巷道爆破有毒有害气体及粉尘扩散规律探究

李晓健 贾敏涛 任甲泽 王 爽 许 峰 鲁智勇

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室）

爆破是开岩凿道的主要技术手段，在金属非金属矿山广泛应用的同时，其爆破烟尘威胁作业人员健康，影响生产正常进行。研究巷道内爆破烟尘的传播特征，对爆破烟尘控制研究起基础性作用。矿井巷道开拓过程中，掘进面爆破往往产生大量的粉尘及有毒有害气体，不仅影响巷道掘进效率，同时对井下工作人员职业健康造成严重威胁，还容易造成安全生产事故。深入探究巷道爆破后粉尘及有毒有害气体的传播及浓度特征，对于提高井下人员的工作效率以及保证生产安全具有重要意义。

目前掘进面爆破粉尘及有毒有害气体的研究还停留于初步阶段。胡方坤等［1］通过数值模拟研究压入式通风条件下，粉尘在掘进巷道的纵向及横向运移规律。何磊等［2］研究了独头巷道掌子面爆破后炮烟的扩散规律，对不同位置工作面爆破后巷道的安全区域进行了分析与评价。方鹏［3］使用CFD 软件研究风筒直径、风量大小及风筒口与工作面的距离对炮烟扩散规律的影响。金波［4］对掘进巷道内爆破烟尘在混合式通风过程中的扩散及浓度分布进行数值模拟。胡慧慧［5］基于射流理论和计算流体动力学理论，以重庆合川煤矿掘进巷道通风系统为背景，采用数值模拟、室内物理实验和工程实测相结合的方法，研究了掘进工作面通风风场及粉尘运移规律。孟凡英等［6］使用CFD 流体仿真软件对掘进巷道的温度场进行了模拟。穆朝民等［7］研究了二维爆炸流场中空气冲击波在复杂巷道内传播的机制。

目前对爆破烟尘的通风过程模拟研究居多，对于爆破后巷道内冲击波及烟尘的扩散规律研究较少。本研究以某矿独头巷道为工程背景，着重研究炸药爆破后爆炸冲击波传播规律及有毒有害气体与粉尘扩散规律，以期为爆破烟尘控制提供依据。

1 模型构建

1.1 物理模型

几何模型包括坑道与爆破面两部分，由于几何模型以坑道纵剖面为对称面，为了提高计算效率，采用对称性边界条件，仅对纵剖面一侧进行模拟。掘进巷道断面为梯形断面，断面宽8 m，巷道两帮高4 m，腰高8 m，掘进长度为200 m。网格划分采用四面体网格，最密处位于爆破面，随着向坑道出口延伸而逐渐变疏。网格划分如图1所示。

1.2 数学模型

假定通风气流为不可压缩流体，忽略由黏性力做功所引起的耗散热，假定壁面绝热，流动模型采用SST 紊流模型。对动量守恒方程中的阻力（黏性）项与能量守恒方程中黏性耗散项的修正，还包括了在壁面附近修正的子模型，在湍流黏度的定义中还考虑了湍流剪切应力的传递。对气体组分的模拟则是基于压力基瞬态求解器进行计算。

1.2.1 气体相参数

对于多组分有毒有害气体则采用多组分输运方程，不同组分气体扩散系数如表1所示。多组分输运模型仅需要在总体控制方程的求解完成后，对组分输运方程的控制方程进行求解，仅需计算各组分的浓度分布，而无需区分各气体组分的速度及温度。

1.2.2 颗粒相参数

对于炮烟粉尘模拟，采用欧拉-拉格朗日耦合算法。仅考虑气体—颗粒的单向耦合，也就是仅考虑气体对颗粒的作用力，而不考虑曳力对气体动量方程的影响。粉尘粒径分布遵循rosin-rammler 对数分布，最小粒径为2×10-4mm，最大粒径为0.5 mm，平均粒径为0.1 mm。

1.3 边界条件

（1）气体入口边界条件采用速度入口。爆破瞬间化学反应机理复杂且瞬时，考虑将爆破过程简化为多组分气体的质量源项，初始边界条件采用UDF函数自定义。颗粒相初始边界条件采用壁面注入，颗粒追踪方式为非稳定追踪。

（2）出口边界条件采用压力出口，其余部分默认为无滑动壁面条件，采用标准壁面函数法，颗粒与壁面接触条件设置为反弹，出口回流温度设置为300 K。

2 模拟结果分析

2.1 温度场分析

为了研究爆破产生的高温气体在巷道中的降温规律，用于指导井下爆破时人员撤离到安全位置，故对爆破后的高温气体沿着整个巷道进行模拟研究，如图2所示。

分析结果如下：

（1）0～0.3 s，爆破产生的射流使得爆破面前方20 m 区域内的空气快速升温，瞬间最高温度约为1 200 ℃，而爆破核心区的温度达到了1 500 ℃以上。由于气体继续向前运动，最高温降至1 000 ℃。

（2）0.3～2.0 s，20 m 处的气体温度开始升高，在20 m 剖面处，温度峰值约为700 ℃，温度峰值从中心区域逐步靠近侧壁区域。之后在浮力作用下，高温气体开始出现向上运动的趋势，温度峰值约为600 ℃。

（3）2.0～14 s，高温气体基本都上升到了坑道顶部，此时剖面20 m 处的气体温度峰值仍然有600 ℃，高温气体继续向出口方向运动，此时温度峰值约为500 ℃，而剖面50 m 处的平均温度已经高于剖面20 m处的平均温度。

