李孜軍，李蓉蓉，徐 宇，王巧莉

(中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

0 引言

我國西部高海拔地區(qū)礦產(chǎn)資源極為豐富，并且隨著西部大開發(fā)的深化推進，該地區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)正有序開展。高海拔低氧環(huán)境對人體健康有很大影響，特別是對于從事礦山掘進工作面開采等復雜作業(yè)的體力勞動人員，低氧會引起一系列不良生理反應，其中對勞動能力的影響尤為明顯[1]。因此，解決低氧問題對于保障高海拔礦山掘進工作面作業(yè)人員的生命安全與勞動效率具有重要意義。

加壓通風和人工供氧是解決高海拔地區(qū)低氧問題最常見的方法，但加壓技術所需設備價格高昂，對空間密閉性要求高，在作業(yè)環(huán)境復雜的施工現(xiàn)場或一般的生活、辦公區(qū)域使用難度大，而人工供氧相對而言更易普及和推廣。目前，高原反應危險性分區(qū)[2]、低氧傷害評估[3]和供氧量標準[4]等供氧相關基礎理論研究豐富，各類供氧技術和方法涌現(xiàn)，主要供氧方式可以分為2種：個體供氧和彌散供氧[5]。個體供氧方式主要采用鼻吸入式或面罩吸入式，如增氧呼吸器[6-7]，但直接輸送氧氣到鼻子會刺激鼻腔，且個體供氧方式大多需要作業(yè)人員隨身背負氧氣瓶，給作業(yè)人員帶來額外重量，增加負擔[8]，更換氧氣瓶則會影響工作連續(xù)性，因此更多應用于醫(yī)療機構和航空領域。彌散供氧相關研究也十分廣泛，劉應書等[9-12]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實驗研究局部彌散供氧特性，提出密閉建筑空間、缺氧空調(diào)房間的富氧方法，并設計高原隧道氧氣分散供應系統(tǒng)；李孜軍等[13-15]采用數(shù)值模擬結合室內(nèi)實驗的方法分析小孔式供氧口的富氧效果，并設計局部供氧噴嘴，在人體口鼻處形成局部富氧；鐘華等[16]提出使用氧氣管直接輸送高濃度氧氣至高海拔礦山掘進作業(yè)面進行供氧。但目前應用于掘進工作面的彌散供氧技術易受到巷道風流的影響，氧氣流失嚴重，導致氧氣的有效利用率不高。

因此，為安全、經(jīng)濟地對高海拔礦山掘進工作面進行人工供氧，本文設計1種新型供氧裝置，將供氧管與環(huán)形空氣幕相結合，高濃度氧氣通過供氧管送達工作區(qū)域內(nèi)進行彌散供氧，而空氣幕則通過射流霧化在作業(yè)人員四周形成空氣屏障，減緩氧氣擴散流失，提高工作區(qū)域呼吸帶氧氣質量分數(shù)，以保障作業(yè)人員生命安全，提高工作效率。再以中國云南某海拔3 400 m的銅礦為例，運用ANSYS Fluent建立掘進工作面物理模型，根據(jù)礦山實際情況確定邊界條件，對比研究單一供氧管模式和新型供氧裝置的增氧效果差異。最后，分析空氣幕出風口形式、供風量對富氧效果的影響，進一步優(yōu)化新型供氧裝置，以改善高海拔礦山掘進工作面呼吸環(huán)境。

1 供氧設備模型

1.1 供氧設備研發(fā)

高海拔礦山掘進工作面氣壓低、氧氣稀薄，加上爆破、設備以及人員的耗氧，使工作區(qū)域的氧含量進一步降低。本文針對高海拔礦山掘進工作面低壓低氧的特殊環(huán)境需求，研發(fā)1種用于提高工作區(qū)域呼吸帶氧含量的新型供氧裝置，以解決高海拔地區(qū)氧氣含量低而引起的作業(yè)人員高原反應，保障人員的身體健康和生命安全，提高工作效率。空氣幕是1種礦井風流調(diào)控技術，具有隔斷風流的作用，同時安裝操作簡便、維護管理方便、設備成本低，且不影響人員和車輛通行，有廣泛的應用前景[17]。因此，本文將環(huán)形空氣幕運用于高海拔礦山掘進工作面局部彌散供氧的過程中，在作業(yè)人員主要工作區(qū)域呼吸帶形成局部富氧區(qū)域。

