爆破位置對(duì)深凹露天礦山炮煙擴(kuò)散影響的數(shù)值模擬研究

丁 翠，唱 斗，李 坤

(1.中國勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院安全工程學(xué)院，北京 100048；2.礦冶科技集團(tuán)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(shù)由于其可有效提高采礦效率和施工安全系數(shù)，廣泛應(yīng)用于露天礦開采[1]。露天爆破產(chǎn)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(jié)構(gòu)又導(dǎo)致大氣風(fēng)流對(duì)露天采坑內(nèi)的通風(fēng)產(chǎn)生較為復(fù)雜的影響，爆破炮煙擴(kuò)散速度較慢，對(duì)作業(yè)人員生命安全與健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。杜翠鳳等[3]采用數(shù)值模擬方法對(duì)深凹露天礦山采坑內(nèi)風(fēng)流場的影響因素進(jìn)行了研究，獲得了大氣風(fēng)速和邊坡角對(duì)復(fù)環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。張瑞明等[4]研究了在不同自然風(fēng)速條件下，人工通風(fēng)對(duì)深凹露天礦復(fù)環(huán)流空氣交換率的影響，研究表明人工通風(fēng)可有效改善深凹露天礦礦坑內(nèi)風(fēng)流場。湯萬鈞等[5]對(duì)露天礦內(nèi)粉塵聚集的影響因素和聚集機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)逆溫現(xiàn)象以及逆溫強(qiáng)度是評(píng)價(jià)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(fēng)速和溫濕度對(duì)露天礦坑內(nèi)粉塵濃度的影響，獲得了冬季采場內(nèi)粉塵的擴(kuò)散分布規(guī)律。綜上，目前的研究主要集中于對(duì)深凹露天礦礦坑內(nèi)風(fēng)流場的分布規(guī)律以及粉塵的污染擴(kuò)散等方面，對(duì)于炮煙擴(kuò)散規(guī)律的研究較少。同時(shí)現(xiàn)有露天礦山爆破后進(jìn)行生產(chǎn)組織主要還是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于炮煙在露天采坑內(nèi)的分布情況了解較少，導(dǎo)致發(fā)生炮煙中毒窒息事故的風(fēng)險(xiǎn)較高，因此，研究深凹露天礦爆破后炮煙的運(yùn)移擴(kuò)散特點(diǎn)，特別是爆破位置對(duì)于炮煙擴(kuò)散的影響，對(duì)于進(jìn)一步制定合理的爆破作業(yè)管理制度和通風(fēng)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(gòu)建

1.1 礦山概況

本文研究對(duì)象為國內(nèi)某深凹露天礦山，該礦山位于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，夏短冬長，凍結(jié)期持續(xù)近八個(gè)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(jié)期為每年9月中旬至次年5月下旬；全年平均風(fēng)速為3.0 m/s，最高風(fēng)速為15.0 m/s。

1.2 模型構(gòu)建

1.2.1 深凹露天礦山物理模型

根據(jù)實(shí)際深凹露天礦山的安全設(shè)施設(shè)計(jì)，構(gòu)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(tái)階高度15 m，臺(tái)階寬度10 m，臺(tái)階坡面角約71°，在封閉圈以上設(shè)置長方形空氣層作為大氣風(fēng)流進(jìn)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(dǎo)致炮煙的擴(kuò)散路徑、擴(kuò)散時(shí)間以及聚集位置也有所不同，因此本文研究中假設(shè)爆破點(diǎn)分別位于迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)距采坑底部15 m、45 m及75 m等3個(gè)爆破面上共6個(gè)位置(圖1)。根據(jù)該深凹露天礦山的實(shí)際情況，全年平均風(fēng)速3.0 m/s，大氣自然風(fēng)速采用全年平均風(fēng)速，為3.0 m/s，爆破參數(shù)為：一次爆破一排，每排布10個(gè)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(diǎn)下CO擴(kuò)散規(guī)律。

