高文蛟，梁俊奇，徐家俊，夏方順

（華北科技學(xué)院 研究生院，河北 廊坊 065201）

目前以炸藥量來計算獨(dú)頭巷道爆破掘進(jìn)通風(fēng)風(fēng)量的方法是在控制體理論的基礎(chǔ)上提出的，即將爆破后所產(chǎn)生的炮煙視為一個規(guī)則的控制體，單純以控制體內(nèi)炮煙濃度達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)時所需風(fēng)量來計算巷道爆破后所需風(fēng)量［1－2］。而炮煙實(shí)際排除過程是炮煙被壓入的新鮮空氣不斷置換的同時不斷擴(kuò)散稀釋的過程。本文對現(xiàn)有通風(fēng)風(fēng)量計算公式進(jìn)行了剖析，指出了計算方法中存在的缺陷和不足；然后從基本理論出發(fā)并結(jié)合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，推導(dǎo)出新的獨(dú)頭巷道爆破掘進(jìn)通風(fēng)量計算公式，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，對新公式進(jìn)行了驗證。

1 壓入式通風(fēng)風(fēng)量計算方法

獨(dú)頭巷道炮煙排除過程的風(fēng)量計算方法通常存在兩種不同的觀點(diǎn)。一是認(rèn)為炮煙的排除是靜態(tài)稀釋過程，將爆破后的炮煙視為一個規(guī)則的控制體，單純以控制體在規(guī)定時間內(nèi)炮煙濃度達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)時所需風(fēng)量來計算，在此基礎(chǔ)上提出了依據(jù)炸藥量的風(fēng)量計算公式［3－5］。由于炮煙的排出不是單純的稀釋過程，爆破后的炮煙在被壓入的新鮮風(fēng)流推動下與前面的空氣混合稀釋的同時，也是控制體拉長變形與后面壓入的新鮮空氣混合稀釋的過程，此觀點(diǎn)忽略了后面空氣的作用，使用此方法計算的風(fēng)量比實(shí)際所需風(fēng)量偏大。二是認(rèn)為炮煙的排出既有主風(fēng)流的運(yùn)移作用，又有風(fēng)流的紊流擴(kuò)散作用，是一個綜合作用的過程。這與實(shí)際的炮煙排出過程較為接近。根據(jù)這一觀點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者對獨(dú)頭巷道的炮煙排出過程進(jìn)行了比較詳細(xì)的研究。前蘇聯(lián)學(xué)者沃洛寧在紊流擴(kuò)散和紊流變形理論的基礎(chǔ)上，提出巷道斷面上距軸線r處的風(fēng)速公式［2］：

式中u1為巷道斷面距軸線r處的風(fēng)速；u0為巷道斷面上的平均風(fēng)速；α為巷道的摩擦系數(shù)，在一般礦山條件下α取值范圍0.001 5～0.002 5；α1為實(shí)驗常數(shù)，取0.003 2；r0為巷道斷面的半徑。

將α和α1代入式（1），得出簡化后的風(fēng)速公式：

根據(jù)以上巷道內(nèi)風(fēng)速分布規(guī)律，可以推算通風(fēng)一段時間后巷道內(nèi)炮煙的近似軌跡，同時又有：

式中c為炮煙濃度；c0為炮煙初始濃度；l1為掘進(jìn)巷道長度，m；l a為風(fēng)筒末端到工作面的距離，m；I為風(fēng)量交換倍數(shù)，取I＝Qt／V［2］，其中Q為風(fēng)量，t為通風(fēng)時間，V為通風(fēng)空間體積。

隨后根據(jù)濃度關(guān)系以及風(fēng)速公式，進(jìn)而推導(dǎo)出風(fēng)量Q計算公式［2］：

式中A為爆破炸藥量，kg；V1為巷道長l1時的體積。

上述公式的推導(dǎo)過程以炮煙拋擲帶的長度和風(fēng)筒距掘進(jìn)工作面長度相等為前提，而實(shí)際生產(chǎn)過程中，風(fēng)筒末端距掘進(jìn)工作面的距離一般都小于炮煙拋擲帶的長度，因此吳中立結(jié)合這一情況對風(fēng)量公式進(jìn)一步分析，得出濃度分布關(guān)系［2］：

結(jié)合風(fēng)速公式得出風(fēng)量計算公式：

式中l(wèi) b為炮煙拋擲帶長度，m。l b由炸藥量決定，目前礦山多為電雷管起爆，所以

而文獻(xiàn)［1］運(yùn)用礦井空氣動力學(xué)，通過建立實(shí)際的梯形木風(fēng)筒和圓形鐵風(fēng)筒模型，并對模型中的風(fēng)速分布進(jìn)行測定，提出了濃度關(guān)系式：

