丁 翠，唱 斗，李 坤

(1.中国劳动关系学院安全工程学院，北京 100048；2.矿冶科技集团有限公司，北京 102628)

穿爆作业是露天矿山开采的重要工序，特别是深孔爆破技术由于其可有效提高采矿效率和施工安全系数，广泛应用于露天矿开采[1]。露天爆破产生的炮烟中含有CO、氮氧化物(NO、NO2)、H2S等有毒有害气体[2]，由于深凹露天矿山的采掘工作面主要在封闭圈以下，而深凹露天矿山的特殊结构又导致大气风流对露天采坑内的通风产生较为复杂的影响，爆破炮烟扩散速度较慢，对作业人员生命安全与健康构成严重威胁。杜翠凤等[3]采用数值模拟方法对深凹露天矿山采坑内风流场的影响因素进行了研究，获得了大气风速和边坡角对复环流结构的影响规律。张瑞明等[4]研究了在不同自然风速条件下，人工通风对深凹露天矿复环流空气交换率的影响，研究表明人工通风可有效改善深凹露天矿矿坑内风流场。汤万钧等[5]对露天矿内粉尘聚集的影响因素和聚集机理进行了研究，发现逆温现象以及逆温强度是评价粉尘聚集污染程度的主要因素。梁敏阳[6]采用现场监测和数值模拟方法研究了不同风速和温湿度对露天矿坑内粉尘浓度的影响，获得了冬季采场内粉尘的扩散分布规律。综上，目前的研究主要集中于对深凹露天矿矿坑内风流场的分布规律以及粉尘的污染扩散等方面，对于炮烟扩散规律的研究较少。同时现有露天矿山爆破后进行生产组织主要还是依据经验，对于炮烟在露天采坑内的分布情况了解较少，导致发生炮烟中毒窒息事故的风险较高，因此，研究深凹露天矿爆破后炮烟的运移扩散特点，特别是爆破位置对于炮烟扩散的影响，对于进一步制定合理的爆破作业管理制度和通风措施，以及保障作业人员生命安全具有重要意义。

1 矿山概况及模型构建

1.1 矿山概况

本文研究对象为国内某深凹露天矿山，该矿山位于寒温带大陆性季风气候区，夏短冬长，冻结期持续近八个月，最高气温为37.0 ℃，最低气温为-43.7 ℃；年平均气温为1.1～1.8 ℃，年降水量为531～586 mm，雨季为每年6月到8月，年蒸发量为869～990 mm；矿区处于高寒地区，季节性冻土的深度为1.5～2.5 m；冻结期为每年9月中旬至次年5月下旬；全年平均风速为3.0 m/s，最高风速为15.0 m/s。

1.2 模型构建

1.2.1 深凹露天矿山物理模型

根据实际深凹露天矿山的安全设施设计，构建深凹露天矿山几何模型并简化，如图1所示。该深凹露天矿山封闭圈直径为210 m，封闭圈以下采坑深度为90 m，坑底宽度50 m，台阶高度15 m，台阶宽度10 m，台阶坡面角约71°，在封闭圈以上设置长方形空气层作为大气风流进出口，空气层长×高为290 m×80 m。

图1 深凹露天矿山几何模型Fig.1 The model of deep open-pit mine

1.2.2 模拟工况及参数确定

深凹露天矿山爆破位置的不同，导致炮烟的扩散路径、扩散时间以及聚集位置也有所不同，因此本文研究中假设爆破点分别位于迎风侧和背风侧距采坑底部15 m、45 m及75 m等3个爆破面上共6个位置(图1)。根据该深凹露天矿山的实际情况，全年平均风速3.0 m/s，大气自然风速采用全年平均风速，为3.0 m/s，爆破参数为：一次爆破一排，每排布10个孔，孔间距为1.8 m，单孔炸药量120 kg。本文研究炮烟成分简化为CO，由此模拟研究不同爆破点下CO扩散规律。

