地下巷道钻爆开挖过程中炮烟扩散及通风.pdf

收稿日期 苏利军 男， 年出生， 硕士研究生； 武汉 武汉水利电力大学水电学院施工教研室 （ ） 文章编号 （ ） 地下巷道钻爆开挖过程中炮烟扩散及通风 苏利军卢文波 （武汉水利电力大学武汉市 ） 摘要地下工程钻爆开挖过程中， 通风排烟是重要的一环。本文以费克定律为基础， 得出了炮烟扩 散过程中有毒气体浓度的时空分布表达式。并针对吸出式通风， 讨论了可能出现的炮烟停滞区中炮 烟浓度的计算方法。 关键词地下巷道； 爆生气体； 炮烟浓度； 通风排烟 中图分类号 文献标识码 （ ， ） “ ’ ’ * , ， ’ ， - ’ ；’ ； ’ ； 概述 目前， 在地下工程的开挖中， 钻爆开挖作为一种经济高效的施工手段， 已经得到了非常广 泛的应用。在钻爆循环中， 通风排烟是重要的一环， 因为其不仅关系到整个施工进度， 而且关 系到施工人员的生命安全。资料表明， 在国内外的爆破工程中， 炮烟中毒的死亡事故占整个爆 破事故的 .。可见， 加强对爆破通风排烟的研究已成为一个亟需解决的课题。目前工程 中所采用的仍为传统的纯稀释 （静止冲淡） 理论， 事实上炮烟不是静止不动的， 而是有一部分炮 烟扩散被主风流带走。故按纯稀释理论计算的风量比实际所需风量要大。这样不仅造成了 人、 财、 物力的浪费， 而且会影响施工进度。本文则在费克定理的基础上， 设法建立炮烟扩散理 第 卷第期 年月 爆破 * / 0 1 , 2 3 4 “ 3 5 万方数据 论， 通过与传统设计方法比较， 得到了一种合理的通风排烟设计方法。并针对吸出式通风， 讨 论了可能出现的炮烟停滞区中炮烟浓度的计算方法。 炸药的氧平衡及其爆生气体 地下工程钻爆施工中，必需根据炸药的氧平衡特性来合理地选定炸药的品种。正氧平衡 炸药和负氧平衡炸药都不宜用于地下工程爆破作业。从理论上讲，适当调整炸药的组分配 比，使其保持零氧平衡在爆炸时是可以不生成有毒气体的。但是，在实际爆破工作中，由于 炸药种类、贮存条件、引爆方式、和爆破条件等的不同，炸药爆炸时总是要产生有毒气体 的。炮烟中的有毒气体成分主要是 和 。就其毒性来说，一般认为毒性比 的毒性要大，我国标准将其定为大 倍。通常按毒性程度，将 的含量折算为 的 含量，然后用 表示有毒气体的总量。我国规定一氧化碳的允许浓度按体积为 ， 按重量为 ／ ［］ 。 炮烟的扩散理论 基本假定 在一般扩散理论中， 常先假定流体中含有物质 （扩散质） 的存在不改变流体质点的流动特 性， 即不影响流动， 具体些说是流场的速度分布和扩散质的存在无关。同时假定在整个运动过 程中， 流体质点带有的扩散质在数量上是保持不变的， 流体质点与质点之间不发生扩散质的转 移， 扩散质的扩散完全是带有扩散质的流体发生掺混的结果。因此， 对不可压缩流体， 带扩散 质的流体质点的总体积在扩散过程中保持不变， 其占据的空间范围则是随时间而变化的。上 述基本假定也适合于分析炮烟的扩散。 分子扩散的费克定律及扩散方程 费克认为盐分在溶液中的扩散现象可以和热传导比拟， 提出分子扩散定律如下 单位时间 内通过单位面积的溶解物质与溶质浓度在该面积法线方向的梯度成比例 ［］ 。用数学式表示 为 （） 式中， 溶质在方向的单位通量 （ ／／ ） ； 溶质浓度 （单位体积流体的溶 质含量， ／） ； 分子扩散系数 （／ ） 。 