隨后，文獻(xiàn)［6］在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出風(fēng)量計算公式：

對以上3種風(fēng)量計算公式進(jìn)行分析，沃洛寧和吳中立的風(fēng)量公式是以紊流擴(kuò)散和紊流變形理論為基礎(chǔ)進(jìn)行分析和推導(dǎo)的，所不同的是炮煙拋擲帶長度l b和風(fēng)筒距掘進(jìn)工作面長度l a的差異性，吳中立對沃洛寧公式進(jìn)行了相應(yīng)修正，但其風(fēng)量計算公式太過復(fù)雜，應(yīng)用并不方便。而文獻(xiàn)［1］認(rèn)為，在炮煙排除過程中，風(fēng)流的紊流擴(kuò)散作用與紊流變形作用相比居次要地位，可忽略不計，并進(jìn)行了相應(yīng)的測定得到風(fēng)速及濃度計算公式。王一民在此基礎(chǔ)上得出風(fēng)量計算公式（8），但由于王英敏在分析炮煙排出過程時也沒有考慮紊流的擴(kuò)散作用，因此公式（8）的計算風(fēng)量也不能準(zhǔn)確地表示實(shí)際所需風(fēng)量。

另外，炮煙所含成分除了CO外還存在毒性更大的氮氧化合物，而CO相較于氮氧化合物更加穩(wěn)定，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，分析過程中將炮煙中的有毒有害氣體統(tǒng)一折算為CO濃度來進(jìn)行分析［7－8］。以前我國煤礦使用的大多是粉狀銨梯炸藥，根據(jù)國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其爆炸后釋放出的有毒氣體量是以100 L／kg進(jìn)行計算的，而現(xiàn)在我國煤礦使用的大多為含水炸藥，其爆炸后釋放的有毒有害氣體量已降為40 L／kg［9－11］。因此關(guān)于獨(dú)頭巷道炮煙排除的風(fēng)量計算公式需要進(jìn)一步探討修正。

2 風(fēng)量計算修正

考慮到炮煙排出過程是紊流變形與紊流擴(kuò)散的共同作用，在后續(xù)的分析過程中以沃洛寧的風(fēng)速公式為基礎(chǔ)，結(jié)合吳中立分析的實(shí)際生產(chǎn)過程中炮煙拋擲帶長度l b大于風(fēng)筒距掘進(jìn)工作面長度l a這一情況，參考文獻(xiàn)［1］所得炮煙濃度分布關(guān)系對炮煙的排出過程進(jìn)行分析，同時根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最新參數(shù)［10］要求，對風(fēng)量計算公式進(jìn)行簡化修正。

圖1為炮煙運(yùn)動示意圖。

圖1 炮煙運(yùn)動示意圖

根據(jù)巷道斷面風(fēng)速分布公式（2）得到炮煙波內(nèi)外界面隨通風(fēng)時間變化的軌跡方程為：

式中r1為c?c斷面上炮煙內(nèi)層距軸線距離；r2為c?c斷面上炮眼外層距軸線距離；l1為內(nèi)層行走至獨(dú)頭巷道c?c斷面的距離；l2為外層行走至獨(dú)頭巷道c?c斷面的距離。

因為任意斷面上的炮煙平均濃度c與原始濃度c0之比為代入式（11）得到截面濃度與通風(fēng)時間的關(guān)系式為：

根據(jù)文獻(xiàn)［2］，爆破后炮煙初始濃度為：

式中b為炸藥的炮煙發(fā)生量。

以目前我國煤礦許用炸藥乳化炸藥的炮煙發(fā)生量（以CO計）為40 L／kg代入式（13）得：

將式（14）代入式（12）得到通風(fēng)過程中巷道任一截面平均風(fēng)速，進(jìn)而得到風(fēng)量計算公式為：

式中S為巷道斷面積。

同時根據(jù)現(xiàn)有炸藥的炮煙發(fā)生量（以CO計）為40 L／kg這一變化，對先前學(xué)者推導(dǎo)的風(fēng)量計算公式（3）、（5）、（7）進(jìn)行修正得到修正后的公式為：

3 現(xiàn)場試驗

為了對獨(dú)頭巷道爆破掘進(jìn)過程中炮煙的濃度變化規(guī)律有一個直觀的認(rèn)識，并對新推導(dǎo)風(fēng)量計算公式的合理性進(jìn)行驗證，本文結(jié)合工程實(shí)況進(jìn)行了現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)測試驗。

