D01:10.13374.isml001053x.2007.s2.77 第29卷增刊2 北京科技大学学报 Vol.29 SuppL 2 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2007 基于粒子系统的爆破烟尘运动的模拟研究 蒋仲安万善福孙佳 北京科技大学土木与环境工程学院.北京100083 摘要在对爆破烟尘源及其特征分析的基础上，通过质量通量、动量通量、浮力通量分析.加之闭合假设.建立了描述爆破 烟尘运动的数学模型，基于粒子系统对爆破烟尘的冲击运动、著菇云运动和扩散运动的烟尘云形状进行模拟研究，编制出 BSMS模拟软件，实现了对爆破烟尘运动实时模拟. 关键词粒子系统：爆破烟尘：烟尘运动：烟尘扩散：实时模拟 分类号TD804 大爆破产生的尘毒是露天矿山开采过程中的主 步考虑了环境中粒子间的相互作用力.其实，粒子 要大气污染源烟尘长时间停留在大气中，将严重污 系统中粒子及其粒子间的作用力对于模拟粒子的行 染矿内空气，作业人员在此环境中工作既影响身体 为是很重要的 健康，又降低了作业效率.此外，烟尘随风流作长距 粒子系统中的每个粒子构成了整个粒子系统 离的迁移疏散亦会影响矿区周围的大气环境和居 每个粒子有其自身的特征，所有粒子的属性特征构 民的身体健康.因此，有效预测爆破烟尘的污染范 成了整个粒子系统的特征，爆破烟尘粒子系统的组 围、污染程度实现对爆破烟尘的复杂行为的实时模 成主要有： 拟，对于环境保护、职业健康、提高劳动生产率等均 (1)属性特征.包括烟尘粒子的形状（爆破烟 具有重大意义， 尘粒子的形状为近球形)、颜色（粒子的RGB浓度 1爆破烟尘源的特征及粒子系统 值)、透明度、体积、密度（根据矿岩的情况不同而改 变)、质量 11爆破烟尘源的特征 (2)行为特征.包括初始位置（粒子在3D空间 爆破污染物主要是有毒有害气体、粉尘和放射 中的初始位置及每一时刻的x、y、z坐标位置值)、 性气溶胶.爆生气体主要是爆炸反应的生成物，包 运动（速度、角速度、加速度等）、生命周期（粒子在评 括爆炸反应生成的气体和微小液滴及未反应炸药颗 价尺度范围内的产生与消亡). 粒构成的气溶胶：爆破粉尘主要是炮孔填塞的碎石 (3)环境参量.包括大爆破时的环境温度、湿 屑、爆破前沉积在地表的大量粉尘及矿岩在爆轰波 度、当地风速等 作用下破碎的粉尘：空气是爆破烟尘云的另一组 大爆破产生的粉尘量和分散度主要取决于岩石 成刂.炸药爆炸后的主要烟气产物为H20、C02,以 的类型、硬度、含水程度、炸药单耗、所用的炸药种 及少量的NO,C0,主要的爆破粉尘产物为极少量 类、爆破方法、炮孔填塞、矿岩硬度和矿岩的含水量 的固态析出物碳等，粉尘仅占1.0%以下，并且是从 等.影响爆破烟尘污染矿内空气的主要因素有气 不同途径由外部相继涌入其中，爆破排出的烟源比 象条件（如温度、湿度、风速等）和采场周围的地形条 较复杂. 件.每爆1m3矿岩将产生0027~017kg粉尘. 12粒子系统 由于露采规模不断扩大，爆破尘毒排放量约占露天 Reeves[1983最初提出了基于随机过程的粒子 矿有害排放物的25%~30%，爆破破碎含铁石英岩 系统的概念，他最初假设粒子系统里的粒子间没有 时排入大气中的尘粒98%~99%为极细的石英颗 相互作用力.Sims[1990,在Reeves的基础上，进一 粒及碎屑4. 收稿日期：2007-09-30 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N0.50174004):高等学校 2爆破烟尘运动规律数学模型的建立 博士学科点专项科研基金(Na20060008001):北京市教育委员会共 建项目建设计划资助项目(NaXK100080432) 现场观测和前人研究成果表明，爆破烟尘在开 作者简介：蒋仲安(1963一)，男，教授，博士 放的大气空间中的运动过程分为冲击运动、蘑菇云基于粒子系统的爆破烟尘运动的模拟研究 蒋仲安 万善福 孙 佳 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 摘 要 在对爆破烟尘源及其特征分析的基础上, 通过质量通量、动量通量、浮力通量分析, 加之闭合假设, 建立了描述爆破 烟尘运动的数学模型, 基于粒子系统对爆破烟尘的冲击运动、蘑菇云运动和扩散运动的烟尘云形状进行模拟研究, 编制出 BSMS 模拟软件, 实现了对爆破烟尘运动实时模拟. 