掘進巷道爆破后排煙時間計算

曹 楊，紀洪廣，周啟明

(1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083； 2.山東黃金歸來莊礦業有限公司,山東 臨沂273307)

掘進巷道爆破后排煙時間計算

曹 楊1，紀洪廣1，周啟明2

(1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083； 2.山東黃金歸來莊礦業有限公司,山東 臨沂273307)

為研究掘進面爆破后排煙時間，推導掘進面炮煙運移規律公式，對排煙時間影響因素進行灰色關聯度計算，得出主要影響因素的敏感性大小排序為：巷道出口到掘進面迎頭的距離(0.827)>風筒口到掘進面迎頭的距離(0.738)>風筒供風量(0.628)>炮煙中CO初始體積分數(0.547).在歸來莊金礦掘進巷道中進行炮煙監測試驗，研究了壓入式通風條件下，風筒口到掘進面迎頭的距離LO分別為10、15、20、25、30 m時，巷道出口到掘進面迎頭的距離LP分別為40、60、80、100、120 m的排煙時間.研究結果表明：排煙時間隨巷道出口到掘進面迎頭的距離增加而變長，兩者擬合成線性關系；排煙時間隨風筒口到掘進面迎頭的距離增加而變長，成非線性增加；排煙系數c與LO擬合成線性關系，并推導出不同工況下排煙時間的計算式；在試驗及相似巷道的5個工況下進行驗證，相對誤差為6.1%，3.8%，5.4%、8.8%，9.3%，具有較好的準確性和可靠性.

掘進巷道；炮煙；排煙時間；影響因素；排煙時間系數

礦山掘進巷道常采用鉆爆法進行鑿掘[1].爆破產生的炮煙污染整個巷道，對作業人員的安全與健康構成威脅，并影響掘進循環作業效率[2].掘進巷道排煙時間是指爆破后在機械通風方式作用下掘進巷道出口處有毒有害氣體降低到規定質量濃度限值的時間.在實際生產中，由于對排煙時間把握不準確，常常會影響掘進循環作業正常進度，嚴重時還會導致炮煙中毒事故的發生[3-4].

目前對掘進巷道排煙時間的研究，文獻[5-7]從氣體擴散理論的角度建模，推導掘進巷道排炮煙的理論通風時間的表達式，其不足之處是缺乏實際數據的驗證且計算式過于復雜；文獻[8-10]運用相關數值軟件對掘進巷道建模，研究炮煙運移規律及不同工況下的排煙時間，其不足之處是數值模擬的模型過于簡化、參數設定與實際情況相符情況未知；Torano等[11]研究壓入式通風下煤礦通風排瓦斯，對研究炮煙排出有一定的借鑒作用但不能完全等同；Wang等[12]對掘進面通風時間進行優化研究，并擬合通風時間與巷道長度的表達式，但只考慮巷道長度對通風時間的影響；Torno等[13]研究不同爆破條件后掘進面氣體運移情況及通風時間，但側重于不同爆破條件對通風時間的影響研究；Gillies等[14]推導出通風時間與風量的表達式，卻忽略考慮其他影響因素.

掘進巷道實際排煙時間的影響因素很多，但在巷道開挖動態掘進中巷道出口到掘進面迎頭的距離、風筒口到掘進面迎頭的距離對掘進巷道實際排煙時間影響很大[15]，而相關的研究卻很少.因此，通過在歸來莊金礦掘進巷道中進行現場炮煙監測試驗，研究壓入式通風條件下排煙時間與風筒口到掘進面迎頭的距離及巷道出口到掘進面迎頭的距離之間的數學關系，并推導爆破后不同工況條件下排煙時間表達式，可為測算掘進巷道排煙時間提供的參考價值，對提高掘進循環作業效率及保護作業人員安全與健康有重要的現實意義.

1 掘進面炮煙運移模型

通過建立炮煙運移數學模型，研究掘進巷道中炮煙排出過程及運移規律.設巷道的斷面面積為S，風筒的供風量為Q，風筒出口到掘進面迎頭的距離為LO，1-1截面到掘進巷道迎頭的距離為LP，選取0-0面到1-1面為研究CO運移模型的控制體，控制體中CO的初始質量濃度為C0， 1-1截面瞬時時刻CO的質量濃度為C，控制體的體積V=LP·S.大巷中CO的值為Cout，如圖1所示.

