摘要 為了掌握隧道掘進(jìn)爆破粉塵的運(yùn)移規(guī)律，以某工程隧道掘進(jìn)爆破為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法，分析了隧道內(nèi)氣流場(chǎng)的分布規(guī)律，揭示了粉塵濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律，明確了不同粒徑粉塵的沿程沉降特征，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明：爆破后2～6 s內(nèi)，粉塵非常密集；爆破10～100 s內(nèi)，粉塵在氣流作用下逐漸擴(kuò)散；爆破產(chǎn)生的大顆粒會(huì)在重力作用下快速沉降而停止運(yùn)動(dòng)，而小顆粒會(huì)在風(fēng)流作用下繼續(xù)在巷道流動(dòng)。

關(guān)鍵詞 粉塵濃度；隧道爆破；運(yùn)移規(guī)律；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào) U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）18-0051-04

0 引言

鉆爆法是隧道工程中應(yīng)用最廣泛、性價(jià)比最高的開(kāi)挖工程施工方法之一，但在爆破過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量濃度極高的粉塵。高濃度粉塵不僅極大地影響了隧道施工的安全和進(jìn)度，而且對(duì)作業(yè)人員的身體健康會(huì)造成嚴(yán)重威脅。如何快速有效地引入新鮮風(fēng)流稀釋并排出隧道內(nèi)的粉塵是隧道施工通風(fēng)的重要環(huán)節(jié)。YU H等[1]利用數(shù)值模擬技術(shù)研究了爆破后硐室采場(chǎng)因通風(fēng)而產(chǎn)生的粉塵質(zhì)量濃度變化，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了模擬的可靠性。林榮漢等[2]研究了高海拔礦山隧道掘進(jìn)工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律并優(yōu)化了通風(fēng)除塵系統(tǒng)。王應(yīng)權(quán)[3]結(jié)合實(shí)際工程分析了長(zhǎng)大鐵路隧道施工通風(fēng)方案的選擇及優(yōu)化。曹正卯等[4]指出石隧道爆破中，炸藥發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊波，隧道內(nèi)的粉塵主要是沖擊波作用產(chǎn)生的。該文采用數(shù)值模擬方法，分析了隧道爆破后粉塵濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律以及不同粒徑粉塵的沉降規(guī)律，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果可為類(lèi)似隧道爆破粉塵防控提供理論依據(jù)。

1 工程概況

該文以某工程隧道掘進(jìn)爆破為研究對(duì)象，該隧道圍巖為Ⅳ級(jí)，隧道入口處，已使用大型掘進(jìn)機(jī)進(jìn)尺30 m左右，由于巖石結(jié)構(gòu)改變，巖石硬度變高，掘進(jìn)機(jī)已無(wú)法使用，故決定采用爆破的方式開(kāi)挖。隧道采用半圓拱斷面，斷面尺寸為凈寬5.2 m×高度4.2 m。設(shè)計(jì)爆破參數(shù)如圖1所示。

2 粉塵顆粒運(yùn)動(dòng)的控制方程

在計(jì)算隧道爆破粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡的過(guò)程中，只考慮了重力和阻力的影響，其他力可以忽略不計(jì)。粉塵顆粒運(yùn)動(dòng)的平衡方程為：

為了獲得粒子的湍流擴(kuò)散規(guī)律和粉塵濃度分布，在分段時(shí)間內(nèi)對(duì)瞬時(shí)速度進(jìn)行積分，即以離散的時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行積分，從而得出粒子軌跡方程。

3 幾何模型的建立與求解

3.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

在對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果影響不大的情況下，為了更方便物理建模，將粉塵輸送空間適當(dāng)簡(jiǎn)化如下：（1）將隧道簡(jiǎn)化為一個(gè)截面半徑為4 m、長(zhǎng)度為100 m的半圓拱空間；（2）考慮風(fēng)管氣流對(duì)粉塵的影響，不考慮隧道內(nèi)其他設(shè)備的影響；（3）其他工序產(chǎn)生的粉塵和底板的升降不考慮[5]。

