基于环状气幕的高原矿井单头巷道新型增氧方法研究

本研究由中南大学资源与安全工程学院李子君、李蓉蓉（通讯作者）、徐宇和王巧丽合作完成，其论文《Novel oxygen-enrichment method using annular air curtain for single-head roadway of plateau mine》发表于学术期刊《Building Simulation》2023年第16卷第7期（出版于2023年，稿件于2022年10月接收，12月修订和接受）。这项研究聚焦于采矿工程与职业安全健康交叉领域，具体针对高原矿井特殊环境下的通风与空气质量控制问题。高原地区空气稀薄、氧分压低，长期在此环境下作业的矿工面临缺氧风险，会导致头痛、乏力、记忆力下降、睡眠质量差等一系列健康问题，严重影响作业安全与劳动效率。传统的增压通风和人工供氧技术存在设备昂贵、空间密闭性要求高或供氧效率低、氧气损失严重等局限性，尤其是在氧气来源有限的高原矿区，如何高效、精准地改善作业人员的呼吸区氧气环境是一个关键挑战。针对此背景，本研究旨在提出并验证一种结合了局部弥散供氧与环状空气幕技术的新型增氧方法，以期在高原矿井的单头巷道中，为矿工创造并维持一个局部富氧空间，提高氧气的有效利用率，从而保障矿工安全与健康。

研究背景与目标 高原矿产资源的开发随着全球资源需求增长而日益重要，例如中国西部高原地区矿产资源丰富。然而，高原低氧环境严重制约了开采活动并威胁矿工安全。现有的人工供氧技术主要包括个体供氧、整体弥散供氧和局部弥散供氧。个体供氧（如鼻吸或面罩）可能刺激鼻腔且增加携带负担；整体弥散供氧需改善整个空间氧浓度，耗氧量大；局部弥散供氧则旨在针对人员集中区域进行靶向供氧，提高氧气利用效率，是更具前景的方向。然而，现有的弥散供氧技术普遍存在氧气分布不均和氧气损失严重的问题，这在氧气资源有限、作业环境复杂的高原矿井中影响了其应用效果。因此，本研究提出一种新型增氧方法，将局部弥散供氧与环状空气幕相结合。其核心原理是通过供氧管路将高浓度氧气输送至矿工集中活动区域进行弥散，同时利用空气幕在矿工周围形成一道空气屏障，减缓氧气向周围环境的扩散和损失，从而在人员活动区形成并维持一个局部富氧空间。研究的主要目标是通过计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）数值模拟与实验室实验相结合的手段，验证该方法的有效性，探究其增氧效果及氧气空间分布规律，并确定影响增氧稳定性的关键操作与结构参数及其最优组合。

详细研究流程与方法 本研究采用了一种严谨的“数值模拟先行，实验验证支撑，参数优化深入”的综合性研究流程。整个工作主要包含四个紧密相连的环节：CFD模型构建与验证、实验系统搭建与验证测试、单因素敏感性分析以及基于正交试验的参数优化。

首先，研究团队利用ANSYS Fluent软件建立了包含单头巷道、混合通风系统（压入式和抽出式风筒）、环状空气幕装置和供氧管路的三维物理模型。巷道尺寸为长18米、宽3米、高2.3米。模型进行了适当简化，例如未考虑滑动轨道等对气流影响微小的结构。关键边界条件依据中国云南普朗铜矿海拔3400米的实际环境参数设定，包括氧气质量分数（23.19%）、温度、大气压和空气密度等。通风参数（压入风筒出口风速8.0 m/s，抽出风筒入口风速4.8 m/s）以及初步设定的空气幕出口风速（1.0 m/s）和供氧参数（氧气浓度100%，出口风速8.5 m/s）均被设定。湍流模型选用了经过文献和前期研究验证、适用于矿井通风模拟的Realizable k-epsilon模型。网格划分采用四面体网格，并在人体、供氧口和空气幕出口区域进行局部加密，最终网格数量达到156万，并通过网格无关性验证确保了计算结果的准确性。

