沈 斌，周子涵，劉新蕾，秦憲禮，王洪粱

(1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學(xué) 瓦斯等烴氣輸運管網(wǎng)安全基礎(chǔ)研究國家級專業(yè)中心實驗室，黑龍江 哈爾濱 150022)

隨著社會的發(fā)展，人們愈發(fā)重視職業(yè)衛(wèi)生健康，而煤礦作為職業(yè)危害因素眾多的生產(chǎn)單位，也成為人們研究的重點。粉塵危害是煤礦的典型職業(yè)危害因素之一，中國煤礦塵肺病防治基金會數(shù)據(jù)顯示，全國塵肺病報告人數(shù)已超72萬人，其中，62%集中在煤炭行業(yè)這一高發(fā)區(qū)，超過44萬人[1]。當(dāng)前，每年死于塵肺病的煤礦工人數(shù)遠(yuǎn)高于同期生產(chǎn)事故死亡人數(shù)，煤礦塵肺病防治形勢十分嚴(yán)峻。

在采煤機械化水平不斷提高的同時，井下工作面的粉塵產(chǎn)生量也越來越大。在無防塵措施條件下，綜采工作面的粉塵濃度可以達到2 500～3 000 mg/m3，即使采取除塵措施，一些工作面的工作條件粉塵濃度也可達到1 000 mg/m3以上，大大超過國家有關(guān)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，不僅嚴(yán)重威脅著煤礦工人的安全和健康，還有煤塵爆炸危險。采取有效措施降低綜采工作面粉塵濃度是煤礦急需解決的問題[2]。要取得較好的防塵效果，首先要對粉塵的運動規(guī)律有所了解。

從20世紀(jì)中葉開始，國內(nèi)外眾多科研工作者對數(shù)字化礦井通風(fēng)管理軟件進行了深入、持續(xù)的研究，并取得了豐碩的科研成果。目前，應(yīng)用較為廣泛的是澳大利亞Chasm公司開發(fā)的三維可視化礦井通風(fēng)模擬軟件Ventsim[3]。該軟件以其方便的建模、合理的風(fēng)路模擬和風(fēng)機選型在通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化以及火災(zāi)模擬方面的運用較多，而在粉塵模擬、爆炸物擴散模擬、污染源追蹤方面運用較少。本文以龍煤集團雙鴨山礦業(yè)有限公司東榮三礦為研究對象，以礦井三維通風(fēng)系統(tǒng)為研究平臺，開展井下主要產(chǎn)塵地點的粉塵擴散規(guī)律研究，為粉塵防治提供理論指導(dǎo)。

1 東榮三礦三維礦井通風(fēng)系統(tǒng)建立

依據(jù)東榮三礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖和現(xiàn)場測定，應(yīng)用Ventsim三維仿真系統(tǒng)，建立東榮三礦的現(xiàn)場三維通風(fēng)模型。具體過程如下：①將CAD格式的礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖在計算機上改繪成單線圖；②將單線通風(fēng)系統(tǒng)圖導(dǎo)入 Ventsim軟件，構(gòu)筑礦井通風(fēng)系統(tǒng)平面圖；③ 將現(xiàn)場測試的巷道斷面尺寸、標(biāo)高、支護方式等基本數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)軟件，由軟件自動生成該礦的三維立體巷道模型；④將通過現(xiàn)場阻力測定獲得的礦井通風(fēng)參數(shù)，例如巷道風(fēng)阻、通風(fēng)設(shè)施、主要通風(fēng)機特性曲線等輸入三維通風(fēng)模型中，建立該礦的三維通風(fēng)系統(tǒng)；⑤通過運行“風(fēng)流模擬”檢查礦井整個系統(tǒng)的可靠性，對誤差較大的巷道及地點進行調(diào)整[4]。東榮三礦三維礦井通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 東榮三礦三維礦井通風(fēng)系統(tǒng)

2 粉塵污染物模擬條件假設(shè)

因井下污染源的發(fā)生地點、發(fā)生方式，以及粉塵擴散方向隨機，Ventsim軟件借助現(xiàn)代化的計算機圖形技術(shù)，通過兼容dxf數(shù)據(jù)，三維立體建模，可對井下粉塵、爆破排煙和柴油機排放物等空氣污染源進行動態(tài)擴散模擬，從而為礦山安全管理人員和技術(shù)人員提供必要的數(shù)據(jù)支持，以輔助礦井安全管理和生產(chǎn)決策。在機械化生產(chǎn)提高的背景下，煤礦作業(yè)場所中粉塵的來源主要有采煤工作面、掘進工作面、施工硐室等部位，本文依據(jù)東榮三礦的實際情況，進行選擇。

