多金属矿巷道掘进炮烟扩散规律研究

王梦妮，黄 刚，崔雅婷，任高峰

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070；2.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070)

随着我国社会经济的发展，对矿产资源需求的不断增长，矿产资源的开采量日渐攀升。在井下采矿作业期间，有大量炸药爆炸而产生的炮烟，炮烟不但降低生产效率，更危害作业人员的身体健康[1]。高海拔环境下低氧的气候条件，炸药化学反应不充分，产生了较平原地区更多的有毒有害气体[2]，低氧低压条件下作业人员的呼吸频率加快，爆破后大量有害气体被作业人员吸入体内，严重威胁井下作业人员的生命安全。

针对炮烟引起的安全生产事故，许多学者开展了不同角度的研究。金龙哲等[3]针对地下矿山爆破作业产生的有毒有害气体来源进行理论分析，并提出相应的预防措施以减少井下爆破作业有毒有害气体的产生；胡志伟等[4]针对某一矿山研究了爆破后产生的炮烟的运动规律，并针对通风过程中风流的分布规律做出分析，由此解决了矿井在通风过程中可能面临的问题；纪洪广[5]运用现场实验的方法对炮烟的运移规律进行了研究，并采用BP神经网络的预测功能对炮烟的排尽时间进行了研究；刘敦华[6]针对隧道爆破施工时产生的炮烟，对其在自然通风下的扩散模型以及分布特点进行了研究。

根据目前已有的研究成果，针对西藏甲玛铜矿4 470 m中段独头巷道，借助Fluent软件开展高海拔金属矿山井下爆破炮烟扩散规律数值模拟，研究该海拔下矿山掘进巷道炮烟运移规律及变化特点，掌握不同风量下巷道空气状况达到安全区标准所需要的通风时间二者之间关系，对于改善井下作业环境和减少对工人的健康威胁具有十分重要的意义。

1 工程背景

甲玛铜矿设计总生产规模为12 600 kt/a，矿区主要生产的产品是铜精矿，其中，矽卡岩型矿体和角岩型矿体的开采规模分别为6 600 kt/a和6 000 kt/a。矿区海拔高度为4 350～5 407 m，矿区地势以高海拔、坡度大等为主要特点，该海拔年平均大气压力为58.01 kPa，巷道中平均氧气含量为20.95%，氧分压为12.15 kPa，平均气温5.1 ℃。

根据工程进展情况，4 470 m中段目前正在进行巷道的掘进，其中独头巷道的存有量比较多。由于4 470 m中段处于巷道的掘进阶段，因而有许多掘进工作面的存在，导致巷道内的风流不能构成回路，经常会造成井下通风不良的状况，对井下作业产生的有害气体的及时排出也造成很大的困难。

2 模型的建立及参数设置

依托西藏甲玛铜矿建立几何模型，其掘进面形状为三心拱形状(模型简化为半圆拱)，长度50 m，宽4.2 m，壁高2.5 m，拱高1.2 m，总高3.7 m。该独头巷道的通风采用压入式通风方式，风筒安置在巷道顶部的一侧，风筒直径为0.5 m，出风口与爆破掌子面距离为10 m，其中心轴线距地面2.3 m。

2.1 模型构建

爆破炮烟的主要组成成分有CO、NOx、CO2以及H2S等[7]，其中，CO的占比最高，因此主要针对CO进行模拟研究。本文分别对不同的风量、风筒直径、风筒口与掌子面距离等多个工况下的CO运移规律进行数值模拟。几何模型图如图1所示，模型参数为：巷道长度为50 m，出风口与掌子面间距10 m，风筒直径为0.5 m。 利用ANSYS Workbench软件完成掘进巷道、通风系统、爆破面等的网格划分。

图1 X=50 m，L=10 m，R=0.5 m的巷道三维几何模型图Fig.1 3D geometric model diagram of roadway X=50 m,L=10 m and R=0.5 m

2.2 操作条件及计算模型设定

本文所述有害气体的扩散过程未涉及化学反应，因此组分输运与化学反应模型仅启动组分输运模型。材料设置为Fluid，主要组分为CO和Air。流场的初始介质设为空气，涌出的有害气体设为CO气体；在高海拔高寒地区，初始压强设置为57 956 Pa，初始温度设为平均温度5.1 ℃[8-9]。

