爆破位置對深凹露天礦山炮煙擴散影響的數(shù)值模擬研究

丁 翠，唱 斗，李 坤

(1.中國勞動關系學院安全工程學院，北京 100048；2.礦冶科技集團有限公司，北京 102628)

穿爆作業(yè)是露天礦山開采的重要工序，特別是深孔爆破技術由于其可有效提高采礦效率和施工安全系數(shù)，廣泛應用于露天礦開采[1]。露天爆破產生的炮煙中含有CO、氮氧化物(NO、NO2)、H2S等有毒有害氣體[2]，由于深凹露天礦山的采掘工作面主要在封閉圈以下，而深凹露天礦山的特殊結構又導致大氣風流對露天采坑內的通風產生較為復雜的影響，爆破炮煙擴散速度較慢，對作業(yè)人員生命安全與健康構成嚴重威脅。杜翠鳳等[3]采用數(shù)值模擬方法對深凹露天礦山采坑內風流場的影響因素進行了研究，獲得了大氣風速和邊坡角對復環(huán)流結構的影響規(guī)律。張瑞明等[4]研究了在不同自然風速條件下，人工通風對深凹露天礦復環(huán)流空氣交換率的影響，研究表明人工通風可有效改善深凹露天礦礦坑內風流場。湯萬鈞等[5]對露天礦內粉塵聚集的影響因素和聚集機理進行了研究，發(fā)現(xiàn)逆溫現(xiàn)象以及逆溫強度是評價粉塵聚集污染程度的主要因素。梁敏陽[6]采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬方法研究了不同風速和溫濕度對露天礦坑內粉塵濃度的影響，獲得了冬季采場內粉塵的擴散分布規(guī)律。綜上，目前的研究主要集中于對深凹露天礦礦坑內風流場的分布規(guī)律以及粉塵的污染擴散等方面，對于炮煙擴散規(guī)律的研究較少。同時現(xiàn)有露天礦山爆破后進行生產組織主要還是依據(jù)經驗，對于炮煙在露天采坑內的分布情況了解較少，導致發(fā)生炮煙中毒窒息事故的風險較高，因此，研究深凹露天礦爆破后炮煙的運移擴散特點，特別是爆破位置對于炮煙擴散的影響，對于進一步制定合理的爆破作業(yè)管理制度和通風措施，以及保障作業(yè)人員生命安全具有重要意義。

1 礦山概況及模型構建

1.1 礦山概況

本文研究對象為國內某深凹露天礦山，該礦山位于寒溫帶大陸性季風氣候區(qū)，夏短冬長，凍結期持續(xù)近八個月，最高氣溫為37.0 ℃，最低氣溫為-43.7 ℃；年平均氣溫為1.1～1.8 ℃，年降水量為531～586 mm，雨季為每年6月到8月，年蒸發(fā)量為869～990 mm；礦區(qū)處于高寒地區(qū)，季節(jié)性凍土的深度為1.5～2.5 m；凍結期為每年9月中旬至次年5月下旬；全年平均風速為3.0 m/s，最高風速為15.0 m/s。

1.2 模型構建

1.2.1 深凹露天礦山物理模型

根據(jù)實際深凹露天礦山的安全設施設計，構建深凹露天礦山幾何模型并簡化，如圖1所示。該深凹露天礦山封閉圈直徑為210 m，封閉圈以下采坑深度為90 m，坑底寬度50 m，臺階高度15 m，臺階寬度10 m，臺階坡面角約71°，在封閉圈以上設置長方形空氣層作為大氣風流進出口，空氣層長×高為290 m×80 m。

圖1 深凹露天礦山幾何模型Fig.1 The model of deep open-pit mine

1.2.2 模擬工況及參數(shù)確定

深凹露天礦山爆破位置的不同，導致炮煙的擴散路徑、擴散時間以及聚集位置也有所不同，因此本文研究中假設爆破點分別位于迎風側和背風側距采坑底部15 m、45 m及75 m等3個爆破面上共6個位置(圖1)。根據(jù)該深凹露天礦山的實際情況，全年平均風速3.0 m/s，大氣自然風速采用全年平均風速，為3.0 m/s，爆破參數(shù)為：一次爆破一排，每排布10個孔，孔間距為1.8 m，單孔炸藥量120 kg。本文研究炮煙成分簡化為CO，由此模擬研究不同爆破點下CO擴散規(guī)律。