1) 參數(shù)計(jì)算。本文重點(diǎn)研究露天爆破產(chǎn)生的炮煙在采坑內(nèi)的擴(kuò)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(jì)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(tái)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(dāng)H<10 m時(shí)，取0.6 m；當(dāng)H=10～15 m時(shí)，取0.5 m；當(dāng)H>15 m時(shí)，取0.4 m；e為炸藥換算系數(shù)，2號(hào)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(jì)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(shí)炮煙折算成CO體積，m3，2號(hào)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(shè)。由圖1可知，大氣風(fēng)流入口采用速度入口，假設(shè)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(nèi)運(yùn)輸車輛等相關(guān)機(jī)械設(shè)備以及相關(guān)工作人員的影響，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和非穩(wěn)態(tài)輸運(yùn)方程模擬爆破之后炮煙的動(dòng)態(tài)運(yùn)移過程。

2 炮煙擴(kuò)散運(yùn)移規(guī)律分析

2.1 露天礦坑內(nèi)風(fēng)流場特征

露天采坑內(nèi)風(fēng)流場是影響炮煙擴(kuò)散運(yùn)移的主要因素，因此首先對(duì)采坑內(nèi)風(fēng)流場特征進(jìn)行分析。圖2給出了爆破后通風(fēng)15 min時(shí)不同爆破位置下采坑內(nèi)風(fēng)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(nèi)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(nèi)風(fēng)流分布均出現(xiàn)了復(fù)環(huán)流結(jié)構(gòu)，與文獻(xiàn)[3]所描述的深凹露天礦復(fù)環(huán)流結(jié)構(gòu)基本一致。位于背風(fēng)側(cè)的爆破點(diǎn)1、爆破點(diǎn)2和爆破點(diǎn)3工況下的露天采坑內(nèi)風(fēng)流結(jié)構(gòu)較為類似，均出現(xiàn)了上下兩個(gè)復(fù)環(huán)流，其中大復(fù)環(huán)流速度矢量均為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，爆破點(diǎn)1的大復(fù)環(huán)流中心位置大約距離礦坑中心對(duì)稱軸右側(cè)25 m，反向最大回流速度達(dá)到1.18 m/s，；爆破點(diǎn)2的大復(fù)環(huán)流中心位置距離礦坑中心對(duì)稱軸右側(cè)15 m，反向最大回流速度達(dá)到1.10 m/s；爆破點(diǎn)3的大復(fù)環(huán)流中心位置距離礦坑中心對(duì)稱軸18 m，反向最大回流速度達(dá)到1.30 m/s。由此可知，隨著背風(fēng)側(cè)爆破點(diǎn)與采坑底部距離的縮短，大復(fù)環(huán)流中心位置與采坑中心對(duì)稱軸的距離呈現(xiàn)先減少后增大的規(guī)律，同時(shí)小復(fù)環(huán)流影響的范圍也呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，小復(fù)環(huán)流影響范圍與大復(fù)環(huán)流反向最大回流速度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。進(jìn)一步分析可知，爆破點(diǎn)1和爆破點(diǎn)3由于小復(fù)環(huán)流影響范圍較大，且大復(fù)環(huán)流距離爆破點(diǎn)位置較遠(yuǎn)，這兩個(gè)爆破點(diǎn)位置對(duì)于爆破炮煙擴(kuò)散不利。

位于迎風(fēng)側(cè)的爆破點(diǎn)4、爆破點(diǎn)5和爆破點(diǎn)6工況下的露天采坑內(nèi)風(fēng)流結(jié)構(gòu)類似，均形成一個(gè)復(fù)環(huán)流，其復(fù)環(huán)流結(jié)構(gòu)基本相同，復(fù)環(huán)流中心位置大約距離礦坑底部60 m，距離礦坑中心對(duì)稱軸右側(cè)25.5 m。礦坑內(nèi)復(fù)環(huán)流厚度90 m，基本覆蓋整個(gè)礦坑，坑底5 m高度范圍內(nèi)風(fēng)速大約為0.80 m/s，反向最大回流速度達(dá)到1.15 m/s。同時(shí)對(duì)比分析迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的爆破點(diǎn)工況下的模擬結(jié)果可知，背風(fēng)側(cè)的3個(gè)工況下均出現(xiàn)了雙復(fù)環(huán)流，迎風(fēng)側(cè)的3個(gè)工況下均出現(xiàn)一個(gè)復(fù)環(huán)流，因此爆破點(diǎn)位于背風(fēng)側(cè)時(shí)，露天采坑內(nèi)的風(fēng)流結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，風(fēng)流特征更加紊亂，相比于迎風(fēng)側(cè)，其風(fēng)流擴(kuò)散尤其是采坑底部的風(fēng)流擴(kuò)散條件較差，不利于爆破炮煙的稀釋擴(kuò)散。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]可知，復(fù)環(huán)流結(jié)構(gòu)主要受到邊坡角、風(fēng)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(fēng)速完全一致，但是其復(fù)環(huán)流結(jié)構(gòu)有些許差異，因此露天采坑內(nèi)的復(fù)環(huán)流結(jié)構(gòu)還受到爆破的影響，爆破點(diǎn)位置是影響露天采坑內(nèi)風(fēng)流結(jié)構(gòu)特征的重要因素。

