曹 楊，紀洪廣，周啟明

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083； 2.山東黃金歸來莊礦業(yè)有限公司,山東 臨沂273307)

掘進巷道爆破后排煙時間計算

曹 楊1，紀洪廣1，周啟明2

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083； 2.山東黃金歸來莊礦業(yè)有限公司,山東 臨沂273307)

為研究掘進面爆破后排煙時間，推導(dǎo)掘進面炮煙運移規(guī)律公式，對排煙時間影響因素進行灰色關(guān)聯(lián)度計算，得出主要影響因素的敏感性大小排序為：巷道出口到掘進面迎頭的距離(0.827)>風(fēng)筒口到掘進面迎頭的距離(0.738)>風(fēng)筒供風(fēng)量(0.628)>炮煙中CO初始體積分數(shù)(0.547).在歸來莊金礦掘進巷道中進行炮煙監(jiān)測試驗，研究了壓入式通風(fēng)條件下，風(fēng)筒口到掘進面迎頭的距離LO分別為10、15、20、25、30 m時，巷道出口到掘進面迎頭的距離LP分別為40、60、80、100、120 m的排煙時間.研究結(jié)果表明：排煙時間隨巷道出口到掘進面迎頭的距離增加而變長，兩者擬合成線性關(guān)系；排煙時間隨風(fēng)筒口到掘進面迎頭的距離增加而變長，成非線性增加；排煙系數(shù)c與LO擬合成線性關(guān)系，并推導(dǎo)出不同工況下排煙時間的計算式；在試驗及相似巷道的5個工況下進行驗證，相對誤差為6.1%，3.8%，5.4%、8.8%，9.3%，具有較好的準確性和可靠性.

掘進巷道；炮煙；排煙時間；影響因素；排煙時間系數(shù)

礦山掘進巷道常采用鉆爆法進行鑿掘[1].爆破產(chǎn)生的炮煙污染整個巷道，對作業(yè)人員的安全與健康構(gòu)成威脅，并影響掘進循環(huán)作業(yè)效率[2].掘進巷道排煙時間是指爆破后在機械通風(fēng)方式作用下掘進巷道出口處有毒有害氣體降低到規(guī)定質(zhì)量濃度限值的時間.在實際生產(chǎn)中，由于對排煙時間把握不準確，常常會影響掘進循環(huán)作業(yè)正常進度，嚴重時還會導(dǎo)致炮煙中毒事故的發(fā)生[3-4].

目前對掘進巷道排煙時間的研究，文獻[5-7]從氣體擴散理論的角度建模，推導(dǎo)掘進巷道排炮煙的理論通風(fēng)時間的表達式，其不足之處是缺乏實際數(shù)據(jù)的驗證且計算式過于復(fù)雜；文獻[8-10]運用相關(guān)數(shù)值軟件對掘進巷道建模，研究炮煙運移規(guī)律及不同工況下的排煙時間，其不足之處是數(shù)值模擬的模型過于簡化、參數(shù)設(shè)定與實際情況相符情況未知；Torano等[11]研究壓入式通風(fēng)下煤礦通風(fēng)排瓦斯，對研究炮煙排出有一定的借鑒作用但不能完全等同；Wang等[12]對掘進面通風(fēng)時間進行優(yōu)化研究，并擬合通風(fēng)時間與巷道長度的表達式，但只考慮巷道長度對通風(fēng)時間的影響；Torno等[13]研究不同爆破條件后掘進面氣體運移情況及通風(fēng)時間，但側(cè)重于不同爆破條件對通風(fēng)時間的影響研究；Gillies等[14]推導(dǎo)出通風(fēng)時間與風(fēng)量的表達式，卻忽略考慮其他影響因素.

掘進巷道實際排煙時間的影響因素很多，但在巷道開挖動態(tài)掘進中巷道出口到掘進面迎頭的距離、風(fēng)筒口到掘進面迎頭的距離對掘進巷道實際排煙時間影響很大[15]，而相關(guān)的研究卻很少.因此，通過在歸來莊金礦掘進巷道中進行現(xiàn)場炮煙監(jiān)測試驗，研究壓入式通風(fēng)條件下排煙時間與風(fēng)筒口到掘進面迎頭的距離及巷道出口到掘進面迎頭的距離之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并推導(dǎo)爆破后不同工況條件下排煙時間表達式，可為測算掘進巷道排煙時間提供的參考價值，對提高掘進循環(huán)作業(yè)效率及保護作業(yè)人員安全與健康有重要的現(xiàn)實意義.

