我国西部地区蕴藏着丰富的矿产资源，但绝大多数分布于海拔超过3 000 m的高原地区，低温、低压、缺氧和强辐射的特殊自然环境条件给矿产资源的开采利用带来诸多困难（Storz et al.，2021；Khalid et al.，2019；Jakob et al.，2012）。其中，低氧环境不仅使井下作业人员感到呼吸困难，而且对其生理和心理造成不同程度的损害，如罹患失眠（Sakamoto et al.，2017）、记忆力下降（Zhou et al.，2016）和焦虑症（Fagenholz et al.，2007）等，在矿山掘进巷道等通风困难区域表现尤为突出。

目前，对掘进工作面进行局部增压、增氧是解决该区域施工缺氧问题最常用的方法。增压技术对硬件的要求高，需配备专业增压设施，如：高压氧舱（Sun et al.，2017）和增压帐篷（Zubieta-calleja et al.，2021）等，硬件成本高昂，因此难以将增压技术推广应用于高原地下矿山中。相比之下，增氧技术相对比较成熟，在医疗（Luks et al.，2019）、基建（Wang et al.，2019）和运输（Caravita et al.，2014）等领域均有着广泛应用，对高原矿井掘进巷道增氧具有参考意义。采用Fluent软件对高原矿井通风问题进行模拟，具有成本低、工程适应性强等优点，因此得到了广泛认可和推广应用（曹正卯等，2016；王浩宇等，2019；李蓉蓉等，2020）。但目前针对机械化掘进巷道增氧技术的研究较少，大部分矿山仍采用钻爆式掘进巷道所使用的向掘进工作面输送纯氧，依托巷道通风系统风筒射流进行扩散的传统扩散式富氧方案（谢文强，2015），并未考虑实际机械化掘进巷道作业时的人员分布以及通风、增氧作业交叉等问题，存在富氧效率较低、氧气资源浪费严重等问题。

因此，本文提出了一种新型的分段式增氧通风方案，以海拔4 000 m金属矿山掘进巷道为参考，建立巷道模型，运用ANSYS-Fluent数值模拟软件对机械化掘进巷道富氧作业进行对比模拟试验研究，分析2种通风方案的富氧扩散和氧气空间分布，并引入富氧目标浓度和氧气利用效率2项指标，验证其富氧效果和氧气利用效率，为高原矿井机械化掘进巷道增氧通风方案设计提供参考。

分段式增氧通风以传统长压短抽式通风为基础，对其原有送风系统进行改造，在掘进机机头顶端及巷道中部各布置一座附壁风筒，分别命名为1号风筒和2号风筒，在2座风筒之间的巷道空间布置富氧扩散装置，1号风筒产生的径向旋流风幕（Wang et al.，2017，2019）阻拦富氧向掘进工作面汇集的同时，2号风筒产生的径向旋流气幕阻止富氧气流快速离开巷道。系统主体分为氧源、输氧管、扩散器、径向气幕发生器（附壁风筒）和抽排风筒（图1）。

（1）巷道模型建立。利用SolidWorks三维建模软件建立分段式增氧通风掘进巷道简化模型，如图2（a）所示。该掘进巷道长度为40 m，宽度为4 m，高度为3.2 m，断面呈拱型，面积为11.785 m²。掘进机布置于掘进巷道中轴线，前段距掘进工作面3 m，长度为11 m，宽度为2.4 m，高度为1.7 m；驾驶室位于掘进机尾部左侧，长度为2 m，宽度为0.8 m，高度为1.5 m。

分段式增氧通风富氧扩散器出口呈矩形，长度为5 m，宽度为0.015 m，距地面1.6 m。附壁风筒径向出风口呈弧形，宽度为0.1 m，弧长为0.39 m，其余管道参数与布置如图2（b）所示。传统扩散式增氧通风巷道（对比模拟试验组）模型、掘进机几何参数与分段式增氧通风巷道一致，如图2（c）所示。氧气输送管直径为0.15 m，其余管道参数与布置如图2（d）所示。