1) 參數(shù)計算。本文重點研究露天爆破產生的炮煙在采坑內的擴散規(guī)律，因此首先需要確定炮煙拋擲長度和炮煙初始濃度。炮煙拋擲長度可由式(1)和式(2)計算得到[7-8]。

R=k×w1/3

(1)

(2)

式中：R為炮煙拋擲長度，m；k為系數(shù)，露天礦取30 m；W為最小抵抗線，m；D為鉆孔直徑，取110 mm；Δ為裝藥密度，kg/m3，一般取900；H為臺階高度，m；L為鉆孔深度，m，L=H+h(h為鉆孔超深，取2 m)；τ為裝藥長度系數(shù)，當H<10 m時，取0.6 m；當H=10～15 m時，取0.5 m；當H>15 m時，取0.4 m；e為炸藥換算系數(shù)，2號巖石硝銨炸藥取1；q為炸藥單位消耗量，kg/m3，取1 kg/m3；m為炮孔密度系數(shù)，一般取0.8～1.2。

爆破后炮煙初始濃度可由式(3)計算得到[9]。

(3)

式中：Φ為炮煙初始濃度，%；M為爆破消耗的炸藥量，kg；θ為1 kg炸藥爆破時炮煙折算成CO體積，m3，2號巖石硝銨炸藥取35.35×10-3m3/kg；A為爆破區(qū)域面積，m2；R為炮煙拋擲長度，m。

2) 邊界條件及假設。由圖1可知，大氣風流入口采用速度入口，假設空氣和炮煙為不可壓縮氣體并考慮重力的作用，忽略露天采坑內運輸車輛等相關機械設備以及相關工作人員的影響，采用標準k-ε模型和非穩(wěn)態(tài)輸運方程模擬爆破之后炮煙的動態(tài)運移過程。

2 炮煙擴散運移規(guī)律分析

2.1 露天礦坑內風流場特征

露天采坑內風流場是影響炮煙擴散運移的主要因素，因此首先對采坑內風流場特征進行分析。圖2給出了爆破后通風15 min時不同爆破位置下采坑內風流場的速度矢量圖。

圖2 爆破后15 min不同爆破位置下礦坑內速度矢量圖Fig.2 Velocity vector diagram in open pit under different blasting locations 15 min after blasting

由圖2可知，在不同爆破位置下，礦坑內風流分布均出現(xiàn)了復環(huán)流結構，與文獻[3]所描述的深凹露天礦復環(huán)流結構基本一致。位于背風側的爆破點1、爆破點2和爆破點3工況下的露天采坑內風流結構較為類似，均出現(xiàn)了上下兩個復環(huán)流，其中大復環(huán)流速度矢量均為順時針旋轉，爆破點1的大復環(huán)流中心位置大約距離礦坑中心對稱軸右側25 m，反向最大回流速度達到1.18 m/s，；爆破點2的大復環(huán)流中心位置距離礦坑中心對稱軸右側15 m，反向最大回流速度達到1.10 m/s；爆破點3的大復環(huán)流中心位置距離礦坑中心對稱軸18 m，反向最大回流速度達到1.30 m/s。由此可知，隨著背風側爆破點與采坑底部距離的縮短，大復環(huán)流中心位置與采坑中心對稱軸的距離呈現(xiàn)先減少后增大的規(guī)律，同時小復環(huán)流影響的范圍也呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，小復環(huán)流影響范圍與大復環(huán)流反向最大回流速度呈現(xiàn)正相關關系。進一步分析可知，爆破點1和爆破點3由于小復環(huán)流影響范圍較大，且大復環(huán)流距離爆破點位置較遠，這兩個爆破點位置對于爆破炮煙擴散不利。

位于迎風側的爆破點4、爆破點5和爆破點6工況下的露天采坑內風流結構類似，均形成一個復環(huán)流，其復環(huán)流結構基本相同，復環(huán)流中心位置大約距離礦坑底部60 m，距離礦坑中心對稱軸右側25.5 m。礦坑內復環(huán)流厚度90 m，基本覆蓋整個礦坑，坑底5 m高度范圍內風速大約為0.80 m/s，反向最大回流速度達到1.15 m/s。同時對比分析迎風側和背風側的爆破點工況下的模擬結果可知，背風側的3個工況下均出現(xiàn)了雙復環(huán)流，迎風側的3個工況下均出現(xiàn)一個復環(huán)流，因此爆破點位于背風側時，露天采坑內的風流結構更加復雜，風流特征更加紊亂，相比于迎風側，其風流擴散尤其是采坑底部的風流擴散條件較差，不利于爆破炮煙的稀釋擴散。

