郝宇鑫，黃玉誠，魏文峰，王瑜敏，朱能高

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

我國西部高原地區(qū)擁有豐富的礦產(chǎn)資源，但其大氣壓力通常低于平原地區(qū)，很容易影響人體健康并降低燃料和電氣設(shè)備的效率[1-2]。另外，由于高海拔地區(qū)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)非常復(fù)雜，因此研究通風(fēng)系統(tǒng)的難度較大，主要存在以下問題：第一，氧氣含量嚴(yán)重不足，致使地下作業(yè)人員呼吸困難[3]；第二，構(gòu)造礦井通風(fēng)系統(tǒng)時考慮因子較多，惡劣的呼吸環(huán)境影響工作效率，加上開采地質(zhì)條件不充分，大型礦井井下開采面臨較大的通風(fēng)困難[4-5]。因此解決好高原地區(qū)低壓低氧問題成為高原礦井通風(fēng)的關(guān)鍵。

1 礦井通風(fēng)概況

普朗銅礦位于云南省，海拔3 600～4 000 m，氣候寒冷，年平均氣溫為4 ℃。該礦采用壓抽結(jié)合的通風(fēng)方式，根據(jù)開拓系統(tǒng)、采礦方法和礦體賦存條件，礦井采用3 850 m進(jìn)風(fēng)平硐、3 600 m進(jìn)風(fēng)平硐、3 660 m有軌運(yùn)輸平硐和3 720 m無軌平硐進(jìn)風(fēng)，采場輔扇分風(fēng)，3 700 m回風(fēng)平硐和南回風(fēng)井集中回風(fēng)的多級機(jī)站串并聯(lián)協(xié)同工作的通風(fēng)方式。

經(jīng)過分析，普朗銅礦通風(fēng)過程中，由于礦區(qū)的海拔較高，大氣中含氧量不到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的2/3，供氧不足導(dǎo)致工人的呼吸困難，這使得人員勞動體力不足以應(yīng)對勞動強(qiáng)度較大的工作，同時工人長期在缺氧的井下進(jìn)行大體力勞動會使得高原疾病的發(fā)病率提高。此外，高原礦井的氣候條件和平原地區(qū)有很大不同，礦用設(shè)備工作難以達(dá)到平原地區(qū)正常水平，如礦用設(shè)備的柴油機(jī)會因?yàn)榭諝庵醒鹾坎蛔愣鴮?dǎo)致內(nèi)燃機(jī)燃油燃燒不充分，從而存在著安全隱患。

2 理論計(jì)算

高原礦井通風(fēng)方式選取的根本原則是解決需氧問題，對于改善高原礦井低壓、低氧的惡劣環(huán)境，主要思路是增壓、增氧、減少有害氣體，以達(dá)到提高作業(yè)人員吸入氣體氧分壓的目的。

2.1 供氧可行性

對高原礦井供氧進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，采用集中式供氧時，每個成年人耗氧量為2 L/min，人的呼吸包括呼氣和吸氣兩個過程，可以認(rèn)為，人在一般環(huán)境下每小時有20 min在進(jìn)行吸入空氣的呼吸循環(huán)。每個工作面有7～8人，則一個工作面每小時需要消耗大約0.32 m3的氧氣，一天消耗的氧氣為7.2 m3，一年消耗的氧氣達(dá)到2 628 m3。普朗銅礦所在地區(qū)海拔為3 600 m，大氣壓力為64 558 Pa，產(chǎn)量為1 250萬t/a，所以需要多個工作面同時進(jìn)行協(xié)同開采，井下最大工作人數(shù)約130人，一天三班倒替，一年耗氧量可達(dá)42 705 m3。作為一個大型礦井，產(chǎn)量和人員安全是生產(chǎn)中必須要面對的問題[6]，如果采用制氧設(shè)備，根據(jù)市面上供氧設(shè)備的價(jià)格可知花費(fèi)將非常巨大。雖然直接攜帶氧氣設(shè)備在井下工作可以有效緩解工人的高原反應(yīng)，但是在礦井開采中，為了滿足所有礦工的氧氣需求，必須有可靠的設(shè)備來制氧或者輸送氧氣，然而有限的存儲容量、制氧成本偏高等因素制約著這種方式的實(shí)行。當(dāng)前，在礦井中使用直接供氧的方法僅用作突發(fā)事故時的臨時急救措施，難以滿足工人長時間井下工作的需氧要求。

