基于Fluent的高原矿井通风增压增氧技术研究

郝宇鑫，黄玉诚，魏文峰，王瑜敏，朱能高

(中国矿业大学(北京)能源与矿业学院，北京 100083)

我国西部高原地区拥有丰富的矿产资源，但其大气压力通常低于平原地区，很容易影响人体健康并降低燃料和电气设备的效率[1-2]。另外，由于高海拔地区的矿井通风系统非常复杂，因此研究通风系统的难度较大，主要存在以下问题：第一，氧气含量严重不足，致使地下作业人员呼吸困难[3]；第二，构造矿井通风系统时考虑因子较多，恶劣的呼吸环境影响工作效率，加上开采地质条件不充分，大型矿井井下开采面临较大的通风困难[4-5]。因此解决好高原地区低压低氧问题成为高原矿井通风的关键。

1 矿井通风概况

普朗铜矿位于云南省，海拔3 600～4 000 m，气候寒冷，年平均气温为4 ℃。该矿采用压抽结合的通风方式，根据开拓系统、采矿方法和矿体赋存条件，矿井采用3 850 m进风平硐、3 600 m进风平硐、3 660 m有轨运输平硐和3 720 m无轨平硐进风，采场辅扇分风，3 700 m回风平硐和南回风井集中回风的多级机站串并联协同工作的通风方式。

经过分析，普朗铜矿通风过程中，由于矿区的海拔较高，大气中含氧量不到标准状态下的2/3，供氧不足导致工人的呼吸困难，这使得人员劳动体力不足以应对劳动强度较大的工作，同时工人长期在缺氧的井下进行大体力劳动会使得高原疾病的发病率提高。此外，高原矿井的气候条件和平原地区有很大不同，矿用设备工作难以达到平原地区正常水平，如矿用设备的柴油机会因为空气中氧含量不足而导致内燃机燃油燃烧不充分，从而存在着安全隐患。

2 理论计算

高原矿井通风方式选取的根本原则是解决需氧问题，对于改善高原矿井低压、低氧的恶劣环境，主要思路是增压、增氧、减少有害气体，以达到提高作业人员吸入气体氧分压的目的。

2.1 供氧可行性

对高原矿井供氧进行经济性分析，采用集中式供氧时，每个成年人耗氧量为2 L/min，人的呼吸包括呼气和吸气两个过程，可以认为，人在一般环境下每小时有20 min在进行吸入空气的呼吸循环。每个工作面有7～8人，则一个工作面每小时需要消耗大约0.32 m3的氧气，一天消耗的氧气为7.2 m3，一年消耗的氧气达到2 628 m3。普朗铜矿所在地区海拔为3 600 m，大气压力为64 558 Pa，产量为1 250万t/a，所以需要多个工作面同时进行协同开采，井下最大工作人数约130人，一天三班倒替，一年耗氧量可达42 705 m3。作为一个大型矿井，产量和人员安全是生产中必须要面对的问题[6]，如果采用制氧设备，根据市面上供氧设备的价格可知花费将非常巨大。虽然直接携带氧气设备在井下工作可以有效缓解工人的高原反应，但是在矿井开采中，为了满足所有矿工的氧气需求，必须有可靠的设备来制氧或者输送氧气，然而有限的存储容量、制氧成本偏高等因素制约着这种方式的实行。当前，在矿井中使用直接供氧的方法仅用作突发事故时的临时急救措施，难以满足工人长时间井下工作的需氧要求。

2.2 增压通风可行性

目前高原矿井通风方式主要采用压入式通风，因为抽出式通风会导致矿井井下负压更为严重，难以解决井下低压低氧的问题。本文考虑采用增压通风的方式，具体如下所述。

1) 目标海拔高度的确定。从满足人体正常工作的需氧量来考虑，根据氧分压、人体血氧饱和度和工人工作环境所处海拔高度之间的关系，可将海拔2 800 m以下认为是感知强度低的区域。工人在海拔2 800 m以下的区域从事长时间的劳动时不会出现缺氧症状[7]。因此，人工增压通风设计的目标海拔高度最初选择为2 800 m。

