比熱容；Sq為其他體積熱源；gi為重力分量；τij為應力張量；k為紊流動能；ε為紊流動能耗散率；t為時間；ui為氣流速度分流；xi為坐標值分量；ν為層流動力黏性系數；p為修正后的時均壓力；fi為質量力；νt為紊流黏性系數；Gk為平均速度梯度引起的紊流動能產生項；方程中經驗系數σk=1.0，σε=1.33，C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cu=0.09。

2 BKW狀態方程

Fluent模擬軟件中進行邊界條件的設定時，需要提供與現實相接近的模擬參數，故需確定豎井中爆破所使用的一類炸藥物理性質及化學反應等[11]。

BKW狀態方程的表達式為[12]

式中：Vm為爆轟廢氣產物的摩爾體積；ki為第i種廢氣產物的摩爾余容；xi為第i種產物的物質的量；α，β，k和θ為經驗常數值。

3 數值分析

對于有色金屬礦山，其礦體中一般不會伴生有毒廢氣，故井下的CO和NO2等有毒廢氣主要來源于每次爆破后形成的廢氣產物。結合多數礦山目前所使用的都是 CHNONa類乳化炸藥[13]，對多組實驗數據進行逐類整合并進行求平均等統計處理后，可得表1所示實驗統計結果，該實驗結果作為對Fluent進行初始化設置時的參數來源。

表1 乳化炸藥配方及爆轟后的氣體組分Table 1 Formula of emulsion explosives and components of gas after detonation

3.1 物理模型

為保證后續鑿巖方向的準確性并給爆破掏槽孔創造臨空面，同時兼作豎井工作面的一個輔助排煙通道，鉆爆掘進豎井前，在豎井中心線上鉆鑿孔徑為 100～300 mm的圓形導向孔，且首先貫通上、下2個階段，根據實例礦山的工程實際，掘進豎井的三維模型參數為：已掘進成型豎井尺寸為2 m×2 m(長×寬)，深為40 m，導向孔直徑為100 mm，深為20 m(見圖1)。

3.2 邊界條件及氣體參數

圖1 掘進豎井結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of tunneling shaft

以通風系統中進風管的風流射流出口為模型的邊界入口，污風風流的豎井出口作為模型的邊界出口，豎井壁面以及風管壁面作為模型的固定邊界[14?16]。爆破后瞬間，考慮爆破沖擊波及大量氣體會形成較大的壓強區，而豎井本身可供氣體擴散的空間有限，則出口方向成為氣體擴散的唯一路徑，假設爆破后一段時間內(可忽略不計)產生的爆破廢氣擴散充滿相當長的一段豎井，且狹長豎井中爆破沖擊波等作用消退的時間明顯要比在空曠的地方緩慢，易產生豎井效應，假定在一段時間段之后模型中皆較均勻地充滿著CO和NO2廢氣。

3.3 利用豎井導向孔強制抽風情況下的數值分析

導向孔的自然排煙速度為 0.8 m/s，排煙量為 27 m3/h，當在上階段平巷中導向孔出口處敷設離心風機后，導向孔中的排煙速度可達32 m/s，排煙量為1 100 m3/h。據此，抽出式通風的工況點速度設置為32 m/s，當在上階段平巷中導向孔出口處敷設離心抽風機進行強行抽風的排風系統時，數值分析得出NO2廢氣的體積分數在已掘進成型豎井以及導向孔中的分布運移變化規律如圖2和圖3所示。

圖2 NO2氣體的質量濃度分布曲線Fig.2 Distribution Curve of NO2 mass concentration

圖3 t=1 040 s時NO2氣體質量濃度分布曲線Fig.3 Distribution curves of NO2 mass concentration at 1 040 s

在強力抽風作用下，大部分炮煙將會沿著導向孔從上階段平巷中迅速排出后進入回風豎井，炮煙質量濃度大小呈現的變化規律是：從上階段平巷依次沿著導向孔及已成型的掘進豎井直至下階段平巷，炮煙濃度值呈現逐漸降低趨勢，對圖2和3進行分析比較，由于強行抽風排放量較大，殘留在導向孔中的炮煙在極短時間之內可以被排盡，在短時間內使上階段平巷中導向孔出口處的炮煙濃度與豎井掘進工作面中的濃度處于同一水平，所以通過上平巷中導向孔出口處的炮煙濃度來判斷和衡量已成型掘進豎井中的炮煙濃度具有時空有效性，即說明只要在上階段平巷中導向孔出口處監測得到相關有毒廢氣的濃度值達到安全標準值，則在已成型的豎井中任何縱深區域，相關有毒廢氣的濃度也已達到安全標準。

