多金屬礦巷道掘進炮煙擴散規律研究

王夢妮，黃 剛，崔雅婷，任高峰

(1.武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430070；2.礦物資源加工與環境湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070)

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

針對炮煙引起的安全生產事故，許多學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產生的有毒有害氣體來源進行理論分析，并提出相應的預防措施以減少井下爆破作業有毒有害氣體的產生；胡志偉等[4]針對某一礦山研究了爆破后產生的炮煙的運動規律，并針對通風過程中風流的分布規律做出分析，由此解決了礦井在通風過程中可能面臨的問題；紀洪廣[5]運用現場實驗的方法對炮煙的運移規律進行了研究，并采用BP神經網絡的預測功能對炮煙的排盡時間進行了研究；劉敦華[6]針對隧道爆破施工時產生的炮煙，對其在自然通風下的擴散模型以及分布特點進行了研究。

根據目前已有的研究成果，針對西藏甲瑪銅礦4 470 m中段獨頭巷道，借助Fluent軟件開展高海拔金屬礦山井下爆破炮煙擴散規律數值模擬，研究該海拔下礦山掘進巷道炮煙運移規律及變化特點，掌握不同風量下巷道空氣狀況達到安全區標準所需要的通風時間二者之間關系，對于改善井下作業環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

甲瑪銅礦設計總生產規模為12 600 kt/a，礦區主要生產的產品是銅精礦，其中，矽卡巖型礦體和角巖型礦體的開采規模分別為6 600 kt/a和6 000 kt/a。礦區海拔高度為4 350～5 407 m，礦區地勢以高海拔、坡度大等為主要特點，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 ℃。

根據工程進展情況，4 470 m中段目前正在進行巷道的掘進，其中獨頭巷道的存有量比較多。由于4 470 m中段處于巷道的掘進階段，因而有許多掘進工作面的存在，導致巷道內的風流不能構成回路，經常會造成井下通風不良的狀況，對井下作業產生的有害氣體的及時排出也造成很大的困難。

2 模型的建立及參數設置

依托西藏甲瑪銅礦建立幾何模型，其掘進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。該獨頭巷道的通風采用壓入式通風方式，風筒安置在巷道頂部的一側，風筒直徑為0.5 m，出風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進行模擬研究。本文分別對不同的風量、風筒直徑、風筒口與掌子面距離等多個工況下的CO運移規律進行數值模擬。幾何模型圖如圖1所示，模型參數為：巷道長度為50 m，出風口與掌子面間距10 m，風筒直徑為0.5 m。 利用ANSYS Workbench軟件完成掘進巷道、通風系統、爆破面等的網格劃分。

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定

本文所述有害氣體的擴散過程未涉及化學反應，因此組分輸運與化學反應模型僅啟動組分輸運模型。材料設置為Fluid，主要組分為CO和Air。流場的初始介質設為空氣，涌出的有害氣體設為CO氣體；在高海拔高寒地區，初始壓強設置為57 956 Pa，初始溫度設為平均溫度5.1 ℃[8-9]。

2.3 邊界條件設定

模型邊界條件設定如下所述[10-11]。

1) 進口邊界：風筒進風口的邊界類型設定為速度入口，風筒出風口風速的設定受風量大小及風筒直徑的影響。

2) 出口邊界：巷道出口邊界條件的設置類型為out flow。

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

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

3 數值計算分析

3.1 風量大小對CO運移的影響

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

當風量為1.56 m3/s時，通風50 s后CO在巷道空間的分布云圖如圖2所示。隨著通風作業的持續CO開始往巷道出口擴散并逐漸向巷道頂部運移。選取切面Z=1.6 m(人體呼吸高度)為分析對象進行研究。圖3和圖4分別為風量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，對于爆破后產生的CO氣體，其初始濃度按式(1)計算。

(1)

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

在爆破后炮煙拋擲的體積空間可根據式(2)計算得到。

(2)

式中：S為研究巷道斷面的面積，m2；L為產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，將相關參數代入式(1)和式(2)計算可得，本次爆破CO的初始濃度為0.24 mol/m3，即爆破后產生的CO體積分數在空氣中所占體積分數為0.5%，此時井下作業CO體積分數職業接觸限值為0.001 2%。

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

圖5 Q=1.56 m3/s，Q=2.03 m3/s時CO體積分數衰減曲線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量Q=1.56 m3/s和2.03 m3/s時，監測點處有害氣體CO濃度衰減曲線。從圖3～圖5可以看出，當風量為1.56 m3/s時，在規定時間1 800 s內，巷道內CO體積分數為0.006%左右，未達到井下作業安全標準；當風量為2.03 m3/s時，CO的排除速度相對較大，通風時間1 580 s時,巷道內的CO濃度值已滿足井下作業安全標準。因此，在計算高海拔金屬礦山排除炮煙的需風量時，需要根據實際情況引入風量擴大系數K，合理的風量大小應選擇為2.03 m3/s。