其次，为了验证CFD模型的可靠性，研究团队制作了环状空气幕装置的实物样机，并在中南大学地下工程实验室的巷道中进行了实验。实验环境条件（气压、温度、氧含量）尽可能与模拟初始条件对齐。实验测量了在不同空气幕出口风速（0 m/s, 1 m/s, 1.5 m/s, 2 m/s, 2.5 m/s, 3 m/s）条件下，环状空气幕所包围区域内（特别关注人体前方、口鼻区、头顶及头后部共84个测点）的氧气质量分数和风速分布。实验数据与对应工况下的CFD模拟结果进行了对比，两者在呼吸区高度（1.2-1.6米）的氧气浓度和风速变化趋势吻合良好，绝对变化率大多小于1%，从而确认了所建立CFD数学模型的可靠性和用于后续深入参数研究的价值。

在模型验证有效的基础上，研究进入第三阶段：单因素敏感性分析。此阶段旨在系统探究四个关键因素——供氧浓度（C: 40%， 60%， 80%， 100%）、供氧速度（V: 8， 9， 10， 11 m/s）、空气幕出口风速（U: 1， 1.5， 2， 3， 4 m/s）和环状空气幕直径（D: 0.6， 0.8， 1.0， 1.2 m）——对增氧效果（以口鼻处氧气质量分数为核心评价指标）及氧气空间分布规律的影响。每次分析仅改变一个因素，其他因素保持基准值不变。通过CFD模拟，获得了不同参数组合下的流场和浓度场详细数据。

最后，基于单因素分析的结果，研究采用正交试验设计（Orthogonal Testing）与极差分析（Range Analysis）方法，对上述四个因素进行多因素综合优化。每个因素选取三个水平（例如供氧浓度：80%， 90%， 100%），按照L9（3^4）正交表安排了9组模拟试验。通过分析各因素在不同水平下口鼻处氧浓度的均值（Ki）以及各因素均值间的极差（R），确定了各因素对增氧效果影响的重要性排序，并找出了使口鼻处氧浓度最高的最优参数水平组合。

主要研究结果与逻辑推进 实验验证环节的初步结果表明，所提出的新型增氧方法是有效的。当关闭空气幕仅使用供氧管时，大量氧气沉降积聚在巷道底板，呼吸区氧浓度相对较低，造成氧气浪费。开启空气幕后，呼吸区的氧浓度高于底板，更多氧气被约束在人员呼吸区域。特别是在空气幕出口风速为1.0 m/s时，实验测得的口鼻处氧浓度达到26.42%，显著高于无空气幕时的24.97%。这初步证实了环状空气幕在防止氧气流失、形成局部富氧空间方面的作用。同时，实验也发现空气幕风速过大会导致气流冲击地面后反弹造成紊流，反而影响屏障效果并可能引起人体不舒适感。

敏感性分析的结果揭示了各参数与增氧效果之间的定量关系： 1. 供氧浓度（C）：口鼻处氧浓度与供氧浓度呈正相关线性函数关系。供氧浓度越高，呼吸区平均氧浓度及口鼻处氧浓度也越高，高浓度氧气的分布范围也越广。 2. 供氧速度（V）：口鼻处氧浓度与供氧速度亦呈正相关线性函数关系。提高供氧速度能显著增加氧气的轴向扩散范围，使口鼻区被高浓度氧气覆盖，整体提升呼吸区氧浓度。但速度过高可能导致氧气浪费，需合理选择。 3. 空气幕出口风速（U）：口鼻处氧浓度与空气幕出口风速（当风速大于1.5 m/s时）呈负相关线性函数关系。风速过低（如1 m/s）时屏障性能不足；风速适中（如1-2 m/s）时，能在人体周围形成低风速稳定区，有效包裹氧气；风速过高（如3-4 m/s）时，空气幕气流会过度稀释氧气并将氧气吹向人体后方，导致呼吸区氧浓度下降，且引起周围风速过大。 4. 环状空气幕直径（D）：口鼻处氧浓度与空气幕直径没有明显的函数关系，曲线波动较大。但当直径大于0.9米后，口鼻处氧浓度基本稳定在约25.30%。直径过小可能导致空间局促氧气易溢出；直径过大（如1.2米）虽不影响增氧效果，但需考虑巷道空间限制和拱顶不平整的实际情况。