式中负号表明溶质扩散的方向与浓度梯度方向相反， 即是从浓度高处向浓度低处扩散。 取单元体进行分析， 根据质量守恒可得到费克第二定律 （扩散方程） 表达式 （ ， ） （ ， ） （） 扩散方程是炮烟扩散分析的理论基础。 随流扩散情况 式 （） 只描述了扩散质在静止流体中的扩散。如果流体是流动的， 则需在扩散方程中计入 爆破 年月 万方数据 流体流动的因素。设流体沿 方向流速为， 则取随流体运动的运动坐标系， 即可得扩散质 随流扩散方程 （ ， ） （ ） （ ， ） （） 图平洞计算模型简图 炮烟在平洞中的一维扩散计算 所考虑情况为平洞全断面开挖单向掘进， 且 利用平洞本身排烟而无其它辅助排烟通道的情 况。不考虑气体的压缩性、 粘性及温度的影响， 设 扩散系数为常数且断面浓度均匀， 按一维扩散问 题考虑。平洞开挖掌子面按第二类边界条件处 理； 考虑洞外空气的流动性， 类比传热学中的对流 传热边界条件 ［］ ， 平洞出口端按第三类边界条件 处理， 即认为出口处为对流扩散边界。计算模型见图 （） 。 自由扩散情况 在自由扩散情况下， 可得定解问题如下 （） （，］ （， ） （） 式中 为计算初始浓度； 为对流扩散综合系数， 是对流传质系数 与炮烟扩散系数 之比。 根据所给的初、 边值条件可计算出 （， ） （ ） ［ （ ） ］ （ ） （ ） （） 其中 是超越方程 （ ） 的第个正根。 确定炮烟抛掷长度、 计算初始浓度 及扩散系数 炮烟抛掷长度经验公式 ［］ 为 ／ （电雷管起爆）（） 式中， 炮烟抛掷长度， 即放炮后炮烟弥漫区域的长度 （） ； 同时爆破的炸药量 （ ） 。 计算初始浓度计算公式为 烟／ 药／ ／ ／ （ ／ ） （） 第 卷第期苏利军等地下巷道钻爆开挖过程中炮烟扩散及通风 万方数据 流体流动的因素。设流体沿 方向流速为， 则取随流体运动的运动坐标系， 即可得扩散质 随流扩散方程 （，） （ ） （，） （ ） 图平洞计算模型简图 炮烟在平洞中的一维扩散计算 所考虑情况为平洞全断面开挖单向掘进， 且 利用平洞本身排烟而无其它辅助排烟通道的情 况。不考虑气体的压缩性、 粘性及温度的影响， 设 扩散系数为常数且断面浓度均匀， 按一维扩散问 题考虑。平洞开挖掌子面按第二类边界条件处 理； 考虑洞外空气的流动性， 类比传热学中的对流 传热边界条件［ ］， 平洞出口端按第三类边界条件 处理， 即认为出口处为对流扩散边界。计算模型见图（ ） 。 自由扩散情况 在自由扩散情况下， 可得定解问题如下 （） （，］ （， ） （ ） 式中 为计算初始浓度； 为对流扩散综合系数， 是对流传质系数 与炮烟扩散系数 之比。 根据所给的初、 边值条件可计算出 （，） （ ） ［ （ ） ］ （ ） （ ） （ ） 其中 是超越方程 （ ） 的第个正根。 确定炮烟抛掷长度、 计算初始浓度 及扩散系数 炮烟抛掷长度经验公式［ ］为 ／ （ 电雷管起爆）（ ） 式中， 炮烟抛掷长度， 即放炮后炮烟弥漫区域的长度（） ； 同时爆破的炸药量 （ ） 。 计算初始浓度计算公式为 烟 ／ 药／ ／ ／ （ ／） （ ） 第 卷第期苏利军等地下巷道钻爆开挖过程中炮烟扩散及通风 万方数据 流体流动的因素。设流体沿 方向流速为， 则取随流体运动的运动坐标系， 即可得扩散质 随流扩散方程 （ ， ） （ ） （ ， ） （） 图平洞计算模型简图 炮烟在平洞中的一维扩散计算 所考虑情况为平洞全断面开挖单向掘进， 且 利用平洞本身排烟而无其它辅助排烟通道的情 况。