（2）富氧目标。对高海拔地区地下空间进行增氧，必须考虑富氧可能带来的火灾隐患。研究表明，对海拔4 000 m的有限空间进行富氧，空间氧浓度安全上限约为28%（杨雄等，2009），考虑到掘进巷道空气交换困难且巷道空间狭窄，需预留一定的安全冗余。因此，有需氧要求的巷道空间目标氧浓度取26%，无需氧要求的巷道空间目标氧浓度仍取20.9%。

式中：Q为巷道通风量（m³/min）；v_min为巷道最低排尘风速（m/s），S为掘进巷道断面面积（m²）。参照相关研究（李孜军等，2020），巷道最低排尘风速为0.15 m/s，为预留冗余，压风筒筒口出风量取巷道通风量的110%。经计算，压风筒筒口出风量为116.671 m³/min，筒口风速约为10 m/s。

研究表明，当抽压流量比为0.8时，采用附壁风筒的掘进巷道除尘效率最佳（Wang et al.，2017），因此取抽压流量比为0.8。经计算，抽风筒抽风量为93.336 m³/m³，筒口风速约为8 m/s。

由于空气的可压缩性，11 km以下大气压与海拔之间呈现非线性关系，计算公式为

式中：PH为当前海拔的大气压（绝对气压）（Pa）；H为当前位置与海平面之间的距离（m）。

经计算，海拔4 000 m掘进巷道大气压强为61 094.65 Pa。依托理想气体状态方程，可进一步计算得出该海拔处的空气密度为0.80107 kg/m³，氧气相对密度为0.18474 kg/m³。

参照前人研究，将分段式增氧通风供氧速率设为0.45 m³/s，富氧浓度为30%（Lai et al.，2020）。为保证对比试验的有效性，传统扩散式增氧通风供氧速率应与分段式增氧通风保持一致，设富氧输送管供氧速率为x（m³/s），可表示为

式中：CO2为分段式增氧通风富氧浓度（%）；CO2'为传统扩散式增氧通风富氧浓度（%），由于传统扩散式增氧通风增氧过程使用纯氧，因此CO2'=100%。由式（3）计算得出x=0.15 m³/s。

现实中氧气和氮气占大气组成的99%，其余气体组分占比不足1%，因而富氧过程可视为氧气与空气（即氮氧气态混合物）中二元气体之间的扩散混合问题，根据富勒公式（Król et al.，2019）计算得出，海拔4 000 m地区的氧气扩散系数为6.57×10^-5 m²/s。

（2）边界条件设定。根据上述参数及所选数学模型，将网格模型导入Fluent软件中进行数值模拟演算，分段式增氧通风数值模拟边界条件与参数设定如表1所示。

传统增氧通风数值模拟边界条件与参数，除富氧输氧管出口参数之外，其余参数均与分段式增氧通风一致。

为详细分析掘进巷道氧气分布，将巷道整体划分为3段。其中，掘进机机头至掘进工作面的巷道区域（35~40 m）设为巷道前段；掘进机机头至2#附壁风筒的巷道区域（20~35 m）设为巷道中段；2#附壁风筒至巷道出口的巷道区域（0~20 m）设为巷道后段，如图3所示。

如图4所示，传统扩散式增氧通风模拟运行开始后，富氧自输氧管道出口喷出，沿巷道轴线向作业面扩散，系统工作1 min时，巷道前端70%空间含氧量上升至23.5%以上，少量富氧沿巷道抽风筒一侧向巷道中段运动。系统工作3 min时，巷道前段富氧逐渐向巷道中段掘进机上方空间扩散，在掘进机顶部前沿形成高浓度富氧气团。这是由于掘进机顶部前沿至底部之间存在一弧形构造，曲率较大，而富氧气流因附壁效应贴附该弧形构造表面进行流动，流动方向会发生偏转，故在该区域形成涡流，不断卷吸周围富氧，形成了高浓度富氧气团。系统工作5 min时，富氧基本覆盖巷道前段和中段空间，但是巷道前段与中段的氧浓度存在较大差异。巷道前段富氧后平均氧浓度达24.3%，与巷道中段相比，其富氧后氧浓度增量高出52%。与此同时，巷道后段逐渐有富氧进入，系统工作5 min后巷道后段氧浓度呈现上升趋势。