1) 参数计算。本文重点研究露天爆破产生的炮烟在采坑内的扩散规律，因此首先需要确定炮烟抛掷长度和炮烟初始浓度。炮烟抛掷长度可由式(1)和式(2)计算得到[7-8]。

R=k×w1/3

(1)

(2)

式中：R为炮烟抛掷长度，m；k为系数，露天矿取30 m；W为最小抵抗线，m；D为钻孔直径，取110 mm；Δ为装药密度，kg/m3，一般取900；H为台阶高度，m；L为钻孔深度，m，L=H+h(h为钻孔超深，取2 m)；τ为装药长度系数，当H<10 m时，取0.6 m；当H=10～15 m时，取0.5 m；当H>15 m时，取0.4 m；e为炸药换算系数，2号岩石硝铵炸药取1；q为炸药单位消耗量，kg/m3，取1 kg/m3；m为炮孔密度系数，一般取0.8～1.2。

爆破后炮烟初始浓度可由式(3)计算得到[9]。

(3)

式中：Φ为炮烟初始浓度，%；M为爆破消耗的炸药量，kg；θ为1 kg炸药爆破时炮烟折算成CO体积，m3，2号岩石硝铵炸药取35.35×10-3m3/kg；A为爆破区域面积，m2；R为炮烟抛掷长度，m。

2) 边界条件及假设。由图1可知，大气风流入口采用速度入口，假设空气和炮烟为不可压缩气体并考虑重力的作用，忽略露天采坑内运输车辆等相关机械设备以及相关工作人员的影响，采用标准k-ε模型和非稳态输运方程模拟爆破之后炮烟的动态运移过程。

2 炮烟扩散运移规律分析

2.1 露天矿坑内风流场特征

露天采坑内风流场是影响炮烟扩散运移的主要因素，因此首先对采坑内风流场特征进行分析。图2给出了爆破后通风15 min时不同爆破位置下采坑内风流场的速度矢量图。

图2 爆破后15 min不同爆破位置下矿坑内速度矢量图Fig.2 Velocity vector diagram in open pit under different blasting locations 15 min after blasting

由图2可知，在不同爆破位置下，矿坑内风流分布均出现了复环流结构，与文献[3]所描述的深凹露天矿复环流结构基本一致。位于背风侧的爆破点1、爆破点2和爆破点3工况下的露天采坑内风流结构较为类似，均出现了上下两个复环流，其中大复环流速度矢量均为顺时针旋转，爆破点1的大复环流中心位置大约距离矿坑中心对称轴右侧25 m，反向最大回流速度达到1.18 m/s，；爆破点2的大复环流中心位置距离矿坑中心对称轴右侧15 m，反向最大回流速度达到1.10 m/s；爆破点3的大复环流中心位置距离矿坑中心对称轴18 m，反向最大回流速度达到1.30 m/s。由此可知，随着背风侧爆破点与采坑底部距离的缩短，大复环流中心位置与采坑中心对称轴的距离呈现先减少后增大的规律，同时小复环流影响的范围也呈现先减小后增大的规律，小复环流影响范围与大复环流反向最大回流速度呈现正相关关系。进一步分析可知，爆破点1和爆破点3由于小复环流影响范围较大，且大复环流距离爆破点位置较远，这两个爆破点位置对于爆破炮烟扩散不利。

位于迎风侧的爆破点4、爆破点5和爆破点6工况下的露天采坑内风流结构类似，均形成一个复环流，其复环流结构基本相同，复环流中心位置大约距离矿坑底部60 m，距离矿坑中心对称轴右侧25.5 m。矿坑内复环流厚度90 m，基本覆盖整个矿坑，坑底5 m高度范围内风速大约为0.80 m/s，反向最大回流速度达到1.15 m/s。同时对比分析迎风侧和背风侧的爆破点工况下的模拟结果可知，背风侧的3个工况下均出现了双复环流，迎风侧的3个工况下均出现一个复环流，因此爆破点位于背风侧时，露天采坑内的风流结构更加复杂，风流特征更加紊乱，相比于迎风侧，其风流扩散尤其是采坑底部的风流扩散条件较差，不利于爆破炮烟的稀释扩散。