新型供氧裝置由通風圓盤、供風管、可伸縮供氧軟管、輸氧管道、氧氣源、水平滑軌、垂直滑軌、吊桿、可移動滑桿、風機等部分組成，如圖1(a)所示。其工作原理如下：

圖1 新型供氧設備示意Fig.1 Schematic diagram of new oxygen supply device

1)通風圓盤上表面設有供風管連接口，供風管的一端外接風機，另一端通過供風管連接口向通風圓盤內(nèi)部輸送空氣；空氣到達通風圓盤后，經(jīng)下方的空氣排放通孔射流霧化，形成環(huán)形空氣幕，阻斷或減緩氧氣流失，從而在通風圓盤下方形成局部富氧，用適宜的供氧量達到最佳的供氧效果，提高氧氣的有效利用率。如圖1(b)所示，在通風圓盤下表面分別設置圓孔出口和環(huán)形縫隙風口，分析最佳空氣幕出風口形式。

2)供氧管采用可伸縮軟管，供氧管穿過圓盤中心與外加氧氣源連接，氧氣源可以是氧氣瓶或制氧機。氧氣瓶和氣瓶柜組成的氧氣源將高濃度氧氣經(jīng)可伸縮供氧軟管輸送到作業(yè)人員工作區(qū)域，作業(yè)人員可根據(jù)需求拉伸供氧軟管，調(diào)節(jié)供氧軟管出口高度。

3)為方便移動新型供氧裝置，通風圓盤通過可移動滑桿連接著水平滑軌，水平滑軌通過1個可移動滑桿連接著垂直滑軌，垂直滑軌通過吊桿固定在巷道頂板。

新型供氧裝置能在一定程度上克服高海拔地區(qū)氧源的有限性和短缺性，且作業(yè)人員在該裝置形成的富氧區(qū)域內(nèi)進行掘進開采工作，能夠保障生命安全，提高工作效率。

1.2 物理模型

為驗證新型供氧裝置的運用效果，以位于中國云南海拔3 400 m的某銅礦巷道為例，運用Fluent軟件建立寬3.0 m、高2.3 m、總斷面積6.3 m2的三心拱掘進巷道模型，模型剖面圖如圖2(a)所示。礦山掘進工作面實際情況復雜，CFD模擬在較為理想狀態(tài)下進行，假設空氣為不可壓縮流體，流場為穩(wěn)態(tài)流場。將供氧設備固定于距離掘進工作面3 m的位置。由于滑軌位于巷道頂板，其對巷道風流的影響可以忽略不計，因此不對其進行建模。

圖2 巷道通風管道結構Fig.2 Structure of roadway ventilation ducts

高海拔礦山掘進工作面更適合采取長壓短抽的通風方式[18]，壓入風筒出口、抽出風筒入口到工作面的距離范圍由經(jīng)驗公式確定，如式(1)～(2)所示：

(1)

(2)

式中：Zf為壓入風筒出口到掘進工作面的距離，m；Ze為抽出風筒入口距離掘進工作面的距離，m；S為巷道總斷面積，取6.3 m2。

由式(1)和式(2)計算可得，壓入風筒出口與掘進工作面距離應小于10.04～12.55 m，抽出風筒入口與掘進工作面的距離應小于3.76 m，所以壓入風筒出口、抽出風筒入口與掘進工作面的距離分別取10 m、3 m。自掘進工作面起取15 m長的巷道作為模擬區(qū)域，如圖2(b)所示。物理模型相關參數(shù)如表1所示。

表1 物理模型相關參數(shù)Table 1 Relevant parameters of physical model

1.3 網(wǎng)格生成與湍流模型

網(wǎng)格質量對計算結果的準確性有很大影響，有必要對其進行調(diào)整和優(yōu)化[19]。網(wǎng)格劃分采用四面體自動生成的方式，網(wǎng)格質量相關信息如表2所示。網(wǎng)格質量包括所有網(wǎng)格節(jié)點的扁平化程度，一般通過偏斜度和正交質量來判斷。四面體網(wǎng)格的偏斜度不應大于0.95，平均不應大于0.33，最小正交質量應大于0.1[20]。本次模擬的網(wǎng)格，最大偏度小于0.95，最小正交質量大于0.1，說明網(wǎng)格質量高。