1 掘進面炮煙運移模型

通過建立炮煙運移數(shù)學(xué)模型，研究掘進巷道中炮煙排出過程及運移規(guī)律.設(shè)巷道的斷面面積為S，風(fēng)筒的供風(fēng)量為Q，風(fēng)筒出口到掘進面迎頭的距離為LO，1-1截面到掘進巷道迎頭的距離為LP，選取0-0面到1-1面為研究CO運移模型的控制體，控制體中CO的初始質(zhì)量濃度為C0， 1-1截面瞬時時刻CO的質(zhì)量濃度為C，控制體的體積V=LP·S.大巷中CO的值為Cout，如圖1所示.

圖1 掘進面通風(fēng)示意

假設(shè)掘進巷道中空氣不可壓縮、溫度對炮煙運移無影響、風(fēng)筒不存在漏風(fēng)等.單位時間內(nèi)，控制體中發(fā)散出的CO的質(zhì)量和控制體外巷道中增加的CO的質(zhì)量相等.由質(zhì)量守恒定律可得

解得

(1)

式中：V為控制體的體積，m3；k為CO擴散系數(shù)；dC/dt為CO質(zhì)量濃度隨時間變化值，mg/(m3·s)；Q為風(fēng)筒的通風(fēng)量，m3/s；C為1-1面瞬時時刻CO的質(zhì)量濃度，mg/m3；Cout為風(fēng)筒供風(fēng)中CO的質(zhì)量濃度，mg/m3；C0為控制體中CO的初始質(zhì)量濃度，mg/m3.CO的擴散系數(shù)k取1，大巷進風(fēng)流中的CO的質(zhì)量濃度可近似為0，即Cout=0，故式(1)可以簡化為

(2)

礦山安全相關(guān)規(guī)程規(guī)定，短時間內(nèi)巷道中CO的質(zhì)量濃度限值為30 mg/m3[16]，忽略溫度變化影響，折算成體積分數(shù)為24×10-6(下文中用CO體積分數(shù)代替C0質(zhì)量濃度).將C=24×10-6代入式(2)，變形可得

(3)

式中，CV為CO初始體積分數(shù).由式(3)可見，排煙時間的影響因素是初始體積分數(shù)、控制體體積、風(fēng)筒供風(fēng)量.實際作業(yè)中以掘進巷道出口處的有毒有害氣體的體積分數(shù)安全值來判斷掘進巷道安全，巷道出口到掘進面迎頭的距離是排煙時間的影響因素；風(fēng)筒口到掘進面迎頭的距離大于風(fēng)筒風(fēng)流的有效射程時，掘進面會出現(xiàn)循環(huán)渦流區(qū)，排煙效果惡化[17]，因此，巷道出口到掘進面迎頭的距離、風(fēng)筒口到掘進面迎頭的距離也是排煙時間的影響因素.

2 排煙時間影響因素灰色關(guān)聯(lián)分析

對排煙時間的影響因素進行權(quán)重分析，為掘進面排煙工作提供參考.查閱歸來莊金礦安環(huán)部相關(guān)的實際通風(fēng)數(shù)據(jù)資料，排煙時間影響因素的數(shù)據(jù)具有“小樣本、貧信息”的特點，利用灰色關(guān)聯(lián)度模型[18]對排煙時間影響因素進行計算與評價.排煙時間的影響因素見表1.

表1 排煙時間主要影響因素

灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣計算結(jié)果為

灰色關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果為：

排煙時間影響因素的灰色關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果可得：4個影響因子對排煙時間的敏感程度排序為X4>X3>X2>X1.巷道出口到掘進面迎頭的距離(X4)對排煙時間的敏感度最大，風(fēng)筒口到掘進面迎頭的距離(X3)對排煙時間的敏感度其次，CO初始體積分數(shù)(X1)對排煙時間的敏感度最小.