不考虑气体的压缩性、 粘性及温度的影响， 设 扩散系数为常数且断面浓度均匀， 按一维扩散问 题考虑。平洞开挖掌子面按第二类边界条件处 理； 考虑洞外空气的流动性， 类比传热学中的对流 传热边界条件 ［］ ， 平洞出口端按第三类边界条件 处理， 即认为出口处为对流扩散边界。计算模型见图 （） 。 自由扩散情况 在自由扩散情况下， 可得定解问题如下 （） （，］ （， ） （） 式中 为计算初始浓度； 为对流扩散综合系数， 是对流传质系数 与炮烟扩散系数 之比。 根据所给的初、 边值条件可计算出 （， ） （ ） ［ （ ） ］ （ ） （ ） （） 其中 是超越方程 （ ） 的第个正根。 确定炮烟抛掷长度、 计算初始浓度 及扩散系数 炮烟抛掷长度经验公式 ［］ 为 ／ （电雷管起爆）（） 式中， 炮烟抛掷长度， 即放炮后炮烟弥漫区域的长度 （） ； 同时爆破的炸药量 （ ） 。 计算初始浓度计算公式为 烟／ 药／ ／ ／ （ ／ ） （） 第 卷第期苏利军等地下巷道钻爆开挖过程中炮烟扩散及通风 万方数据 式中， 计算初始浓度 （ ／ ） ； 药 总装药量 （ ） ， 药 ； 烟 生成炮 烟总体积 （初始）（ ） ， 烟药； 单位耗药量 （ ／ ） ， 其大小取决于岩石的性质、 巷道断面、 炮眼直径、 炮眼深度等多种因素， 常用经验公式计算或由现场试验直接确定。经验 公式常用有修正普氏公式 ［］ （／） ／ （ ／） ； 岩石坚固性系数； 巷道或井筒断面面积 （ ） ； 考虑炸药爆力 （ ） 的校正系数， ／； 巷 道断面面积 （ ） ； 炮孔深度 （） ； 每千克炸药产生的有毒气体体积 （ ／ ） ， 可 取 ； 有毒气体容重 （ ／ ） ； 炮烟抛掷长度 （） 。 扩散系数可根据 公式 ［］ 计算 ／ ［ （／）（／） ］ ／ （） 式中 扩散系数 （ ／ ） ； 温度 （） ；、 组分、的分子量； 总压 （ ） ； “ 参数 （ ） ； 与温度和分子间势能场有关的无 因次数。 压入式通风情况 设风筒断面面积为风， 风筒风量为风， 平洞排烟风速为风， 则由质量守恒， 可计算出 （风） 风风／ （） 则计入风速， 按随流扩散模型在自由扩散的基础上可计算出浓度分布为 （， ） ’ （ ） ［ （ ） ］ （ ） 风 （）［］ （ ） 随着通风的进行， 浓度峰值渐渐向洞口方向移动。待洞口浓度峰值过后， 炮烟浓度降至允 许值时， 此时洞内全线炮烟浓度均已降到允许浓度之下。以洞口浓度为控制浓度控（） ， 爆破 图吸出式通风炮烟停滞区示意图 安全规程允许浓度记为 ［］ ， 则由 控 （）［］（ ） 即可求出最短通风时间 。 吸出式通风情况 压入式通风虽有效射程大， 冲淡和排 出炮烟作用较强， 但是有一较大的缺点， 就 是污浊回风流污染整个巷道。如果采用吸 出式通风， 则可克服这个缺点。但吸出式 通风有效吸程非常短， 克生诺冯托娃和 伏罗巴耶夫采用式 ， 吴中 立经实验研究认为采用式 较合适 （式中 为有效吸程） ［］ 。也就是说， 只有 当风管末端到掌子面的距离 在值 以内时， 才能取得较好的通风效果 （此部分本文不作 分析） 。而当 时， 在掌子面端会出现炮烟停滞区， 这时前面推导出的扩散规律已不适 用。