2) 整体增压。考虑备用系数和高原修正系数，矿井总风量设计为620 m3/s。矿井有两个进风平硐，分别是3 600 m进风平硐和3 850 m进风平硐。采用整体增压的方式，矿井3 800 m处大气密度为798.51 g/m3，大气压力为62 961.4 Pa。 矿井3 600 m处大气密度为823.88 g/m3，大气压力为64 558.0 Pa。目标大气压为达到海拔2 800 m处的大气压为71 359.8 Pa，如果需要提升3 600 m处的压力到2 800 m处的水平，风机需要提供压力6 801.8 Pa。

经过计算，如果采用整体增压，根据一般风机的参数可知，目前没有风机能够满足采用该矿井整体增压的通风要求，如果采取风机串联的方法来达到增压效果，串联的风机过多会造成风机功率过大，从实用性和经济性的角度来看都难以满足矿井通风的要求。

3) 局部增压。局部增压聚焦在服务井下工作面的作业人员，采用小范围增压的方式，以减少通风资源的浪费，在需要通风时通入新鲜风流，不需通风时可以屏蔽风流不进入指定区域，方便通风管理人员进行管理，从而提升了通风系统的灵活性和能效比。采用局部增压方式，矿井主路进风，在采场工作面附近设置局部通风机，并在采场出风口设立可调节风门或者风窗进行增阻调节。局部增压通风在设立风机时需要根据通入气流压力势能的变化来进行调整，采用增压提升井下压力时的压力变化如图1所示。由图1可知，增压风机距离用风地点如工作面等地方需要有合适的距离，并结合需风地点的实际情况进行安排。

注：Hs为风机静压；hR为矿井通风阻力。图1 压入式通风压力坡线图Fig.1 Pressure ventilation pressure slope graph

2.3 局部增压理论研究

1) 增能增压调节理论。风机通风的过程即将电能转化成空气能的过程，所以增压实际上就是增加输入采场的空气能，使得该区域的气压高于周围环境。 结合风机的通风原理列出通风能量方程式[8]，见式(1)。

(Z1gρm1-Z2gρm2)=h1,2

(1)

式中：(P1-P2)为扇风机的相对静压，以Hs表示；(Z1gρm1-Z2hρm2)为两断面间的位能差，数值上等同于因为海拔高度不同而导致两个地点之间的压强不同形成的压力势能差，Pa，以Hn表示；h1,2为增压区间风流流过时遇到的通风阻力。

则通风能量方程式可以改写为式(2)。

(2)

风机正常运行中全压和空气流速以及该点的空气密度存在的关系，见式(3)[9]。

(3)

在特定空间内进行计算时，可以通过相对压强来进行计算，则式(3)可写为式(4)。

(4)

大气压强随着海拔高度升高而降低，定义工人能适应的最大压强极限值为H习服，结合不同海拔地区的空气密度和标准大气压下的比值ρ0/ρH，则可以得出风机需要增加的压力，见式(5)。

(5)

通过式(5)可以得出，提升局部空间的大气压需要通风能力较大的风机来对空气进行增压处理，所以风机的性能对硐室内增压是否能达到适合工人工作的水平有着最为直接的影响。另外需要注意的是，风机性能不能无限提升，当井下和地表的压强差过大，直接使用扇风机增压而不采取其他辅助措施，会使得扇风机的电机功率过大难以满足生产要求。

2) 阻力增压调节理论。气体在流动的过程中遇到阻碍物会克服阻力做工，释放空气势能，从而导致阻力区域的压力势能增大，在矿井井下通风时，巷道的粗糙壁面和巷道的突然改变方向，都会对流入的空气造成一定的阻力，从而造成压力势能的减小。阻力增压的方法可以应用在需要增压的采场工作面等区域，通入的气体一般为紊流状态，当新鲜风流进入需风场所，如果出口处的断面突然收缩，会对流经的气流产生一个正面阻力her，在这个断面的前后就形成了压强差，同时由于空气的急剧压缩，流速口通过空气的速压hv1和hv2也会随之发生变化，且和正面阻力大小成正相关，这里引入局部阻力系数ξ1,则可以得到增压空间的阻力计算式为式(6)。