2.3 边界条件设定

模型边界条件设定如下所述[10-11]。

1) 进口边界：风筒进风口的边界类型设定为速度入口，风筒出风口风速的设定受风量大小及风筒直径的影响。

2) 出口边界：巷道出口边界条件的设置类型为out flow。

3) 固体壁面：包括巷道的底面、侧壁以及巷道的顶板，巷道的壁面边界设为无滑动，且不存在壁面渗透[12]。

4) 其他条件：相应海拔高度下的空气密度为0.714 kg/m3，爆破前CO的初始浓度设为0.24 mol/m3。

3 数值计算分析

3.1 风量大小对CO运移的影响

依据矿区实际工况：巷道进尺长度为50 m，巷道断面面积为12.2 m2，单次爆破使用炸药量为36 kg，通风时间1 800 s，根据标准状况下排除炮烟的需风量Q=1.56 m3/s，引入风量增大系数K=1.3。带入相关参数，计算得到高海拔金属矿山排除爆破炮烟的需风量QH=2.03 m3/s。 因此在本次模拟中，巷道长为50 m，风量分别为1.56 m3/s和2.03 m3/s。

当风量为1.56 m3/s时，通风50 s后CO在巷道空间的分布云图如图2所示。随着通风作业的持续CO开始往巷道出口扩散并逐渐向巷道顶部运移。选取切面Z=1.6 m(人体呼吸高度)为分析对象进行研究。图3和图4分别为风量1.56 m3/s和2.03 m3/s时不同时刻的CO浓度分布云图。

图2 CO空间分布云图Fig.2 Cloud map of CO spatial distribution

图3 Q=1.56 m3/s，Z=1.60 m时不同时刻CO浓度分布云图Fig.3 Cloud map of CO concentration distribution at different moments when Q=1.56 m3/s,Z=1.60 m

图4 Q=2.03 m3/s，Z=1.60 m时不同时刻CO浓度分布云图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，炸药的起爆量决定了CO的初始浓度，对于爆破后产生的CO气体，其初始浓度按式(1)计算。

(1)

式中：q为单位质量的炸药爆炸后产生CO的体积，L/kg；ρCO为CO的密度，g/L；MCO为CO的摩尔质量，g/mol；V为炮烟抛掷区域的体积，m3。

在爆破后炮烟抛掷的体积空间可根据式(2)计算得到。

(2)

式中：S为研究巷道断面的面积，m2；L为产生炮烟时炮烟的抛掷长度，m；m为炸药的起爆量，kg。

本次模拟炸药起爆量为36 kg，将相关参数代入式(1)和式(2)计算可得，本次爆破CO的初始浓度为0.24 mol/m3，即爆破后产生的CO体积分数在空气中所占体积分数为0.5%，此时井下作业CO体积分数职业接触限值为0.001 2%。

选取巷道出口处一点(49，2.1，1.6)为监测点。模拟不同风量下CO浓度随通风时间的变化，变化曲线如图5所示。

图5 Q=1.56 m3/s，Q=2.03 m3/s时CO体积分数衰减曲线Fig.5 Attenuation curve of volume fraction of CO with air volume Q=1.56 m3/s,Q=2.03 m3/s

图5中两条曲线分别表示风量Q=1.56 m3/s和2.03 m3/s时，监测点处有害气体CO浓度衰减曲线。从图3～图5可以看出，当风量为1.56 m3/s时，在规定时间1 800 s内，巷道内CO体积分数为0.006%左右，未达到井下作业安全标准；当风量为2.03 m3/s时，CO的排除速度相对较大，通风时间1 580 s时,巷道内的CO浓度值已满足井下作业安全标准。因此，在计算高海拔金属矿山排除炮烟的需风量时，需要根据实际情况引入风量扩大系数K，合理的风量大小应选择为2.03 m3/s。

3.2 风筒直径对CO运移的影响

根据现有矿山风筒的常见规格，本次模拟选择风筒直径分别为0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m等6个工况，对相同风量Q=2.03 m3/s，不同风筒直径下的CO扩散规律进行模拟分析。对不同工况下巷道炮烟排尽所需时间进行模拟并拟合曲线，拟合结果如图6所示。

图6 通风时间与风筒直径关系曲线图Fig.6 Relation curve of ventilation time and duct diameter

从图6可以看出，随着风筒直径的增大，CO的排除速度加快，井下通风效果越来越好。通风时间y与风筒直径x之间的关系式可表示为式(3)。

(0 m

(3)

当风筒直径为0.3 m时，巷道通风4 860 s后CO体积分数才达到职业接触限值范围内；而在风筒直径为0.5 m的通风条件下，井下爆破产生的CO气体浓度在规定时间内即可达到井下作业安全标准。