3 炮煙監(jiān)測試驗

3.1 工程概況

歸來莊金礦是露天轉(zhuǎn)入地下開采的礦山，采用進路式采礦方法，與巷道掘進工法相似.礦井通風(fēng)方式主要是自然通風(fēng)與兩翼對角抽出式.該金礦不同水平的中段有若干條穿脈巷道，巷道掘進采用鉆爆法，炸藥為2號巖石乳化炸藥，每次起爆量約為36 kg.巷道斷面形狀均為半圓拱，寬約為3.2 m，高約為3.0 m，巷道長度約為120 m.掘進面采用壓入式通風(fēng)方式，風(fēng)筒直徑為40 cm，供風(fēng)量約為2.0～2.5 m3/s，風(fēng)筒懸掛在巷道左側(cè)，中心點距離地面高度約1 m.

3.2 炮煙監(jiān)測系統(tǒng)及試驗設(shè)計

炮煙監(jiān)測系統(tǒng)由軟、硬件系統(tǒng)構(gòu)成.軟件系統(tǒng)包括監(jiān)控軟件平臺、SQL數(shù)據(jù)庫等.硬件系統(tǒng)包括筆記本電腦(監(jiān)控主機)、層間管理主機、閱讀器、路由器及氣體無線傳感器等.炮煙中CO具有含量大、化學(xué)穩(wěn)定性好、易測量等特點[19]，將CO作為監(jiān)測對象能夠很好地反映出炮煙運移情況.考慮到安全及現(xiàn)場實際情況，選擇CO監(jiān)測點位置到掘進面的距離LP不小于40 m布置CO傳感器，風(fēng)筒距離掘進面的距離為LO，掘進巷道炮煙監(jiān)測如圖2所示.

圖2 掘進巷道炮煙監(jiān)測示意

試驗前，先確定好CO傳感器以及其他監(jiān)測設(shè)備的安放位置，然后固定安裝好設(shè)備并調(diào)試運行正常.炮煙監(jiān)測試驗過程中，CO無線傳感器每20 s采集一次巷道中的CO的體積分數(shù)值，存儲在SQL數(shù)據(jù)庫中.監(jiān)控軟件平臺自動實現(xiàn)炮煙監(jiān)測，并對數(shù)據(jù)采集與管理.為保證巷道中CO能充分排出，并達到規(guī)定的安全體積分數(shù)值，炮煙監(jiān)測試驗時間大約持續(xù)2～3 h.炮煙監(jiān)測試驗分5組進行：保持LP不變，每次試驗改變風(fēng)筒口到掘進面的距離LO為10、15、20、25、30 m，目的是在LP不變的情況下監(jiān)測不同LO對排煙時間變化.保持LO不變，分別在巷道出口距離掘進面迎頭距離為40、60、80、100、120 m布置CO傳感器監(jiān)測CO體積分數(shù)值，目的是在LO不變的情況下監(jiān)測不同LP對排煙時間的變化.需要說明的是，炮煙監(jiān)測試驗中監(jiān)測點處CO傳感器監(jiān)測CO體積分數(shù)變化情況可以看作巷道出口處的CO體積分數(shù)變化，監(jiān)測點到掘進面迎頭的距離視作巷道出口到掘進面迎頭的距離.

4 排煙時間計算

當風(fēng)筒口到掘進面迎頭的距離LO=10 m時，CO傳感器布置點到掘進面迎頭的距離LP=40 m處CO體積分數(shù)降低到安全值的時間為t=36 min.當LP=40 m時，LO分別等于15、20、25、30 m的 CO體積分數(shù)變化曲線，如圖3所示.

圖3LP=40 m處不同LO對應(yīng)的CO體積分數(shù)變化曲線

Fig.3 Curves of CO volumetric concentrations inLP=40 m with differentLO

炮煙監(jiān)測試驗分別在LP為40、60、80、100、120 m布置CO傳感器監(jiān)測CO體積分數(shù)衰減到規(guī)定限值的時間，試驗結(jié)果見表2.

表2 不同LO、LP時掘進巷道的排煙時間

由圖4可見，當LO=10、15、20、25、30 m時，巷道掘進長度增加量ΔL=20 m，排煙時間增加量Δt分別為10.0、12.3、15.5、21.0、25.0 min.當LO=10 m時，排煙時間t與LP擬合關(guān)系式為

t=0.505LP+16， 40 m≤LP≤120 m.