3.1 試驗巷道概況

試驗在某礦專用行人巷進(jìn)行，該巷道為煤層井下行人巷，位于上山掘進(jìn)段，巷道為矩形斷面，尺寸為3.5 m×3.2 m。該專用行人巷掘進(jìn)期間采用壓入式通風(fēng)，選用FBD?NO 6.0型、功率11 kW的2臺軸流式對旋風(fēng)機(jī)，全風(fēng)壓供風(fēng)量780 m3／min，出口風(fēng)量340 m3／min，入口風(fēng)量350 m3／min，供風(fēng)量范圍200～380 m3／min。

3.2 測點(diǎn)布置

此次試驗選用操作簡單、攜帶方便且具有連續(xù)自動記錄數(shù)據(jù)功能的YA?1001P系列便攜式單一氧化碳檢測儀測定CO濃度，其量程為0～5‰。為了對專用行人巷掘進(jìn)爆破后炮煙（只考慮CO）擴(kuò)散進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，選取距掌子面30 m、50 m、70 m、90 m、110 m共5個斷面進(jìn)行了實(shí)測。

同時為了研究同一斷面上的炮煙濃度變化情況，在每個斷面上布置兩個測點(diǎn)，一個位于巷道軸線位置，另一個靠近巷道壁，測點(diǎn)的具體布置情況見圖2。

圖2 測點(diǎn)位置示意圖

3.3 試驗條件

此次試驗采用全斷面一次起爆，前后共進(jìn)行了3次測試，試驗時的詳細(xì)工況如表1所示。其中，巷道斷面面積11.2 m2，風(fēng)量380 m3／min，起爆方式均為正向起爆，炸藥種類均為三級煤礦許用乳化炸藥。

表1 試驗工況表

3.4 試驗數(shù)據(jù)分析

3次試驗不同斷面的2個測點(diǎn)CO濃度峰值隨距離變化曲線如圖3所示。

圖3 不同巷道長度的計算風(fēng)量

從圖3分析可得：

1）在炸藥量不同的3種工況中，除工況3測點(diǎn)1和測點(diǎn)2的差距不明顯外，其余各個工況下同一斷面處測點(diǎn)1濃度總大于測點(diǎn)2，且就峰值濃度下降速度來講，測點(diǎn)1峰值濃度降低速度要小于測點(diǎn)2，這與理論分析所得炮煙濃度分布規(guī)律較為相似，即靠近巷道軸線位置處的CO濃度要大于靠近巷道壁的CO濃度。這是由于位于巷道軸線位置處的測點(diǎn)1處風(fēng)流速度要大于測點(diǎn)2，測點(diǎn)1處CO濃度降低主要受紊流變形作用，而靠近巷道壁的測點(diǎn)2風(fēng)速較低，其濃度降低過程既有紊流變形又有擴(kuò)散作用，是一個綜合的過程。由此可知，為了使CO濃度隨距離降低得更多，就要降低通風(fēng)速度使得炮煙中的CO能充分地參與擴(kuò)散稀釋作用。因此，獨(dú)頭巷道爆破掘進(jìn)時，為了降低炮煙帶來的危害、保護(hù)井下施工人員的身體健康以及有效控制生產(chǎn)成本，應(yīng)根據(jù)爆破工藝和現(xiàn)場實(shí)際情況，采用適當(dāng)?shù)耐L(fēng)風(fēng)速，而不能一味通過提高風(fēng)量來解決問題。

2）分析發(fā)現(xiàn)工況1和工況3出現(xiàn)巷道斷面30 m和50 m處CO濃度峰值相同的問題，分析其原因是此次測量所選用的儀器量程有限，導(dǎo)致炸藥量較大時工況1和工況3的前兩個斷面（A斷面和B斷面）測點(diǎn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)失真，實(shí)際A斷面濃度峰值要大于B斷面。

為對新推導(dǎo)風(fēng)量計算公式的合理性進(jìn)行分析和驗證，結(jié)合以上分析結(jié)果，排除失真數(shù)據(jù)，選用工況2的炸藥量及巷道條件，取通風(fēng)時間15 min，巷道長度為掌子面到回風(fēng)聯(lián)巷長度，風(fēng)筒距掌子面距離均為10 m，代入公式（15）～（18），計算得到炮煙濃度達(dá)到安全濃度時所需的風(fēng)量見表2。

表2 風(fēng)量計算結(jié)果

由表2數(shù)據(jù)可知，各個風(fēng)量計算公式所計算的風(fēng)量要遠(yuǎn)小于實(shí)際風(fēng)量，為進(jìn)一步分析各公式的區(qū)別，將表2中各公式計算風(fēng)量分別代入各自的濃度公式（3）、（5）、（7）和（15）進(jìn)行計算，得到對應(yīng)的風(fēng)量下不同斷面處的CO濃度分布情況見表3。隨后將各計算風(fēng)量下所得巷道中的CO濃度分布規(guī)律與實(shí)際測得的濃度分布情況進(jìn)行對比分析。

