大气风速对深凹露天矿山炮烟排烟时间的影响研究

丁 翠，聂百胜，孙殿阁

(1.中国劳动关系学院 安全工程学院，北京 100048；2.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室 资源与安全学院，重庆 400044)

爆破作业是露天矿开采的重要工序，爆破后的炮烟含有大量有毒有害气体[1]，其主要成分包括一氧化碳和氮氧化物，其中一氧化碳的性质较稳定，且易造成人员伤亡。深凹露天矿山由于其特殊的结构，爆破后的炮烟容易聚集在矿坑内，导致炮烟扩散较慢，若实际生产中对爆破排烟时间预测不准确，易造成炮烟中毒事故，影响矿山的安全生产。杜翠凤等[2]采用现场试验和数值模拟的方法研究了不同大气风速对深凹露天矿采场内风流场的影响，获得了风速对矿坑内复环流结构的影响规律，并验证了数值模拟的准确性；王远等[3]通过相似实验和数值模拟研究了深凹露天矿内复环流产生的影响因素，获得了露天矿复环流通风的决定参数K及其取值范围；葛少成等[4]采用数值模拟和现场试验的方法研究了露天矿爆破后台阶上方粉尘浓度和粒径随时间的变化规律，并提出了爆破降尘措施，但未研究粉尘在矿坑内的扩散运移规律；叶勇军等[5-8]通过现场试验和掘进巷道内炮烟浓度随时间变化的计算模型，分析了影响炮烟浓度的因素，并提出了掘进巷道内不同工况及不同区域内排烟时间的计算方法；孔令华[9]、徐家俊[10]采用数值模拟和现场实测的方法研究了地下矿山采场和独头掘进巷道内通风时间和通风量对炮烟扩散的影响，并获得了炮烟浓度的分布规律；高峰[11]、HUANG[12]等采用数值模拟方法对比分析了海拔高度和通风量等参数对掘进隧道内炮烟运移及排烟时间的影响；TORNO[13-14]、刘敦华[15]、丁厚成[16]等数值模拟分析了不同爆破参数和通风参数对掘进巷道不同区域内炮烟浓度和空间分布的影响，并通过现场试验验证了数值模型的准确性;AKASH等[17]研究了掘进巷道爆破后爆破岩石内残余炮烟对排烟时间的影响。

分析以上文献可知，目前关于炮烟扩散和排烟时间的研究主要集中在地下矿山，而在露天矿方面更多针对露天矿坑内风流场和粉尘分布规律的研究。因此，笔者采用数值模拟的方法，研究大气风速和爆破位置对露天矿坑内排烟时间的影响，推导出不同爆破位置下排烟时间的表达式，为预测露天矿爆破后排烟时间提供参考，对于进一步制订合理有效的爆破通风方案和预防炮烟中毒事故的发生具有重要意义。

1 数值模型构建

1.1 深凹露天矿山物理模型

基于实际深凹露天矿山，构建深凹露天矿山几何模型，如图1所示。深凹露天矿山宽度210 m，封闭圈以下矿坑中心深度90 m，坑底宽度50 m，台阶高度15 m，台阶宽度10 m，台阶坡面角约71°。为了方便研究大气风速对露天采坑内风流场的影响，在封闭圈以上设置空气流动层作为大气风流进出口，空气层尺寸为290 m(长)×80 m(高)。模型网格划分采用四边形网格，共生成135 745个网格，并经过网格无关化验证，该网格数兼顾了计算精确性和计算成本。

图1 深凹露天矿山几何模型

1.2 模拟工况及参数计算

1.2.1 模拟工况选择

根据深凹露天矿山的几何特征和爆破作业特点，爆破位置、大气风速对炮烟扩散均有直接影响，所以本研究主要考虑爆破位置和大气风速2个工况参数。爆破位置分别在迎风侧和背风侧按照台阶位置共选择6个爆破点(编号1#～6#)，如图1所示。同时根据区域实际气象资料，该深凹露天矿山全年平均风速3 m/s，最高风速15 m/s，因此本研究中将大气风速分别设定为3、6、9、15 m/s。此外，设定爆破采用单排孔，每排布置10个孔，孔间距为1.8 m，单孔炸药量120 kg，采用数值模拟软件ANSYSA18.0模拟分析不同爆破位置和不同大气风速下露天采坑内爆破排烟规律。数值模拟中采用非稳态计算方法，计算时间步长设定为1 s，选取工况的最高迭代次数为162 000步，耗时约7～8 h，其中计算至15 min需要迭代27 000步，平均耗时约1～2 h。具体模拟工况参数如表1所示。