根据文献[3]可知，复环流结构主要受到边坡角、风速、露天矿深度等因素影响，在不同爆破位置下模拟的露天矿坑几何尺寸以及风速完全一致，但是其复环流结构有些许差异，因此露天采坑内的复环流结构还受到爆破的影响，爆破点位置是影响露天采坑内风流结构特征的重要因素。

2.2 爆破位置对炮烟扩散影响分析

2.2.1 炮烟分布及扩散规律

为了进一步研究露天矿山爆破后，露天采坑内炮烟随时间的运移扩散规律，以爆破点5为例，分析了爆破后不同时刻露天采坑内的炮烟分布规律。图3给出了爆破点5工况下露天采坑内炮烟浓度分布随时间的变化云图。

图3 爆破点5工况下不同时间矿坑内炮烟浓度分布图Fig.3 The distribution of blasting fume concentration in pit at different time under blasting location 5

由图3可知，随着爆破后时间推移，露天采坑内的炮烟浓度逐步降低，炮烟由爆破区域逐渐向露天采坑底部运移，并逐步聚集在露天采坑背风侧，且炮烟浓度逐渐趋于均匀，在2 170 s时最高浓度已低于安全浓度24 ppm[10]，高浓度炮烟主要聚集在背风侧上部台阶。结合图2(e)可知，由于露天采坑内在爆破点5上方形成了复环流，且复环流中心位置与爆破点5的距离较近，因此爆破产生的炮烟受复环流影响，炮烟逐步运移至台阶背风侧，炮烟浓度逐渐趋于均匀且高浓度炮烟聚集在背风侧上部台阶。为了进一步定量分析爆破后炮烟浓度随着时间的变化规律，研究了爆破点5工况下，露天采坑内炮烟最高浓度随时间的变化，如图4所示。

由图4可知，爆破点5工况下露天采坑内的炮烟最高浓度随着时间增加逐渐下降，并呈现出三个阶段的下降趋势。第一个阶段由爆破伊始至250 s，露天采坑内的炮烟最高浓度由20 326 ppm急剧下降至564 ppm；第二个阶段由250 s至610 s，炮烟最高浓度由564 ppm快速下降至86 ppm；第三个阶段由610 s至2 170 s，炮烟最高浓度呈现缓慢下降趋势，由86 ppm逐渐降至20.4 ppm，降至24 ppm所需时间为2 010 s。

图4 爆破点5工况下矿坑内炮烟最高浓度随时间变化情况Fig.4 The variation of the maximum blasting fume concentration in pit with the time under blasting location 5

图5为不同爆破点矿坑内炮烟最高浓度随时间变化情况。由图5可知，对于不同爆破点工况，露天采坑内的炮烟最高浓度均随着时间变化而逐渐下降，但下降的速率逐步减小，呈现三个阶段的下降趋势。出现这样现象的主要原因为：由于大气风流的影响，不同爆破点位置下露天采坑内均出现了复环流，爆破后初始阶段，炮烟受复环流的影响较大而迅速扩散，因此炮烟最高浓度呈现快速下降趋势，而随着炮烟逐步运移至采坑底部和背风侧，复环流主要位于采坑的中部或迎风侧，因此炮烟受复环流的影响逐步减小，炮烟最高浓度下降的速度亦逐步减小。

图5 不同爆破点矿坑内炮烟最高浓度随时间变化情况Fig.5 The variation of the maximum blasting fumeconcentration in pit with the time underdifferent blasting locations