在停滞区炮烟作旋涡扰动， 炮烟浓度不断被均匀化， 因此可忽略细部差异， 假设旋涡区中 炮烟浓度是均匀分布的。 开始通风后， 有效作用范围内的炮烟被迅速吸出， 所用时间与整个通风时间相比是很小 爆破 年月 万方数据 式中， 计算初始浓度（ ／ ） ； 药 总装药量（ ） ， 药 ； 烟 生成炮 烟总体积（ 初始） （ ） ， 烟药； 单位耗药量（ ／ ） ， 其大小取决于岩石的性质、 巷道断面、 炮眼直径、 炮眼深度等多种因素， 常用经验公式计算或由现场试验直接确定。经验 公式常用有修正普氏公式［ ］ （／） ／（ ／ ） ； 岩石坚固性系数； 巷道或井筒断面面积（ ） ； 考虑炸药爆力（ ） 的校正系数， ／； 巷 道断面面积（ ） ； 炮孔深度（） ； 每千克炸药产生的有毒气体体积（ ／ ） ， 可 取 ； 有毒气体容重（ ／ ） ； 炮烟抛掷长度（） 。 扩散系数可根据 公式［ ］计算 ／［ （ ／）（／） ］ ／ （ ） 式中 扩散系数（ ／ ） ； 温度（） ；、 组分、的分子量； 总压（ ） ； “ 参数（ ） ； 与温度和分子间势能场有关的无 因次数。 压入式通风情况 设风筒断面面积为风， 风筒风量为风， 平洞排烟风速为风， 则由质量守恒， 可计算出 （ 风） 风风 ／ （ ） 则计入风速， 按随流扩散模型在自由扩散的基础上可计算出浓度分布为 （，） ’ （ ） ［ （ ） ］ （ ） 风 （）［］ （ ） 随着通风的进行， 浓度峰值渐渐向洞口方向移动。待洞口浓度峰值过后， 炮烟浓度降至允 许值时， 此时洞内全线炮烟浓度均已降到允许浓度之下。以洞口浓度为控制浓度控（ ） ， 爆破 图吸出式通风炮烟停滞区示意图 安全规程允许浓度记为［ ］ ， 则由 控（）［］ （ ） 即可求出最短通风时间 。 吸出式通风情况 压入式通风虽有效射程大， 冲淡和排 出炮烟作用较强， 但是有一较大的缺点， 就 是污浊回风流污染整个巷道。如果采用吸 出式通风， 则可克服这个缺点。但吸出式 通风有效吸程非常短， 克生诺冯托娃和 伏罗巴耶夫采用式 ， 吴中 立经实验研究认为采用式 较合适（ 式中 为有效吸程） ［ ］。也就是说， 只有 当风管末端到掌子面的距离 在值 以内时， 才能取得较好的通风效果（ 此部分本文不作 分析） 。而当 时， 在掌子面端会出现炮烟停滞区， 这时前面推导出的扩散规律已不适 用。在停滞区炮烟作旋涡扰动， 炮烟浓度不断被均匀化， 因此可忽略细部差异， 假设旋涡区中 炮烟浓度是均匀分布的。 开始通风后， 有效作用范围内的炮烟被迅速吸出， 所用时间与整个通风时间相比是很小 爆破 年月 万方数据 的， 计算时可忽略不计。当断面两侧出现浓度差时， 、两区就发生扩散交换作用。 区浓度始终比区浓度高， 炮烟从区向区扩散。根据以上分析， 由物质守恒原理， 在 时 间内， 区内的炮烟减少量等于通过断面扩散传质到区的炮烟量， 即 （） （（）（） ） （ ） 而同时， 区内炮烟的减少量等于通过风管吸出的炮烟量减去通过断面由区扩散传 质到区的炮烟量， 即 （（）（） 风 （（）（） ） （ ） 联立求解式 （ ） 和式 （ ） ， 即可得出停滞区中炮烟浓度随时间的变化。 （式中 （ （） 和 （） 分别为区和区中对应时刻的炮烟浓度， 其它符号意义同前。 ） 算例 某平洞开挖掌子面距洞口长 ， 掘进断面为 ， 单向钻进钻爆开挖， 采用潜孔钻， 平均孔深为； 使用 岩石炸药。