表1 模拟工况参数

1.2.2 参数计算

由于要考虑露天矿山爆破后炮烟随时间的变化规律，因此首先需要确定炮烟抛掷长度和炮烟初始浓度。炮烟抛掷长度可由式(1)和(2)计算[18-19]：

R=kw1/3

(1)

(2)

式中：R为炮烟抛掷长度，m；k为系数，露天矿取30 m；w为最小抵抗线，m；D为钻孔直径，取110 mm；Δ为装药密度，一般取900 kg/m3；L为钻孔深度，L=H+h(h为钻孔超深，取2 m)，m；τ为装药长度系数，当H<10 m时，取0.6,当H=10～15 m时，取0.5,当H>15 m时，取0.4；e为炸药换算系数，2号岩石硝铵炸药，取1；q为炸药单位消耗量，取1 kg/m3；m为炮孔密度系数，一般取0.8～1.2；H为台阶高度，m。

本研究中将炮烟成分简化为CO，爆破后炮烟初始浓度可由式(3)计算[20]：

(3)

式中:φ为炮烟初始浓度(CO体积分数)，%；M为爆破消耗的炸药量，kg；θ为1 kg炸药爆破时炮烟折算成CO体积值，m3，2号岩石硝铵炸药取35.35×10-3m3/kg；A为爆破区域面积，m2。

依据矿山实际爆破参数，炮烟抛掷长度为39 m，炮烟初始浓度(CO体积分数)为3.73%，炮烟生成的总质量为0.083 925 kg，炮烟假设为瞬间生成并充满沿炮烟抛掷方向的矩形抛掷区域，编制UDF函数对炮烟抛掷区域和炮烟初始浓度等参数进行定义。

1.2.3 边界条件及假设

大气风流入口采用速度入口(Velocity Inlet)，风流出口采用压力出口(Pressure Outlet)，采用标准k-ε模型模拟露天采坑和上部空气层内气体流动过程，采用气体输运方程模拟爆破后炮烟与空气的混合流动过程。同时对模型做了一定简化和假设：假设空气和炮烟为不可压缩气体，炮烟扩散过程考虑重力的影响，忽略露天矿坑内矿车等相关机械设备及工作人员，且不考虑爆破能量对炮烟和周围空气温度的影响。

2 结果分析

2.1 大气风速对爆破时采坑内风流场的影响

该露天矿模型地表长度与深度比值为2.3，背风帮边坡角45°，坑内风流结构为复环流[21]。根据文献[2]的相关研究，大气风流对深凹露天采坑内的风流结构产生影响，进而直接影响爆破后排烟时间，因此首先分析不同爆破位置下大气风速对露天采坑内的风流场影响规律。根据多数露天矿山企业作业规程，深凹露天采场爆破15 min后，铲装等作业人员进入露天采坑内进行作业活动，因此重点分析爆破后15 min时露天采坑内的风流场特征，以爆破点1#、爆破点2#和爆破点5#为例进行分析。

爆破后15 min时爆破点1#位置在不同大气风速下露天采坑内风流矢量图如图2所示。分析图2可知，在爆破点1#位置，露天采坑内的风流场均呈现双复环流结构，且随着大气风速的增大，上部复环流影响的范围逐渐减小，靠近露天采坑底部的复环流影响范围逐步增大。

(a)风速3 m/s

爆破后15 min时爆破点2#位置在不同大气风速下露天采坑内的风流矢量图如图3所示。分析图3可知，爆破点2#位置，当大气风速低于6 m/s时，露天采坑内风流分布呈单复环流结构，当大气风速高于6 m/s时，露天采坑内呈现双复环流结构。随着大气风速的增大，露天采坑内的风流分布由单复环流向双复环流转变，并且随着大气风速的进一步增大，靠近矿坑底部的复环流影响范围逐步增大。