2.2 增壓通風(fēng)可行性

目前高原礦井通風(fēng)方式主要采用壓入式通風(fēng)，因?yàn)槌槌鍪酵L(fēng)會導(dǎo)致礦井井下負(fù)壓更為嚴(yán)重，難以解決井下低壓低氧的問題。本文考慮采用增壓通風(fēng)的方式，具體如下所述。

1) 目標(biāo)海拔高度的確定。從滿足人體正常工作的需氧量來考慮，根據(jù)氧分壓、人體血氧飽和度和工人工作環(huán)境所處海拔高度之間的關(guān)系，可將海拔2 800 m以下認(rèn)為是感知強(qiáng)度低的區(qū)域。工人在海拔2 800 m以下的區(qū)域從事長時間的勞動時不會出現(xiàn)缺氧癥狀[7]。因此，人工增壓通風(fēng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)海拔高度最初選擇為2 800 m。

2) 整體增壓?？紤]備用系數(shù)和高原修正系數(shù)，礦井總風(fēng)量設(shè)計(jì)為620 m3/s。礦井有兩個進(jìn)風(fēng)平硐，分別是3 600 m進(jìn)風(fēng)平硐和3 850 m進(jìn)風(fēng)平硐。采用整體增壓的方式，礦井3 800 m處大氣密度為798.51 g/m3，大氣壓力為62 961.4 Pa。 礦井3 600 m處大氣密度為823.88 g/m3，大氣壓力為64 558.0 Pa。目標(biāo)大氣壓為達(dá)到海拔2 800 m處的大氣壓為71 359.8 Pa，如果需要提升3 600 m處的壓力到2 800 m處的水平，風(fēng)機(jī)需要提供壓力6 801.8 Pa。

經(jīng)過計(jì)算，如果采用整體增壓，根據(jù)一般風(fēng)機(jī)的參數(shù)可知，目前沒有風(fēng)機(jī)能夠滿足采用該礦井整體增壓的通風(fēng)要求，如果采取風(fēng)機(jī)串聯(lián)的方法來達(dá)到增壓效果，串聯(lián)的風(fēng)機(jī)過多會造成風(fēng)機(jī)功率過大，從實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的角度來看都難以滿足礦井通風(fēng)的要求。

3) 局部增壓。局部增壓聚焦在服務(wù)井下工作面的作業(yè)人員，采用小范圍增壓的方式，以減少通風(fēng)資源的浪費(fèi)，在需要通風(fēng)時通入新鮮風(fēng)流，不需通風(fēng)時可以屏蔽風(fēng)流不進(jìn)入指定區(qū)域，方便通風(fēng)管理人員進(jìn)行管理，從而提升了通風(fēng)系統(tǒng)的靈活性和能效比。采用局部增壓方式，礦井主路進(jìn)風(fēng)，在采場工作面附近設(shè)置局部通風(fēng)機(jī)，并在采場出風(fēng)口設(shè)立可調(diào)節(jié)風(fēng)門或者風(fēng)窗進(jìn)行增阻調(diào)節(jié)。局部增壓通風(fēng)在設(shè)立風(fēng)機(jī)時需要根據(jù)通入氣流壓力勢能的變化來進(jìn)行調(diào)整，采用增壓提升井下壓力時的壓力變化如圖1所示。由圖1可知，增壓風(fēng)機(jī)距離用風(fēng)地點(diǎn)如工作面等地方需要有合適的距離，并結(jié)合需風(fēng)地點(diǎn)的實(shí)際情況進(jìn)行安排。

注：Hs為風(fēng)機(jī)靜壓；hR為礦井通風(fēng)阻力。圖1 壓入式通風(fēng)壓力坡線圖Fig.1 Pressure ventilation pressure slope graph

2.3 局部增壓理論研究

1) 增能增壓調(diào)節(jié)理論。風(fēng)機(jī)通風(fēng)的過程即將電能轉(zhuǎn)化成空氣能的過程，所以增壓實(shí)際上就是增加輸入采場的空氣能，使得該區(qū)域的氣壓高于周圍環(huán)境。 結(jié)合風(fēng)機(jī)的通風(fēng)原理列出通風(fēng)能量方程式[8]，見式(1)。

(Z1gρm1-Z2gρm2)=h1,2

(1)

式中：(P1-P2)為扇風(fēng)機(jī)的相對靜壓，以Hs表示；(Z1gρm1-Z2hρm2)為兩斷面間的位能差，數(shù)值上等同于因?yàn)楹０胃叨炔煌鴮?dǎo)致兩個地點(diǎn)之間的壓強(qiáng)不同形成的壓力勢能差，Pa，以Hn表示；h1,2為增壓區(qū)間風(fēng)流流過時遇到的通風(fēng)阻力。

