巷道爆破有毒有害氣體及粉塵擴(kuò)散規(guī)律探究

李曉健 賈敏濤 任甲澤 王 爽 許 峰 魯智勇

（1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

爆破是開巖鑿道的主要技術(shù)手段，在金屬非金屬礦山廣泛應(yīng)用的同時(shí)，其爆破煙塵威脅作業(yè)人員健康，影響生產(chǎn)正常進(jìn)行。研究巷道內(nèi)爆破煙塵的傳播特征，對爆破煙塵控制研究起基礎(chǔ)性作用。礦井巷道開拓過程中，掘進(jìn)面爆破往往產(chǎn)生大量的粉塵及有毒有害氣體，不僅影響巷道掘進(jìn)效率，同時(shí)對井下工作人員職業(yè)健康造成嚴(yán)重威脅，還容易造成安全生產(chǎn)事故。深入探究巷道爆破后粉塵及有毒有害氣體的傳播及濃度特征，對于提高井下人員的工作效率以及保證生產(chǎn)安全具有重要意義。

目前掘進(jìn)面爆破粉塵及有毒有害氣體的研究還停留于初步階段。胡方坤等［1］通過數(shù)值模擬研究壓入式通風(fēng)條件下，粉塵在掘進(jìn)巷道的縱向及橫向運(yùn)移規(guī)律。何磊等［2］研究了獨(dú)頭巷道掌子面爆破后炮煙的擴(kuò)散規(guī)律，對不同位置工作面爆破后巷道的安全區(qū)域進(jìn)行了分析與評價(jià)。方鵬［3］使用CFD 軟件研究風(fēng)筒直徑、風(fēng)量大小及風(fēng)筒口與工作面的距離對炮煙擴(kuò)散規(guī)律的影響。金波［4］對掘進(jìn)巷道內(nèi)爆破煙塵在混合式通風(fēng)過程中的擴(kuò)散及濃度分布進(jìn)行數(shù)值模擬。胡慧慧［5］基于射流理論和計(jì)算流體動力學(xué)理論，以重慶合川煤礦掘進(jìn)巷道通風(fēng)系統(tǒng)為背景，采用數(shù)值模擬、室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)測相結(jié)合的方法，研究了掘進(jìn)工作面通風(fēng)風(fēng)場及粉塵運(yùn)移規(guī)律。孟凡英等［6］使用CFD 流體仿真軟件對掘進(jìn)巷道的溫度場進(jìn)行了模擬。穆朝民等［7］研究了二維爆炸流場中空氣沖擊波在復(fù)雜巷道內(nèi)傳播的機(jī)制。

目前對爆破煙塵的通風(fēng)過程模擬研究居多，對于爆破后巷道內(nèi)沖擊波及煙塵的擴(kuò)散規(guī)律研究較少。本研究以某礦獨(dú)頭巷道為工程背景，著重研究炸藥爆破后爆炸沖擊波傳播規(guī)律及有毒有害氣體與粉塵擴(kuò)散規(guī)律，以期為爆破煙塵控制提供依據(jù)。

1 模型構(gòu)建

1.1 物理模型

幾何模型包括坑道與爆破面兩部分，由于幾何模型以坑道縱剖面為對稱面，為了提高計(jì)算效率，采用對稱性邊界條件，僅對縱剖面一側(cè)進(jìn)行模擬。掘進(jìn)巷道斷面為梯形斷面，斷面寬8 m，巷道兩幫高4 m，腰高8 m，掘進(jìn)長度為200 m。網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，最密處位于爆破面，隨著向坑道出口延伸而逐漸變疏。網(wǎng)格劃分如圖1所示。

1.2 數(shù)學(xué)模型

假定通風(fēng)氣流為不可壓縮流體，忽略由黏性力做功所引起的耗散熱，假定壁面絕熱，流動模型采用SST 紊流模型。對動量守恒方程中的阻力（黏性）項(xiàng)與能量守恒方程中黏性耗散項(xiàng)的修正，還包括了在壁面附近修正的子模型，在湍流黏度的定義中還考慮了湍流剪切應(yīng)力的傳遞。對氣體組分的模擬則是基于壓力基瞬態(tài)求解器進(jìn)行計(jì)算。

1.2.1 氣體相參數(shù)

對于多組分有毒有害氣體則采用多組分輸運(yùn)方程，不同組分氣體擴(kuò)散系數(shù)如表1所示。多組分輸運(yùn)模型僅需要在總體控制方程的求解完成后，對組分輸運(yùn)方程的控制方程進(jìn)行求解，僅需計(jì)算各組分的濃度分布，而無需區(qū)分各氣體組分的速度及溫度。

1.2.2 顆粒相參數(shù)

