竖井掘进爆破有毒废气扩散规律数值研究

罗周全¹，谢承煜¹，贾楠¹，罗俊²，程贵海²

(1. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083;

2. 广西大学 资源与冶金学院，广西 南宁，530004)

摘要：为实现对竖井掘进爆破所产生的有毒有害废气的有效检测和控制，揭示竖井掘进爆破有毒废气的扩散规律，基于计算流体力学模拟软件Fluent，k-ε方程标准模型以及BKW状态方程和SIMPLEC算法，开展竖井掘进爆破所产生的NO₂、CO废气的扩散规律的数值研究，得出其时空二维体积及迹线分布规律。在此基础上，提出了竖井掘进爆破废气的监测方案并开展了现场实测研究。研究结果表明：竖井中废气扩散质量浓度变化基本规律为：上阶段平巷至下阶段平巷NO₂质量浓度呈逐渐降低趋势；布置有高压风管一侧的CO质量浓度明显较高，下阶段平巷竖井出口处至掘进工作面则呈总体减小趋势。数值分析得到的爆破废气CO和NO₂质量浓度分布规律与现场监测结果吻合，验证了基于Fluent的竖井掘进爆破废气扩散规律研究方法的有效性。

关键词：竖井掘进；爆破废气；散布规律；数值分析

中图分类号：TD76           文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)11-4637-06

Numerical study on diffusion rule of blasting toxic exhaust gas in shaft sinking

Luo Zhouquan¹, XIE Chengyu¹, JIA Nan¹, LUO Jun², CHENG Guihai²

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. College of Resources and Metallurgy Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract: For realizing the effective detection and control and revealing diffusion rule of toxic and harmful emissions produced by blasting in shaft sinking, numerical study of diffusion rule on NO₂ and CO exhaust gas was done based on the integrated application of CFD software Fluent, k-ε equation standard model, BKW equation of state and SIMPLEC algorithm，distribution regularity of spatiotemporal volume and trace were obtained. On this basis, monitoring program was proposed and the field test study was carried out for blasting exhaust gas in shaft sinking. The results show that the diffusion concentration changing basic laws of exhaust gas in shaft are as follows: Volume fraction of NO₂ tends to decrease monotonically from upper level drift to lower level drift; the volume fraction of CO is significantly higher in the side of furnishing high-pressure air duct, whereas it is a general decrease trend at the shaft exit from lower level drift to driving face. The distribution law of exhaust gas NO₂ and CO produced by blasting basically tallies with field monitoring results; the effectiveness of study method of exhaust gas diffusion rule based on Fluent blasting in shaft sinking is verified.

Key words: shaft sinking; blasting waste gas; dispersion law; numerical analysis

监测技术在我国煤矿应用较成熟^[1]，但在金属及非金属地下矿山刚兴起。目前，关于该类矿山监测系统的建设面临不少的问题，尤其是监测系统前端设备(传感器)的布置是否合理，还未引起矿山及系统建设方足够的重视和思考，设计传感器布置的系统方案时仍掺杂较多主观意愿，缺乏完善的科学设计依据。同时，伴随地下矿山开采深度的增加，通风困难等问题更加凸显，爆破后产生的有毒废气对作业人员的健康及生命安全造成较大威胁。由于作业人员施工时仍需进入工作面进行钻凿作业，因此，在竖井掘进工作面布置传感器实现对爆破有毒废气的有效监测已经成为必然趋势^[2]。但考虑爆破所产生的冲击波，要在竖井掘进工作面对传感器进行安全防护难度较大，故在爆破前，传感器需要卸载转移，因此，如何通过有效监测手段较准确地获取掘进工作面有毒废气的稀释排放情况变为难点^[3-4]。通常采用高压通风方法对工作面进行通风冲洗，并没有科学的手段提供有毒废气真实浓度，作业人员主要还是通过便携式监测仪器或直接通过人的感官和经验逐步涉入工作面判断有毒废气的浓度值，这种原始的方法存在着诸多不科学之处。基于此，本文以计算流体力学Fluent软件为手段，通过对竖井爆破掘进时产生的废气进行仿真模拟，探寻爆破废气的流动分布状况及其变化规律，最终为传感器在井下的优化布置提供科学的理论依据。

1  气相主控方程

竖井掘进中爆破废气流动的物理条件较复杂，影响因素也较多，为了方便研究，在气相主控方程确定之前，必须对气体对象进行以下假设^[5-6] ：

(1) 气体假设成不可压缩的对象，可忽略气体流动需要克服黏性作用力而引起的热量耗散，且不考虑浮力对密度比较轻的气体的影响，并设定竖井壁面总是处于绝热、恒温状态。

(2) 气体的涡流黏性中涉及的涡流黏性系数应为标量处理，同时需做出各向同性的特点假设。

(3) 气体流动的本质为稳态涡流，满足Boussinesq的基本假想。

描述竖井中废气流动过程、分布状态及扩散现象的微分方程概括起来即包括连续微分方程，动量微分方程，紊流能量方程以及气体组分方程^[7-8]。k-ε方程标准模型可用来模拟气体的系列流动规律现象，其基本的控制方程即为雷诺方程、k-ε方程标准模型方程为^[9-10]