基于以上的簡(jiǎn)化和假設(shè)，利用solidworks軟件，以實(shí)際巷道爆破空間為基礎(chǔ)，按1∶1的比例建立三維幾何模型。其中，隧道風(fēng)管懸掛在隧道右上方，直徑1 m，距底板距離3 m，風(fēng)管出口至掌子面距離20 m。幾何模型結(jié)果如圖2所示。

3.2 仿真參數(shù)及邊界條件設(shè)置

通過(guò)廣泛查閱隧道爆破粉塵輸運(yùn)特性、輸運(yùn)徑分布的相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合煤礦巷道領(lǐng)域的相關(guān)研究[6-7]，得到離散相模型參數(shù)、噴射源參數(shù)的邊界條件，根據(jù)Fluent軟件中離散相模型設(shè)置的要求。數(shù)值模擬參數(shù)如表1所示。

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

4.1 隧道內(nèi)氣流場(chǎng)分布分析

爆破粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)一般都發(fā)生在連續(xù)相的氣流場(chǎng)中。為了研究粉塵在巷道中的分布規(guī)律，設(shè)置風(fēng)管的出口為速度入口，入口速度為20 m/s。隧道內(nèi)氣流場(chǎng)分布圖3所示。

（1）氣流從風(fēng)管?chē)姵?，沿著隧道右?cè)朝向掌子面方向，與掌子面相撞后向隧道左側(cè)外流，在風(fēng)道出口和掌子面之間形成了回流區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，部分回流氣流受到?jīng)_擊和混合，與出口的氣流融合，導(dǎo)致原有的氣流場(chǎng)遭受強(qiáng)烈擾動(dòng)，形成了高度湍流的渦流區(qū)域。

（2）大部分的氣流在與掌子面相碰后從漩渦區(qū)回流，但隨后繼續(xù)向前流動(dòng)。在距離掌子面30 m處，氣流速度逐漸減小，氣流場(chǎng)分布逐漸趨于穩(wěn)定和均勻。風(fēng)流速度基本穩(wěn)定在每秒0.5 m左右。

（3）風(fēng)流初速度為20 m/s。在與周?chē)吔鐚舆M(jìn)行動(dòng)量交換后，風(fēng)速逐漸減小。在整個(gè)隧道流場(chǎng)中，風(fēng)速在漩渦區(qū)具有最大風(fēng)速，其次是過(guò)渡區(qū)，而在穩(wěn)定區(qū)的風(fēng)速則較小且均勻。

4.2 粉塵濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律

將掌子面設(shè)置為粉塵面，并給予粉塵4 s的釋放時(shí)間。切割高度為Y=1.5 m（呼吸帶高度）的水平面作為濃度峰值監(jiān)測(cè)面，觀察該平面上5 s、10 s、30 s、60 s、100 s處粉塵濃度峰的分布格局，如圖4所示。

（1）隧道爆破時(shí)產(chǎn)生的大量粉塵從掌子面高速噴入巷道。此時(shí)粉塵濃度高達(dá)400 mg/m3。在2～6 s內(nèi)，爆破粉塵的濃度密集，大部分聚集在掌子面附近。在粉塵的初速度和風(fēng)速的作用下，爆破粉塵迅速擴(kuò)散，最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離約為30 m。

（2）爆破10～100 s內(nèi)，粉塵在氣流作用下逐漸擴(kuò)散，并且在重力作用下發(fā)生沉降，導(dǎo)致巷道內(nèi)粉塵濃度變得稀疏。未發(fā)生沉降的顆粒在整個(gè)巷道內(nèi)隨機(jī)分布。

（3）隨著時(shí)間的推移，在100 s左右整個(gè)巷道粉塵濃度逐漸減少。粉塵在隧道壁面附近存在明顯的粉塵聚集現(xiàn)象。

4.3 不同粒徑粉塵沿著隧道分布規(guī)律

Rosin-Rammler分布函數(shù)是描述粉塵粒徑分布最權(quán)威的模型和方法[8-9]。該文采用離散相模型，粒徑滿足R-R分布。不同粒徑顆粒隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示。