2.2.2 不同爆破点炮烟扩散对比分析

根据露天矿山企业实际情况，爆破后通常需要通风15 min方可进行铲装运输作业，因此为了更好地指导爆破后工作人员的安全作业，分析了爆破后15 min时不同爆破位置下炮烟最高浓度的变化规律，如图6所示。由图6可知，背风侧的三个爆破点位置下露天采坑内的炮烟最高浓度远高于迎风侧三个爆破点位置下的炮烟最高浓度。对于背风侧，随着爆破位置与采坑底部距离的缩短，炮烟最高浓度呈现先降低后增加的规律；对于迎风侧，随着爆破位置与采坑底部距离的缩短，炮烟最高浓度呈现缓慢增加的趋势，与2.1部分分析基本一致。 爆破后15 min，爆破点4的炮烟最高浓度低于24 ppm安全浓度，其他爆破点均高于安全浓度。

图6 爆破后15 min不同爆破位置下炮烟最高浓度Fig.6 The maximum blasting fume concentration underdifferent blasting locations 15 min after blasting

为了进一步研究爆破点位置对炮烟扩散的影响，图7给出了在不同爆破点工况下露天采坑内炮烟浓度降至24 ppm安全浓度所需时间。由图7可知，爆破点位置显著影响炮烟浓度降低至安全浓度的时间。爆破点在背风侧时，炮烟浓度降至24 ppm安全浓度所需时间远大于爆破点位于迎风侧时，其中，爆破点4所需时间最少，仅为314 s，而爆破点1所需时间最长，为4 360 s。爆破位置处于背风侧时，随着爆破位置与采坑底部距离的缩短，爆破炮烟扩散至24 ppm安全浓度所需时间呈现先减少后增加的规律，主要是由于复环流结构的不同所导致，相比于爆破点2，爆破点1和爆破点3在采坑底部形成的小复环流影响范围更大，因此矿坑底部炮烟不易排出。爆破位置处于迎风侧时，爆破炮烟扩散至24 ppm所需时间随着爆破位置与采坑底部距离的缩短而增加，主要是由于爆破炮烟所在位置不同导致，爆破位置与采坑底部距离越短，炮烟扩散受到复环流影响越小，降至安全浓度所需时间越长。

图7 不同爆破点工况下露天采坑内炮烟浓度降至24 ppm所需时间Fig.7 The required time of the blasting fumeconcentration descending to 24 ppm underdifferent blasting locations

3 结 论

基于实际深凹露天矿山，采用非稳态数值分析方法研究了不同爆破位置对露天采坑内爆破炮烟扩散及分布的影响规律，主要结论如下所述。

1) 爆破点位置是影响露天采坑内风流结构特征的重要因素。不同爆破点位置，露天采坑内均出现复环流：爆破点位于背风侧时，露天采坑内形成双复环流，大复环流中心位置与采坑中心对称轴的距离呈现先缩短后增大的规律，小复环流影响范围与大复环流反向最大回流速度呈现正相关关系；爆破点位于迎风侧时，露天采坑内均形成单复环流，风流结构相比于背风侧时更加简单，更有利于爆破炮烟的扩散稀释。

2) 随着爆破后时间推移，露天采坑内的炮烟浓度逐步降低，炮烟由爆破区域逐渐向露天采坑底部运移，并逐步聚集在露天采坑背风侧，建议爆破后避免人员聚集此处；对于不同爆破点工况，露天采坑内的炮烟最高浓度均随着时间变化而逐渐下降，但下降的速率逐步减小，呈现三个阶段的下降趋势；对于爆破点4，爆破后15 min人员可开展相关生产作业，而对于其他爆破点，则需要进一步延长通风时间。

3) 背风侧的三个爆破点位置下露天采坑内的炮烟最高浓度和降至安全浓度所需时间远高于迎风侧三个爆破点位置。对于背风侧，随着爆破位置与采坑底部距离的缩短，炮烟最高浓度及降至安全浓度所需时间先减少后增加；对于迎风侧，炮烟最高浓度及降至安全浓度所需时间随着爆破位置与采坑底部距离的缩短而增加。