圖1 掘進面通風示意

假設掘進巷道中空氣不可壓縮、溫度對炮煙運移無影響、風筒不存在漏風等.單位時間內，控制體中發散出的CO的質量和控制體外巷道中增加的CO的質量相等.由質量守恒定律可得

解得

(1)

式中：V為控制體的體積，m3；k為CO擴散系數；dC/dt為CO質量濃度隨時間變化值，mg/(m3·s)；Q為風筒的通風量，m3/s；C為1-1面瞬時時刻CO的質量濃度，mg/m3；Cout為風筒供風中CO的質量濃度，mg/m3；C0為控制體中CO的初始質量濃度，mg/m3.CO的擴散系數k取1，大巷進風流中的CO的質量濃度可近似為0，即Cout=0，故式(1)可以簡化為

(2)

礦山安全相關規程規定，短時間內巷道中CO的質量濃度限值為30 mg/m3[16]，忽略溫度變化影響，折算成體積分數為24×10-6(下文中用CO體積分數代替C0質量濃度).將C=24×10-6代入式(2)，變形可得

(3)

式中，CV為CO初始體積分數.由式(3)可見，排煙時間的影響因素是初始體積分數、控制體體積、風筒供風量.實際作業中以掘進巷道出口處的有毒有害氣體的體積分數安全值來判斷掘進巷道安全，巷道出口到掘進面迎頭的距離是排煙時間的影響因素；風筒口到掘進面迎頭的距離大于風筒風流的有效射程時，掘進面會出現循環渦流區，排煙效果惡化[17]，因此，巷道出口到掘進面迎頭的距離、風筒口到掘進面迎頭的距離也是排煙時間的影響因素.

2 排煙時間影響因素灰色關聯分析

對排煙時間的影響因素進行權重分析，為掘進面排煙工作提供參考.查閱歸來莊金礦安環部相關的實際通風數據資料，排煙時間影響因素的數據具有“小樣本、貧信息”的特點，利用灰色關聯度模型[18]對排煙時間影響因素進行計算與評價.排煙時間的影響因素見表1.

表1 排煙時間主要影響因素

灰色關聯系數矩陣計算結果為

灰色關聯度計算結果為：

排煙時間影響因素的灰色關聯度計算結果可得：4個影響因子對排煙時間的敏感程度排序為X4>X3>X2>X1.巷道出口到掘進面迎頭的距離(X4)對排煙時間的敏感度最大，風筒口到掘進面迎頭的距離(X3)對排煙時間的敏感度其次，CO初始體積分數(X1)對排煙時間的敏感度最小.

3 炮煙監測試驗

3.1 工程概況

歸來莊金礦是露天轉入地下開采的礦山，采用進路式采礦方法，與巷道掘進工法相似.礦井通風方式主要是自然通風與兩翼對角抽出式.該金礦不同水平的中段有若干條穿脈巷道，巷道掘進采用鉆爆法，炸藥為2號巖石乳化炸藥，每次起爆量約為36 kg.巷道斷面形狀均為半圓拱，寬約為3.2 m，高約為3.0 m，巷道長度約為120 m.掘進面采用壓入式通風方式，風筒直徑為40 cm，供風量約為2.0～2.5 m3/s，風筒懸掛在巷道左側，中心點距離地面高度約1 m.

3.2 炮煙監測系統及試驗設計

炮煙監測系統由軟、硬件系統構成.軟件系統包括監控軟件平臺、SQL數據庫等.硬件系統包括筆記本電腦(監控主機)、層間管理主機、閱讀器、路由器及氣體無線傳感器等.炮煙中CO具有含量大、化學穩定性好、易測量等特點[19]，將CO作為監測對象能夠很好地反映出炮煙運移情況.考慮到安全及現場實際情況，選擇CO監測點位置到掘進面的距離LP不小于40 m布置CO傳感器，風筒距離掘進面的距離為LO，掘進巷道炮煙監測如圖2所示.

圖2 掘進巷道炮煙監測示意

試驗前，先確定好CO傳感器以及其他監測設備的安放位置，然后固定安裝好設備并調試運行正常.炮煙監測試驗過程中，CO無線傳感器每20 s采集一次巷道中的CO的體積分數值，存儲在SQL數據庫中.監控軟件平臺自動實現炮煙監測，并對數據采集與管理.為保證巷道中CO能充分排出，并達到規定的安全體積分數值，炮煙監測試驗時間大約持續2～3 h.炮煙監測試驗分5組進行：保持LP不變，每次試驗改變風筒口到掘進面的距離LO為10、15、20、25、30 m，目的是在LP不變的情況下監測不同LO對排煙時間變化.保持LO不變，分別在巷道出口距離掘進面迎頭距離為40、60、80、100、120 m布置CO傳感器監測CO體積分數值，目的是在LO不變的情況下監測不同LP對排煙時間的變化.需要說明的是，炮煙監測試驗中監測點處CO傳感器監測CO體積分數變化情況可以看作巷道出口處的CO體積分數變化，監測點到掘進面迎頭的距離視作巷道出口到掘進面迎頭的距離.

