某斜坡道掘进爆破毒气浓度演变规律分析*

2022-03-18明仪海豹陈能革汪

现代矿业 2022年2期

李明仪海豹陈能革汪禹

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；2.马鞍山矿山研究院爆破工程有限责任公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室；4.安徽马钢矿业资源集团有限公司）

本研究以某地下矿山斜坡道掘进爆破为研究对象，采用现场爆破有毒有害气体监测的方法，对正常通风情况下巷道内爆破毒气的浓度变化规律进行分析，为炮烟控制提供指导。

1 工程概况

某地下矿山矿区内基岩出露差，多被第四系掩盖；钻孔揭露地层由老至新主要有三叠系中统周冲村组（T2z）、黄马青组（T2h），侏罗系中、下统象山群（J1-2xn）、白垩系下统姑山组（K1g）及第四系全新统（Q4）。现场试验地段为垩系下统姑山组（K1g），岩性为蚀变安山岩、变砂岩、（变）凝灰岩、安山质火山角砾岩、变含砾凝灰质粉砂岩、变粉砂岩、黏土岩、角砾岩、（变）复成分角砾岩等。

矿山斜坡道为三心拱断面，断面尺寸为4.4 m×4.0 m（宽度×高度），采用爆破方式进行开凿。掘进爆破过程中，产生大量的有毒有害气体，主要为一氧化碳和氮的氧化物［11-13］，弥漫分布在整个掘进巷道内，对生产作业人员的职业健康和生命安全构成严重威胁。需要掌握有害气体浓度动态演变规律，指导现场工作面通风时间控制、爆后支护和铲装作业开始时间等。

2 坡道掘进爆破参数

斜坡道掘进采用CYTJ76 型矿用液压掘进钻车进行凿岩，采用直眼掏槽方式，孔径为42 mm，孔深为3.3 m。使用岩石乳化炸药爆破，药卷直径为32 mm，药卷长度为300 mm；采用非电导爆管雷管起爆网路。爆破参数及起爆顺序见表1。

3 爆破有毒有害气体现场监测

3.1 爆破毒气对人体危害

《工业炸药通用技术条件》（GB 28286—2012）规定［14］：煤矿许用型炸药和用于井巷爆破工程作业场所的岩石型炸药爆炸后，有毒气体含量应不大于50 L/kg；用于非井巷爆破工程作业场所的岩石型炸药爆炸后，有毒气体含量应不大于70 L/kg。爆破气体性质及危害如下。

CO 浓度较高时能使人出现不同程度中毒症状，主要原因是CO 与血红蛋白可逆性结合引起缺氧。当CO 浓度为200 ppm 时，2～3 h 内可能会导致轻微的前额头痛；达到800 ppm时，2 h内昏迷，可能死亡。

NO 是一种血液毒物，可产生中枢神经麻痹和痉挛。当NO 允许的暴露浓度为25 ppm；达到200～700 ppm时，短时间暴露就会导致人员死亡。

NO2是一种棕红色、有刺激性气味的有毒气体，主要损害呼吸道，表现为神经衰弱综合征及慢性呼吸道炎症等慢性影响。

在资源能力方面，有形资源和无形资源的权重依次为0.667、0.333，说明有形资源能力影响效果较大，无形资源影响效果略微；在管理能力方面，资源协调与经营管理具有相同的权重，说明其影响效果相同；在技术能力方面，核心技术水平与技术创新能力的权重依次为0.667、0.333，说明核心技术水平具有更大的影响力；在运营能力方面，市场营销与产品服务的权重依次为0.333、0.667，说明产品服务能力具有更高的影响力。

SO2具有无色、有刺激性臭味，浓度在400～500 ppm时，会出现溃疡和肺水肿，直至窒息死亡。

H2S 是一种强烈的神经毒素，当浓度达到10 ppm时，开始刺激眼球；达到500～700 ppm 时，人员失去知觉、呼吸停止，甚至死亡。

NH3无色，具有强烈的刺激气味，当浓度为50～100 ppm 时，引起眼脸肿起、结膜炎、呕吐、刺激喉部；达到100～500 ppm时，稍长时间会引起人员死亡。

3.2 爆破毒气监测方案

为掌握掘进斜坡道爆破有毒有害气体浓度的演变规律，指导现场安全生产作业，在距离工作面200 m的斜坡道侧壁上安装了CO、CO2、NO、NO2、NH3、H2S 和SO2共计7种气体监测传感器［15-16］，建立了有毒有害气体实时在线监测系统，现场安装如图1所示。

