噴漿支護掘進工作面降溫方案研究

譚星宇 廖文景 謝賢平

（1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012；2.湖南銘生安全科技有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012；3.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室，湖南 長沙 410012；4.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

隨著礦山開采深度的增加，井下地?zé)犸@著提高，通常礦山深部掘進工作面熱害最為突出。噴漿支護的掘進工作面溫度除受入口風(fēng)流溫度、風(fēng)量、圍巖放熱等因素影響外［1-2］，還受到噴漿支護后混凝土水化放熱的影響，本項目考慮以上因素對噴漿支護掘進工作面溫度的影響，利用流體力學(xué)軟件Fluent開展噴漿支護掘進工作面降溫方案的研究。

1 噴漿支護掘進工作面溫度主要影響因素

掘進工作面熱源包括圍巖放熱、機電設(shè)備運轉(zhuǎn)放熱、混凝土水化放熱、爆破放熱和人體放熱等，均是造成掘進工作面溫度升高的因素。對于噴漿支護的掘進工作面，圍巖放熱和混凝土水化放熱是溫度升高的主要影響因素。此外，掘進工作面的風(fēng)量和入口風(fēng)流溫度是掘進工作面溫度的關(guān)鍵影響因素。

（1）圍巖放熱。當(dāng)圍巖巖體與在井巷中流動的空氣存在溫度差時會產(chǎn)生熱交換，這種熱交換是一種極為復(fù)雜的對流換熱過程。在工程上，井巷圍巖放熱量

式中，Qr為井巷圍巖放熱量，W；kτ為圍巖與風(fēng)流間的對流換熱系數(shù)，W/（m2?℃）；U、L為井巷周長和長度，m；tr為巷道平均原始巖溫，℃；tb為巷道平均風(fēng)溫，℃。由式（1）可知圍巖的放熱量與對流換熱系數(shù)、圍巖與空氣的接觸面積、圍巖與空氣的溫差成正比，當(dāng)tr大于tb時圍巖放熱。

（2）混凝土水化放熱?；炷林械乃喟l(fā)生反應(yīng)時伴隨著能量的釋放?；炷了療崾且蕾囉邶g期的，可用下式計算［3］：

式中：Qct為t齡期時混凝土的水化熱值，kJ/kg；W為每立方米混凝土中水泥用量，kg/m3；Q為每千克水泥水化熱，kJ/kg；ρ為混凝土密度，kg/m3；t為混凝土澆筑后至計算時的天數(shù)，d；m為常數(shù)。

各齡期混凝土的放熱量qct（W/m3）可由下式計算：

將式（2）代入式（3），可得：

由式（4）可知混凝土放熱量與水泥用量和水泥水化熱成正比，與齡期成負指數(shù)關(guān)系，隨著齡期增大混凝土放熱減小。

（3）風(fēng)量和入口風(fēng)流溫度。掘進工作面風(fēng)流溫度隨風(fēng)量的增加逐漸降低，兩者呈負冪函數(shù)規(guī)律變化，隨著風(fēng)量的增大，工作面溫度下降的速率在逐漸減?。?］。掘進工作面溫度隨入口風(fēng)流溫度增加面增加，兩者呈線性關(guān)系變化［5］。

（4）其他影響因素。機電設(shè)備運轉(zhuǎn)放熱、爆破放熱和人體放熱等對掘進工作面溫度升高也起到一定的影響。

2 工程概述及降溫方案

2.1 工程概述

云南某鉛鋅礦-20 m中段南翼掘進工作面圍巖條件較差，采用噴錨支護，圖1為掘進工作面現(xiàn)狀圖。掘進工作面深度約900 m，長為34 m；掘進裸巷斷面規(guī)格為2.4 m×2.5 m（寬×高），噴漿厚度為100 mm，支護后巷道斷面規(guī)格為2.2 m×2.4 m（寬×高）。掘進工作面每掘進20 m進行噴漿1次，噴漿循環(huán)周期為11 d，靠近撐子面留4 m長巷道不進行噴漿，已完成2段巷道的噴漿（編號分別為C30-Ⅰ和C30-Ⅱ，齡期分別為1 d、12 d）。噴漿使用混凝土標號為C30，C30混凝土配比如表1。該掘進工作面采用壓入式局部通風(fēng)，風(fēng)筒直徑為400 mm，風(fēng)量為1.5 m3/s。

2.2 溫度測定

因混凝土放熱量隨著齡期增大而減小，噴漿支護后第1天混凝土放熱量最大，依據(jù)最不利原則，噴漿支護后第1天對掘進工作面進行溫度測量，如圖1，設(shè)置4個溫度測量斷面（斷面A-A、B-B、C-C和D-D）進行溫度測量，每個斷面設(shè)置3個測點（測點Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）。測量結(jié)果如表2，由測量結(jié)果可知掘進工作面4個測量斷面的平均溫度均超過28℃，超過《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB 16423-2006）對采掘工作面溫度的要求，應(yīng)采取降溫措施，降低該掘進工作面溫度。

2.3 降溫方案設(shè)計

-20 m中段南翼掘進工作面溫度主要受圍巖放熱、混凝土水化放熱、風(fēng)量和入口風(fēng)流溫度等因素影響，制定該掘進工作面降溫方案時主要考慮從以上四方面采取措施：

