金屬礦山深部掘進巷道熱交換模擬測試平臺設計

賈敏濤 陳宜華 吳冷峻 王 爽 菅從光

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司,安徽 馬鞍山 243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室,安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心,安徽 馬鞍山 243000；4.中國礦業大學安全工程學院，江蘇 徐州 221116)

·機電與自動化·

金屬礦山深部掘進巷道熱交換模擬測試平臺設計

賈敏濤1,2,3陳宜華1,2,3吳冷峻1,2,3王 爽1,2,3菅從光4

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司,安徽 馬鞍山 243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室,安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心,安徽 馬鞍山 243000；4.中國礦業大學安全工程學院，江蘇 徐州 221116)

基于深井采礦熱害控制問題，研發設計了金屬礦山深部掘進巷道熱交換模擬測試平臺。該測試平臺按照相似理論將井下掘進巷道簡化為長方體硐室。利用電加熱膜模擬井下各類熱源，加濕器加濕模擬井下高濕環境；制冷降溫裝置由制冷機組、空冷器和冷風風管等構成。試驗平臺采用西門子300PLC系統進行實時監測以及遠程操作，對工藝流程上設備運行的工況、生產流程中的工藝參數進行實時采集，并將采集的數據傳送到上位操作畫面，由上位機根據工藝要求，對設備、工藝過程、工藝參數進行自動控制和操作。試驗平臺能夠在實驗室內模擬井下真實熱濕交換環境，模擬巷道流場、溫度場及濕度場的變化規律，研究制冷降溫系統的匹配優化和冷量在工作面的配送方式對降溫效果的影響因素等，對于解決目前深井開采面臨的問題具有很好的現實意義和推廣應用價值。

深井采礦 掘進巷道 熱濕交換 熱害控制 PLC

隨著地下礦山開采深度的不斷延伸，我國井下熱害問題已經逐步凸顯，高溫熱害已經成為制約高深礦井安全生產的突出問題。研究表明，獨頭掘進巷道由于其特殊的作業環境，無法在工作面形成貫穿風流，高溫問題最為突出。研究獨頭掘進巷道冷熱交換規律，設計適應獨頭掘進巷道作業環境的制冷設備，既能夠避免集中制冷設備昂貴的成本投入，又能夠解決井下最突出的熱害問題，對于解決目前深井礦山熱害問題具有很好的現實意義和實用推廣價值。

1 試驗裝置及試驗原理

1.1 相似理論分析

用數學方法研究一些復雜的換熱過程時，由于數學上的困難，往往得不到可靠的或具有足夠準確度的解。而采用實驗研究的方法也存在著以下2方面的問題：①無法確定每個因素對所求物理量的影響；②當影響現象的因素很多時，要確定每個變量對待求量的影響，需要進行大量的實驗等問題。人們從相似理論中找到了解決復雜問題的辦法。相似理論提供了將個別實驗結果推廣到相似現象中去的可能性。

根據相似理論可知，如果2個現象相似，則這2個現象的無量綱形式的方程組與單值條件應該相同，即具有相同的無量綱形式解。這2個現象的無量綱形式的方程組及單值條件中的所有無量綱組合數對應相等。這些無量綱組合數被稱作相似準則。它是在判斷2個現象之間相似性的概念，在實驗流體力學中應用比較廣泛。與本試驗平臺有關的相似準則數有：

(1)表征邊界導熱熱阻與對流換熱熱阻比值的努謝爾數Nu

(1)

式中，α為對流換熱系數，W/(m2·K)；d為特性尺寸，m；λ為導熱系數，W/(m·K)。

(2)表征流體的邊界擴散阻力與對流傳質阻力之比的舍伍德數Sh

(2)

式中，β為對流傳質系數，m/s；D為水蒸汽在空氣中的擴散系數，m2/s。

(3)反映慣性與黏性力之比的雷諾數Re

(3)

式中，υ為流速，m/s；ρ為密度，kg/m3；μ為黏性系數，(N/m2)·s。

(4)反映動量傳輸與熱量傳輸關系的普朗特數Pr

(4)

式中，cp為等壓比熱容，J/(kg·K)。

(5)反映動量傳輸與質量傳輸關系的施密特數Sc

Sc=υ/D.