     (1)

式中：ρ为爆生气体的密度；为加入到连续相的质量；T为温度；为速度矢量；K_s为气体的传热系数；c_p为比热容；S_q为其他体积热源；g_i为重力分量；τ_ij为应力张量；k为紊流动能；ε为紊流动能耗散率；t为时间；u_i为气流速度分流；x_i为坐标值分量；ν为层流动力黏性系数；p为修正后的时均压力；f_i为质量力；ν_t为紊流黏性系数；G_k为平均速度梯度引起的紊流动能产生项；方程中经验系数σ_k=1.0，σ_ε=1.33，C_1ε=1.44，C_2ε=1.92，C_u=0.09。

2  BKW状态方程

Fluent模拟软件中进行边界条件的设定时，需要提供与现实相接近的模拟参数，故需确定竖井中爆破所使用的一类炸药物理性质及化学反应等^[11]。

BKW状态方程的表达式为^[12]

         (2)

式中：V_m为爆轰废气产物的摩尔体积；k_i为第i种废气产物的摩尔余容；x_i为第i种产物的物质的量；α，β，k和θ为经验常数值。

3  数值分析

对于有色金属矿山，其矿体中一般不会伴生有毒废气，故井下的CO和NO₂等有毒废气主要来源于每次爆破后形成的废气产物。结合多数矿山目前所使用的都是CHNONa类乳化炸药^[13]，对多组实验数据进行逐类整合并进行求平均等统计处理后，可得表1所示实验统计结果，该实验结果作为对Fluent进行初始化设置时的参数来源。

表1  乳化炸药配方及爆轰后的气体组分

Table 1  Formula of emulsion explosives and components of gas after detonation

3.1  物理模型

为保证后续凿岩方向的准确性并给爆破掏槽孔创造临空面，同时兼作竖井工作面的一个辅助排烟通道，钻爆掘进竖井前，在竖井中心线上钻凿孔径为100~ 300 mm的圆形导向孔，且首先贯通上、下2个阶段，根据实例矿山的工程实际，掘进竖井的三维模型参数为：已掘进成型竖井尺寸为2 m×2 m(长×宽)，深为40 m，导向孔直径为100 mm，深为20 m(见图1)。

3.2  边界条件及气体参数

以通风系统中进风管的风流射流出口为模型的边界入口，污风风流的竖井出口作为模型的边界出口，竖井壁面以及风管壁面作为模型的固定边界^[14-16]。爆破后瞬间，考虑爆破冲击波及大量气体会形成较大的压强区，而竖井本身可供气体扩散的空间有限，则出口方向成为气体扩散的唯一路径，假设爆破后一段时间内(可忽略不计)产生的爆破废气扩散充满相当长的一段竖井，且狭长竖井中爆破冲击波等作用消退的时间明显要比在空旷的地方缓慢，易产生竖井效应，假定在一段时间段之后模型中皆较均匀地充满着CO和NO₂废气。

图1  掘进竖井结构示意图

Fig.1  Schematic diagram of tunneling shaft

表2  边界条件和气体主要参数设定

Table 2  Boundary condition and main parameter setting of gas

3.3  利用竖井导向孔强制抽风情况下的数值分析

导向孔的自然排烟速度为0.8 m/s，排烟量为27 m³/h，当在上阶段平巷中导向孔出口处敷设离心风机后，导向孔中的排烟速度可达32 m/s，排烟量为1 100 m³/h。据此，抽出式通风的工况点速度设置为32 m/s，当在上阶段平巷中导向孔出口处敷设离心抽风机进行强行抽风的排风系统时，数值分析得出NO₂废气的体积分数在已掘进成型竖井以及导向孔中的分布运移变化规律如图2和图3所示。

图2  NO₂气体的质量浓度分布曲线

Fig.2  Distribution Curve of NO₂ mass concentration

图3  t=1 040 s时NO₂气体质量浓度分布曲线

Fig.3  Distribution curves of NO₂ mass concentration at 1 040 s

在强力抽风作用下，大部分炮烟将会沿着导向孔从上阶段平巷中迅速排出后进入回风竖井，炮烟质量浓度大小呈现的变化规律是：从上阶段平巷依次沿着导向孔及已成型的掘进竖井直至下阶段平巷，炮烟浓度值呈现逐渐降低趋势，对图2和3进行分析比较，由于强行抽风排放量较大，残留在导向孔中的炮烟在极短时间之内可以被排尽，在短时间内使上阶段平巷中导向孔出口处的炮烟浓度与竖井掘进工作面中的浓度处于同一水平，所以通过上平巷中导向孔出口处的炮烟浓度来判断和衡量已成型掘进竖井中的炮烟浓度具有时空有效性，即说明只要在上阶段平巷中导向孔出口处监测得到相关有毒废气的浓度值达到安全标准值，则在已成型的竖井中任何纵深区域，相关有毒废气的浓度也已达到安全标准。