（4）14～50 s，高温气体继续向出口方向运动，此时温度峰值已经超越剖面180 m处，约为300 ℃。

2.2 速度场分析

爆破产生的高温气体在巷道中的轴向、径向分布规律如图3、图4 所示，径向上选取距离巷道进口20，50及180 m处进行了分析。

分析结果如下。

（1）0～0.3 s，硝酸铵爆破产生的气体射流峰值速度快速达到3倍音速，峰值速度分布与压力锋面位置接近。随后气体流速快速衰减，当0.3 s气体压力锋面到达坑道出口时，气体的峰值速度已经降至200 m/s以下，为亚音速状态。

（2）0.3～2.0 s，速度峰值的位置随着压力锋面快速向内爆破面方向移动，随后速度峰值的位置随着压力锋面快速向坑道出口方向移动，此时速度峰值约为80 m/s。而在剖面20 m 处，气流涡流变得明显，伴随着热空气向上，冷空气向下的运动，涡流最高速度约为10 m/s。

（3）2.0～14 s，速度峰值的位置随着压力锋面在坑道内往复运动，此时速度峰值已经降至30 m/s 以下。气体的时均速度仍然相对稳定，带着热空气以稳定的速度向出口震荡移动。

（4）14～50 s，坑道顶部的热气体仍然波动式地向外运动，而坑道底部的冷气流也仍在波动式地向内运动，压力波的影响已经基本消失，空气的波动式运动变形为平缓的上出下进式的对流运动。

2.3 有毒有害气体浓度分析

为了研究爆破炮烟中有毒有害气体浓度随通风时间的变化规律，以此为依据制定矿山爆破通风时间及人员工作时间等相关规定，故对炮烟中有毒有害气体浓度变化规律进行模拟研究，如图5所示。

分析结果如下。

（1）0～0.3 s，一氧化碳体积分数最大值为0.08，主要分布于爆破面前方中心区域。二氧化硫体积分数最大值为0.07，主要分布于爆破面前方中心区域。氨气体积分数最大值为0.03，主要分布于爆破面前坑道顶部及底部区域。

（2）0.3～2.0 s，一氧化碳体积分数最大值为0.05，主要分布于爆破面前方底部及剖面20 m 上方区域。二氧化硫体积分数最大值为0.04，主要分布于爆破面前方底部及剖面20 m 上方区域。氨气体积分数最大值为0.02，主要分布于爆破面前至剖面20 m 处区域，整体分布较为均匀。

（3）2.0～14 s，一氧化碳体积分数最大值为0.03，位于坑道0～50 m 上方区域，最远到达70 m 处。二氧化硫体积分数最大值为0.025，位于坑道0～50 m 上方区域。氨气体积分数最大值为0.015，位于坑道0～60 m上方区域。

（4）14～50 s，一氧化碳体积分数最大值为0.015，汇聚于坑道剖面180 m 上方区域，气体主要分布在坑道100～190 m 的上部区域。二氧化硫体积分数最大值为0.01，汇聚于坑道剖面180 m 上方区域。氨气体积分数最大值为0.007，汇聚于坑道剖面180 m 上方区域。

2.4 颗粒浓度分析

为了研究爆破产生的粉尘在巷道中的扩散规律，帮助矿山有针对性地采取除尘降尘措施，故对爆破后巷道中各种粒径粉尘分布特征进行模拟研究，如图6所示。

分析结果如下。

（1）0～0.3 s，粒径较小的粉尘因对气流的跟随性好而处于靠前的位置，粒径较大的粉尘位置相对靠后，虽然原本这些粉尘都是均匀分布于爆破孔的壁面上，此时最前沿的粉尘已经到达30 m处。

（2）0.3～2.0 s，粒径较大（>75 μm）的粉尘在重力作用下大多停留在距离爆破面10m 内的地面上。而中等粒径（1 μm<粒径<75 μm）和小粒径（<1 μm）的粉尘则被气流裹挟着波动式地向出口方向运动，此时最前沿的粉尘已经到达50 m处。

（3）2.0～14 s，更多的粒径较大（>75 μm）的粉尘在重力作用下落于坑道10 m 处的地面上，而小粒径（<1 μm）的粉尘被热气流裹挟着向坑道顶部运动，之后大颗粒与中等颗粒由于持续受到阻力作用，逐步沉降在0～30 m 区域的地面上，而粒径较小的粉尘则保持在较高的位置。

（4）14～50 s，在波动气流及上升气流的作用下，粉尘最远已经飘出了坑道。大中粒径的粉尘主要沉降于0～100 m 区域的地面上。空气中的颗粒整体浓度继续降低。

3 结论

（1）爆破产生的污染气体随着热空气一起流动，其运动趋势基本一致，在从爆破口喷出后，随浮力上升并波动式地向外流动。气体浓度受到产物比例与气体扩散系数的影响。气体污染物产物最高浓度排序为CO2>CO>SO2>NH3。爆破后的气体污染物主要集中在坑道顶部，并以约4 m/s 的速度向坑道出口流动，在中间某个位置会出现富集，位于巷道顶部。

（2）大粒径的粉尘很难被气流或涡流带至远处，因此针对细微粉尘进行集中除尘是最为高效的手段。而细微粉尘在2～6 s 内大部分都位于坑道0～40 m 处的上部区域，此时细微粉尘浓度最高，可以在较小区域内捕集到最多的粉尘，但是大粒径粉尘绝大部分均可以自然沉降。