3.4 采用壓入式局部通風的豎井掘進數值分析

采用壓入式局部通風系統的豎井掘進中，將高壓風管出口速度同樣設置為35 m/s，通過數值仿真模擬分析，當通風時間達到t=415 s時，在已成型的豎井中炮煙的分布規律如圖4所示。

圖4 掘進豎井不同橫截面上CO質量濃度分布曲線Fig.4 Distribution curves of CO mass concentration in tunneling shaft’s sections

在高壓風管連續壓入通風的作用下，豎井掘進工作面中，炮煙一部分沿著導向孔排出，而大部分則主要是從豎井的下部排出進入下階段平巷的回風豎井中，采用高壓通風系統進行通風的豎井掘進中，CO氣體質量濃度沿著導向孔及已掘進成型豎井豎直方向上的變化規律見圖5。

在豎井回風區，當上階段平巷導向孔出口處 CO氣體質量濃度已經很低時，豎井的中下部回風區，CO氣體的質量濃度仍然比較高，此時，在上階段平巷的導向孔出口處，炮煙的質量濃度將不能再用來衡量已成型豎井中的炮煙質量濃度。通過對圖4中豎井不同橫截面上的CO氣體質量濃度進行對比分析，在任意一個橫截面中，布置有高壓風管一側的CO氣體質量濃度明顯要高于未布置有進風管一側區域的質量濃度，在不同橫截面之間，從下階段平巷豎井的出口處依次往掘進工作面方向，CO氣體的質量濃度呈總體減小趨勢。

圖5 已掘進豎井及導向孔中CO氣體質量濃度的分布曲線Fig.5 Distribution curves of CO mass concentration in tunneling shaft ＆ pilot hole

4 爆破廢氣監測

4.1 傳感器布置

結合以上研究，監測CO和NO2等傳感器布置在上階段平巷中導向孔出口合適位置，傳感器所監測到的數值將完全可作為反映豎井掘進工作面爆破有毒廢氣濃度的稀釋和分布情況。此外，在豎井的下部出口處，考慮下部平巷中橫向風流會影響豎井下部出口處的炮煙濃度值，應盡量將傳感器布置在距離豎井出口較遠的區域，可將傳感器布置在已成型的豎井下部，距離出口10～15 m的區域，且需垂直布置在有高壓風管一側的井壁上，距離井壁不小于 200 mm，同時，在爆破前需將其拆移到安全的位置，故應盡量滿足裝卸方便。爆破后，在連續通風作用下，豎井中炮煙將逐漸從上往下流動，掘進工作面的炮煙最先得到稀釋排放，布置于豎井下部區域的傳感器將會在通風作用一段時后監測得到多組較大值的數據，此后傳感器所監測得到的值從峰值開始平穩地逐漸減小，監測值平穩下降達到允許的濃度時，即可認為在豎井的其他縱深區域，相應氣體的質量濃度已經達標，施工人員即可進入豎井展開施工作業。

4.2 監測結果及分析

為檢驗數值分析結果的準確性和可靠性，當豎井掘進40 m時，在爆破掘進的天井內，采用江蘇三恒科技集團生產的KJ70N系統，GTH1000型礦用CO和M?20型NO2傳感器，在爆破約5 min后(當聽到爆破聲音開始計時)，由施工人員穿戴防毒面具進入天井，并每隔5 m將傳感器掛在事先布置于豎井壁的鉤上，監測NO2和CO廢氣的質量濃度，為防止監測人員進入天井時對擴散毒氣的擾動而造成測量誤差，人員應從天井中遠離測點一側進入，必要時應采用竹竿等輔助設備進行測點布置。監測結果見圖6。CO的質量濃度最大值為67.5 mg/L，出現在距離出口15 m處，而NO2的質量濃度最大值為 50 mg/L，出現在距離出口10 m處。從爆破廢氣監測的結果可以看出：豎井中CO和NO2其他的變化規律與數值模擬結果基本吻合。

圖6 爆破約5 min后廢氣質量濃度Fig.6 Mass concentration of waste gas after blasting about 5 min

5 結論

(1) 爆破廢氣擴散濃度變化規律為：上階段平巷至下階段平巷NO2質量濃度呈逐漸降低趨勢；布置高壓風管一側爆破CO質量濃度明顯較高，下階段平巷豎井出口處至掘進工作面，呈總體減小趨勢。

(2) 爆破廢氣監測無線傳感器應布置在掘進豎井下部距離豎井出口約 1/4～3/8處，垂直布置在有通風管一側的井壁區域，距離井壁不小于 200 mm，且固定在通風風速較小的隅角處，這樣不僅可實現對爆破廢氣的有效監測，而且不影響施工作業，兼顧到儀器的安全和便于裝拆。

(3) 數值分析得到的爆破廢氣CO和NO2分布規律與現場監測結果相吻合，驗證了基于Fluent的豎井掘進爆破廢氣擴散規律數值研究方法的有效性和實用性。

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