巷道爆破有毒有害氣體及粉塵擴散規律探究

李曉健 賈敏濤 任甲澤 王 爽 許 峰 魯智勇

（1.中鋼集團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實驗室）

爆破是開巖鑿道的主要技術手段，在金屬非金屬礦山廣泛應用的同時，其爆破煙塵威脅作業人員健康，影響生產正常進行。研究巷道內爆破煙塵的傳播特征，對爆破煙塵控制研究起基礎性作用。礦井巷道開拓過程中，掘進面爆破往往產生大量的粉塵及有毒有害氣體，不僅影響巷道掘進效率，同時對井下工作人員職業健康造成嚴重威脅，還容易造成安全生產事故。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安全具有重要意義。

目前掘進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］通過數值模擬研究壓入式通風條件下，粉塵在掘進巷道的縱向及橫向運移規律。何磊等［2］研究了獨頭巷道掌子面爆破后炮煙的擴散規律，對不同位置工作面爆破后巷道的安全區域進行了分析與評價。方鵬［3］使用CFD 軟件研究風筒直徑、風量大小及風筒口與工作面的距離對炮煙擴散規律的影響。金波［4］對掘進巷道內爆破煙塵在混合式通風過程中的擴散及濃度分布進行數值模擬。胡慧慧［5］基于射流理論和計算流體動力學理論，以重慶合川煤礦掘進巷道通風系統為背景，采用數值模擬、室內物理實驗和工程實測相結合的方法，研究了掘進工作面通風風場及粉塵運移規律。孟凡英等［6］使用CFD 流體仿真軟件對掘進巷道的溫度場進行了模擬。穆朝民等［7］研究了二維爆炸流場中空氣沖擊波在復雜巷道內傳播的機制。

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

1 模型構建

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，為了提高計算效率，采用對稱性邊界條件，僅對縱剖面一側進行模擬。掘進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，掘進長度為200 m。網格劃分采用四面體網格，最密處位于爆破面，隨著向坑道出口延伸而逐漸變疏。網格劃分如圖1所示。

1.2 數學模型

假定通風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）項與能量守恒方程中黏性耗散項的修正，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力的傳遞。對氣體組分的模擬則是基于壓力基瞬態求解器進行計算。

1.2.1 氣體相參數

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

1.2.2 顆粒相參數

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。爆破瞬間化學反應機理復雜且瞬時，考慮將爆破過程簡化為多組分氣體的質量源項，初始邊界條件采用UDF函數自定義。顆粒相初始邊界條件采用壁面注入，顆粒追蹤方式為非穩定追蹤。

（2）出口邊界條件采用壓力出口，其余部分默認為無滑動壁面條件，采用標準壁面函數法，顆粒與壁面接觸條件設置為反彈，出口回流溫度設置為300 K。

2 模擬結果分析

2.1 溫度場分析

為了研究爆破產生的高溫氣體在巷道中的降溫規律，用于指導井下爆破時人員撤離到安全位置，故對爆破后的高溫氣體沿著整個巷道進行模擬研究，如圖2所示。

分析結果如下：

（1）0～0.3 s，爆破產生的射流使得爆破面前方20 m 區域內的空氣快速升溫，瞬間最高溫度約為1 200 ℃，而爆破核心區的溫度達到了1 500 ℃以上。由于氣體繼續向前運動，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 ℃，溫度峰值從中心區域逐步靠近側壁區域。之后在浮力作用下，高溫氣體開始出現向上運動的趨勢，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，此時剖面20 m 處的氣體溫度峰值仍然有600 ℃，高溫氣體繼續向出口方向運動，此時溫度峰值約為500 ℃，而剖面50 m 處的平均溫度已經高于剖面20 m處的平均溫度。

（4）14～50 s，高溫氣體繼續向出口方向運動，此時溫度峰值已經超越剖面180 m處，約為300 ℃。

2.2 速度場分析

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

分析結果如下。

（1）0～0.3 s，硝酸銨爆破產生的氣體射流峰值速度快速達到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0.3 s氣體壓力鋒面到達坑道出口時，氣體的峰值速度已經降至200 m/s以下，為亞音速狀態。

（2）0.3～2.0 s，速度峰值的位置隨著壓力鋒面快速向內爆破面方向移動，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往復運動，此時速度峰值已經降至30 m/s 以下。氣體的時均速度仍然相對穩定，帶著熱空氣以穩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動，而坑道底部的冷氣流也仍在波動式地向內運動，壓力波的影響已經基本消失，空氣的波動式運動變形為平緩的上出下進式的對流運動。

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時間的變化規律，以此為依據制定礦山爆破通風時間及人員工作時間等相關規定，故對炮煙中有毒有害氣體濃度變化規律進行模擬研究，如圖5所示。

分析結果如下。

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

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

（3）2.0～14 s，一氧化碳體積分數最大值為0.03，位于坑道0～50 m 上方區域，最遠到達70 m 處。二氧化硫體積分數最大值為0.025，位于坑道0～50 m 上方區域。氨氣體積分數最大值為0.015，位于坑道0～60 m上方區域。

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

2.4 顆粒濃度分析

為了研究爆破產生的粉塵在巷道中的擴散規律，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行模擬研究，如圖6所示。

分析結果如下。

（1）0～0.3 s，粒徑較小的粉塵因對氣流的跟隨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，此時最前沿的粉塵已經到達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動，此時最前沿的粉塵已經到達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動，之后大顆粒與中等顆粒由于持續受到阻力作用，逐步沉降在0～30 m 區域的地面上，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，粉塵最遠已經飄出了坑道。大中粒徑的粉塵主要沉降于0～100 m 區域的地面上。空氣中的顆粒整體濃度繼續降低。

3 結論

（1）爆破產生的污染氣體隨著熱空氣一起流動，其運動趨勢基本一致，在從爆破口噴出后，隨浮力上升并波動式地向外流動。氣體濃度受到產物比例與氣體擴散系數的影響。氣體污染物產物最高濃度排序為CO2>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，在中間某個位置會出現富集，位于巷道頂部。

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