表2 網(wǎng)格質量Table 2 Grid quality

Fluent中有4種湍流模型：Spalart-allmaras、k-epsilon、k-omega和RSM(雷諾應力模型)。Kurnia等[21]通過實驗驗證了4個模型，發(fā)現(xiàn)k-epsilon模型與實驗數(shù)據(jù)吻合良好。該模型在工程領域得到廣泛應用，因此本文采用k-epsilon模型。該模型采用Two-equation模型處理湍流動能k及其耗散率ε，其耗散率與湍流黏度相關。Two-equation模型如式(3)～(4)所示：

(3)

(4)

式中：k表示湍流動能，J；ε表示耗散率；ρ表示空氣密度，取0.806 4 kg/m3；t表示湍流時間，s；Gk表示由于平均速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能，J；C1ε，C2ε為模型常數(shù)；σk，σε分別為相對應的紊流普朗特數(shù)k方程和ε方程；μt為湍流黏度，kg/ms。

湍流黏度μt由式(5)計算：

(5)

式中：Cμ為經(jīng)驗常數(shù)。

模型常數(shù)C1ε,C2ε,Cμ,σk，σε分別為1.44,1.92,0.09,1，1.3。

1.4 邊界條件

1)風筒風量。在高海拔礦山中，對巷道進行供氧前應使用最大風量排出爆破產(chǎn)生的煙塵，再調(diào)小風量，對掘進工作面進行供氧，工人進入巷道作業(yè)，通風的目的是排出工人作業(yè)時產(chǎn)生的粉塵。因此，由最低排塵風速計算壓入風量，見式(6)：

Q1≥V0S

(6)

式中：Q1為排出掘進工作面粉塵所需風量即壓入風筒風量，m3/s；V0為最低排塵風速，m/s，按巖石巷道確定為0.15 m/s；S為巷道總斷面積，m2。

由式(6)計算得Q1≥0.947 3 m3/s，壓入風筒直徑為0.4 m，則壓入風筒內(nèi)的風速應大于7.54 m/s，本次模擬取壓入風筒內(nèi)的風速8 m/s，則對應的壓入風筒內(nèi)的風量為1.004 8 m3/s?？紤]到高海拔地區(qū)礦山掘進巷道處于低壓缺氧的特殊環(huán)境，抽出風筒的風量應小于壓入風筒的風量，避免巷道內(nèi)處于負壓狀態(tài)，造成氧分壓進一步降低，因此，抽壓比取0.6，則抽出風筒內(nèi)的風速為4.8 m/s。本文研究目的是將高海拔礦山掘進工作面的氧氣質量分數(shù)提升至24.35%，因此，將供氧風量設置為0.0048 m3/s，則供氧管出口氧氣流速度為6.8 m/s，探究此條件下采用局部供氧裝置后能否達到目標氧氣質量分數(shù)。

2)大氣壓力。大氣壓力由壓力與海拔高度的經(jīng)驗公式計算得到，見式(7)：

(7)

式中：H為海拔高度，m；pH為海拔高度H處的大氣壓力，用絕對壓力表示，kPa。

由式(7)計算得在海拔高度3 400 m時，大氣壓力為66.623 kPa。

3)空氣密度?？諝饷芏扔衫硐霘怏w狀態(tài)方程計算得到，見式(8)：

pM=ρRT

(8)

式中：p為大氣壓力，Pa；M為空氣摩爾質量，取29 g/mol；ρ為密度，kg/m3；R為比例常數(shù)，對任意理想氣體而言，R取8.314 J/(mol·K)；T為溫度，K。

由式(8)計算得在海拔高度3 400 m時，空氣密度為0.806 4 kg/m3，在模型中假設空氣為不可壓縮流體。壓入風筒、抽出風筒、供氧管和供風管的風速是已知的，所以采用速度入口，而巷道出口采用壓力出口。該礦山屬亞熱帶山地季風氣候，年平均氣溫4 ℃左右，本文采用該地區(qū)夏季平均氣溫15 ℃(288.15 K)。具體邊界條件設置情況如表3所示。

表3 邊界條件Table 3 Boundary conditions

2 供氧模式對比

單一供氧管模式是指只使用供氧管對掘進工作面區(qū)域進行供氧，不考慮采用輔助通風設施來阻隔氧氣的擴散流失，如圖3所示，在距離掘進工作面3 m的位置放置供氧管，出口垂直向下。對單一供氧管模式和新型供氧裝置進行富氧效果對比，重點分析環(huán)形空氣幕包圍區(qū)域內(nèi)的呼吸帶氧氣分布情況。其中，以離底板1.0～1.6 m的高度作為呼吸帶，即作業(yè)人員呼吸直接利用的那部分大氣的區(qū)域范圍。