(4)

可見，當風(fēng)筒口到掘進面迎頭的距離相同時，巷道出口到掘進面迎頭的距離越長，排煙時間越長；風(fēng)筒口到掘進面迎頭的距離變大，排煙時間增加量變大；排煙時間與巷道出口到掘進面迎頭的距離成線性關(guān)系.

圖4 不同LO時掘進巷道排煙時間

由圖5可見，巷道出口到掘進面迎頭的距離相同時，排煙時間隨著風(fēng)筒口到掘進面迎頭的距離的增加而變長，且隨風(fēng)筒口到掘進面迎頭的距離越長，排煙時間增加量也增大.當風(fēng)筒口到掘進面迎頭的距離小于風(fēng)筒有效射程時，排煙效果最好；當風(fēng)筒口到掘進面迎頭的距離大于風(fēng)筒的有效射程時，排煙效果變差，排煙時間變長.排煙時間系數(shù)是指當巷道出口到掘進面迎頭的距離固定時，風(fēng)筒口到掘進面迎頭的距離大于風(fēng)筒有效射程的排煙時間與風(fēng)筒口到掘進面迎頭的距離小于或等于風(fēng)筒有效射程的排煙時間之比.在炮煙監(jiān)測試驗中，將LO>10 m的排煙時間與LO=10 m的排煙時間的比值為c，c定義為排煙時間系數(shù).LO分別等于10、15、20、25、30 m時，LP分別等于40、60、80、100、120 m時的排煙時間系數(shù)，見表3.

圖5 不同LP時掘進巷道的排煙時間

LO/m排煙時間系數(shù)cLP=40mLP=60mLP=80mLP=100mLP=120m平均值101.001.001.001.001.001.00151.251.231.251.241.221.24201.561.531.551.561.521.54252.031.982.041.982.012.01302.562.492.552.542.512.53

由表3可知，風(fēng)筒口到掘進面迎頭的距離增大，排煙時間系數(shù)相應(yīng)增大.而巷道出口到掘進面迎頭的距離增加，排煙時間系數(shù)變化不大.排煙時間系數(shù)c表征了在風(fēng)筒口到掘進面迎頭距離的大小對掘進面迎頭排煙難易程度.排煙時間系數(shù)c越大，說明掘進面迎頭的排煙效果越差，所需要的排煙時間越長.c與LO的擬合函數(shù)曲線，如圖6所示.

圖6 排煙系數(shù)c與風(fēng)筒口到掘進面的距離LO擬合關(guān)系

Fig.6 Fitting relation between fume-drainage coefficientcand distance of duct to tunnel faceLO

排煙系數(shù)c與LO的擬合關(guān)系式為

c=0.076 6LO+0.133 4，10 m≤LO≤30 m.

(5)

式(5)可以用來估算LO=10～30 m范圍內(nèi)的排煙時間系數(shù).結(jié)合式(4)排煙時間與巷道出口到掘進面迎頭的關(guān)系式，可得排煙時間的計算式為

(6)

對式(6)進行驗證，選取試驗巷道中的3個不同工況點及相同型號的通風(fēng)機、巷道情況相似的其他巷道的2個工況點進行驗證.

由表4可知，式(6)計算的掘進巷道排煙時間與實際排煙時間相對誤差均不超過10%.其中，對試驗巷道3個不同工況點的測算的結(jié)果分別為6.1%、3.8%和5.4%，可能原因有CO體積分數(shù)不均勻、風(fēng)筒風(fēng)量的波動及巷道中機器設(shè)備的變遷等原因；其他兩個情況相似的巷道中的驗證結(jié)果相對誤差分別為8.8%和9.3%，相比較試驗巷道中的相對誤差稍大，其原因可能為局部通風(fēng)機工況點波動、巷道斷面及巷道粗糙度等略微的差異造成的.式(6)對估算爆破后排煙時間有較好的準確性和可靠性.為保證巷道中炮煙排除的更完全及安全性，可將排煙時間乘以一個安全系數(shù)s(1.1-1.2)加以放大.對排煙時間的測算，可為后續(xù)的出渣及掘進循環(huán)工作安排提供一定的參考，為工作人員安全與健康提供保障.當金屬礦山中段中有多條相同設(shè)計的穿脈巷道掘進作業(yè)時，而目前炮煙自動監(jiān)測系統(tǒng)不完善條件下，相比作業(yè)人員盲目進入巷道中進行檢測CO，排煙時間的測算要更有效率性、目的性和安全性.

