多金屬礦巷道掘進(jìn)炮煙擴(kuò)散規(guī)律研究

王夢妮，黃 剛，崔雅婷，任高峰

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實驗室，湖北 武漢 430070)

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對礦產(chǎn)資源需求的不斷增長，礦產(chǎn)資源的開采量日漸攀升。在井下采礦作業(yè)期間，有大量炸藥爆炸而產(chǎn)生的炮煙，炮煙不但降低生產(chǎn)效率，更危害作業(yè)人員的身體健康[1]。高海拔環(huán)境下低氧的氣候條件，炸藥化學(xué)反應(yīng)不充分，產(chǎn)生了較平原地區(qū)更多的有毒有害氣體[2]，低氧低壓條件下作業(yè)人員的呼吸頻率加快，爆破后大量有害氣體被作業(yè)人員吸入體內(nèi)，嚴(yán)重威脅井下作業(yè)人員的生命安全。

針對炮煙引起的安全生產(chǎn)事故，許多學(xué)者開展了不同角度的研究。金龍哲等[3]針對地下礦山爆破作業(yè)產(chǎn)生的有毒有害氣體來源進(jìn)行理論分析，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施以減少井下爆破作業(yè)有毒有害氣體的產(chǎn)生；胡志偉等[4]針對某一礦山研究了爆破后產(chǎn)生的炮煙的運(yùn)動規(guī)律，并針對通風(fēng)過程中風(fēng)流的分布規(guī)律做出分析，由此解決了礦井在通風(fēng)過程中可能面臨的問題；紀(jì)洪廣[5]運(yùn)用現(xiàn)場實驗的方法對炮煙的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了研究，并采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測功能對炮煙的排盡時間進(jìn)行了研究；劉敦華[6]針對隧道爆破施工時產(chǎn)生的炮煙，對其在自然通風(fēng)下的擴(kuò)散模型以及分布特點(diǎn)進(jìn)行了研究。

根據(jù)目前已有的研究成果，針對西藏甲瑪銅礦4 470 m中段獨(dú)頭巷道，借助Fluent軟件開展高海拔金屬礦山井下爆破炮煙擴(kuò)散規(guī)律數(shù)值模擬，研究該海拔下礦山掘進(jìn)巷道炮煙運(yùn)移規(guī)律及變化特點(diǎn)，掌握不同風(fēng)量下巷道空氣狀況達(dá)到安全區(qū)標(biāo)準(zhǔn)所需要的通風(fēng)時間二者之間關(guān)系，對于改善井下作業(yè)環(huán)境和減少對工人的健康威脅具有十分重要的意義。

1 工程背景

甲瑪銅礦設(shè)計總生產(chǎn)規(guī)模為12 600 kt/a，礦區(qū)主要生產(chǎn)的產(chǎn)品是銅精礦，其中，矽卡巖型礦體和角巖型礦體的開采規(guī)模分別為6 600 kt/a和6 000 kt/a。礦區(qū)海拔高度為4 350～5 407 m，礦區(qū)地勢以高海拔、坡度大等為主要特點(diǎn)，該海拔年平均大氣壓力為58.01 kPa，巷道中平均氧氣含量為20.95%，氧分壓為12.15 kPa，平均氣溫5.1 ℃。

根據(jù)工程進(jìn)展情況，4 470 m中段目前正在進(jìn)行巷道的掘進(jìn)，其中獨(dú)頭巷道的存有量比較多。由于4 470 m中段處于巷道的掘進(jìn)階段，因而有許多掘進(jìn)工作面的存在，導(dǎo)致巷道內(nèi)的風(fēng)流不能構(gòu)成回路，經(jīng)常會造成井下通風(fēng)不良的狀況，對井下作業(yè)產(chǎn)生的有害氣體的及時排出也造成很大的困難。

2 模型的建立及參數(shù)設(shè)置

依托西藏甲瑪銅礦建立幾何模型，其掘進(jìn)面形狀為三心拱形狀(模型簡化為半圓拱)，長度50 m，寬4.2 m，壁高2.5 m，拱高1.2 m，總高3.7 m。該獨(dú)頭巷道的通風(fēng)采用壓入式通風(fēng)方式，風(fēng)筒安置在巷道頂部的一側(cè)，風(fēng)筒直徑為0.5 m，出風(fēng)口與爆破掌子面距離為10 m，其中心軸線距地面2.3 m。