有关参数见表 （ ） 。 经编制计算机程序， 可计算出平洞内不同空间 （） 和不同时间 （） 的浓度值。 ）如采取压入式通风措施， 则取式 （ ） 计算 经过 分钟， 洞口炮烟浓度已达到允许值 （此时洞内各处炮烟浓度均已降到允许浓度以下） 。 ）如洞口按第一类边界条件 计算， 所需通风时间略短， 但也接近 分钟。 表有关计算参数表 有关参数参数值 炸药单耗 ／ 总药量药 炮烟抛掷长度 炮烟生成量烟（折算成 计算） 炮烟计算初始浓度 ／ 炮烟扩散系数 ／ 对流传质系数 ／ 对流扩散综合系数 风筒风量风筒 ／ （ ／ 分） 洞内风速风 ／ ）如不采以通风措施， 则由式 （） 计算可知工作面有毒气体浓度下降速度极慢。在这种 情况下， 要想不采取通风措施而达到稀释炮烟的目的是不可能的。 ）而传统的通风设计的理论基础是纯稀释 （静止冲淡） 炮烟的原则。按 伏洛宁公 式 ［］ 风筒 ［（） ］／ ／ （／分） （ ） 可算出所需通风时间为 分钟。 ）如采取吸出式通风方式， 当施工条件所限， 风管末端无法靠近掌子面时， 以风管末端到 掌子面距离等于炮烟抛掷长度为例， 由式 （ ） 和式 （ ） 可计算出 要使停滞区炮烟浓度下降到 允许浓度， 所需通风时间为 分钟。 第 卷第期苏利军等地下巷道钻爆开挖过程中炮烟扩散及通风 万方数据 结语 由以上对平洞的计算与分析， 可获得下述基本结论 （）对于具体问题， 炮烟扩散过程中有毒气体浓度的时空分布主要与炮眼深度、 单位耗药 量、 通风风速、 距爆源距离、 通风时间等因素有关； （）在机械通风 （压入式） 情况下， 洞口浓度边界条件对所需通风时间的影响不大， 因而可 能寻求合适的边界条件以使计算简化； （）对于一般情况下的长洞， 放炮过后应及时启用机械通风系统以尽快排出炮烟。 （）计算表明， 采取吸出式通风时， 因风管末端到掌子面距离过大而形成的烟停滞区中， 炮烟浓度下降速度非常缓慢， 仅靠单一的吸出式通风耗时太多。此时可采用有效射程大的压 入式通风或混合式通风； （）本文所提出的通风计算方法， 只须编制一个简短的计算程序， 便可实现不同参数情况 下的计算过程， 可为地下工程钻爆开挖过程中的通风排烟设计提供一个参考。 本文的分析过程， 作了一些基本假定。对停滞区中炮烟浓度的分析中， 因旋涡运动非常复 杂， 故作出了浓度均匀分布假定， 实际情况也是如此。实践证明， 分析扩散模型时， 不考虑气体 的压缩性和粘性及在机械通风情况下不考虑温度的影响， 可简化计算而又对计算结果影响不 大， 是合理可行的。但对于自然通风的情况， 温度影响不可忽略， 特别是竖井或斜井通风情况。 关于通风过程中温度的影响及炮烟的二维及三维扩散模型的研究， 还有待于作进一步的工作。 参考文献 中国力学学会工程爆破专业委员会爆破工程 ［］ 北京 冶金工业出版社， 余常昭环境流体力学导论 ［］ 北京 清华大学出版社， ［美］ 埃克特， 德雷克传热与传质分析 ［］北京 科学出版社， 赖涤泉隧道施工通风与防尘 ［］ 北京 中国铁道出版社， 王文龙钻眼爆破 ［］ 北京 煤炭工业出版社， 韩兆熊传递过程原理 ［］ 北京 化学工业出版社， 铁道部第二工程局隧道 （下册）［］ 北京 中国铁道出版社， 吴中立独头巷道爆破后通风 ［］ 北京 冶金工业出版社， 爆破 年月 万方数据