4 排煙時間計算

當風筒口到掘進面迎頭的距離LO=10 m時，CO傳感器布置點到掘進面迎頭的距離LP=40 m處CO體積分數降低到安全值的時間為t=36 min.當LP=40 m時，LO分別等于15、20、25、30 m的 CO體積分數變化曲線，如圖3所示.

圖3LP=40 m處不同LO對應的CO體積分數變化曲線

Fig.3 Curves of CO volumetric concentrations inLP=40 m with differentLO

炮煙監測試驗分別在LP為40、60、80、100、120 m布置CO傳感器監測CO體積分數衰減到規定限值的時間，試驗結果見表2.

表2 不同LO、LP時掘進巷道的排煙時間

由圖4可見，當LO=10、15、20、25、30 m時，巷道掘進長度增加量ΔL=20 m，排煙時間增加量Δt分別為10.0、12.3、15.5、21.0、25.0 min.當LO=10 m時，排煙時間t與LP擬合關系式為

t=0.505LP+16， 40 m≤LP≤120 m.

(4)

可見，當風筒口到掘進面迎頭的距離相同時，巷道出口到掘進面迎頭的距離越長，排煙時間越長；風筒口到掘進面迎頭的距離變大，排煙時間增加量變大；排煙時間與巷道出口到掘進面迎頭的距離成線性關系.

圖4 不同LO時掘進巷道排煙時間

由圖5可見，巷道出口到掘進面迎頭的距離相同時，排煙時間隨著風筒口到掘進面迎頭的距離的增加而變長，且隨風筒口到掘進面迎頭的距離越長，排煙時間增加量也增大.當風筒口到掘進面迎頭的距離小于風筒有效射程時，排煙效果最好；當風筒口到掘進面迎頭的距離大于風筒的有效射程時，排煙效果變差，排煙時間變長.排煙時間系數是指當巷道出口到掘進面迎頭的距離固定時，風筒口到掘進面迎頭的距離大于風筒有效射程的排煙時間與風筒口到掘進面迎頭的距離小于或等于風筒有效射程的排煙時間之比.在炮煙監測試驗中，將LO>10 m的排煙時間與LO=10 m的排煙時間的比值為c，c定義為排煙時間系數.LO分別等于10、15、20、25、30 m時，LP分別等于40、60、80、100、120 m時的排煙時間系數，見表3.

圖5 不同LP時掘進巷道的排煙時間

LO/m排煙時間系數cLP=40mLP=60mLP=80mLP=100mLP=120m平均值101.001.001.001.001.001.00151.251.231.251.241.221.24201.561.531.551.561.521.54252.031.982.041.982.012.01302.562.492.552.542.512.53

由表3可知，風筒口到掘進面迎頭的距離增大，排煙時間系數相應增大.而巷道出口到掘進面迎頭的距離增加，排煙時間系數變化不大.排煙時間系數c表征了在風筒口到掘進面迎頭距離的大小對掘進面迎頭排煙難易程度.排煙時間系數c越大，說明掘進面迎頭的排煙效果越差，所需要的排煙時間越長.c與LO的擬合函數曲線，如圖6所示.

圖6 排煙系數c與風筒口到掘進面的距離LO擬合關系

Fig.6 Fitting relation between fume-drainage coefficientcand distance of duct to tunnel faceLO

排煙系數c與LO的擬合關系式為

c=0.076 6LO+0.133 4，10 m≤LO≤30 m.

(5)

式(5)可以用來估算LO=10～30 m范圍內的排煙時間系數.結合式(4)排煙時間與巷道出口到掘進面迎頭的關系式，可得排煙時間的計算式為

(6)

對式(6)進行驗證，選取試驗巷道中的3個不同工況點及相同型號的通風機、巷道情況相似的其他巷道的2個工況點進行驗證.