3.2 風筒直徑對CO運移的影響

根據現有礦山風筒的常見規格，本次模擬選擇風筒直徑分別為0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m等6個工況，對相同風量Q=2.03 m3/s，不同風筒直徑下的CO擴散規律進行模擬分析。對不同工況下巷道炮煙排盡所需時間進行模擬并擬合曲線，擬合結果如圖6所示。

圖6 通風時間與風筒直徑關系曲線圖Fig.6 Relation curve of ventilation time and duct diameter

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

(0 m

(3)

當風筒直徑為0.3 m時，巷道通風4 860 s后CO體積分數才達到職業接觸限值范圍內；而在風筒直徑為0.5 m的通風條件下，井下爆破產生的CO氣體濃度在規定時間內即可達到井下作業安全標準。

3.3 風筒口與掌子面距離對CO運移的影響

風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的擴散規律。圖7為T=660 s時，風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進行曲線擬合，歸納通風時間與距離之間的線性關系，擬合結果如圖8所示。

圖8 通風時間與風筒距離的線性關系圖Fig.8 Linear relationship between ventilation time and duct distance

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

y=23.6x+1 352 (10 m≤x≤20 m)

(4)

由式(4)可知，風筒出風口與掌子面的距離與井下爆破后CO的排除速度呈負相關性。但風筒出風口不能過于接近掌子面，防止井下進行爆破作業時風筒會受到損害。風筒出風口與掌子面的距離要與其他影響因素相結合對井下通風效果進行優化。

4 危險性區域劃分

為保證作業人員生命健康，使作業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運移規律后，選擇合適的危害性評價方法，對爆破后炮煙的擴散區進行危險區域的劃分，進行巷道炮煙風險演化的分析，從CO在巷道中的彌漫區域方面對通風期間的CO運移規律展開研究。

4.1 爆破炮煙危險性區域評價指標

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行評價。根據《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)，確定CO的濃度指標，將炮煙的擴散區域劃分為安全區、亞安全區、中度危險區以及危險區4個區域，劃分結果見表1。表1中危險區內的空氣質量已經發展到重度污染甚至嚴重污染的危害程度，嚴重影響工作人員身體健康。

表1 炮煙危險區域劃分指標Table 1 Classification index of smoke hazard area

4.2 高海拔金屬礦山掘進巷道炮煙毒害風險演化分析

巷道不同等級區域彌漫的范圍隨通風時間的變化曲線如圖所9示。從圖9可以看出，在巷道通風初期，巷道中的危險區域范圍最大，隨著巷道不斷進行通風，巷道中的危險區域范圍開始逐漸減小，降低為中度危險區，接著進一步轉變為亞安全區，最后表現為亞安全區向安全區之間的轉化。 在通風1 000 s后開始出現安全區，巷道內安全區域寬度范圍隨著通風時間的增加不斷擴大，增速為0.02～0.13 m/s。巷道安全區域的演變從CO的彌漫區域方面揭示了通風期間的CO運移規律。

圖9 巷道各危險區域隨通風時間變化規律Fig.9 Variation rule of each hazardous area in roadway with ventilation time

基于區域劃分標準，以甲瑪銅金屬礦作為依托工程，風筒出風量為變量，擬合出通風時間與風量大小的關系曲線圖，分析巷道到達安全區標準時所需要的通風時間與風量之間的關系，如圖10所示。

由圖10可知，通風時間隨風量的增大呈負指數減小，且通風時間y與風量x存在的關系可用式(5)表示。

圖10 通風時間與風量關系曲線圖Fig.10 Relation curve of ventilation time and air volume

(5)

根據式(5)可以計算出當風量Q=2.03 m3/s時，巷道達到安全區所需通風時間為1 542 s；相同條件下數值模擬的結果為1 580 s，模擬結果與計算結果比較接近，有一定的可靠性。

5 結 論

1) 針對西藏甲瑪銅礦4 470 m中段獨頭巷道，風量大小為2.03 m3/s、風筒直徑為0.5 m的通風條件下，井下爆破產生的CO氣體濃度在規定時間內即可達到井下作業安全標準。

2) 風筒出風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，同時可以將風筒出風口與掌子面的距離與其他影響因素相結合來對井下通風效果進行優化。

3) 以《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)為依據，將炮煙的擴散區域劃分為安全區、亞安全區、中度危險區以及危險區4個區域。得出通風時間和風量兩者之間的關系式，得到巷道達到安全區所需通風時間為1 542 s，對礦山井下炮煙的通風工作具有很好的現實指導意義。