對于炮煙粉塵模擬，采用歐拉-拉格朗日耦合算法。僅考慮氣體—顆粒的單向耦合，也就是僅考慮氣體對顆粒的作用力，而不考慮曳力對氣體動量方程的影響。粉塵粒徑分布遵循rosin-rammler 對數(shù)分布，最小粒徑為2×10-4mm，最大粒徑為0.5 mm，平均粒徑為0.1 mm。

1.3 邊界條件

（1）氣體入口邊界條件采用速度入口。爆破瞬間化學(xué)反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜且瞬時(shí)，考慮將爆破過程簡化為多組分氣體的質(zhì)量源項(xiàng)，初始邊界條件采用UDF函數(shù)自定義。顆粒相初始邊界條件采用壁面注入，顆粒追蹤方式為非穩(wěn)定追蹤。

（2）出口邊界條件采用壓力出口，其余部分默認(rèn)為無滑動壁面條件，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，顆粒與壁面接觸條件設(shè)置為反彈，出口回流溫度設(shè)置為300 K。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 溫度場分析

為了研究爆破產(chǎn)生的高溫氣體在巷道中的降溫規(guī)律，用于指導(dǎo)井下爆破時(shí)人員撤離到安全位置，故對爆破后的高溫氣體沿著整個(gè)巷道進(jìn)行模擬研究，如圖2所示。

分析結(jié)果如下：

（1）0～0.3 s，爆破產(chǎn)生的射流使得爆破面前方20 m 區(qū)域內(nèi)的空氣快速升溫，瞬間最高溫度約為1 200 ℃，而爆破核心區(qū)的溫度達(dá)到了1 500 ℃以上。由于氣體繼續(xù)向前運(yùn)動，最高溫降至1 000 ℃。

（2）0.3～2.0 s，20 m 處的氣體溫度開始升高，在20 m 剖面處，溫度峰值約為700 ℃，溫度峰值從中心區(qū)域逐步靠近側(cè)壁區(qū)域。之后在浮力作用下，高溫氣體開始出現(xiàn)向上運(yùn)動的趨勢，溫度峰值約為600 ℃。

（3）2.0～14 s，高溫氣體基本都上升到了坑道頂部，此時(shí)剖面20 m 處的氣體溫度峰值仍然有600 ℃，高溫氣體繼續(xù)向出口方向運(yùn)動，此時(shí)溫度峰值約為500 ℃，而剖面50 m 處的平均溫度已經(jīng)高于剖面20 m處的平均溫度。

（4）14～50 s，高溫氣體繼續(xù)向出口方向運(yùn)動，此時(shí)溫度峰值已經(jīng)超越剖面180 m處，約為300 ℃。

2.2 速度場分析

爆破產(chǎn)生的高溫氣體在巷道中的軸向、徑向分布規(guī)律如圖3、圖4 所示，徑向上選取距離巷道進(jìn)口20，50及180 m處進(jìn)行了分析。

分析結(jié)果如下。

（1）0～0.3 s，硝酸銨爆破產(chǎn)生的氣體射流峰值速度快速達(dá)到3倍音速，峰值速度分布與壓力鋒面位置接近。隨后氣體流速快速衰減，當(dāng)0.3 s氣體壓力鋒面到達(dá)坑道出口時(shí)，氣體的峰值速度已經(jīng)降至200 m/s以下，為亞音速狀態(tài)。

（2）0.3～2.0 s，速度峰值的位置隨著壓力鋒面快速向內(nèi)爆破面方向移動，隨后速度峰值的位置隨著壓力鋒面快速向坑道出口方向移動，此時(shí)速度峰值約為80 m/s。而在剖面20 m 處，氣流渦流變得明顯，伴隨著熱空氣向上，冷空氣向下的運(yùn)動，渦流最高速度約為10 m/s。

（3）2.0～14 s，速度峰值的位置隨著壓力鋒面在坑道內(nèi)往復(fù)運(yùn)動，此時(shí)速度峰值已經(jīng)降至30 m/s 以下。氣體的時(shí)均速度仍然相對穩(wěn)定，帶著熱空氣以穩(wěn)定的速度向出口震蕩移動。

（4）14～50 s，坑道頂部的熱氣體仍然波動式地向外運(yùn)動，而坑道底部的冷氣流也仍在波動式地向內(nèi)運(yùn)動，壓力波的影響已經(jīng)基本消失，空氣的波動式運(yùn)動變形為平緩的上出下進(jìn)式的對流運(yùn)動。

2.3 有毒有害氣體濃度分析

為了研究爆破炮煙中有毒有害氣體濃度隨通風(fēng)時(shí)間的變化規(guī)律，以此為依據(jù)制定礦山爆破通風(fēng)時(shí)間及人員工作時(shí)間等相關(guān)規(guī)定，故對炮煙中有毒有害氣體濃度變化規(guī)律進(jìn)行模擬研究，如圖5所示。