2.2 爆破位置對(duì)炮煙擴(kuò)散影響分析

2.2.1 炮煙分布及擴(kuò)散規(guī)律

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

圖3 爆破點(diǎn)5工況下不同時(shí)間礦坑內(nèi)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(shí)間推移，露天采坑內(nèi)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(yùn)移，并逐步聚集在露天采坑背風(fēng)側(cè)，且炮煙濃度逐漸趨于均勻，在2 170 s時(shí)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(fēng)側(cè)上部臺(tái)階。結(jié)合圖2(e)可知，由于露天采坑內(nèi)在爆破點(diǎn)5上方形成了復(fù)環(huán)流，且復(fù)環(huán)流中心位置與爆破點(diǎn)5的距離較近，因此爆破產(chǎn)生的炮煙受復(fù)環(huán)流影響，炮煙逐步運(yùn)移至臺(tái)階背風(fēng)側(cè)，炮煙濃度逐漸趨于均勻且高濃度炮煙聚集在背風(fēng)側(cè)上部臺(tái)階。為了進(jìn)一步定量分析爆破后炮煙濃度隨著時(shí)間的變化規(guī)律，研究了爆破點(diǎn)5工況下，露天采坑內(nèi)炮煙最高濃度隨時(shí)間的變化，如圖4所示。

由圖4可知，爆破點(diǎn)5工況下露天采坑內(nèi)的炮煙最高濃度隨著時(shí)間增加逐漸下降，并呈現(xiàn)出三個(gè)階段的下降趨勢。第一個(gè)階段由爆破伊始至250 s，露天采坑內(nèi)的炮煙最高濃度由20 326 ppm急劇下降至564 ppm；第二個(gè)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(gè)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(shí)間為2 010 s。

圖4 爆破點(diǎn)5工況下礦坑內(nèi)炮煙最高濃度隨時(shí)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(diǎn)礦坑內(nèi)炮煙最高濃度隨時(shí)間變化情況。由圖5可知，對(duì)于不同爆破點(diǎn)工況，露天采坑內(nèi)的炮煙最高濃度均隨著時(shí)間變化而逐漸下降，但下降的速率逐步減小，呈現(xiàn)三個(gè)階段的下降趨勢。出現(xiàn)這樣現(xiàn)象的主要原因?yàn)椋河捎诖髿怙L(fēng)流的影響，不同爆破點(diǎn)位置下露天采坑內(nèi)均出現(xiàn)了復(fù)環(huán)流，爆破后初始階段，炮煙受復(fù)環(huán)流的影響較大而迅速擴(kuò)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(yùn)移至采坑底部和背風(fēng)側(cè)，復(fù)環(huán)流主要位于采坑的中部或迎風(fēng)側(cè)，因此炮煙受復(fù)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(diǎn)礦坑內(nèi)炮煙最高濃度隨時(shí)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(diǎn)炮煙擴(kuò)散對(duì)比分析