（1）根據(jù)混凝土水化放熱的規(guī)律，可通過優(yōu)化支護方案，減少單次噴漿支護長度，避免大量混凝土集中放熱，造成掘進工作面溫度過高。

（2）通過增加掘進工作面的風(fēng)量能加快掘進工作面熱量的排出，降底工作環(huán)境溫度，同時風(fēng)速的增加，人體的散熱條件可以得到改善；在一定范圍內(nèi)增加掘進工作面風(fēng)量，增加成本較低。

（3）對于控制圍巖放熱可通過預(yù)冷巖層和隔熱材料噴涂巖壁實現(xiàn)，但成本較高，技術(shù)難度大［6］。

（4）降低掘進工作面入口風(fēng)流溫度需通過人工制冷降溫技術(shù)實現(xiàn)［7］，技術(shù)難度較大，成本高。

綜上所述，由于-20 m中段南翼掘進工作面熱害嚴重程度較低，考慮降溫方案的技術(shù)可行性和經(jīng)濟合理性，采取增加風(fēng)量、優(yōu)化支護的措施降低掘進工作面溫度，擬定表3所示3種降溫方案。

3 數(shù)值模擬及降溫方案比選

3.1 基本原理

熱量傳遞的方式有傳導(dǎo)、對流和輻射3種。噴漿支護掘進工作面，混凝土與圍巖之間的主要換熱方式為傳導(dǎo)換熱，混凝土、圍巖與風(fēng)流之間主要為對流換熱。掘進工作面風(fēng)流流動遵循質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。

3.2 模型建立和邊界條件設(shè)置

運用ICEM CFD軟件建立云南某鉛鋅礦-20 m中段南翼掘進工作面三維幾何模型，對掘進工作面不同齡期混凝土分別建立體（Body），采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行幾何模型網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格數(shù)量80余萬個。

將三維幾何模型導(dǎo)入Fluent軟件，由于掘進工作面采用局部通風(fēng)方式，將風(fēng)筒出風(fēng)口設(shè)置為入口邊界，入口風(fēng)流溫度為26.6℃，現(xiàn)狀和方案一入口風(fēng)速設(shè)置為11.94 m/s，方案二和方案三入口風(fēng)速為15.92 m/s；掘進工作面入口設(shè)置為出口邊界，為自由出口（outflow）；原巖壁面與空氣的對流換熱系數(shù)15.2 W/（m2·℃），壁面溫度為30.6℃；混凝土壁面與空氣的對流換熱系數(shù)12.7 W/（m2·℃）；混凝土密度為2 400 kg/m3，比熱容為1 037.5 J/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)為3.05 W/（m·K），各齡期混凝土的放熱量qct根據(jù)式（4）計算選取，混凝土的齡期根據(jù)最后一次噴漿支護后的第1天確定。

-20 m中段南翼掘進工作面機械化程度不高，掘進工作面爆破后先進行30 min通風(fēng)，掘進工作面同時作業(yè)人員2～4人，機電設(shè)備運轉(zhuǎn)放熱、爆破放熱和人體放熱對該掘進工作面影響較小，數(shù)值模擬時不考慮機電設(shè)備運轉(zhuǎn)放熱、爆破放熱和人體放熱對掘進工作面熱環(huán)境影響。

3.3 模擬結(jié)果及分析

（1）模擬結(jié)果。在模型建立和邊界條件設(shè)定后，分別對-20 m中段南翼掘進工作面現(xiàn)狀和3種降溫方案進行數(shù)值模擬，模擬進行500步迭代后均收斂。圖3為現(xiàn)狀及降溫方案數(shù)值模擬溫度分布云圖，表4為現(xiàn)狀及降溫方案溫度數(shù)據(jù)。

（2）測量與模擬結(jié)果對比分析。將表2中實測溫度與表4中現(xiàn)狀模擬溫度進行對比分析，斷面平均溫度絕對誤差不大于0.21℃，絕對誤差不大于0.73%，因此數(shù)值模擬結(jié)果科學(xué)可靠。實測溫度較模擬溫度整體略微偏大，主要是由于數(shù)值模擬時未考慮機電設(shè)備放熱和人體放熱等對掘進工作面熱環(huán)境影響。

（3）降溫方案選擇。由數(shù)值模擬結(jié)果可知：采用方案一，掘進工作面溫度27.46～28.32℃，平均溫度為27.94℃，掘進工作面兩個斷面平均溫度超過28℃；采用方案二，掘進工作面溫度27.38～28.31℃，平均溫度為27.86℃，掘進工作面一個斷面平均溫度超過28℃；采用方案三，掘進工作面溫度27.14～28.75℃，平均溫度為27.48℃，掘進工作面各斷面平均溫度均小于28℃。綜上所述，選定方案三為掘進工作面的降溫方案，方案三采取優(yōu)化支護+增加風(fēng)量的措施，掘進工作面平均溫度可降低約1.06℃，該降溫方案可應(yīng)用于礦山其他相似掘進工作面。

4 結(jié)論

（1）在分析了噴漿支護掘進工作面溫度主要影響因素的基礎(chǔ)上，根據(jù)礦山掘進工作面實際情況，制定了3個掘進工作面降溫方案，3個方案分別采取的措施為優(yōu)化支護、增加風(fēng)量和優(yōu)化支護+增加風(fēng)量。

（2）運用Fluent軟件建立了礦山噴漿支護掘進工作面現(xiàn)狀及3個降溫方案模型，通過數(shù)值模擬選定方案三（優(yōu)化支護+增加風(fēng)量）為該掘進工作面降溫方案，根據(jù)數(shù)值模擬采取方案三后掘進工作面平均溫度降低至27.48℃。