則通風(fēng)能量方程式可以改寫為式(2)。

(2)

風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行中全壓和空氣流速以及該點(diǎn)的空氣密度存在的關(guān)系，見式(3)[9]。

(3)

在特定空間內(nèi)進(jìn)行計(jì)算時，可以通過相對壓強(qiáng)來進(jìn)行計(jì)算，則式(3)可寫為式(4)。

(4)

大氣壓強(qiáng)隨著海拔高度升高而降低，定義工人能適應(yīng)的最大壓強(qiáng)極限值為H習(xí)服，結(jié)合不同海拔地區(qū)的空氣密度和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的比值ρ0/ρH，則可以得出風(fēng)機(jī)需要增加的壓力，見式(5)。

(5)

通過式(5)可以得出，提升局部空間的大氣壓需要通風(fēng)能力較大的風(fēng)機(jī)來對空氣進(jìn)行增壓處理，所以風(fēng)機(jī)的性能對硐室內(nèi)增壓是否能達(dá)到適合工人工作的水平有著最為直接的影響。另外需要注意的是，風(fēng)機(jī)性能不能無限提升，當(dāng)井下和地表的壓強(qiáng)差過大，直接使用扇風(fēng)機(jī)增壓而不采取其他輔助措施，會使得扇風(fēng)機(jī)的電機(jī)功率過大難以滿足生產(chǎn)要求。

2) 阻力增壓調(diào)節(jié)理論。氣體在流動的過程中遇到阻礙物會克服阻力做工，釋放空氣勢能，從而導(dǎo)致阻力區(qū)域的壓力勢能增大，在礦井井下通風(fēng)時，巷道的粗糙壁面和巷道的突然改變方向，都會對流入的空氣造成一定的阻力，從而造成壓力勢能的減小。阻力增壓的方法可以應(yīng)用在需要增壓的采場工作面等區(qū)域，通入的氣體一般為紊流狀態(tài)，當(dāng)新鮮風(fēng)流進(jìn)入需風(fēng)場所，如果出口處的斷面突然收縮，會對流經(jīng)的氣流產(chǎn)生一個正面阻力her，在這個斷面的前后就形成了壓強(qiáng)差，同時由于空氣的急劇壓縮，流速口通過空氣的速壓hv1和hv2也會隨之發(fā)生變化，且和正面阻力大小成正相關(guān)，這里引入局部阻力系數(shù)ξ1,則可以得到增壓空間的阻力計(jì)算式為式(6)。

(6)

式中：v1、v2為井巷突然變化后局部斷面前后的平均風(fēng)速，m/s；ρ為井巷斷面處的空氣密度，kg/m3；ξ1和ξ2分別為hv1和hv2的阻力系數(shù)。

在斷面變化時對流過改截?cái)嗫诘目諝鈺斐梢欢ㄗ枇Γ渚植孔枇ο禂?shù)和斷面變化的程度呈現(xiàn)正相關(guān)，即斷面口的前后面積差異越大，所對應(yīng)的局部阻力系數(shù)就越大，見表1。

表1 局部阻力系數(shù)ξ值和斷面變化的關(guān)系Table 1 Changes in local resistance coefficientξ value and section

若風(fēng)量Q不變，斷面前后的面積分別為S小、S大，則該處平均風(fēng)速計(jì)算見式(7)。

(7)

將式(7)整理得式(8)。

(8)

her=RerQ2

(9)

式中：her為增壓區(qū)間通風(fēng)總阻力，Pa；Rer為增壓空間的風(fēng)阻，NS2/m2；Q為增壓空間的風(fēng)量，m3/s。

結(jié)合式(8)可知，在所處環(huán)境大氣密度一定的情況下，增加通風(fēng)阻力的方式就是改變局部阻力系數(shù)Sw的大小，當(dāng)Sw/S大≤0.5時，計(jì)算見式(10)。

(10)

當(dāng)Sw/S大≥0.5時，計(jì)算見式(11)。

(11)

式中：Sw為調(diào)節(jié)風(fēng)窗的面積，m2；ΔRer為通風(fēng)前后調(diào)節(jié)風(fēng)阻變化量，NS2/m2。

阻力調(diào)節(jié)時，一般巷道的尺寸都是固定的，通過縮小出風(fēng)口來實(shí)現(xiàn)增阻的目的。建立井巷通風(fēng)等效窗口來進(jìn)行控制風(fēng)流，等效窗口的面積用A表示，計(jì)算見式(12)[9]。