根據(jù)露天礦山企業(yè)實(shí)際情況，爆破后通常需要通風(fēng)15 min方可進(jìn)行鏟裝運(yùn)輸作業(yè)，因此為了更好地指導(dǎo)爆破后工作人員的安全作業(yè)，分析了爆破后15 min時(shí)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(fēng)側(cè)的三個(gè)爆破點(diǎn)位置下露天采坑內(nèi)的炮煙最高濃度遠(yuǎn)高于迎風(fēng)側(cè)三個(gè)爆破點(diǎn)位置下的炮煙最高濃度。對(duì)于背風(fēng)側(cè)，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(duì)于迎風(fēng)側(cè)，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(diǎn)4的炮煙最高濃度低于24 ppm安全濃度，其他爆破點(diǎn)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(jìn)一步研究爆破點(diǎn)位置對(duì)炮煙擴(kuò)散的影響，圖7給出了在不同爆破點(diǎn)工況下露天采坑內(nèi)炮煙濃度降至24 ppm安全濃度所需時(shí)間。由圖7可知，爆破點(diǎn)位置顯著影響炮煙濃度降低至安全濃度的時(shí)間。爆破點(diǎn)在背風(fēng)側(cè)時(shí)，炮煙濃度降至24 ppm安全濃度所需時(shí)間遠(yuǎn)大于爆破點(diǎn)位于迎風(fēng)側(cè)時(shí)，其中，爆破點(diǎn)4所需時(shí)間最少，僅為314 s，而爆破點(diǎn)1所需時(shí)間最長，為4 360 s。爆破位置處于背風(fēng)側(cè)時(shí)，隨著爆破位置與采坑底部距離的縮短，爆破炮煙擴(kuò)散至24 ppm安全濃度所需時(shí)間呈現(xiàn)先減少后增加的規(guī)律，主要是由于復(fù)環(huán)流結(jié)構(gòu)的不同所導(dǎo)致，相比于爆破點(diǎn)2，爆破點(diǎn)1和爆破點(diǎn)3在采坑底部形成的小復(fù)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(fēng)側(cè)時(shí)，爆破炮煙擴(kuò)散至24 ppm所需時(shí)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(dǎo)致，爆破位置與采坑底部距離越短，炮煙擴(kuò)散受到復(fù)環(huán)流影響越小，降至安全濃度所需時(shí)間越長。

圖7 不同爆破點(diǎn)工況下露天采坑內(nèi)炮煙濃度降至24 ppm所需時(shí)間Fig.7 The required time of the blasting fumeconcentration descending to 24 ppm underdifferent blasting locations

3 結(jié) 論

基于實(shí)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(duì)露天采坑內(nèi)爆破炮煙擴(kuò)散及分布的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下所述。

1) 爆破點(diǎn)位置是影響露天采坑內(nèi)風(fēng)流結(jié)構(gòu)特征的重要因素。不同爆破點(diǎn)位置，露天采坑內(nèi)均出現(xiàn)復(fù)環(huán)流：爆破點(diǎn)位于背風(fēng)側(cè)時(shí)，露天采坑內(nèi)形成雙復(fù)環(huán)流，大復(fù)環(huán)流中心位置與采坑中心對(duì)稱軸的距離呈現(xiàn)先縮短后增大的規(guī)律，小復(fù)環(huán)流影響范圍與大復(fù)環(huán)流反向最大回流速度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；爆破點(diǎn)位于迎風(fēng)側(cè)時(shí)，露天采坑內(nèi)均形成單復(fù)環(huán)流，風(fēng)流結(jié)構(gòu)相比于背風(fēng)側(cè)時(shí)更加簡單，更有利于爆破炮煙的擴(kuò)散稀釋。

2) 隨著爆破后時(shí)間推移，露天采坑內(nèi)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(yùn)移，并逐步聚集在露天采坑背風(fēng)側(cè)，建議爆破后避免人員聚集此處；對(duì)于不同爆破點(diǎn)工況，露天采坑內(nèi)的炮煙最高濃度均隨著時(shí)間變化而逐漸下降，但下降的速率逐步減小，呈現(xiàn)三個(gè)階段的下降趨勢；對(duì)于爆破點(diǎn)4，爆破后15 min人員可開展相關(guān)生產(chǎn)作業(yè)，而對(duì)于其他爆破點(diǎn)，則需要進(jìn)一步延長通風(fēng)時(shí)間。

3) 背風(fēng)側(cè)的三個(gè)爆破點(diǎn)位置下露天采坑內(nèi)的炮煙最高濃度和降至安全濃度所需時(shí)間遠(yuǎn)高于迎風(fēng)側(cè)三個(gè)爆破點(diǎn)位置。對(duì)于背風(fēng)側(cè)，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(shí)間先減少后增加；對(duì)于迎風(fēng)側(cè)，炮煙最高濃度及降至安全濃度所需時(shí)間隨著爆破位置與采坑底部距離的縮短而增加。