（1）爆破產(chǎn)生的大顆粒粉塵在掌子面附近區(qū)域沉降，而小顆粒粉塵大部分隨著壓入的氣流流動(dòng)到整條隧道中。

（2）顆粒的粒徑越大，其沉降速度越快，沉降時(shí)間越短。36 μm以上的粉塵顆粒大部分在距掌子面30 m范圍內(nèi)就已發(fā)生沉降，12～31 μm范圍內(nèi)有小部分粉塵顆粒能夠沉降，在通風(fēng)100 s后粉塵已經(jīng)運(yùn)移到隧道出口，隧道內(nèi)均為18 μm以下的粉塵顆粒。

（3）隨著時(shí)間的推移，留存在隧道空間中的粉塵顆粒直徑逐漸減小，而且總體粉塵顆粒數(shù)量也逐漸減少。粉塵顆粒擴(kuò)散到30 m、60 m和100 m分別需要10 s、40 s和100 s左右的時(shí)間。

4.4 數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證

該實(shí)驗(yàn)使用了CCZ3000直讀式粉塵濃度測(cè)量?jī)x測(cè)量隧道爆破后的瞬時(shí)揚(yáng)塵濃度。在隧道粉塵濃度監(jiān)測(cè)工作之前，首先利用測(cè)距設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，后對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，在距掌子面10 m和50 m分別布置兩臺(tái)儀器。在爆破前儀器開(kāi)始工作，直到工作人員可以進(jìn)入工作面關(guān)閉儀器。儀器所測(cè)得斷面數(shù)據(jù)如表2所示。

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，優(yōu)化模擬參數(shù)的設(shè)置，將斷面粉塵濃度的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖6和圖7所示。

從圖6和圖7可以看出，粉塵濃度數(shù)值模擬結(jié)果在趨勢(shì)上與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，誤差在可控范圍內(nèi)，從圖中得出誤差較小，模擬結(jié)果可信。但兩者的數(shù)值還存在一定的誤差，這主要是由于仿真參數(shù)設(shè)置與實(shí)際工程背景條件仍然存在一定差異，并且現(xiàn)場(chǎng)干擾的因素也會(huì)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)果造成一定的影響。對(duì)比分析表明，該文所用的數(shù)值模擬方法準(zhǔn)確可信。

5 結(jié)論

該研究在氣固兩相流理論研究和空氣流場(chǎng)模擬的基礎(chǔ)上，利用Fluent軟件對(duì)隧道施工中爆破粉塵濃度變化和粒徑分布進(jìn)行了分析模擬。并將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。可得出以下結(jié)論：

（1）隧道掘進(jìn)爆破后，爆破粉塵會(huì)在沖擊波及高壓氣體的作用下高速噴入隧道，并隨風(fēng)流擴(kuò)散至隧道口。揚(yáng)塵濃度隨著時(shí)間的推移逐漸降低。粉塵濃度在6～40 s內(nèi)下降最快，40 s后開(kāi)始緩慢下降。在爆破100 s后，巷道內(nèi)大部分區(qū)域粉塵濃度降到10 mg/m3以下。

（2）在風(fēng)流作用下，粉塵顆粒會(huì)沿隧道沉降、被捕獲或排除。大顆粒首先在重力作用下迅速沉降，而小顆粒則在隧道內(nèi)隨機(jī)流動(dòng)，并隨著氣流繼續(xù)向前擴(kuò)散。

（3）仿真結(jié)果表明，爆破粉塵量大，自然條件下難以降低。在距工作面0～46 m粉塵濃度最大，在此范圍內(nèi)采取除塵措施，如布置水霧降塵設(shè)備，可以得到理想的除塵效果，除塵措施宜在爆破后10～100 s快速實(shí)施。

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