3.3 风筒口与掌子面距离对CO运移的影响

风筒口与掌子面之间的间隔值分别取为10.0 m、12.5 m、15.0 m、17.5 m、20.0 m，模拟分析5种不同工况下CO的扩散规律。图7为T=660 s时，风筒口与爆破掌子面间的距离不同情况下CO的浓度分布云图。

图7 不同风筒距离，同一时刻CO的浓度分布云图Fig.7 CO concentration distribution cloud map at the same time with different air duct distances

将距离x与时间t进行曲线拟合，归纳通风时间与距离之间的线性关系，拟合结果如图8所示。

图8 通风时间与风筒距离的线性关系图Fig.8 Linear relationship between ventilation time and duct distance

独头巷道爆破后炮烟排尽所需的通风时间y与风筒距离x之间的关系式可表示为式(4)。

y=23.6x+1 352 (10 m≤x≤20 m)

(4)

由式(4)可知，风筒出风口与掌子面的距离与井下爆破后CO的排除速度呈负相关性。但风筒出风口不能过于接近掌子面，防止井下进行爆破作业时风筒会受到损害。风筒出风口与掌子面的距离要与其他影响因素相结合对井下通风效果进行优化。

4 危险性区域划分

为保证作业人员生命健康，使作业人员的工作效率得到提高，同时对井下救援提供一定的帮助。在探讨了不同工况下CO运移规律后，选择合适的危害性评价方法，对爆破后炮烟的扩散区进行危险区域的划分，进行巷道炮烟风险演化的分析，从CO在巷道中的弥漫区域方面对通风期间的CO运移规律展开研究。

4.1 爆破炮烟危险性区域评价指标

评价炮烟毒性的方法主要有单一气体的毒性评价方法和综合(多种)气体毒性评价方法[13]。由于炮烟的主要成分为CO，所以采用单一气体危害性的评价方法对爆破炮烟危害性进行评价。根据《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)，确定CO的浓度指标，将炮烟的扩散区域划分为安全区、亚安全区、中度危险区以及危险区4个区域，划分结果见表1。表1中危险区内的空气质量已经发展到重度污染甚至严重污染的危害程度，严重影响工作人员身体健康。

表1 炮烟危险区域划分指标Table 1 Classification index of smoke hazard area

4.2 高海拔金属矿山掘进巷道炮烟毒害风险演化分析

巷道不同等级区域弥漫的范围随通风时间的变化曲线如图所9示。从图9可以看出，在巷道通风初期，巷道中的危险区域范围最大，随着巷道不断进行通风，巷道中的危险区域范围开始逐渐减小，降低为中度危险区，接着进一步转变为亚安全区，最后表现为亚安全区向安全区之间的转化。 在通风1 000 s后开始出现安全区，巷道内安全区域宽度范围随着通风时间的增加不断扩大，增速为0.02～0.13 m/s。巷道安全区域的演变从CO的弥漫区域方面揭示了通风期间的CO运移规律。

图9 巷道各危险区域随通风时间变化规律Fig.9 Variation rule of each hazardous area in roadway with ventilation time

基于区域划分标准，以甲玛铜金属矿作为依托工程，风筒出风量为变量，拟合出通风时间与风量大小的关系曲线图，分析巷道到达安全区标准时所需要的通风时间与风量之间的关系，如图10所示。

由图10可知，通风时间随风量的增大呈负指数减小，且通风时间y与风量x存在的关系可用式(5)表示。

图10 通风时间与风量关系曲线图Fig.10 Relation curve of ventilation time and air volume

(5)

根据式(5)可以计算出当风量Q=2.03 m3/s时，巷道达到安全区所需通风时间为1 542 s；相同条件下数值模拟的结果为1 580 s，模拟结果与计算结果比较接近，有一定的可靠性。

5 结 论

1) 针对西藏甲玛铜矿4 470 m中段独头巷道，风量大小为2.03 m3/s、风筒直径为0.5 m的通风条件下，井下爆破产生的CO气体浓度在规定时间内即可达到井下作业安全标准。

2) 风筒出风口与爆破掌子面的距离越近，对井下爆破后CO的排除效果越好，同时可以将风筒出风口与掌子面的距离与其他影响因素相结合来对井下通风效果进行优化。

3) 以《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)为依据，将炮烟的扩散区域划分为安全区、亚安全区、中度危险区以及危险区4个区域。得出通风时间和风量两者之间的关系式，得到巷道达到安全区所需通风时间为1 542 s，对矿山井下炮烟的通风工作具有很好的现实指导意义。