(12)

式中：Q為進(jìn)風(fēng)量，m3/s；R為需要達(dá)到的目標(biāo)阻力，Pa。

采用增阻調(diào)節(jié)的局部增壓方式，以3 600 m進(jìn)風(fēng)平硐為例，采場工作面需要增壓達(dá)到海拔2 800 m時的水平，普通的單個風(fēng)機(jī)不能滿足采場局部增壓的要求，在礦井設(shè)置主通風(fēng)機(jī)的情況下，以3 600 m進(jìn)風(fēng)平硐為例，輸送到采場工作面的風(fēng)壓可以比3 600 m時提升約1 956 Pa，采場局部增壓需要提升的壓力為71 359.8-64 558.0-1 956.0=4 845.8 Pa，在設(shè)立主風(fēng)機(jī)增壓后，在采場進(jìn)風(fēng)口設(shè)立增壓風(fēng)機(jī)，可以通過設(shè)立調(diào)節(jié)風(fēng)窗增加通風(fēng)阻力來使得采場工作面的大氣壓得到有效提升。

3 增壓增氧通風(fēng)數(shù)值模擬

建立模型前先要明確空氣中氧含量的定義，隨著海拔高度的升高，空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本不變(20.95%)。由于大氣壓力隨海拔升高而減小，空氣密度變小，單位體積所含氧氣的質(zhì)量則相應(yīng)減少，而空氣中氧含量=空氣密度×空氣中氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)。為了便于氧含量對比，本文基于標(biāo)準(zhǔn)礦井空氣條件下(P=101 325 Pa，t=20 ℃，相對濕度=60%)的氧含量，定義海拔h處空氣氧含量百分比=海拔h處空氣氧含量/標(biāo)準(zhǔn)空氣條件氧含量×100%?？梢苑治龅玫絫=20 ℃時不同海拔處的空氣壓力、密度、氧含量及氧含量百分比，見表2。

表2 大氣基本參數(shù)隨海拔的變化Table 2 Variation of basic parameters ofthe atmosphere with the altitude

3.1 局部增壓增氧模型建立

普朗銅礦井下同時設(shè)有多個水平進(jìn)行開采，通風(fēng)線路長，新鮮風(fēng)流3 600 m進(jìn)風(fēng)平硐到達(dá)采場需要花費(fèi)較長的時間，且多個采場同時開采時統(tǒng)一的通風(fēng)方式會導(dǎo)致供風(fēng)不足，所以對局部工作面進(jìn)行增壓通風(fēng)就顯得更為重要。針對礦井復(fù)雜的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，本文對采場局部增壓系統(tǒng)進(jìn)行簡化，可以更加方便直觀地進(jìn)行分析研究。一般的大型金屬礦通風(fēng)如圖2所示，以服務(wù)工作面為核心，利用主通風(fēng)機(jī)將風(fēng)流輸送到采場工作面，在風(fēng)流進(jìn)入工作面之前采用局部通風(fēng)機(jī)對傳送過來的風(fēng)流進(jìn)行二次增壓，從而使得采場工作面的壓力增加。

圖2 采場局部增壓示意圖Fig.2 Schematic diagram of local mine pressure

通過在采場進(jìn)風(fēng)口處設(shè)置增壓風(fēng)機(jī)來進(jìn)一步增大采場內(nèi)的大氣壓力，但是增加風(fēng)機(jī)功率只能提高采場空氣流速，并不能提高采場內(nèi)的壓力，因?yàn)椴蓤鰞?nèi)空間有限，所以通風(fēng)阻力一般比較小，風(fēng)流經(jīng)過采場后增壓效果有限。為實(shí)現(xiàn)采場內(nèi)大氣壓力得到有效提高，采用在出風(fēng)口設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)窗來縮小出風(fēng)口斷面面積的方式，使增壓后的空氣勢能主要消耗在需要增壓區(qū)間，進(jìn)而提高通風(fēng)效率，減少風(fēng)能浪費(fèi)。如圖3所示，通過在進(jìn)風(fēng)巷采用增壓風(fēng)機(jī)、回風(fēng)巷設(shè)置增阻設(shè)施可以實(shí)現(xiàn)井下增壓的目的。