(6)

式中：v1、v2为井巷突然变化后局部断面前后的平均风速，m/s；ρ为井巷断面处的空气密度，kg/m3；ξ1和ξ2分别为hv1和hv2的阻力系数。

在断面变化时对流过改截断口的空气会造成一定阻力，其局部阻力系数和断面变化的程度呈现正相关，即断面口的前后面积差异越大，所对应的局部阻力系数就越大，见表1。

表1 局部阻力系数ξ值和断面变化的关系Table 1 Changes in local resistance coefficientξ value and section

若风量Q不变，断面前后的面积分别为S小、S大，则该处平均风速计算见式(7)。

(7)

将式(7)整理得式(8)。

(8)

her=RerQ2

(9)

式中：her为增压区间通风总阻力，Pa；Rer为增压空间的风阻，NS2/m2；Q为增压空间的风量，m3/s。

结合式(8)可知，在所处环境大气密度一定的情况下，增加通风阻力的方式就是改变局部阻力系数Sw的大小，当Sw/S大≤0.5时，计算见式(10)。

(10)

当Sw/S大≥0.5时，计算见式(11)。

(11)

式中：Sw为调节风窗的面积，m2；ΔRer为通风前后调节风阻变化量，NS2/m2。

阻力调节时，一般巷道的尺寸都是固定的，通过缩小出风口来实现增阻的目的。建立井巷通风等效窗口来进行控制风流，等效窗口的面积用A表示，计算见式(12)[9]。

(12)

式中：Q为进风量，m3/s；R为需要达到的目标阻力，Pa。

采用增阻调节的局部增压方式，以3 600 m进风平硐为例，采场工作面需要增压达到海拔2 800 m时的水平，普通的单个风机不能满足采场局部增压的要求，在矿井设置主通风机的情况下，以3 600 m进风平硐为例，输送到采场工作面的风压可以比3 600 m时提升约1 956 Pa，采场局部增压需要提升的压力为71 359.8-64 558.0-1 956.0=4 845.8 Pa，在设立主风机增压后，在采场进风口设立增压风机，可以通过设立调节风窗增加通风阻力来使得采场工作面的大气压得到有效提升。

3 增压增氧通风数值模拟

建立模型前先要明确空气中氧含量的定义，随着海拔高度的升高，空气中氧气体积分数和质量分数基本不变(20.95%)。由于大气压力随海拔升高而减小，空气密度变小，单位体积所含氧气的质量则相应减少，而空气中氧含量=空气密度×空气中氧气质量分数。为了便于氧含量对比，本文基于标准矿井空气条件下(P=101 325 Pa，t=20 ℃，相对湿度=60%)的氧含量，定义海拔h处空气氧含量百分比=海拔h处空气氧含量/标准空气条件氧含量×100%。可以分析得到t=20 ℃时不同海拔处的空气压力、密度、氧含量及氧含量百分比，见表2。

表2 大气基本参数随海拔的变化Table 2 Variation of basic parameters ofthe atmosphere with the altitude

3.1 局部增压增氧模型建立

普朗铜矿井下同时设有多个水平进行开采，通风线路长，新鲜风流3 600 m进风平硐到达采场需要花费较长的时间，且多个采场同时开采时统一的通风方式会导致供风不足，所以对局部工作面进行增压通风就显得更为重要。针对矿井复杂的通风网络，本文对采场局部增压系统进行简化，可以更加方便直观地进行分析研究。一般的大型金属矿通风如图2所示，以服务工作面为核心，利用主通风机将风流输送到采场工作面，在风流进入工作面之前采用局部通风机对传送过来的风流进行二次增压，从而使得采场工作面的压力增加。