表3 工況2條件下CO濃度峰值

由表3分析可得：

1）公式（5）和（7）在70 m之前的計算濃度過大，且遠(yuǎn)大于實(shí)測濃度，雖然整體表現(xiàn)出濃度減少的趨勢，但70 m之前的濃度變化顯然與實(shí)測不符，當(dāng)通風(fēng)風(fēng)量減少時，炮煙運(yùn)移速度減緩，炮煙擴(kuò)散作用有所增強(qiáng)。先前公式在理論推導(dǎo)過程中只考慮風(fēng)流的紊流變形作用而忽略了炮煙的紊流擴(kuò)散作用，導(dǎo)致該公式前期的計算濃度高于實(shí)測濃度，且公式（5）和公式（7）所計算的風(fēng)量要遠(yuǎn)小于實(shí)驗風(fēng)量，考慮到擴(kuò)散作用的影響，后期的濃度峰值并不會與實(shí)測濃度接近；公式（3）的計算濃度遠(yuǎn)小于實(shí)測濃度，且濃度降低速度過快，由于該公式在推導(dǎo)過程中以l b＝l a為前提，炮煙首先在風(fēng)筒出口至掘進(jìn)工作面范圍內(nèi)與新鮮風(fēng)流發(fā)生一定的置換稀釋后才向外排出，從而導(dǎo)致后續(xù)各個巷道位置處計算的炮煙濃度要遠(yuǎn)小于實(shí)測濃度，而在實(shí)際生產(chǎn)過程中多數(shù)情況下l b＞l a，因此，該公式同樣與實(shí)際生產(chǎn)情況不符；公式（15）前期所計算的濃度與實(shí)測濃度較為接近，而后期隨著通風(fēng)進(jìn)行，計算風(fēng)量遠(yuǎn)小于實(shí)驗風(fēng)量，炮煙與新鮮空氣之間充分發(fā)生擴(kuò)散作用，因此計算所得濃度要小于實(shí)測濃度。由此可知新推導(dǎo)的風(fēng)量公式與實(shí)際通風(fēng)過程較為接近。

2）由推導(dǎo)公式所計算出來的相同測點(diǎn)位置處的CO濃度值均比實(shí)測值要小，而公式計算得到的通風(fēng)風(fēng)量遠(yuǎn)小于現(xiàn)場實(shí)際通風(fēng)風(fēng)量，導(dǎo)致計算所得濃度出現(xiàn)較大的下降，這說明風(fēng)量越大反而并不能起到快速降低炮煙濃度的目的，風(fēng)量越大巷道風(fēng)速就越大，因紊流變形作用，CO濃度得以降低。風(fēng)量較大時，風(fēng)流速度較大，致使炮煙在排出過程中其濃度還未降到安全允許值時便已經(jīng)通過了井下作業(yè)人員的躲炮位置，這對井下作業(yè)人員的安全極為不利；風(fēng)量較小時，風(fēng)速較慢，受紊流變形作用和主風(fēng)流運(yùn)移作用的共同影響，相同斷面處的CO峰值濃度更低，因此可以證實(shí)新推導(dǎo)的風(fēng)量計算公式更具優(yōu)勢，可為風(fēng)機(jī)選型提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié) 論

1）獨(dú)頭巷道壓入式通風(fēng)過程中，炮煙的排出是紊流變形和擴(kuò)散稀釋的綜合過程，即隨著巷道長度增加，炮煙帶體積不斷擴(kuò)大，以及炮煙帶在運(yùn)移過程中與新鮮風(fēng)流不斷置換，使巷道中炮煙濃度逐漸降低，從而使炮煙帶濃度達(dá)到安全值。

2）在計算炮煙達(dá)到安全值所需的風(fēng)量時，不能把炮煙當(dāng)成規(guī)則控制體來確定通風(fēng)時間及風(fēng)量，而要根據(jù)實(shí)際巷道長度和炮煙生成量來確定。且隨著風(fēng)量增加，炮煙濃度達(dá)到安全值時炮煙帶的運(yùn)移長度也在相應(yīng)增加。以炸藥量計算風(fēng)量的公式所得結(jié)果遠(yuǎn)大于實(shí)際所需風(fēng)量，會導(dǎo)致炮煙還未降至安全濃度就通過躲炮位置，對作業(yè)人員安全造成影響。