圖3 增能增阻增壓示意圖Fig.3 Schematic diagram of boosting energyand increasing pressure

3.2 局部增壓通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)值模擬

根據(jù)工作面實(shí)際尺寸，供風(fēng)巷道和排風(fēng)巷道斷面視為高2.5 m、寬3 m的矩形，走向長度各為5 m，采場視為規(guī)則的長方形，長為30 m，寬為15 m采場出風(fēng)口出的風(fēng)窗斷面設(shè)置成巷道斷面的1/4。建立數(shù)值模型，啟動ICEM CFD軟件，創(chuàng)建控制點(diǎn)、邊、面并且進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。

圖4 設(shè)置人工增阻時巷道網(wǎng)格圖Fig.4 The roadway mesh diagram afterincreasing resistance

設(shè)置邊界條件，模型左邊進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為inlet，右側(cè)出風(fēng)口設(shè)置為outlet，其余設(shè)置為wall。由于通入的流體為低密度的空氣，故模型選用viscous中的k-epsilon， materials選擇air， 設(shè)置空氣密度為海拔3 600 m時的密度為823.88 g/m3。入口設(shè)置成海拔3 600 m處的大氣壓，Gravity為9.78。初始化，運(yùn)行迭代計(jì)算，迭代次數(shù)設(shè)置為1 000。

通過軟件處理得到采場內(nèi)氧氣濃度分布和空氣壓力分布情況如圖5所示。由圖5可知，采場的大氣壓力相比之前有了很大的提升，在經(jīng)過調(diào)節(jié)風(fēng)窗之后氣壓有所下降。圖6為采場內(nèi)平均氧含量和大氣壓力變化情況。由圖6可知，在氣流穩(wěn)定后采場內(nèi)平均氣壓約為69 000 Pa，采場內(nèi)大部分區(qū)域氣壓提升約達(dá)到目標(biāo)值的80%。同時由于采場硐室內(nèi)大氣壓力的提高，空氣的壓實(shí)使得硐室內(nèi)部氧氣含量也有了一定的提高，在通入氣流穩(wěn)定后，氧氣質(zhì)量含量由海拔3 600 m處的不到60%提升到了67.5%。表明對氣流出風(fēng)口斷面進(jìn)行縮小可以增加采場內(nèi)的大氣壓力，同時能夠使得采場內(nèi)氧氣含量有所提高。由此可以看出，采用局部增壓的通風(fēng)方式對采場進(jìn)行增壓通風(fēng)，并且通過可調(diào)節(jié)風(fēng)門來控制采場出風(fēng)口的橫截面積，可以有效改善井下工人在工作中面臨的缺氧低壓的問題。

圖5 增壓增阻后采場氧氣含量和大氣壓力分布圖Fig.5 The pressure distribution and the oxygen content distribution graph after increasing resistance

圖6 采場內(nèi)平均氧含量和大氣壓力變化圖Fig.6 The average oxygen content and pressure

4 結(jié) 論

1) 通過總結(jié)經(jīng)驗(yàn)以及對礦井資料進(jìn)行分析，根據(jù)礦井的地理?xiàng)l件、氣候條件，對礦井現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，普朗銅礦通風(fēng)系統(tǒng)較為復(fù)雜，大氣密度約為平原地區(qū)的2/3，井下工人工作缺氧嚴(yán)重，指出了礦井目前通風(fēng)存在的問題。

2) 確定了單純對礦井采用集中式供氧在經(jīng)濟(jì)性和便利性上是不可行的，針對礦井的通風(fēng)困難，提出了高海拔礦井增壓增氧通風(fēng)的原則。并確定適宜人體勞動的目標(biāo)海拔高度為2 800 m，對礦井通風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，討論了采用對礦井采用整體增壓和局部增壓的可行性，最終確定采用局部增壓增氧的通風(fēng)方式，從理論上提出了增能調(diào)節(jié)和增阻調(diào)節(jié)相結(jié)合的方式，在使用風(fēng)機(jī)增壓并且通過控制井下風(fēng)流斷面的面積來達(dá)到增加用風(fēng)地點(diǎn)大氣壓力和氧含量的目的。

3) 結(jié)合礦井實(shí)際情況，建立礦井局部增壓增氧系統(tǒng)，利用CFD建立采場硐室模型，并使用Fluent對增壓增阻模型的效果進(jìn)行了模擬，得出的模擬結(jié)果證明采用增能增阻調(diào)節(jié)相結(jié)合的方式進(jìn)行增壓可以使位于海拔3 600 m的采場硐室內(nèi)的氣壓得到有效提高，達(dá)到目標(biāo)大氣壓的80%，采場內(nèi)的氧分壓也隨之提高，從而驗(yàn)證了人工增壓增氧通風(fēng)方式的合理性。