3.4  采用压入式局部通风的竖井掘进数值分析

采用压入式局部通风系统的竖井掘进中，将高压风管出口速度同样设置为35 m/s，通过数值仿真模拟分析，当通风时间达到t=415 s时，在已成型的竖井中炮烟的分布规律如图4所示。

图4  掘进竖井不同横截面上CO质量浓度分布曲线

Fig.4  Distribution curves of CO mass concentration in tunneling shaft’s sections

在高压风管连续压入通风的作用下，竖井掘进工作面中，炮烟一部分沿着导向孔排出，而大部分则主要是从竖井的下部排出进入下阶段平巷的回风竖井中，采用高压通风系统进行通风的竖井掘进中，CO气体质量浓度沿着导向孔及已掘进成型竖井竖直方向上的变化规律见图5。

在竖井回风区，当上阶段平巷导向孔出口处CO气体质量浓度已经很低时，竖井的中下部回风区，CO气体的质量浓度仍然比较高，此时，在上阶段平巷的导向孔出口处，炮烟的质量浓度将不能再用来衡量已成型竖井中的炮烟质量浓度。通过对图4中竖井不同横截面上的CO气体质量浓度进行对比分析，在任意一个横截面中，布置有高压风管一侧的CO气体质量浓度明显要高于未布置有进风管一侧区域的质量浓度，在不同横截面之间，从下阶段平巷竖井的出口处依次往掘进工作面方向，CO气体的质量浓度呈总体减小趋势。

图5  已掘进竖井及导向孔中CO气体质量浓度的分布曲线

Fig.5  Distribution curves of CO mass concentration in tunneling shaft & pilot hole

4  爆破废气监测

4.1  传感器布置

结合以上研究，监测CO和NO₂等传感器布置在上阶段平巷中导向孔出口合适位置，传感器所监测到的数值将完全可作为反映竖井掘进工作面爆破有毒废气浓度的稀释和分布情况。此外，在竖井的下部出口处，考虑下部平巷中横向风流会影响竖井下部出口处的炮烟浓度值，应尽量将传感器布置在距离竖井出口较远的区域，可将传感器布置在已成型的竖井下部，距离出口10~15 m的区域，且需垂直布置在有高压风管一侧的井壁上，距离井壁不小于200 mm，同时，在爆破前需将其拆移到安全的位置，故应尽量满足装卸方便。爆破后，在连续通风作用下，竖井中炮烟将逐渐从上往下流动，掘进工作面的炮烟最先得到稀释排放，布置于竖井下部区域的传感器将会在通风作用一段时后监测得到多组较大值的数据，此后传感器所监测得到的值从峰值开始平稳地逐渐减小，监测值平稳下降达到允许的浓度时，即可认为在竖井的其他纵深区域，相应气体的质量浓度已经达标，施工人员即可进入竖井展开施工作业。

4.2  监测结果及分析

为检验数值分析结果的准确性和可靠性，当竖井掘进40 m时，在爆破掘进的天井内，采用江苏三恒科技集团生产的KJ70N系统，GTH1000型矿用CO和M-20型NO₂传感器，在爆破约5 min后(当听到爆破声音开始计时)，由施工人员穿戴防毒面具进入天井，并每隔5 m将传感器挂在事先布置于竖井壁的钩上，监测NO₂和CO废气的质量浓度，为防止监测人员进入天井时对扩散毒气的扰动而造成测量误差，人员应从天井中远离测点一侧进入，必要时应采用竹竿等辅助设备进行测点布置。监测结果见图6。CO的质量浓度最大值为67.5 mg/L，出现在距离出口15 m处，而NO₂的质量浓度最大值为50 mg/L，出现在距离出口10 m处。从爆破废气监测的结果可以看出：竖井中CO和NO₂其他的变化规律与数值模拟结果基本吻合。

图6  爆破约5 min后废气质量浓度

Fig.6  Mass concentration of waste gas after blasting about 5 min

5  结论

(1) 爆破废气扩散浓度变化规律为：上阶段平巷至下阶段平巷NO₂质量浓度呈逐渐降低趋势；布置高压风管一侧爆破CO质量浓度明显较高，下阶段平巷竖井出口处至掘进工作面，呈总体减小趋势。

(2) 爆破废气监测无线传感器应布置在掘进竖井下部距离竖井出口约1/4~3/8处，垂直布置在有通风管一侧的井壁区域，距离井壁不小于200 mm，且固定在通风风速较小的隅角处，这样不仅可实现对爆破废气的有效监测，而且不影响施工作业，兼顾到仪器的安全和便于装拆。

(3) 数值分析得到的爆破废气CO和NO₂分布规律与现场监测结果相吻合，验证了基于Fluent的竖井掘进爆破废气扩散规律数值研究方法的有效性和实 用性。

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(编辑  何运斌)

收稿日期：2012-11-25；修回日期：2012-02-19

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAK09B02-05)

通信作者：罗周全(1966-)，湖南邵阳人，男，教授，博士生导师，从事采矿及矿山安全数字化理论与技术的研究；电话：13808421339；E-mail: lzq505@hotmail.com