(5)

在試驗模型設計中，以上相似準則數與實際巷道中對應相等。

1.2 試驗平臺組成

該試驗平臺由井下模擬系統及裝置、制冷系統與裝備、冷量交換系統與裝備及試驗測量系統組成，系統圖如圖1所示，實物圖如圖2所示。

圖1 試驗平臺示意

圖2 試驗平臺實物

(1)井下高溫濕熱環境模擬系統。獨頭巷道模型為13 m×1.2 m×1.5 m的長方體結構，長方體5個面封閉，由角鋼作為骨架，鑲嵌20 mm厚的600 mm×600 mm的花崗巖組成。在花崗巖外鋪設電加熱膜，用于加熱巷道壁面，加熱膜的加熱溫度可以調節，用于模擬井下熱源。在加熱膜的外層包裹保溫材料。在巷道端部設置1臺超聲波加濕器，由加濕器引出兩條PVC管引入巷道內，在管壁開小口，調節巷道內空氣的濕度環境。

(2)井下風源模擬系統。為在實驗室內模擬井下高溫高濕的進風風源，在給巷道內送風的局部扇風機處設置電加熱器和超聲波加濕器，保證了無論實驗室環境如何變化都能夠準確的模擬送入巷道內的空氣狀態和井下一致。

(3)制冷降溫系統。制冷降溫系統由一套水冷式制冷機組和空冷器組成，制冷機組用來提供獨頭巷道內降溫所需的冷源，制冷機組制冷量可以人工調節，確保送入巷道內空氣溫度可調可控。空冷器用于送入巷道內空氣的預冷。

(4)試驗平臺測量系統。在巷道內分別選擇距離工作面0.5 m、1.5 m、6.5 m和12.5 m的4個斷面，每個斷面均勻布置4組溫濕度傳感器，具體布置位置見圖1所示。巷道內共計16組溫濕度傳感器，用于檢測巷道內空氣溫濕度的實時變化情況。在空冷器出口的巷道進風管安裝1組溫濕度傳感器和風流流量變送器，用于檢測送入巷道內的空氣參數。在空冷器進出口分別安設1組溫度傳感器和1組水流流量計，用于檢測制冷機組的制冷量。

2 試驗平臺監控和操作系統

試驗平臺通過自動控制系統，對工藝流程上設備運行的工況、生產流程中的工藝參數進行實時采集，并將采集的數據傳送到上位操作畫面，由上位機根據工藝要求，對設備、工藝過程、工藝參數進行自動控制和操作，系統中所有信號經過多年應用驗證是準確有效的，保證系統精度在±3%以內。

自動控制系統采用西門子300PLC系統進行實時監測以及遠程操作。系統中選用的西門子PLC為集成以太網口的CPU，通訊方式為工業以太網通訊，可以實現與設備層和信息層的高效互聯、互通，確保網路效率和數據流的合理性和安全性，實現各種應用。

現場儀表采集的數據通過信號電纜傳輸到西門子PLC的信號采集模塊后，實時地反應出現場的溫度、濕度以及風速數據。在上位機中設置歷史曲線功能，可以有選擇地將以往所做的數據曲線調出進行實驗比對。

試驗平臺中對于制冷機組控制系統采用了PLC之間進行通訊的方式，將制冷機組中所需要的數據傳輸到PLC中進行數據處理并最終顯示在上位畫面中。系統中擁有友好通訊接口，可以有效地進行擴展和兼容其他控制系統。

當試驗平臺運行時，如果現場儀表的數據超過報警設置限值，則會有相應的報警信息提示，根據報警可以及時地調整現場工藝流程設置，優化工藝。試驗平臺控制界面如圖3所示。

圖3 試驗平臺控制界面

3 試驗平臺應用

試驗平臺在實驗室進行模擬獨頭掘進巷道降溫效果，設定6個工況點進行試驗。沿巷道長度方向將壁面溫度分3段，溫度由里向外依次為前4 m設定40 ℃、中間4 m設定38 ℃和出口5 m設定36 ℃。具體初始條件和工況點設置見表1和表2所示。