表4 排煙時間計算式的驗證

5 結(jié) 論

1)對掘進巷道中爆破后排煙問題進行了相關(guān)研究，推導(dǎo)了爆破后掘進面炮煙運移規(guī)律的數(shù)學(xué)表達式，理論上分析了爆破后排煙時間的主要影響因素為炮煙初始體積分數(shù)、風(fēng)筒供風(fēng)量、巷道出口到掘進面迎頭的距離及風(fēng)筒口到掘進面迎頭的距離，并結(jié)合歸來莊金礦通風(fēng)資料數(shù)據(jù)進行灰色關(guān)聯(lián)度計算，得出排煙時間影響因素的敏感性大小排序為：巷道出口到掘進面迎頭的距離(0.827)>風(fēng)筒口到掘進面迎頭的距離(0.738)>風(fēng)筒供風(fēng)量(0.628)>CO初始體積分數(shù)(0.547).

2)在歸來莊金礦穿脈掘進巷道中進行炮煙監(jiān)測正交試驗，研究風(fēng)筒口到掘進面迎頭的距離分別為10、15、20、25、30 m時，巷道出口到掘進面迎頭的距離分別為40、60、80、100、120 m時的排煙時間變化，通過引入排煙時間系數(shù)推導(dǎo)出風(fēng)筒口到掘進面的距離在10～30 m范圍內(nèi)和巷道出口到掘進面迎頭距離在40～120 m時的排煙時間表達式，以測算該工況范圍內(nèi)的排煙時間.

3)對試驗巷道及巷道情況相似的其他2個巷道共5個不同工況點進行排煙時間驗證，相對誤差分別為6.1%、3.8%、5.4%、8.8%、9.3%.排煙時間公式有較好的準確性和可靠性，可用來測算相似設(shè)計施工的巷道在此工況范圍內(nèi)的排煙時間，為作業(yè)人員安全與健康提供保障，也為掘進循環(huán)工作安排提供參考.

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(編輯 張 紅)

Calculation of fume-drainage time of tunnel after blasting

CAO Yang1, JI Hongguang1, ZHOU Qiming2

(1.School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2.Guilaizhuang Mining Co., Ltd., Shandong Gold Group, Linyi 273307, Shandong, China)

To research fume-drainage time of tunnel after blasting, the formula of removal law of blasting fume in tunnel is deduced. Through calculating the grey correlation degree of influential factors of fume-drainage time, the ranking results of sensitive degree of main influential factors are: distance of entrance to tunnel face (0.827)>distance of duct to tunnel face(0.738)>air flow in duct(0.628)>initial volumetric concentration of CO in blasting fume(0.547). Blasting fume monitoring tests were conducted in tunnel to study the fume-drainage time when the distance of duct to tunnel faceLOare respectively 10，15，20，25，30 m and the distance of entrance to tunnel faceLPare respectively 40, 60, 80, 100, 120 m under the condition of forced ventilation. Research findings reveal that: fume-drainage time increases with the longer distance of entrance to tunnel face. The fitting result of the both is linear relation; fume-drainage time shows nonlinear rise with the addition of the distance of duct to tunnel face. The fitting result of fume-drainage coefficientcandLOis linear relation, and calculation formulas of fume-drainage time in different working condition are concluded. Verification of equation is carried out in 5 tested similar tunnels. And relative errors are respectively 6.1%, 3.8%, 5.4%, 8.8%, 9.3%, which have remarkable accuracy and reliability.

tunnel; blasting fume; fume-drainage time; influential factor; fume-drainage time coefficient

10.11918/j.issn.0367-6234.201605096

2016-05-23

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAK09B07)

曹 楊(1988—)，男，博士研究生; 紀洪廣(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

紀洪廣，jihongguang@ces.ustb.edu.cn

X9

A

0367-6234(2017)08-0135-06