2.1 模型構(gòu)建

爆破炮煙的主要組成成分有CO、NOx、CO2以及H2S等[7]，其中，CO的占比最高，因此主要針對CO進(jìn)行模擬研究。本文分別對不同的風(fēng)量、風(fēng)筒直徑、風(fēng)筒口與掌子面距離等多個工況下的CO運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。幾何模型圖如圖1所示，模型參數(shù)為：巷道長度為50 m，出風(fēng)口與掌子面間距10 m，風(fēng)筒直徑為0.5 m。 利用ANSYS Workbench軟件完成掘進(jìn)巷道、通風(fēng)系統(tǒng)、爆破面等的網(wǎng)格劃分。

圖1 X=50 m，L=10 m，R=0.5 m的巷道三維幾何模型圖Fig.1 3D geometric model diagram of roadway X=50 m,L=10 m and R=0.5 m

2.2 操作條件及計算模型設(shè)定

本文所述有害氣體的擴(kuò)散過程未涉及化學(xué)反應(yīng)，因此組分輸運(yùn)與化學(xué)反應(yīng)模型僅啟動組分輸運(yùn)模型。材料設(shè)置為Fluid，主要組分為CO和Air。流場的初始介質(zhì)設(shè)為空氣，涌出的有害氣體設(shè)為CO氣體；在高海拔高寒地區(qū)，初始壓強(qiáng)設(shè)置為57 956 Pa，初始溫度設(shè)為平均溫度5.1 ℃[8-9]。

2.3 邊界條件設(shè)定

模型邊界條件設(shè)定如下所述[10-11]。

1) 進(jìn)口邊界：風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口的邊界類型設(shè)定為速度入口，風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)速的設(shè)定受風(fēng)量大小及風(fēng)筒直徑的影響。

2) 出口邊界：巷道出口邊界條件的設(shè)置類型為out flow。

3) 固體壁面：包括巷道的底面、側(cè)壁以及巷道的頂板，巷道的壁面邊界設(shè)為無滑動，且不存在壁面滲透[12]。

4) 其他條件：相應(yīng)海拔高度下的空氣密度為0.714 kg/m3，爆破前CO的初始濃度設(shè)為0.24 mol/m3。

3 數(shù)值計算分析

3.1 風(fēng)量大小對CO運(yùn)移的影響

依據(jù)礦區(qū)實際工況：巷道進(jìn)尺長度為50 m，巷道斷面面積為12.2 m2，單次爆破使用炸藥量為36 kg，通風(fēng)時間1 800 s，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)狀況下排除炮煙的需風(fēng)量Q=1.56 m3/s，引入風(fēng)量增大系數(shù)K=1.3。帶入相關(guān)參數(shù)，計算得到高海拔金屬礦山排除爆破炮煙的需風(fēng)量QH=2.03 m3/s。 因此在本次模擬中，巷道長為50 m，風(fēng)量分別為1.56 m3/s和2.03 m3/s。

當(dāng)風(fēng)量為1.56 m3/s時，通風(fēng)50 s后CO在巷道空間的分布云圖如圖2所示。隨著通風(fēng)作業(yè)的持續(xù)CO開始往巷道出口擴(kuò)散并逐漸向巷道頂部運(yùn)移。選取切面Z=1.6 m(人體呼吸高度)為分析對象進(jìn)行研究。圖3和圖4分別為風(fēng)量1.56 m3/s和2.03 m3/s時不同時刻的CO濃度分布云圖。

圖2 CO空間分布云圖Fig.2 Cloud map of CO spatial distribution

圖3 Q=1.56 m3/s，Z=1.60 m時不同時刻CO濃度分布云圖Fig.3 Cloud map of CO concentration distribution at different moments when Q=1.56 m3/s,Z=1.60 m

圖4 Q=2.03 m3/s，Z=1.60 m時不同時刻CO濃度分布云圖Fig.4 Cloud map of CO concentration distribution at different moments when Q=2.03 m3/s,Z=1.60 m

在井下的爆破工序中，炸藥的起爆量決定了CO的初始濃度，對于爆破后產(chǎn)生的CO氣體，其初始濃度按式(1)計算。

(1)

式中：q為單位質(zhì)量的炸藥爆炸后產(chǎn)生CO的體積，L/kg；ρCO為CO的密度，g/L；MCO為CO的摩爾質(zhì)量，g/mol；V為炮煙拋擲區(qū)域的體積，m3。

在爆破后炮煙拋擲的體積空間可根據(jù)式(2)計算得到。

(2)

式中：S為研究巷道斷面的面積，m2；L為產(chǎn)生炮煙時炮煙的拋擲長度，m；m為炸藥的起爆量，kg。

本次模擬炸藥起爆量為36 kg，將相關(guān)參數(shù)代入式(1)和式(2)計算可得，本次爆破CO的初始濃度為0.24 mol/m3，即爆破后產(chǎn)生的CO體積分?jǐn)?shù)在空氣中所占體積分?jǐn)?shù)為0.5%，此時井下作業(yè)CO體積分?jǐn)?shù)職業(yè)接觸限值為0.001 2%。