根據(jù)文獻[3]可知，復環(huán)流結構主要受到邊坡角、風速、露天礦深度等因素影響，在不同爆破位置下模擬的露天礦坑幾何尺寸以及風速完全一致，但是其復環(huán)流結構有些許差異，因此露天采坑內的復環(huán)流結構還受到爆破的影響，爆破點位置是影響露天采坑內風流結構特征的重要因素。

2.2 爆破位置對炮煙擴散影響分析

2.2.1 炮煙分布及擴散規(guī)律

為了進一步研究露天礦山爆破后，露天采坑內炮煙隨時間的運移擴散規(guī)律，以爆破點5為例，分析了爆破后不同時刻露天采坑內的炮煙分布規(guī)律。圖3給出了爆破點5工況下露天采坑內炮煙濃度分布隨時間的變化云圖。

圖3 爆破點5工況下不同時間礦坑內炮煙濃度分布圖Fig.3 The distribution of blasting fume concentration in pit at different time under blasting location 5

由圖3可知，隨著爆破后時間推移，露天采坑內的炮煙濃度逐步降低，炮煙由爆破區(qū)域逐漸向露天采坑底部運移，并逐步聚集在露天采坑背風側，且炮煙濃度逐漸趨于均勻，在2 170 s時最高濃度已低于安全濃度24 ppm[10]，高濃度炮煙主要聚集在背風側上部臺階。結合圖2(e)可知，由于露天采坑內在爆破點5上方形成了復環(huán)流，且復環(huán)流中心位置與爆破點5的距離較近，因此爆破產生的炮煙受復環(huán)流影響，炮煙逐步運移至臺階背風側，炮煙濃度逐漸趨于均勻且高濃度炮煙聚集在背風側上部臺階。為了進一步定量分析爆破后炮煙濃度隨著時間的變化規(guī)律，研究了爆破點5工況下，露天采坑內炮煙最高濃度隨時間的變化，如圖4所示。

由圖4可知，爆破點5工況下露天采坑內的炮煙最高濃度隨著時間增加逐漸下降，并呈現(xiàn)出三個階段的下降趨勢。第一個階段由爆破伊始至250 s，露天采坑內的炮煙最高濃度由20 326 ppm急劇下降至564 ppm；第二個階段由250 s至610 s，炮煙最高濃度由564 ppm快速下降至86 ppm；第三個階段由610 s至2 170 s，炮煙最高濃度呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，由86 ppm逐漸降至20.4 ppm，降至24 ppm所需時間為2 010 s。

圖4 爆破點5工況下礦坑內炮煙最高濃度隨時間變化情況Fig.4 The variation of the maximum blasting fume concentration in pit with the time under blasting location 5

圖5為不同爆破點礦坑內炮煙最高濃度隨時間變化情況。由圖5可知，對于不同爆破點工況，露天采坑內的炮煙最高濃度均隨著時間變化而逐漸下降，但下降的速率逐步減小，呈現(xiàn)三個階段的下降趨勢。出現(xiàn)這樣現(xiàn)象的主要原因為：由于大氣風流的影響，不同爆破點位置下露天采坑內均出現(xiàn)了復環(huán)流，爆破后初始階段，炮煙受復環(huán)流的影響較大而迅速擴散，因此炮煙最高濃度呈現(xiàn)快速下降趨勢，而隨著炮煙逐步運移至采坑底部和背風側，復環(huán)流主要位于采坑的中部或迎風側，因此炮煙受復環(huán)流的影響逐步減小，炮煙最高濃度下降的速度亦逐步減小。

圖5 不同爆破點礦坑內炮煙最高濃度隨時間變化情況Fig.5 The variation of the maximum blasting fumeconcentration in pit with the time underdifferent blasting locations