分段式增氧通风系统模拟开始运行后，富氧气流自巷道两侧富氧扩散器向巷道中央进行扩散。系统工作1 min时，巷道中段掘进机尾部至中段气幕巷道空间含氧量普遍提高至23.5%以上，富氧气流逐渐向巷道后段运动；系统工作3 min时，巷道空间富氧基本结束，巷道中段掘进机尾部至中段风幕之间近70%区域含氧量达25.5%~26.0%，氧浓度较富氧前提升22%~24%。与此同时，巷道后段空间富氧后氧浓度整体上升至24%~25%，较富氧前提升15.0%~16.4%，其缺氧状况亦得到显著改善。在分段式增氧通风系统工作5 min内，巷道前段风幕至工作面6 m长的巷道空间内氧浓度并未明显变化，基本维持在22%以下。

研究表明，机械化掘进巷道作业时，掘进机切割、破岩会造成碎石飞溅并产生大量粉尘和噪音，为保障作业安全，掘进机作业时掘进机前沿至作业面的巷道空间（巷道前段）无人员活动（Gui et al.，2020；Geng et al.，2018）。而在巷道中后段，新开挖空间需进行出渣、支护、电力和通信保障设施安装等作业，人员活动较为频繁（龚剑，2015），因而富氧需求较高。传统扩散式增氧通风富氧大量集中于无富氧需求的巷道前段，导致有富氧需求的巷道中段和后段富氧不充分，巷道中段富氧5 min后氧浓度增幅仅为巷道前端的50%，而巷道末段在增氧通风系统工作5 min后仍有近60%区域尚未被富氧覆盖，缺氧现象十分严重。

相比之下，分段式增氧通风富氧装置设置于掘进机后方，在前段风幕与掘进机机体的联合限制下，氧气向富氧需求较高的巷道区域扩散。巷道中段和后段富氧较充分，巷道中段富氧后氧浓度约为25.6%，氧浓度增量较传统扩散式增氧通风提升近2.1倍；在巷道后段，2种方案富氧差异愈加明显，分段式增氧通风巷道后段平均氧浓度约为24.7%，较传统扩散式增氧通风提升近2.8倍。这说明分段式增氧通风将富氧重心由无富氧需求的巷道前端区域转移至富氧需求较高的巷道中段和后段区域，富氧扩散速率和扩散范围均得到明显提升，显著改善了传统扩散式增氧通风巷道中段和后段富氧不充分以及缺氧问题。

分别取距离巷道出口13，25，37 m的3个代表巷道前段、中段和后段的径向截面，观察不同增氧通风方案下系统工作5 min后巷道内部氧气空间分布情况。

如图5（a）所示，在巷道前段，传统扩散式增氧通风压风筒和抽风筒上方巷道空间存在高浓度富氧气团，氧浓度分布呈中心扩散式，其中心氧浓度达26%，而在风筒下方大片区域富氧后氧浓度为23.0%~23.5%，其富氧效果仅为抽风筒上方巷道空间的40%~68%，氧气纵向分布不均。进一步将富氧气团空间位置与输氧管巷道布置方位进行对比，发现富氧气团位置明显向排风侧偏移，这是因为抽风筒工作时在筒口周围形成低压区诱导富氧气流向抽风筒汇聚，与此同时，巷道左侧压风筒高速射流强烈压缩巷道前段左侧富氧扩散空间，二者共同作用使富氧输送管输送的富氧未在巷道空间充分扩散便向排风筒一侧汇聚。而抽风筒抽离工作面污浊空气的同时，必然会波及聚集在其周围的富氧气团，大量富氧被抽离掘进巷道，资源浪费现象严重。

如图5（b）所示，虽然分段式增氧通风在巷道前端也设置了抽风筒进行除尘作业，但由于巷道前段风幕与掘进机机体共同阻挡富氧因压差向巷道前段运动，使巷道前段截面富氧前后氧浓度仅提升3%，相较传统扩散式增氧通风下降近80%，避免因富氧进入无富氧需求的巷道前段被抽风筒抽离巷道造成的资源浪费。