这些单因素结果不仅描述了各参数的独立影响，也为正交试验中水平的选择提供了依据（例如选取增氧效果较好的参数范围作为正交试验的水平）。正交试验与极差分析的综合结果表明，四个因素对新型增氧方法应用效果的影响重要性排序依次为：供氧浓度 > 环状空气幕直径 > 空气幕出口风速 > 供氧速度。其中，供氧浓度是首要影响因素。同时，得到了最优参数水平组合：供氧浓度100%、供氧速度11 m/s、空气幕出口风速1.5 m/s、环状空气幕直径0.9米。这一组合是在多因素交互作用下，理论上能使口鼻处氧浓度最大化的配置。从单因素分析到多因素正交优化，研究逻辑层层递进，从验证方法有效性，到厘清各参数影响规律，最终实现关键参数的协同优化，为实际应用提供了明确的操作指南。

研究结论与价值 本研究的核心结论是：所提出的基于环状空气幕的新型增氧方法能够有效解决高原矿井单头巷道的低氧问题。该方法通过空气幕的屏障作用，显著减少了氧气的无效扩散和损失，成功在矿工呼吸区形成了局部富氧环境，提高了氧气的有效利用率。研究明确了影响该方法效果的关键操作与结构参数及其影响规律：供氧浓度和速度与口鼻氧浓度呈正线性相关，空气幕出口风速（>1.5 m/s时）与之呈负线性相关，而环状空气幕直径在大于0.9米后对口鼻氧浓度影响趋于稳定。最重要的是，通过系统分析，确定了各因素的重要性顺序以及最优参数组合。

该项研究的科学价值在于，它将局部环境控制中的空气幕技术创新性地应用于解决高原矿井的特殊职业健康问题，为矿井通风与安全领域提供了一个新的技术思路和理论分析案例。通过CFD模拟与实验验证相结合的研究范式，不仅验证了方法的可行性，还深入揭示了复杂巷道通风环境下气-氧两相流的交互作用与分布规律。其应用价值非常直接和显著：为高原矿山企业设计高效、节能的井下人工供氧系统提供了具体的技术方案和关键设计参数，有助于以较低的成本和更高的氧气利用效率，切实改善高原矿工的作业环境，保障他们的身体健康与生命安全，从而支持高原矿产资源的可持续安全开发。

研究亮点与特色 本研究的亮点主要体现在以下几个方面：首先，方法的创新性：创造性将“局部弥散供氧”与“环状空气幕”技术结合，提出了一种新型增氧方法，直接针对现有弥散供氧技术氧气损失严重的痛点。其次，研究方法的系统性：采用了“数值模拟-实验验证-参数分析-优化设计”的完整研究链条，论证严谨，从机理探究到工程优化一气呵成。第三，结论的实用性：研究不仅定性地证明了方法的有效性，更通过详尽的单因素和正交试验，给出了关键参数的定量影响规律和具体的最优操作建议，工程指导意义强。第四，问题的针对性：精准聚焦于高原矿井单头巷道这一具体且艰苦的作业场景，研究目标明确，解决的是行业内的实际难题。

其他有价值的内容 此外，研究中关于网格无关性验证的详细过程、对Realizable k-epsilon湍流模型选择的依据阐述、以及对人体模型和呼吸区定义的考虑，都体现了研究的规范性和细致度。论文中也简要讨论了忽略人员呼吸耗氧量的合理性（因稳定时间短、耗氧量极小），这确保了模型简化在合理范围内。这些细节共同支撑了研究结论的可靠性与科学性。