表1 巷道模型初始條件

表2 模擬參數設定

注：壁面溫度沿巷道長度方向分3段，溫度由里向外依次為40 ℃、38 ℃和36 ℃。

根據表2確定的試驗工況，首先設定巷道壁面溫度，加熱巷道壁面，待巷道內空氣溫度穩定一段時間后，開始開啟制冷機組進行制冷降溫試驗。首先從工況點T1開始，設定風筒入口風溫為30 ℃，依次到工況點T5，必須確保巷道內空氣溫度穩定后方可記錄數據調節工況點。

各工況點記錄的數據包括制冷機組制冷量、空冷器出口風量和溫濕度、巷道內特征斷面的空氣溫濕度。本次試驗根據試驗平臺設計理念，在巷道內分別選取了4個特征斷面進行數據記錄，依次為距離工作面0.5、1.5、6.5和12.5 m。圖4是距離工作面0.5 m斷面上空氣溫度的變化趨勢。

各試驗工況下工作面溫度變化趨勢和制冷機組運行工況界面如圖4所示，工況統計如表3所示。

圖4 工作面空氣溫度變化趨勢

類 別巷道風速/(m/s)入口風溫/℃工作面溫度/m制冷量/kW工況T10.3030.032.8工況T20.3024.029.57.79工況T30.3022.028.610.08工況T40.3020.227.513.46工況T50.3018.526.517.01

從圖4和表3可知，工作面溫度穩定在39 ℃左右時，通風降溫效果比較明顯，達到6 ℃，但仍無法滿足《GBl 6423—2006 金屬非金屬礦山安全規程》中6.4.1.7條規定“采掘作業地點干球溫度小于等于28 ℃”的要求。工況點T4，制冷量13.46 kW，工作面溫度27.5 ℃，滿足《安全規程》要求，溫度降低11.3 ℃。試驗結果顯示，工作面最低溫度26.5 ℃，最高降幅12.3 ℃，作業環境明顯改善。

4 結 論

金屬礦山深部開采掘進巷道熱交換模擬測試平臺針對某一個具體礦山的具體作業面進行實驗室模擬試驗，找出該作業面的最佳冷量匹配方案，有針對性地設計和選擇作業面制冷系統負荷，確定最優設計方案。

該試驗平臺可以研究冷量在作業面的配送方式對降溫效果的影響，找出最佳冷量分配方法。

該試驗平臺在實驗室進行現場模擬試驗，尋找最符合現場實際的制冷運行方案，對于解決礦山井下熱害問題具有重要的指導和參考作用。

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(責任編輯 徐志宏)

Design of Metal Mine Deep Mining Roadway Thermal Exchange Simulation Test Platform

Jia Mintao1,2,3Chen Yihua1,2,3Wu Lengjun1,2,3Wang Shuang1,2,3Jian Congguang4

(1.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.,Maanshan 243000,China；2.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine,Maanshan 243000；3.National Engineering Research Center of High Efficiency Cyclic Utilization of Metal Mineral Resources Co.,Ltd.,Maanshan 243000,China；4.School of Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)

Based on thermal disaster control in deep mining,a set of metal mine deep mining roadway heat exchange simulation test platform was designed.According to the similarity theory,the underground excavation roadway is simplified into a cuboid in the test platform.All kinds of underground heat sources were simulated by electro heating film,and downhole high humidity environment were simulated by humidification with humidifier.The refrigerating unit is composed of refrigerating units,air cooler and cooling air duct.The test platform adopts Siemens 300PLC system for real-time monitoring and remote operation,and for real-time data acquisition of process parameters in operation of equipment,and production process.The data collected will be transmitted to the upper computer screen.According to the process requirements,the upper computer is used to make automatic control and operation on equipment,process,and process parameters.The test platform can simulate the real heat and moisture exchange environment in the laboratory and also simulate the change law among tunnel flow field,temperature field and humidity field.It can be used to investigate the cooling effect factor for the cooling system matching optimization and cold in the distribution.It has good practical significance and application value to solve the current problems in deep mining.

Deep mining,Excavation roadway,Heat and humidity exchange,Thermal disaster control,PLC

2014-09-07

“十二五”國家科技支撐計劃(編號：2012BAB14B01)，國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(編號：2012CB724207)。

賈敏濤(1987—)，男，助理工程師，碩士。

TD727

A

1001-1250(2014)-11-113-04