图2 采场局部增压示意图Fig.2 Schematic diagram of local mine pressure

通过在采场进风口处设置增压风机来进一步增大采场内的大气压力，但是增加风机功率只能提高采场空气流速，并不能提高采场内的压力，因为采场内空间有限，所以通风阻力一般比较小，风流经过采场后增压效果有限。为实现采场内大气压力得到有效提高，采用在出风口设置调节风窗来缩小出风口断面面积的方式，使增压后的空气势能主要消耗在需要增压区间，进而提高通风效率，减少风能浪费。如图3所示，通过在进风巷采用增压风机、回风巷设置增阻设施可以实现井下增压的目的。

图3 增能增阻增压示意图Fig.3 Schematic diagram of boosting energyand increasing pressure

3.2 局部增压通风系统的数值模拟

根据工作面实际尺寸，供风巷道和排风巷道断面视为高2.5 m、宽3 m的矩形，走向长度各为5 m，采场视为规则的长方形，长为30 m，宽为15 m采场出风口出的风窗断面设置成巷道断面的1/4。建立数值模型，启动ICEM CFD软件，创建控制点、边、面并且进行网格划分，如图4所示。

图4 设置人工增阻时巷道网格图Fig.4 The roadway mesh diagram afterincreasing resistance

设置边界条件，模型左边进风口设置为inlet，右侧出风口设置为outlet，其余设置为wall。由于通入的流体为低密度的空气，故模型选用viscous中的k-epsilon， materials选择air， 设置空气密度为海拔3 600 m时的密度为823.88 g/m3。入口设置成海拔3 600 m处的大气压，Gravity为9.78。初始化，运行迭代计算，迭代次数设置为1 000。

通过软件处理得到采场内氧气浓度分布和空气压力分布情况如图5所示。由图5可知，采场的大气压力相比之前有了很大的提升，在经过调节风窗之后气压有所下降。图6为采场内平均氧含量和大气压力变化情况。由图6可知，在气流稳定后采场内平均气压约为69 000 Pa，采场内大部分区域气压提升约达到目标值的80%。同时由于采场硐室内大气压力的提高，空气的压实使得硐室内部氧气含量也有了一定的提高，在通入气流稳定后，氧气质量含量由海拔3 600 m处的不到60%提升到了67.5%。表明对气流出风口断面进行缩小可以增加采场内的大气压力，同时能够使得采场内氧气含量有所提高。由此可以看出，采用局部增压的通风方式对采场进行增压通风，并且通过可调节风门来控制采场出风口的横截面积，可以有效改善井下工人在工作中面临的缺氧低压的问题。

图5 增压增阻后采场氧气含量和大气压力分布图Fig.5 The pressure distribution and the oxygen content distribution graph after increasing resistance

图6 采场内平均氧含量和大气压力变化图Fig.6 The average oxygen content and pressure

4 结 论

1) 通过总结经验以及对矿井资料进行分析，根据矿井的地理条件、气候条件，对矿井现有通风系统进行研究，普朗铜矿通风系统较为复杂，大气密度约为平原地区的2/3，井下工人工作缺氧严重，指出了矿井目前通风存在的问题。

2) 确定了单纯对矿井采用集中式供氧在经济性和便利性上是不可行的，针对矿井的通风困难，提出了高海拔矿井增压增氧通风的原则。并确定适宜人体劳动的目标海拔高度为2 800 m，对矿井通风数据进行计算，讨论了采用对矿井采用整体增压和局部增压的可行性，最终确定采用局部增压增氧的通风方式，从理论上提出了增能调节和增阻调节相结合的方式，在使用风机增压并且通过控制井下风流断面的面积来达到增加用风地点大气压力和氧含量的目的。

3) 结合矿井实际情况，建立矿井局部增压增氧系统，利用CFD建立采场硐室模型，并使用Fluent对增压增阻模型的效果进行了模拟，得出的模拟结果证明采用增能增阻调节相结合的方式进行增压可以使位于海拔3 600 m的采场硐室内的气压得到有效提高，达到目标大气压的80%，采场内的氧分压也随之提高，从而验证了人工增压增氧通风方式的合理性。