(a)风速3 m/s

爆破后15 min时爆破点5#位置在不同大气风速下露天采坑内的风流矢量图如图4所示。分析图4可知，在爆破点5#位置，当大气风速为3 m/s时，露天采坑内风流分布呈单复环流结构，当大气风速高于3 m/s时，露天采坑内呈现双复环流结构。

(a)风速3 m/s

根据上述分析可知，在不同爆破点位置下，大气风速对露天采坑内的风流分布有着重要的影响，主要呈现以下分布特性：不同爆破点位置下，随着大气风速的增大，露天采坑内的风流分布呈现出单复环流向双复环流结构的转变，且靠近露天采坑底部的复环流的影响范围随着风速的增大而增大。

2.2 大气风速对炮烟排烟时间的影响分析

根据上文分析，大气风速对露天采坑内风流场的影响较大，而采坑内风流场将直接影响炮烟扩散效果，因此接下来分析不同风速对露天采坑内爆破排烟时间的影响，以指导矿山的安全生产。不同爆破位置和不同大气风速下露天采坑内一氧化碳最高体积分数降至安全浓度(0.002 4%)所需时间分别如图5和图6所示。

图5 不同爆破位置下矿坑内排烟时间

图6 不同大气风速下矿坑内排烟时间

由图5及图6可知，对于不同的爆破位置，随着大气风速的增大，露天采坑爆破炮烟排烟时间均呈现下降趋势。不同大气风速下，爆破位置位于背风侧(爆破点1#、2#、3#)时露天采坑爆破炮烟的排烟时间均大于爆破位置位于迎风侧时的排烟时间。同时，当爆破位置位于背风侧，风速小于9 m/s时，爆破点2#的炮烟排烟时间均小于爆破点1#和3#的排烟时间，但当风速大于一定值时(本文为15 m/s)，随着爆破位置与露天采坑底部距离的减小，爆破炮烟的排烟时间逐步减小，主要原因是当风速大于15 m/s时，不同爆破位置下露天采坑均出现双复环流，而靠近采坑底部的复环流对矿坑上部的影响较小形成滞留区，导致排烟时间增加。对于爆破位置位于迎风侧时，不同大气风速下，爆破炮烟的排烟时间随着爆破点位置与露天采坑底部距离的减小而增大。

为了进一步研究大气风速对露天采坑爆破炮烟排烟时间的影响程度，分析了大气风速对排烟时间减少量的影响规律，如图7所示。由图7可知：对于任意爆破点位置，当大气风速由3 m/s增高至6 m/s时，爆破炮烟排烟时间下降幅度最大；当大气风速大于6 m/s后，随着大气风速的增大，爆破炮烟排烟时间下降的幅度逐渐减小，大气风速对排烟时间的影响逐渐降低。

图7 不同爆破位置下风速增高对排烟时间降幅的影响

为了进一步指导矿山企业爆破后安全生产，根据图5构建了不同爆破位置下露天采坑爆破排烟时间与大气风速的数学关系，如表2所示。不同爆破位置下，露天采坑爆破排烟时间与大气风速均呈现良好的指数函数关系。

表2 不同爆破位置下矿坑内排烟时间与大气风速数学函数

3 结论

基于深凹露天矿山物理模型，重点分析了不同爆破位置下，大气风速对露天采坑内风流场、爆破排烟时间的影响规律，并获得了大气风速与爆破排烟时间的数学函数关系，主要研究结论如下：

1)不同爆破位置下，随着大气风速的增大，露天采坑内的风流分布呈现出单复环流向双复环流结构的转变，且靠近露天采坑底部的复环流的影响范围随着风速的增大而增大。

2)不同大气风速下，当爆破位置位于背风侧时露天采坑爆破排烟时间均大于爆破位置位于迎风侧时的排烟时间。当爆破位置位于迎风侧时，不同大气风速下，爆破排烟时间随着爆破点位置与露天采坑底部距离的减小而增大。

3)不同爆破位置下，随着大气风速的增大，露天采坑爆破排烟时间均呈现下降趋势，且与大气风速均呈现良好的指数函数关系。