圖3 單一供氧管模式Fig.3 Single oxygen supply duct mode

在Case 1.1中，首先對單一供氧管模式進行模擬分析。供氧管出口距離底板高度為1.8 m，直徑0.03 m，氧氣流速設置為6.8 m/s，則供氧量為0.004 8 m3/s。在Case 1.2中，將供氧管與環(huán)形空氣幕相結合，在作業(yè)人員工作區(qū)域內(nèi)進行彌散供氧，空氣幕在作業(yè)人員四周形成空氣屏障，目的是減緩氧氣擴散流失。通風圓盤的直徑為1 m，圓盤下表面均勻設置20個空氣排放通孔，通孔出口距離底板高度為2.0 m，空氣排放通孔的直徑為0.03 m。流體從圓孔出風口射出后會形成橫斷面呈圓形的射流，多股射流相互交織則形成空氣屏障?；诰嚯x掘進工作面6 m的空間范圍均勻選取的6個橫截面和巷道中心縱截面的氧氣質量分數(shù)分布情況，探究環(huán)形空氣幕對富氧效果的影響，如圖4所示。

圖4 氧氣質量分數(shù)分布Fig.4 Distribution of oxygen mass fraction

2組模擬呈現(xiàn)1個共同規(guī)律：氧氣從供氧軟管流出后，隨著與供氧軟管出口距離的增加，氧氣質量分數(shù)均逐漸減低，符合彌散供氧時，氧氣軸向最大濃度均隨氧氣出口軸向距離增加而衰減的規(guī)律，在一定程度上，驗證了模擬結果的有效性。2組模擬結果的氧氣均有向左擴散的趨勢，這是由于受到壓入風筒出口的風流作用。當新鮮空氣從壓入風筒流出時，以逐漸擴大的自由氣流流向工作表面，射流出口氣流速度大于周圍空氣，所以在正向流動的過程中會不斷地吸引周圍空氣，使射流流體中的風量和射流截面不斷增大，帶動巷道左側氣體流動。但在Case 1.1中，氧氣存在向左下方擴散的趨勢，并且有部分氧氣堆積在底板上，造成氧氣的浪費。在Case 1.2中，氧氣隨巷道中氣流擴散范圍有所減小，大多數(shù)氧氣(紅色部分)集中在通風圓盤下方的呼吸帶范圍內(nèi)。在巷道中進行掘進作業(yè)時，工人作業(yè)時的呼吸帶區(qū)域主要是1.0～1.6 m的高度范圍內(nèi)，在氧氣來源有限的條件下，使氧氣集中在作業(yè)空間中心區(qū)域的呼吸帶范圍內(nèi)最為理想，所以Case 1.2的結果符合預期效果，通風圓盤所形成的環(huán)形空氣幕，能夠在作業(yè)人員四周形成空氣屏障，減緩氧氣擴散流失，有針對性地提高工作區(qū)域呼吸帶氧氣質量分數(shù)。

本文以環(huán)形空氣幕包圍區(qū)域為研究對象，基于Fluent軟件計算結果，取呼吸帶1.0～1.6 m內(nèi)氧氣質量分數(shù)進行數(shù)值分析。Case 1.1與Case 1.2的呼吸帶平均氧氣質量分數(shù)分別為25.28%、26.42%，說明新型供氧裝置比單一供氧管模式的平均氧氣質量分數(shù)增加了1.14%，富氧效果差異顯著。

3 環(huán)形空氣幕優(yōu)化設計

空氣幕出口形式、供風量是影響空氣幕性能的重要參數(shù)。本文根據(jù)Fluent軟件模擬結果，進一步分析研究空氣幕出口形式以及供風量對新型供氧裝置穩(wěn)定性和增氧效果的影響，從而對空氣幕進行優(yōu)化，設計符合流體流動特征的空氣幕，達到提高掘進作業(yè)面氧氣質量分數(shù)、節(jié)能降耗、降低空氣幕運行成本的目的。空氣幕出口形式主要采取圓孔出風口和環(huán)狀縫隙出風口，分別建立出口直徑為0.03，0.02 m的圓孔出風口模型，出口寬度為0.010，0.015 m的環(huán)狀縫隙出風口模型進行模擬。具體參數(shù)設置與呼吸帶平均氧氣質量分數(shù)如圖5所示。