传统扩散式增氧通风巷道中段排风筒左侧近壁面狭长空间氧浓度较高，这是由于巷道前段富氧向抽风筒一侧汇聚后，虽然大部分富氧随含尘气流一起被抽风筒抽离巷道，但还有部分富氧贴附风筒与巷道抽风侧壁面运动至巷道中段，受其周围低速气流压迫导致其富氧径向扩散被抑制，因而在巷道中段，抽风筒所在巷道右侧富氧后氧浓度明显高于压风筒所在巷道左侧，两侧增氧幅度相差近50%，氧气径向分布不均匀。

相比之下，分段式增氧通风前段风幕与中段风幕共同作用使富氧在巷道中段充分富集，截面任意区域氧浓度均在25.2%以上，径向分布较为均匀。在成人呼吸带，富氧前后氧浓度由20.9%上升至约26%，等同于该段空间海拔下降约1 700 m，明显改善了井下作业人员呼吸环境，减轻了井下作业人员的工作负担。

传统扩散式增氧通风巷道后段由于流场流速较低，原本在巷道左侧近壁面空间聚集的富氧因径向浓度梯度向巷道右侧扩散，此后受重力和流体黏性阻力等因素的影响向地面沉降。这也造成在巷道后段截面抽风侧近地面区域含氧量相对较高。但从整体上看，截面富氧后整体氧浓度在22%以下，与巷道前段、中段相比，富氧较不充分，且在压风筒左下侧仍存在一富氧气流未覆盖的缺氧区域，该区域位于成人平均呼吸带，作业人员一旦进入该区域极易因瞬间缺氧而出现急性高原反应乃至昏迷等严重后果。

相比之下，分段式增氧通风中段风幕对富氧扩散的限制并未对巷道末段的富氧工作产生较大负面效应。相反，富氧在巷道中段充分富集，使巷道中段与末段之间形成较高氧浓度梯度，进一步促进富氧的扩散，在巷道末端截面，50%以上截面区域富氧后氧浓度在24.5%以上，整体氧浓度达24.4%，富氧覆盖较为完整，未出现低氧危险区域。

由上述可知，分段式增氧通风能够有效遏制传统扩散式增氧通风富氧过程出现的资源浪费现象，对富氧需求强烈的巷道中段、后段增氧更为充分，富氧覆盖较完整，空间分布更均匀。

在机械化掘进巷道，掘进机驾驶员作业环境氧浓度高低直接决定着掘进作业能否顺利开展。由于驾驶员坐在掘进机上，其呼吸带高度与人体平均呼吸带不同，因此，除了重点分析人体平均呼吸带氧浓度外，对掘进机驾驶员作业环境含氧量的分析也至关重要。

图6展示了2种增氧通风方案模拟运行5 min内掘进机驾驶员呼吸带平均氧浓度的变化情况。由图6可见，采用分段式增氧通风方案后，掘进机驾驶员呼吸带富氧速度显著提升，相比传统扩散式增氧通风方案，其增氧耗时由约250 s减少至177 s，降幅为29.2%；富氧后氧浓度由22.51%上升至25.24%，富氧前后氧浓度增量提升约1.69倍。由此可知，分段式增氧通风能够迅速改善掘进机驾驶员呼吸环境，其增氧速率与增氧效果较传统扩散式增氧通风均有明显提升。

为量化评估2种不同增氧通风方案的富氧能力，采用目标富氧偏离量和富氧输运效率2项评价指标，对分段式增氧通风和传统扩散式增氧通风方案的富氧能力进行了评价。

目标富氧偏离量主要用来评估掘进巷道富氧后氧浓度与预期目标的差距。与标准差相似，清晰地反映需氧区整体氧浓度与其目标氧浓度的偏离程度。由上文可知，掘进机作业时，为保障施工安全，机头至掘进工作面无人员活动，因此巷道前段为无富氧需求空间，巷道中、后段为需氧空间。目标富氧偏离量的计算公式如下：

式中：δo为目标富氧偏离量；C0O2为需氧区目标氧浓度;C0O2'为非需氧区目标氧浓度；CiO2为需氧区测量点氧浓度；CjO2为非需氧区测量点氧浓度；ni为需氧区测量点个数，nj为非需氧区测量点个数。