選取巷道出口處一點(diǎn)(49，2.1，1.6)為監(jiān)測點(diǎn)。模擬不同風(fēng)量下CO濃度隨通風(fēng)時間的變化，變化曲線如圖5所示。

圖5 Q=1.56 m3/s，Q=2.03 m3/s時CO體積分?jǐn)?shù)衰減曲線Fig.5 Attenuation curve of volume fraction of CO with air volume Q=1.56 m3/s,Q=2.03 m3/s

圖5中兩條曲線分別表示風(fēng)量Q=1.56 m3/s和2.03 m3/s時，監(jiān)測點(diǎn)處有害氣體CO濃度衰減曲線。從圖3～圖5可以看出，當(dāng)風(fēng)量為1.56 m3/s時，在規(guī)定時間1 800 s內(nèi)，巷道內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)為0.006%左右，未達(dá)到井下作業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)風(fēng)量為2.03 m3/s時，CO的排除速度相對較大，通風(fēng)時間1 580 s時,巷道內(nèi)的CO濃度值已滿足井下作業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)。因此，在計算高海拔金屬礦山排除炮煙的需風(fēng)量時，需要根據(jù)實際情況引入風(fēng)量擴(kuò)大系數(shù)K，合理的風(fēng)量大小應(yīng)選擇為2.03 m3/s。

3.2 風(fēng)筒直徑對CO運(yùn)移的影響

根據(jù)現(xiàn)有礦山風(fēng)筒的常見規(guī)格，本次模擬選擇風(fēng)筒直徑分別為0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m等6個工況，對相同風(fēng)量Q=2.03 m3/s，不同風(fēng)筒直徑下的CO擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行模擬分析。對不同工況下巷道炮煙排盡所需時間進(jìn)行模擬并擬合曲線，擬合結(jié)果如圖6所示。

圖6 通風(fēng)時間與風(fēng)筒直徑關(guān)系曲線圖Fig.6 Relation curve of ventilation time and duct diameter

從圖6可以看出，隨著風(fēng)筒直徑的增大，CO的排除速度加快，井下通風(fēng)效果越來越好。通風(fēng)時間y與風(fēng)筒直徑x之間的關(guān)系式可表示為式(3)。

(0 m

(3)

當(dāng)風(fēng)筒直徑為0.3 m時，巷道通風(fēng)4 860 s后CO體積分?jǐn)?shù)才達(dá)到職業(yè)接觸限值范圍內(nèi)；而在風(fēng)筒直徑為0.5 m的通風(fēng)條件下，井下爆破產(chǎn)生的CO氣體濃度在規(guī)定時間內(nèi)即可達(dá)到井下作業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 風(fēng)筒口與掌子面距離對CO運(yùn)移的影響

風(fēng)筒口與掌子面之間的間隔值分別取為10.0 m、12.5 m、15.0 m、17.5 m、20.0 m，模擬分析5種不同工況下CO的擴(kuò)散規(guī)律。圖7為T=660 s時，風(fēng)筒口與爆破掌子面間的距離不同情況下CO的濃度分布云圖。

圖7 不同風(fēng)筒距離，同一時刻CO的濃度分布云圖Fig.7 CO concentration distribution cloud map at the same time with different air duct distances

將距離x與時間t進(jìn)行曲線擬合，歸納通風(fēng)時間與距離之間的線性關(guān)系，擬合結(jié)果如圖8所示。

圖8 通風(fēng)時間與風(fēng)筒距離的線性關(guān)系圖Fig.8 Linear relationship between ventilation time and duct distance

獨(dú)頭巷道爆破后炮煙排盡所需的通風(fēng)時間y與風(fēng)筒距離x之間的關(guān)系式可表示為式(4)。

y=23.6x+1 352 (10 m≤x≤20 m)

(4)

由式(4)可知，風(fēng)筒出風(fēng)口與掌子面的距離與井下爆破后CO的排除速度呈負(fù)相關(guān)性。但風(fēng)筒出風(fēng)口不能過于接近掌子面，防止井下進(jìn)行爆破作業(yè)時風(fēng)筒會受到損害。風(fēng)筒出風(fēng)口與掌子面的距離要與其他影響因素相結(jié)合對井下通風(fēng)效果進(jìn)行優(yōu)化。