2.2.2 不同爆破點炮煙擴散對比分析

根據(jù)露天礦山企業(yè)實際情況，爆破后通常需要通風15 min方可進行鏟裝運輸作業(yè)，因此為了更好地指導爆破后工作人員的安全作業(yè)，分析了爆破后15 min時不同爆破位置下炮煙最高濃度的變化規(guī)律，如圖6所示。由圖6可知，背風側的三個爆破點位置下露天采坑內的炮煙最高濃度遠高于迎風側三個爆破點位置下的炮煙最高濃度。對于背風側，隨著爆破位置與采坑底部距離的縮短，炮煙最高濃度呈現(xiàn)先降低后增加的規(guī)律；對于迎風側，隨著爆破位置與采坑底部距離的縮短，炮煙最高濃度呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，與2.1部分分析基本一致。 爆破后15 min，爆破點4的炮煙最高濃度低于24 ppm安全濃度，其他爆破點均高于安全濃度。

圖6 爆破后15 min不同爆破位置下炮煙最高濃度Fig.6 The maximum blasting fume concentration underdifferent blasting locations 15 min after blasting

為了進一步研究爆破點位置對炮煙擴散的影響，圖7給出了在不同爆破點工況下露天采坑內炮煙濃度降至24 ppm安全濃度所需時間。由圖7可知，爆破點位置顯著影響炮煙濃度降低至安全濃度的時間。爆破點在背風側時，炮煙濃度降至24 ppm安全濃度所需時間遠大于爆破點位于迎風側時，其中，爆破點4所需時間最少，僅為314 s，而爆破點1所需時間最長，為4 360 s。爆破位置處于背風側時，隨著爆破位置與采坑底部距離的縮短，爆破炮煙擴散至24 ppm安全濃度所需時間呈現(xiàn)先減少后增加的規(guī)律，主要是由于復環(huán)流結構的不同所導致，相比于爆破點2，爆破點1和爆破點3在采坑底部形成的小復環(huán)流影響范圍更大，因此礦坑底部炮煙不易排出。爆破位置處于迎風側時，爆破炮煙擴散至24 ppm所需時間隨著爆破位置與采坑底部距離的縮短而增加，主要是由于爆破炮煙所在位置不同導致，爆破位置與采坑底部距離越短，炮煙擴散受到復環(huán)流影響越小，降至安全濃度所需時間越長。

圖7 不同爆破點工況下露天采坑內炮煙濃度降至24 ppm所需時間Fig.7 The required time of the blasting fumeconcentration descending to 24 ppm underdifferent blasting locations

3 結 論

基于實際深凹露天礦山，采用非穩(wěn)態(tài)數(shù)值分析方法研究了不同爆破位置對露天采坑內爆破炮煙擴散及分布的影響規(guī)律，主要結論如下所述。

1) 爆破點位置是影響露天采坑內風流結構特征的重要因素。不同爆破點位置，露天采坑內均出現(xiàn)復環(huán)流：爆破點位于背風側時，露天采坑內形成雙復環(huán)流，大復環(huán)流中心位置與采坑中心對稱軸的距離呈現(xiàn)先縮短后增大的規(guī)律，小復環(huán)流影響范圍與大復環(huán)流反向最大回流速度呈現(xiàn)正相關關系；爆破點位于迎風側時，露天采坑內均形成單復環(huán)流，風流結構相比于背風側時更加簡單，更有利于爆破炮煙的擴散稀釋。

2) 隨著爆破后時間推移，露天采坑內的炮煙濃度逐步降低，炮煙由爆破區(qū)域逐漸向露天采坑底部運移，并逐步聚集在露天采坑背風側，建議爆破后避免人員聚集此處；對于不同爆破點工況，露天采坑內的炮煙最高濃度均隨著時間變化而逐漸下降，但下降的速率逐步減小，呈現(xiàn)三個階段的下降趨勢；對于爆破點4，爆破后15 min人員可開展相關生產作業(yè)，而對于其他爆破點，則需要進一步延長通風時間。

3) 背風側的三個爆破點位置下露天采坑內的炮煙最高濃度和降至安全濃度所需時間遠高于迎風側三個爆破點位置。對于背風側，隨著爆破位置與采坑底部距離的縮短，炮煙最高濃度及降至安全濃度所需時間先減少后增加；對于迎風側，炮煙最高濃度及降至安全濃度所需時間隨著爆破位置與采坑底部距離的縮短而增加。