在本次模拟试验中，沿巷道轴向以1 m为间距划分测量截面，需氧区截面个数为35，非需氧区截面个数为6，在测量截面上选取测量点。测量点布置方式与巷道截面过流面积有关。如图7所示，巷道测量截面过流面积在距巷道出口29，35，36，37，38 m处有明显变化，因此，针对不同过流面积的巷道截面需设置相应的测量点布置方案。

目标富氧偏离量越低，说明需氧区氧浓度富集程度越接近预期目标，进入非需氧区的氧气量越低，该增氧通风方案的富氧能力越强。

与传统扩散式增氧通风相比，分段式增氧通风高原矿井掘进巷道模拟富氧5 min后目标富氧偏离量由4.385降至1.372，降幅约为68.9%，充分说明分段式增氧通风能够有效控制富氧空气扩散进程，使需氧区域氧浓度愈发接近其预期富氧目标，进入无富氧需求空间的富氧量明显下降，从而降低了富氧资源的浪费，提升了巷道富氧效果。

富氧输运效率用来评估增氧通风方案将富氧输送至需氧人员呼吸带的能力。由于掘进机驾驶员呼吸带与常规作业人员呼吸带位置不同，因此机械化掘进巷道富氧输运效率设为2项，即为常规作业人员呼吸带富氧输运效率和掘进机驾驶员呼吸带富氧输运效率，其计算公式分别表示为

式中:ηO21为常规作业人员呼吸带富氧输运效率（%）；ηO22为掘进机驾驶员呼吸带富氧输运效率（%）；CO21¯为模拟富氧200 s后，常规作业人员呼吸带平均氧浓度（%）；CO22¯为模拟富氧200 s后，掘进机驾驶员呼吸带平均氧浓度（%）；CO20¯为各增氧通风方案富氧浓度（%）；C0¯为富氧前掘进巷道平均氧浓度（%）。

与目标富氧偏离量评价增氧通风方案巷道整体富氧效果相比，富氧输运效率重点评价增氧通风方案富氧向重点增氧区域作业人员呼吸带的输运效率。当富氧输运效率为0时，说明富氧并未被输送至作业人员呼吸带；当富氧输运效率为1时，说明富氧被完整输送至作业人员呼吸带。呼吸带是人类呼吸直接利用的部分大气，因此富氧输运效率越接近于1，说明作业人员呼吸带富氧后氧浓度越接近富氧扩散器/输氧管出口氧浓度，富氧损耗越低，则氧气有效利用率越高。

如表2所示，传统扩散式增氧通风模拟运行5 min后巷道常规作业人员呼吸带和掘进机驾驶员呼吸带的富氧输运效率分别仅有2.27%和2.35%，说明富氧在向呼吸带运输的过程中出现严重损耗，仅有极小一部分富氧被运输至呼吸带，氧气有效利用率很低；而分段式增氧通风模拟运行5 min后常规作业人员呼吸带和掘进机驾驶员呼吸带的富氧输运效率分别为53.8%和47.9%，说明分段式增氧通风大幅改善了传统扩散式增氧通风富氧向目标区域输运过程中出现的严重损耗问题，相当一部分富氧被运输至呼吸带，氧气有效利用率得到明显提升。综上所述，相比传统扩散式增氧通风方案，分段式增氧通风方案的富氧效果和氧气有效利用率得到明显提升，具有更广阔的工程应用前景。

（1）分段式供氧通风将富氧重心由无富氧需求的巷道前端区域转移至富氧需求较高的巷道中段和后段区域，使得富氧扩散速率得到提升，扩散范围扩大，有效改善了传统扩散式增氧通风富氧扩散缓慢、富氧范围小以及巷道中段和后段富氧不充分的缺陷。

（2）分段式增氧通风能够遏制富氧资源浪费，解决传统扩散式增氧通风掘进巷道中段和后段氧气空间分布不均的问题。

（3）分段式增氧通风提升了掘进机驾驶员呼吸带富氧速率和富氧浓度，为掘进机驾驶员提供了更为清洁的呼吸环境，保障了掘进作业的顺利推进。

（4）分段式增氧通风目标富氧偏离量降至1.372，富氧输运效率上升至约50%，巷道富氧效果和富氧有效利用率显著提升，其综合富氧能力较传统扩散式增氧通风强。