圖5 氧氣質量分數(shù)分布熱圖Fig.5 Heat map of oxygen mass fraction distribution

使用熱圖來表示不同空氣幕式和風量下的平均氧氣質量分數(shù)。越接近紅色，平均氧氣質量分數(shù)越高，越接近藍色，平均氧氣質量分數(shù)越低。如圖5所示，采用環(huán)形空氣幕后，人體呼吸帶的平均氧氣質量分數(shù)大多高于單一供氧管道方式，但有部分方案的氧氣質量分數(shù)比無空氣幕時要低，說明氧氣分布受多種因素影響，有必要對該新型供氧裝置的應用效果進一步分析研究。Case C和Case D的平均氧氣質量分數(shù)整體高于Case A和Case B，說明圓孔氣孔直徑為0.02 m優(yōu)于0.03 m，由此可以得出，在相同風量下，圓孔出口的直徑越小，射流霧化效果越好，從而能夠更好地阻止氧氣的擴散損失。平均氧氣質量分數(shù)最高達到27.59%的是Case E組：0.01 m環(huán)狀縫隙出風口、風量為0.014 m3/s，比圓孔出風口最優(yōu)方案的氧氣質量分數(shù)還高0.32%，因此環(huán)狀縫隙出風口所形成的空氣幕阻隔作用更好。風量為0.056 m3/s時，有多組方案的氧氣質量分數(shù)明顯低于其他方案，這是由于空氣幕提供的風量過大，與人工供入的氧氣混合稀釋，從而降低了呼吸帶平均氧氣質量分數(shù)。由上述分析可知，圓孔出風口直徑、出風口類型、風量對新型環(huán)形空氣幕富氧效果都有明顯影響。

基于Fluent模擬結果，比較環(huán)形空氣幕封閉區(qū)域距離底板不同高度處的平均氧氣質量分數(shù)，結果如圖6所示。由圖6可知，氧氣質量分數(shù)的變化經(jīng)歷了相對穩(wěn)定階段和快速生長期2個階段，所有情況都有1個共同的特點，即隨著高度的增加，氧氣質量分數(shù)增長緩慢，當高度達到1.0 m左右時，氧氣質量分數(shù)的增長速度迅速增加。這是由于氧氣流從供氧管道出口流出進入環(huán)境后，發(fā)生對流擴散和濃度差驅動的擴散過程，流速和濃度差越大，擴散范圍越廣。離地高度1.0～1.6 m區(qū)域靠近供氧管道出口，氧流速度和濃度較大，因此該區(qū)域平均氧氣質量分數(shù)較高，也進一步說明新型供氧裝置的富氧效果好，有更多氧氣集中在呼吸帶。供氧管道出口較短距離內(nèi)的氧氣流動速度較大，受周圍氣體黏性阻力較大，氧氣擴散速率迅速下降，使得氧氣擴散能力迅速減弱。當氧氣擴散到離地面1.0 m高度時，進入1個相對穩(wěn)定的衰變過程，直到接近周圍的氧氣質量分數(shù)。

圖6 不同離地高度的平均氧氣質量分數(shù)Fig.6 Average oxygen mass fraction at different heights

4 結論

1)新型供氧裝置比單一供氧管模式的富氧效果好。新型供氧裝置氧氣在呼吸帶范圍內(nèi)分布相對均勻，最高氧氣質量分數(shù)都集中在呼吸帶范圍內(nèi)，呼吸帶平均氧氣質量分數(shù)為26.42%，大于采用單一供氧管模式的呼吸帶平均氧氣質量分數(shù)(25.28%)。

2)新型供氧裝置的0.02 m直徑圓孔出風口的富氧效果優(yōu)于0.03 m直徑。圓孔出風口直徑為0.02 m時，最高呼吸帶平均氧氣質量分數(shù)達到27.27%，氧氣更多集中在環(huán)形空氣幕包圍區(qū)域呼吸帶范圍內(nèi)，最低平均氧氣質量分數(shù)達到26.69%，比圓孔出風口直徑為0.03 m的最優(yōu)方案的氧氣質量分數(shù)高0.27%。

3)環(huán)狀縫隙出風口優(yōu)于圓孔出風口。環(huán)狀縫隙寬度為0.010 m、風量設置為0.014 m3/s時，呼吸帶平均氧氣質量分數(shù)達到27.59%，新型供氧裝置能有效提高作業(yè)人員周圍呼吸帶區(qū)域的氧氣質量分數(shù)，可以適當減少供氧量，節(jié)約經(jīng)濟成本。