2.1 污染源產(chǎn)生地點的選擇

2.1.1 綜采工作面

綜采工作面是煤礦井下產(chǎn)塵最大的地點，其產(chǎn)塵量高達總產(chǎn)塵量的60%[5]。東榮三礦當(dāng)前主要開采區(qū)域是東部采區(qū)，采煤工作面及備用工作面相對集中，需要考慮其相互間的影響， 因此，將東三16層一片備面、東三16層二片采煤工作面和東三14層一片備面、東三14層二片采煤工作面、東三14層三片備面等采煤工作面作為一個系統(tǒng)進行分析。

2.1.2 掘進工作面

掘進巷道是井下重要的生產(chǎn)系統(tǒng)之一，其產(chǎn)塵量僅次于采煤工作面，而由于獨頭掘進巷道的特殊性，其通風(fēng)方式必須采用局部通風(fēng)，目前井下常用的掘進巷道通風(fēng)方式有壓入式通風(fēng)、抽出式通風(fēng)和混合式通風(fēng)，若能通過模擬掌握不同通風(fēng)方式下粉塵的運移擴散規(guī)律，將有助于制定有效的通風(fēng)排塵和除塵方案[6]。因此，本文選擇與綜采工作面相近的北部采區(qū)掘進工作面1、北部采區(qū)掘進工作面2和北部采區(qū)掘進工作面3進行研究。

2.2 粉塵擴散參數(shù)設(shè)置

本文根據(jù)選取的研究地點及東榮三礦井下實際條件，在對采煤工作面與掘進工作面進行模擬時，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)定為相同的值，主要針對粒徑在5 μm以下的呼吸性粉塵進行研究，具體參數(shù)如表1所示。

3 粉塵擴散模擬結(jié)果及規(guī)律分析

3.1 采煤工作面數(shù)據(jù)分析

本文主要針對采取降塵措施前后的粉塵濃度數(shù)據(jù)、擴散路徑及由于粉塵濃度過高而發(fā)生爆炸導(dǎo)致爆炸物擴散的影響范圍及影響時間進行研究。

3.1.1 粉塵擴散路徑及濃度變化分析

當(dāng)東三16層二片采煤工作面和東三14層二片采煤工作面產(chǎn)生粉塵后，粉塵在通風(fēng)管網(wǎng)內(nèi)迅速擴散，因此，若不能確定粉塵的擴散范圍和影響時間，將對井下生產(chǎn)和作業(yè)人員的健康造成嚴(yán)重威脅[7]。如圖2為粉塵擴散路徑。

經(jīng)過Ventisim軟件進行粉塵動態(tài)模擬，得到了粉塵路徑各點的濃度數(shù)據(jù)，如圖3所示。粉塵產(chǎn)生后，大量的污染氣流迅速進入東三16層二片膠帶道，導(dǎo)致東三16層二片膠帶道的粉塵濃度在1 750 s的時間內(nèi)迅速接近采煤面的粉塵濃度，隨時間推移，東三采區(qū)軌道巷在2 000 s左右開始出現(xiàn)粉塵并且濃度迅速增長，在2 250 s左右，粉塵隨風(fēng)流進入東三采區(qū)回風(fēng)總排期間粉塵增長速率出現(xiàn)幾次小幅波動，最終達到峰值4.6 mg/m3。

3.1.2 采取降塵措施后，粉塵擴散路徑及濃度變化分析

根據(jù)以上模擬結(jié)果，在東三采區(qū)回風(fēng)總排設(shè)置粉塵監(jiān)視器，在采取降塵措施前后，粉塵均在2 250 s時出現(xiàn)在東三采區(qū)回風(fēng)總排巷中，如圖4所示。

圖4 東三采區(qū)采區(qū)回風(fēng)總排濃度對比

圖5為東三14層三片備面粉塵濃度對比圖，由圖5可知，與東三14層二片采煤工作面相鄰的東三14層三片備面也會受到強烈影響，通過增長模擬時間可以看到，粉塵在約4 800 s左右出現(xiàn)，兩條折線幾乎重合，粉塵擴散速率一致，降塵前后只有濃度峰值差。在沒有外部條件改變的情況下，粉塵擴散速率與粉塵濃度無關(guān)，采煤面產(chǎn)塵點的粉塵濃度只會影響其回風(fēng)側(cè)串聯(lián)巷道的濃度峰值。