由表4可知，式(6)計算的掘進巷道排煙時間與實際排煙時間相對誤差均不超過10%.其中，對試驗巷道3個不同工況點的測算的結果分別為6.1%、3.8%和5.4%，可能原因有CO體積分數不均勻、風筒風量的波動及巷道中機器設備的變遷等原因；其他兩個情況相似的巷道中的驗證結果相對誤差分別為8.8%和9.3%，相比較試驗巷道中的相對誤差稍大，其原因可能為局部通風機工況點波動、巷道斷面及巷道粗糙度等略微的差異造成的.式(6)對估算爆破后排煙時間有較好的準確性和可靠性.為保證巷道中炮煙排除的更完全及安全性，可將排煙時間乘以一個安全系數s(1.1-1.2)加以放大.對排煙時間的測算，可為后續的出渣及掘進循環工作安排提供一定的參考，為工作人員安全與健康提供保障.當金屬礦山中段中有多條相同設計的穿脈巷道掘進作業時，而目前炮煙自動監測系統不完善條件下，相比作業人員盲目進入巷道中進行檢測CO，排煙時間的測算要更有效率性、目的性和安全性.

表4 排煙時間計算式的驗證

5 結 論

1)對掘進巷道中爆破后排煙問題進行了相關研究，推導了爆破后掘進面炮煙運移規律的數學表達式，理論上分析了爆破后排煙時間的主要影響因素為炮煙初始體積分數、風筒供風量、巷道出口到掘進面迎頭的距離及風筒口到掘進面迎頭的距離，并結合歸來莊金礦通風資料數據進行灰色關聯度計算，得出排煙時間影響因素的敏感性大小排序為：巷道出口到掘進面迎頭的距離(0.827)>風筒口到掘進面迎頭的距離(0.738)>風筒供風量(0.628)>CO初始體積分數(0.547).

2)在歸來莊金礦穿脈掘進巷道中進行炮煙監測正交試驗，研究風筒口到掘進面迎頭的距離分別為10、15、20、25、30 m時，巷道出口到掘進面迎頭的距離分別為40、60、80、100、120 m時的排煙時間變化，通過引入排煙時間系數推導出風筒口到掘進面的距離在10～30 m范圍內和巷道出口到掘進面迎頭距離在40～120 m時的排煙時間表達式，以測算該工況范圍內的排煙時間.

3)對試驗巷道及巷道情況相似的其他2個巷道共5個不同工況點進行排煙時間驗證，相對誤差分別為6.1%、3.8%、5.4%、8.8%、9.3%.排煙時間公式有較好的準確性和可靠性，可用來測算相似設計施工的巷道在此工況范圍內的排煙時間，為作業人員安全與健康提供保障，也為掘進循環工作安排提供參考.

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(編輯 張 紅)

Calculation of fume-drainage time of tunnel after blasting

CAO Yang1, JI Hongguang1, ZHOU Qiming2

(1.School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2.Guilaizhuang Mining Co., Ltd., Shandong Gold Group, Linyi 273307, Shandong, China)

To research fume-drainage time of tunnel after blasting, the formula of removal law of blasting fume in tunnel is deduced. Through calculating the grey correlation degree of influential factors of fume-drainage time, the ranking results of sensitive degree of main influential factors are: distance of entrance to tunnel face (0.827)>distance of duct to tunnel face(0.738)>air flow in duct(0.628)>initial volumetric concentration of CO in blasting fume(0.547). Blasting fume monitoring tests were conducted in tunnel to study the fume-drainage time when the distance of duct to tunnel faceLOare respectively 10，15，20，25，30 m and the distance of entrance to tunnel faceLPare respectively 40, 60, 80, 100, 120 m under the condition of forced ventilation. Research findings reveal that: fume-drainage time increases with the longer distance of entrance to tunnel face. The fitting result of the both is linear relation; fume-drainage time shows nonlinear rise with the addition of the distance of duct to tunnel face. The fitting result of fume-drainage coefficientcandLOis linear relation, and calculation formulas of fume-drainage time in different working condition are concluded. Verification of equation is carried out in 5 tested similar tunnels. And relative errors are respectively 6.1%, 3.8%, 5.4%, 8.8%, 9.3%, which have remarkable accuracy and reliability.

tunnel; blasting fume; fume-drainage time; influential factor; fume-drainage time coefficient

10.11918/j.issn.0367-6234.201605096

2016-05-23

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAK09B07)

曹 楊(1988—)，男，博士研究生; 紀洪廣(1963—)，男，教授，博士生導師

紀洪廣，jihongguang@ces.ustb.edu.cn

X9

A

0367-6234(2017)08-0135-06