3.3.1 爆破毒气浓度整体变化规律

由于爆破炮烟的排出既有主风流的运移作用，又有风流的紊流扩散作用，是紊流变形和扩散稀释的综合作用过程。随着掘进巷道长度的增加，炮烟带的体积不断扩大，且炮烟带在运移过程中与新鲜风流不断置换，使巷道中炮烟浓度逐渐降低，从而使炮烟带浓度达到安全值。现场监测数据见图2。

由图2 可以发现，斜坡道工作面爆破后，产生大量的爆生气体；随着通风时间的延长，爆破气体逐渐扩散到监测点位置，进而在气体传感器中显示出各种气体的浓度变化。根据现场测量数据可知，爆破产生的气体包括CO2、CO、NO、NH3和H2S，未见NO2和SO2；且CO2为主要爆生气体。同时，爆生气体浓度随着时间的延续可以明显地分为2个阶段，分别为爆破通风阶段和铲运阶段。

考虑到CO2是一种空气污染气体，不是重点关注的爆破有毒有害气体，故主要对CO、NO、NH3和H2S进行分析。爆破气体浓度大小顺序依次为CO＞NO＞NH3＞H2S；CO 是最主要的爆破有毒有害气体，在时间为1 660 s时达到峰值浓度827.2 ppm，与其他有毒气体存在明显的数量级区别。由于掘进工作面温度高、湿气较大，NO2与水分子作用易形成硝酸（HNO3），而SO2易溶于水，故未测到NO2与SO2。整体而言，通风35 min 后的爆破有毒有害气体基本可以排出完毕，可以达到下一步铲装运输的安全要求。

3.3.2 通风和铲运阶段爆破毒气分布规律

随着通风时间的延长，CO 浓度呈现明显的先升高后降低的趋势，且升、降幅度十分明显，说明爆破通风对于降低CO浓度具有显著作用。

在爆破通风阶段，NO 浓度表现为先小幅阶梯形增大后迅速降低的变化趋势。在铲运阶段，NO 浓度受运输车辆通行影响明显，呈现出上下震荡性波动现象，且NO 浓度峰值超过了炸药爆破产生的NO 浓度；分析认为，运输车辆尾气中存在较高浓度的NO，进而影响其浓度变化。

NH3浓度变化规律见图3。在爆破通风阶段，NH3浓度峰值稍滞后于NO，依然呈现先增大后降低的趋势，峰值浓度为5.35 ppm；但NH3上升幅度明显大于降低幅度；分析认为，NH3密度小、飘散移动速度慢，故滞后于NO到达毒气监测仪，且降低幅度小于NO。在铲运阶段，受到运输车辆通行的影响，NH3浓度产生小幅度的波动变化，但浓度变化幅度较小，说明运输车辆通行时产生微量的NH3，但相比爆破产生的可以忽略。

H2S 浓度变化规律见图4。在爆破通风阶段，H2S浓度整体呈现先增大后降低的趋势，且在时间1 585 s时达到峰值浓度0.23 ppm，说明通风对于降低H2S 浓度具有显著作用。在铲运阶段，H2S 浓度表现出明显的波动现象，且H2S 浓度明显超过爆破产生的，分析认为运输车辆通行时产生较多的H2S，进而导致H2S浓度的上下震荡性变化。

3.3.3 爆破有毒有害气体的占比分析

为进一步分析在2 个阶段各种爆破有毒有害气体的占比情况，绘制了各种气体占比与时间的关系曲线，见图5。可以看出，随着时间的持续，CO、NO、NH3这3种气体的占比变化落差较大；其中CO为先增大后降低趋势，NO 为先增大后降低再增大趋势，NH3为整体逐渐减小趋势。H2S 含量总体较小，在爆破通风阶段的占比微乎其微；在铲运阶段占比呈现增大趋势，但总在5%以内，其中在时间为4 160 s时达到最大值4.92%。