《Powder Technology》：Analysis and prediction of blasting dust and CO migration in inclined tunnel based on CFD and ANN approach
编辑推荐：
粉尘与一氧化碳在倾斜隧道爆破后的迁移规律及安全通风预测模型研究。通过数值模拟揭示多因素耦合下的污染物分布特征，构建GA-BPNN预测模型确定安全等待时间。隧道倾角、通风量、距离等因素对污染扩散有显著影响，模型验证误差低于8%。
李永军|曹琦|王鹏飞|陈勇|李世林|罗亚飞|杜学宇|张萍|王新哲
湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湘潭411201，中国
摘要
为了解决倾斜隧道爆破后产生的大量污染物、有害气体浓度升高以及人员安全问题，本文利用数值模拟分析了多种因素下的污染物迁移规律。研究揭示了典型污染物（如粉尘和一氧化碳（CO）的分布特征，并阐明了钻机对粉尘和CO局部积聚的影响。此外，还开发了一种基于遗传算法反向传播神经网络（GA-BPNN）的预测模型，用于预测倾斜隧道中粉尘和CO浓度降至安全阈值所需的最短时间（分别用和表示）。结果表明，增加隧道倾角会扩大高浓度粉尘区域的轴向分布范围，但也会加速CO的扩散。正交试验进一步分析表明，影响和的因素重要性顺序为：强制通风管道的空气流量（Q）>隧道工作面与强制通风管道出口之间的距离（L）>隧道倾角（α）>强制通风管道的中心轴高度（H）>强制通风管道的中心轴与隧道中间垂直平面的距离（S）。所建立的模型在新情况下对和的预测与模拟结果吻合良好。该预测模型能够在保持准确性的同时降低预测成本。
引言
在某些煤矿区域，复杂的地质构造和不规则形状的密闭空间通常需要采用爆破作业而非机械开挖[1]、[2]、[3]。然而，爆破作业会产生大量污染物，这会大大延缓施工进度并危及矿工的健康和安全[4]、[5]、[6]。爆破产生的主要污染物是粉尘和一氧化碳（CO）。长期暴露于粉尘中会导致矿工患上尘肺病[7]、[8]、[9]，而CO则可能导致中毒甚至致命事故[10]、[11]。此外，粉尘和CO都具有可燃性和爆炸性；如果遇到火源，可能会引发爆炸[12]、[13]、[14]。图1展示了粉尘和CO的产生及其危害。必须使用机械通风来稀释隧道内的污染物，以保护矿工的健康和安全[15]、[16]。然而，矿工仍不清楚在通风稀释条件下何时可以安全返回隧道工作面。漫长的等待时间也会阻碍正常的施工进度。因此，了解倾斜隧道爆破过程中污染物的扩散特性和模式，并准确预测安全重返所需的最短等待时间，对于提高工作场所的安全性和施工效率至关重要。
爆破后的隧道工作面会受到严重污染，能见度降低，空间受限，从而影响测量能力[17]、[18]。尽管视频监控、粉尘传感器和CO传感器等手段有所改进，但三维非接触式气固两相流场的测量仍是一个未解决的挑战[19]、[20]、[21]。这导致测量数据有限，难以进行高分辨率的空间表征。目前，计算流体动力学（CFD）方法常用于模拟气固两相流[22]、[23]、[24]，从而能够可视化粉尘和CO的传输模式[25]、[26]、[27]。然而，CFD方法仍需要大量的计算时间和资源来预测并获得关键指标的值。因此，迫切需要一种新的方法，能够快速准确地估计矿工在爆破后安全返回隧道工作面的最短等待时间。这将有助于确保矿工的安全并避免施工延误。
遗传算法反向传播神经网络（GA-BPNN）是一种结合了遗传算法和误差反向传播神经网络的混合智能优化方法[28]、[29]。GA-BPNN方法通过大规模数据集训练提高了预测准确性，同时降低了计算复杂性和处理时间。目前，GA-BPNN在化学工程和氢燃料等领域取得了积极成果[30]、[31]、[32]，特别是在预测有毒气体扩散的危险区域和识别可燃气体泄漏、燃烧和爆炸的关键阈值方面[33]、[34]、[35]，因此得到了广泛应用。然而，GA-BPNN在煤矿行业的应用，特别是在预测矿工在爆破后安全返回隧道工作面的最短等待时间方面，仍需进一步研究。
近年来，许多研究探讨了煤矿中的粉尘扩散和通风控制方法[36]、[37]、[38]，但关于倾斜隧道爆破后粉尘和CO的多阶段耦合扩散特性和传输规律的系统定量研究仍不足。此外，关于在不同操作条件下粉尘和CO污染物达到安全水平所需最短等待时间的预测研究也较为有限。因此，通过数值模拟和现场测试系统地研究了粉尘和CO扩散的时空演变。分析了各种通风参数和隧道倾角对粉尘和CO浓度分布的影响。在此基础上，利用GA-BPNN模型预测粉尘和CO浓度降至安全阈值所需的最短等待时间。这些研究结果为识别倾斜隧道爆破后的有害污染物扩散区域以及确定矿工安全重返隧道工作面前的最短等待时间提供了科学依据，显著提高了矿工的健康和安全保障。
章节片段
几何模型
本研究以山西省一家煤矿公司运营的倾斜隧道为对象，按1:1比例建立了隧道的几何模型。隧道模型主要包括挖掘工作面、用于钻孔作业的强制通风管道和隧道出口。隧道横截面形状为三心拱，净宽4米，壁高3米，拱高1米，总长度180米。钻机停放在距离挖掘工作面50米处
倾斜隧道爆破作业后的气流、粉尘和CO传输
该研究系统分析了爆破和通风条件下的气流模式以及粉尘和CO的时空演变，以探讨倾斜隧道爆破和机械通风过程中的污染特征。研究操作条件如下：隧道倾角（α）为16°，隧道工作面与强制通风管道出口之间的距离（L）为6米，强制通风管道的中心轴与...
结论
本研究通过理论分析、数值模拟和现场测量，系统研究了倾斜隧道爆破后粉尘-CO混合污染物的扩散和传输过程。首先，通过数值模拟揭示了爆破后粉尘和CO多阶段扩散和传输的时空特性。随后，利用范围分析和方差分析进行了定量比较...
CRediT作者贡献声明
李永军：撰写——初稿，软件开发，调查，资金筹集。曹琦：验证，资源提供，形式化分析。王鹏飞：撰写——审稿与编辑，可视化，调查，资金筹集。陈勇：方法论研究，调查。李世林：软件开发。罗亚飞：验证。杜学宇：调查。张萍：验证。王新哲：可视化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：52504217、52274197、52474220）、湖南省自然科学基金（编号：2024JJ2032）、教育部工业粉尘防治与职业健康安全重点实验室开放基金（编号：EK20242001）以及湖南科技大学博士研究启动基金（编号：E52578）的支持。