分析結(jié)果如下。

（1）0～0.3 s，一氧化碳體積分?jǐn)?shù)最大值為0.08，主要分布于爆破面前方中心區(qū)域。二氧化硫體積分?jǐn)?shù)最大值為0.07，主要分布于爆破面前方中心區(qū)域。氨氣體積分?jǐn)?shù)最大值為0.03，主要分布于爆破面前坑道頂部及底部區(qū)域。

（2）0.3～2.0 s，一氧化碳體積分?jǐn)?shù)最大值為0.05，主要分布于爆破面前方底部及剖面20 m 上方區(qū)域。二氧化硫體積分?jǐn)?shù)最大值為0.04，主要分布于爆破面前方底部及剖面20 m 上方區(qū)域。氨氣體積分?jǐn)?shù)最大值為0.02，主要分布于爆破面前至剖面20 m 處區(qū)域，整體分布較為均勻。

（3）2.0～14 s，一氧化碳體積分?jǐn)?shù)最大值為0.03，位于坑道0～50 m 上方區(qū)域，最遠(yuǎn)到達(dá)70 m 處。二氧化硫體積分?jǐn)?shù)最大值為0.025，位于坑道0～50 m 上方區(qū)域。氨氣體積分?jǐn)?shù)最大值為0.015，位于坑道0～60 m上方區(qū)域。

（4）14～50 s，一氧化碳體積分?jǐn)?shù)最大值為0.015，匯聚于坑道剖面180 m 上方區(qū)域，氣體主要分布在坑道100～190 m 的上部區(qū)域。二氧化硫體積分?jǐn)?shù)最大值為0.01，匯聚于坑道剖面180 m 上方區(qū)域。氨氣體積分?jǐn)?shù)最大值為0.007，匯聚于坑道剖面180 m 上方區(qū)域。

2.4 顆粒濃度分析

為了研究爆破產(chǎn)生的粉塵在巷道中的擴(kuò)散規(guī)律，幫助礦山有針對性地采取除塵降塵措施，故對爆破后巷道中各種粒徑粉塵分布特征進(jìn)行模擬研究，如圖6所示。

分析結(jié)果如下。

（1）0～0.3 s，粒徑較小的粉塵因?qū)饬鞯母S性好而處于靠前的位置，粒徑較大的粉塵位置相對靠后，雖然原本這些粉塵都是均勻分布于爆破孔的壁面上，此時(shí)最前沿的粉塵已經(jīng)到達(dá)30 m處。

（2）0.3～2.0 s，粒徑較大（>75 μm）的粉塵在重力作用下大多停留在距離爆破面10m 內(nèi)的地面上。而中等粒徑（1 μm<粒徑<75 μm）和小粒徑（<1 μm）的粉塵則被氣流裹挾著波動式地向出口方向運(yùn)動，此時(shí)最前沿的粉塵已經(jīng)到達(dá)50 m處。

（3）2.0～14 s，更多的粒徑較大（>75 μm）的粉塵在重力作用下落于坑道10 m 處的地面上，而小粒徑（<1 μm）的粉塵被熱氣流裹挾著向坑道頂部運(yùn)動，之后大顆粒與中等顆粒由于持續(xù)受到阻力作用，逐步沉降在0～30 m 區(qū)域的地面上，而粒徑較小的粉塵則保持在較高的位置。

（4）14～50 s，在波動氣流及上升氣流的作用下，粉塵最遠(yuǎn)已經(jīng)飄出了坑道。大中粒徑的粉塵主要沉降于0～100 m 區(qū)域的地面上。空氣中的顆粒整體濃度繼續(xù)降低。

3 結(jié)論

（1）爆破產(chǎn)生的污染氣體隨著熱空氣一起流動，其運(yùn)動趨勢基本一致，在從爆破口噴出后，隨浮力上升并波動式地向外流動。氣體濃度受到產(chǎn)物比例與氣體擴(kuò)散系數(shù)的影響。氣體污染物產(chǎn)物最高濃度排序?yàn)镃O2>CO>SO2>NH3。爆破后的氣體污染物主要集中在坑道頂部，并以約4 m/s 的速度向坑道出口流動，在中間某個(gè)位置會出現(xiàn)富集，位于巷道頂部。

（2）大粒徑的粉塵很難被氣流或渦流帶至遠(yuǎn)處，因此針對細(xì)微粉塵進(jìn)行集中除塵是最為高效的手段。而細(xì)微粉塵在2～6 s 內(nèi)大部分都位于坑道0～40 m 處的上部區(qū)域，此時(shí)細(xì)微粉塵濃度最高，可以在較小區(qū)域內(nèi)捕集到最多的粉塵，但是大粒徑粉塵絕大部分均可以自然沉降。