关键词 粒子系统;爆破烟尘;烟尘运动;烟尘扩散;实时模拟 分类号 TD804 收稿日期:2007-09-30 基金项目:国家自然科学基金资助项目( No .50174004 ) ;高等学校 博士学科点专项科研基金( No.20060008001) ;北京市教育委员会共 建项目建设计划资助项目( No.XK100080432) 作者简介:蒋仲安( 1963—) , 男, 教授, 博士 大爆破产生的尘毒是露天矿山开采过程中的主 要大气污染源, 烟尘长时间停留在大气中, 将严重污 染矿内空气, 作业人员在此环境中工作既影响身体 健康, 又降低了作业效率 .此外, 烟尘随风流作长距 离的迁移疏散, 亦会影响矿区周围的大气环境和居 民的身体健康.因此, 有效预测爆破烟尘的污染范 围、污染程度, 实现对爆破烟尘的复杂行为的实时模 拟, 对于环境保护、职业健康、提高劳动生产率等均 具有重大意义. 1 爆破烟尘源的特征及粒子系统 1.1 爆破烟尘源的特征 爆破污染物主要是有毒有害气体 、粉尘和放射 性气溶胶.爆生气体主要是爆炸反应的生成物, 包 括爆炸反应生成的气体和微小液滴及未反应炸药颗 粒构成的气溶胶 ;爆破粉尘主要是炮孔填塞的碎石 屑、爆破前沉积在地表的大量粉尘及矿岩在爆轰波 作用下破碎的粉尘 ;空气是爆破烟尘云的另一组 成[ 1] .炸药爆炸后的主要烟气产物为 H2O 、CO2, 以 及少量的 NO x 、CO, 主要的爆破粉尘产物为极少量 的固态析出物碳等, 粉尘仅占 1.0 %以下, 并且是从 不同途径由外部相继涌入其中, 爆破排出的烟源比 较复杂. 1.2 粒子系统 Reeves[ 1983] 最初提出了基于随机过程的粒子 系统的概念, 他最初假设粒子系统里的粒子间没有 相互作用力 .Sims[ 1990] 在 Reeves 的基础上, 进一 步考虑了环境中粒子间的相互作用力 .其实, 粒子 系统中粒子及其粒子间的作用力对于模拟粒子的行 为是很重要的. 粒子系统中的每个粒子构成了整个粒子系统, 每个粒子有其自身的特征, 所有粒子的属性特征构 成了整个粒子系统的特征, 爆破烟尘粒子系统的组 成主要有: ( 1) 属性特征.包括烟尘粒子的形状( 爆破烟 尘粒子的形状为近球形) 、颜色( 粒子的 RGB 浓度 值) 、透明度、体积、密度( 根据矿岩的情况不同而改 变) 、质量. ( 2) 行为特征.包括初始位置( 粒子在 3D 空间 中的初始位置及每一时刻的 x 、y 、z 坐标位置值) 、 运动(速度、角速度 、加速度等) 、生命周期(粒子在评 价尺度范围内的产生与消亡) . ( 3) 环境参量 .包括大爆破时的环境温度 、湿 度 、当地风速等. 大爆破产生的粉尘量和分散度主要取决于岩石 的类型 、硬度、含水程度、炸药单耗 、所用的炸药种 类 、爆破方法、炮孔填塞 、矿岩硬度和矿岩的含水量 等[ 2] .影响爆破烟尘污染矿内空气的主要因素有气 象条件(如温度、湿度、风速等)和采场周围的地形条 件 .每爆 1 m 3 矿岩将产生 0.027 ～ 0.17 kg 粉尘[ 3] . 由于露采规模不断扩大, 爆破尘毒排放量约占露天 矿有害排放物的 25 %～ 30 %, 爆破破碎含铁石英岩 时排入大气中的尘粒 98 %～ 99 %为极细的石英颗 粒及碎屑 [ 4] . 2 爆破烟尘运动规律数学模型的建立 现场观测和前人研究成果表明, 爆破烟尘在开 放的大气空间中的运动过程分为冲击运动 、蘑菇云 第 29 卷 增刊 2 2007 年 12 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.29 Suppl.2 Dec.2007 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2007.s2.077