3.2 掘進工作面中串聯(lián)風(fēng)路對粉塵擴散的影響分析

模擬結(jié)果表明，如果北部掘進工作面1與北部掘進工作面2同時作業(yè)，掘進工作面2的風(fēng)機回風(fēng)會對掘進工作面1回風(fēng)巷粉塵濃度造成較大影響。通過在北部采區(qū)軌道大巷布置傳感器，檢測得到粉塵數(shù)據(jù)如圖6所示。北部掘進工作面2產(chǎn)生的粉塵與鄰近掘進工作面1產(chǎn)生的粉塵于北部采區(qū)軌道大巷交匯，最后于北部采區(qū)膠帶大巷排出。北部掘進工作面1產(chǎn)生粉塵在1 450 s時開始在北部采區(qū)軌道大巷出現(xiàn)，在1 500 s之前，北部采區(qū)軌道大巷的粉塵完全來源于北部掘進工作面1，濃度為4.3 mg/m3。隨著北部掘進工作面2粉塵風(fēng)流的加入，粉塵擴散速率發(fā)生區(qū)段性變化，在濃度峰值達到8.2 mg/m3時趨于穩(wěn)定。北部掘進工作面2產(chǎn)塵所經(jīng)歷風(fēng)路與北部掘進工作面1發(fā)生串聯(lián)，串聯(lián)后的北部采區(qū)軌道大巷粉塵濃度顯著增加，但并非串聯(lián)兩巷道粉塵濃度之和，經(jīng)核實與巷道風(fēng)量損失有關(guān)。

圖5 東三14層三片備面濃度對比

圖6 串聯(lián)風(fēng)路擴散影響

3.3 粉塵(煤塵)爆炸產(chǎn)生的爆炸物影響分析

粉塵(煤塵)濃度過高還有爆炸的危險，且爆炸的破壞力遠(yuǎn)大于可燃?xì)怏w和液體蒸汽。為研究爆炸產(chǎn)生的爆炸污染物(主要為CO)的影響范圍，分別以井下浮塵濃度基數(shù)相對較高，容易受爆炸、爆破、振動沖擊而造成大量落塵飛揚的采煤面回風(fēng)巷和回風(fēng)總巷為例。井下煤塵爆炸濃度范圍為45～2 000 g/m3，根據(jù)東榮三礦實際情況選擇100 g/m3的煤塵濃度為發(fā)生爆炸時濃度，則東三16層二片膠帶道的爆炸物數(shù)量設(shè)為537 kg，東三采區(qū)回風(fēng)總排爆炸物數(shù)量設(shè)為1 249 kg。二者區(qū)別之處在于風(fēng)量的大小不同，而風(fēng)量會直接影響爆炸污染物的擴散系數(shù)，采煤面回風(fēng)巷較短、空間相對密閉，擴散系數(shù)為中低速，設(shè)為3，初始稀釋濃度為體積分?jǐn)?shù)648.75 mg/m3；采區(qū)總回連接多個巷道及排風(fēng)井，流通情況較好，擴散系數(shù)為高速設(shè)為7，初始稀釋濃度為8 520 mg/m3。通過在東三采區(qū)靠近回風(fēng)井的位置設(shè)置監(jiān)視器，研究同一條回風(fēng)路線上不同兩地發(fā)生爆炸時爆炸污染物的擴散影響，如圖7所示，東三采區(qū)回風(fēng)總排單獨發(fā)生爆炸時的污染物濃度幾乎與兩地同時發(fā)生爆炸的爆炸污染物濃度曲線在第一個波峰完全重合，在1 000 s過后趨近于0，在當(dāng)兩地同時發(fā)生爆炸的情況下，距離監(jiān)視器最近的東三采區(qū)回風(fēng)總排的污染物濃度迅速增大，在通風(fēng)作用下爆炸污染物750 s左右即被吹散，東三16層二片膠帶道產(chǎn)生的爆炸污染物在經(jīng)1 350 s后到達監(jiān)視器的位置。由此可知，影響爆炸污染物擴散速率主要取決于巷道種類或性質(zhì)，同一區(qū)域不同地點同時發(fā)生爆炸，污染物濃度沒有疊加效應(yīng)，在實際生產(chǎn)中可以利用爆炸物擴散間隔指揮人員有序疏散。

圖7 粉塵(煤塵)爆炸污染物擴散影響

4 結(jié) 語

1) 通過Ventism軟件模擬，得到了井下粉塵擴散的實際路徑，為煤礦工人作業(yè)、通風(fēng)系統(tǒng)布置、風(fēng)門的位置提供了可行性參考數(shù)據(jù)。

2) 粉塵的擴散速率在外部環(huán)境不改變的情況下，與初始產(chǎn)塵點的粉塵濃度無關(guān)，采取降塵措施只會影響平衡時的粉塵峰值。

3) 當(dāng)風(fēng)路有串聯(lián)現(xiàn)象時，串聯(lián)工作面的空氣質(zhì)量無法保證，有毒有害氣體和粉塵濃度會有顯著增加，增加多少取決于風(fēng)路性質(zhì)，平衡時的濃度峰值取決于擴散期間粉塵所走路徑。且一旦前一個工作面發(fā)生火災(zāi)、爆炸或煤與瓦斯突出事故，會波及其他工作面，擴大災(zāi)害范圍，增大抗災(zāi)難度。

4) 當(dāng)同一區(qū)域不同地點同時發(fā)生爆炸，爆炸物的擴散具有時間差，在實際生產(chǎn)中可以利用爆炸物擴散間隔指揮人員有序疏散。