4 危險性區(qū)域劃分

為保證作業(yè)人員生命健康，使作業(yè)人員的工作效率得到提高，同時對井下救援提供一定的幫助。在探討了不同工況下CO運(yùn)移規(guī)律后，選擇合適的危害性評價方法，對爆破后炮煙的擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行危險區(qū)域的劃分，進(jìn)行巷道炮煙風(fēng)險演化的分析，從CO在巷道中的彌漫區(qū)域方面對通風(fēng)期間的CO運(yùn)移規(guī)律展開研究。

4.1 爆破炮煙危險性區(qū)域評價指標(biāo)

評價炮煙毒性的方法主要有單一氣體的毒性評價方法和綜合(多種)氣體毒性評價方法[13]。由于炮煙的主要成分為CO，所以采用單一氣體危害性的評價方法對爆破炮煙危害性進(jìn)行評價。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)，確定CO的濃度指標(biāo)，將炮煙的擴(kuò)散區(qū)域劃分為安全區(qū)、亞安全區(qū)、中度危險區(qū)以及危險區(qū)4個區(qū)域，劃分結(jié)果見表1。表1中危險區(qū)內(nèi)的空氣質(zhì)量已經(jīng)發(fā)展到重度污染甚至嚴(yán)重污染的危害程度，嚴(yán)重影響工作人員身體健康。

表1 炮煙危險區(qū)域劃分指標(biāo)Table 1 Classification index of smoke hazard area

4.2 高海拔金屬礦山掘進(jìn)巷道炮煙毒害風(fēng)險演化分析

巷道不同等級區(qū)域彌漫的范圍隨通風(fēng)時間的變化曲線如圖所9示。從圖9可以看出，在巷道通風(fēng)初期，巷道中的危險區(qū)域范圍最大，隨著巷道不斷進(jìn)行通風(fēng)，巷道中的危險區(qū)域范圍開始逐漸減小，降低為中度危險區(qū)，接著進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)閬啺踩珔^(qū)，最后表現(xiàn)為亞安全區(qū)向安全區(qū)之間的轉(zhuǎn)化。 在通風(fēng)1 000 s后開始出現(xiàn)安全區(qū)，巷道內(nèi)安全區(qū)域?qū)挾确秶S著通風(fēng)時間的增加不斷擴(kuò)大，增速為0.02～0.13 m/s。巷道安全區(qū)域的演變從CO的彌漫區(qū)域方面揭示了通風(fēng)期間的CO運(yùn)移規(guī)律。

圖9 巷道各危險區(qū)域隨通風(fēng)時間變化規(guī)律Fig.9 Variation rule of each hazardous area in roadway with ventilation time

基于區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)，以甲瑪銅金屬礦作為依托工程，風(fēng)筒出風(fēng)量為變量，擬合出通風(fēng)時間與風(fēng)量大小的關(guān)系曲線圖，分析巷道到達(dá)安全區(qū)標(biāo)準(zhǔn)時所需要的通風(fēng)時間與風(fēng)量之間的關(guān)系，如圖10所示。

由圖10可知，通風(fēng)時間隨風(fēng)量的增大呈負(fù)指數(shù)減小，且通風(fēng)時間y與風(fēng)量x存在的關(guān)系可用式(5)表示。

圖10 通風(fēng)時間與風(fēng)量關(guān)系曲線圖Fig.10 Relation curve of ventilation time and air volume

(5)

根據(jù)式(5)可以計算出當(dāng)風(fēng)量Q=2.03 m3/s時，巷道達(dá)到安全區(qū)所需通風(fēng)時間為1 542 s；相同條件下數(shù)值模擬的結(jié)果為1 580 s，模擬結(jié)果與計算結(jié)果比較接近，有一定的可靠性。

5 結(jié) 論

1) 針對西藏甲瑪銅礦4 470 m中段獨(dú)頭巷道，風(fēng)量大小為2.03 m3/s、風(fēng)筒直徑為0.5 m的通風(fēng)條件下，井下爆破產(chǎn)生的CO氣體濃度在規(guī)定時間內(nèi)即可達(dá)到井下作業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)。

2) 風(fēng)筒出風(fēng)口與爆破掌子面的距離越近，對井下爆破后CO的排除效果越好，同時可以將風(fēng)筒出風(fēng)口與掌子面的距離與其他影響因素相結(jié)合來對井下通風(fēng)效果進(jìn)行優(yōu)化。

3) 以《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)為依據(jù)，將炮煙的擴(kuò)散區(qū)域劃分為安全區(qū)、亞安全區(qū)、中度危險區(qū)以及危險區(qū)4個區(qū)域。得出通風(fēng)時間和風(fēng)量兩者之間的關(guān)系式，得到巷道達(dá)到安全區(qū)所需通風(fēng)時間為1 542 s，對礦山井下炮煙的通風(fēng)工作具有很好的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。