某金屬礦山掘進巷道局部降溫模擬*

孫玉強 張 濤 陳宜華 呂真虎 王 巖 邱樹永 王 攀

（1.招金礦業(yè)股份有限公司；2.安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院）

隨著金屬礦山開采規(guī)模愈發(fā)擴大、人類不斷向深部開采礦產(chǎn)，而阻礙深部礦井安全生產(chǎn)的一大問題——高溫?zé)岷栴}凸顯，得到廣泛關(guān)注。特別是掘進巷道作業(yè)面無法形成貫穿風(fēng)流，導(dǎo)致高溫?zé)岷栴}相較其他巷道更加突出，嚴(yán)重影響了礦山的安全、高效生產(chǎn)［1］。

井下高溫?zé)岷栴}主要與圍巖散熱、礦物氧化熱、機電設(shè)備放熱等多種因素有關(guān)，為了改善高溫礦井掘進面工作環(huán)境，局部制冷通風(fēng)降溫技術(shù)成為首選。研究掘進巷道送風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)溫與供冷量合理匹配，對提高掘進工作降溫效果和經(jīng)濟性具有重要意義。本研究以工作面氣相流冷熱交換為對象，利用FLUENT軟件對掘進巷道作業(yè)面的溫度場進行模擬，并結(jié)合現(xiàn)場實驗探究掘進面溫度場與送風(fēng)情況（風(fēng)溫、風(fēng)速、送風(fēng)距離）之間的關(guān)系，為掘進面降溫設(shè)計提供技術(shù)支持［2］。

1 研究方案

為解決某礦山-1 040 m水平掘進巷道的熱害問題，本研究以三大守恒定律和2個流動運動方程為基礎(chǔ)，通過FLUENT模擬，探究適合現(xiàn)場實際使用的局部降溫通風(fēng)方案。在現(xiàn)場進行試驗驗證降溫效果，對巷道風(fēng)流溫度場變化進行研究，具體方案如下。

（1）建立掘進巷道氣流流動數(shù)學(xué)模型和契合某礦山-1 040 m水平巷道實際開拓布置的幾何模型。對添加制冷措施前的巷道風(fēng)流溫度進行模擬，得到的風(fēng)溫結(jié)果與現(xiàn)場實測溫度進行比較，驗證模擬可靠性的同時，探究提出制冷措施的必要性。

（2）以添加制冷措施后的機組、風(fēng)筒分布修改幾何模型，再次進行模擬。設(shè)置2組工況。工況一:風(fēng)機出風(fēng)風(fēng)速為15 m/s，送風(fēng)溫度為25℃；工況二:風(fēng)機出風(fēng)風(fēng)速為20 m/s，送風(fēng)溫度為20℃，得到在不同送風(fēng)溫度、送風(fēng)風(fēng)速時，-1 040 m水平巷道風(fēng)溫變化，確定降溫方案，為現(xiàn)場提供指導(dǎo)。

（3）按照模擬給出的局部降溫通風(fēng)方案，在現(xiàn)場進行試運行，驗證制冷機組的降溫效果，研究實際運行時風(fēng)流溫度場的變化。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

掘進工作面風(fēng)流流動較復(fù)雜，且受多種因素影響，為了簡化模擬過程，對氣流做出如下假設(shè):將氣流設(shè)為不可壓縮的理想流體，流動過程中忽略黏性力做功耗散熱以及水蒸氣的解吸；氣流狀態(tài)為具有各向同性的穩(wěn)態(tài)紊流；氣流的各組分之間不產(chǎn)生相互反應(yīng)。掘進巷道中的氣流流動遵循三大守恒定律和2個流體運動方程。

（1）質(zhì)量守恒方程為

式中，ρ為氣體密度，kg/m3；t為時間，s；ui為坐標(biāo)系中i方向上的速度，m/s；xi為坐標(biāo)系中i方向上的空間位置，m；Sm是加入到連續(xù)相的質(zhì)量或其他自定義源項。

（2）動量守恒方程為

式中，xj為坐標(biāo)系中j方向上的空間位置，m；uj為坐標(biāo)系中j方向上的速度，m/s；ρ為靜壓，Pa；τij為應(yīng)力張力，N；gi和Fi分別為i方向上的重力和外部體積力，N。

（3）能量守恒方程為

式中，T為溫度，℃；u為速度，m/s；h為流體的傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；Cp為比熱容，J/（kg·℃）；ST為其他體積熱源。

（4）組分運輸方程為

式中，cs為物質(zhì)濃度，kg/m3；Ds1g為該組分的擴散系數(shù)；Ss為系統(tǒng)內(nèi)部單位時間內(nèi)單位體積該組分生成質(zhì)量，kg。

（5）工作面風(fēng)流流動的控制方程選擇K-ε雙方程為

式中，k表示為紊流動能，J；ε表示為紊流動能耗散率，%；v表示為尾流動力黏性系數(shù)，Pa·s；C1z、C2z為經(jīng)驗常數(shù)；?k、?ε分別為k和ε對應(yīng)的Prandtl數(shù)；Gk為平均速度梯度引起的紊動能產(chǎn)生項。

在K-ε雙方程模型中，通過對各守恒定律進行數(shù)學(xué)描述獲得控制方程，然后將其與礦山井下掘進巷道的邊界條件和初始條件相結(jié)合，構(gòu)造了掘進工作面內(nèi)風(fēng)流的數(shù)學(xué)模型［3］。

根據(jù)經(jīng)驗值以及試驗驗證，模型常數(shù)值分別取C1z=1.44，C2z=1.92，σk=1.00，σε=1.30。

3 礦山熱環(huán)境現(xiàn)狀模擬

3.1 幾何模型建立

為探究深部工作面溫度變化，提供合理通風(fēng)降溫方案，以某礦山-1 040 m水平中段平面圖建立模型。每個掘進巷前端是獨頭作業(yè)面，設(shè)置熱源1個，如圖1所示。為了減少計算量，巷道長度為50 m，簡化為長方體，掘進巷與沿脈大巷90°相接，連接處用圓角修正，減少空氣進入探礦巷的局部阻力。由于調(diào)熱圈厚度一般在20 m以上，故在巷道周圍設(shè)置厚20 m的圍巖，通過設(shè)定圍巖壁面溫度，耦合計算巷道內(nèi)空氣溫度，更符合實際。-1 040 m水平地下涌水較多又無法找到固定出水點，地下水放熱在壁面邊界條件中進行設(shè)定［4］。

網(wǎng)格劃分設(shè)置1組膨脹層，2組面尺寸控制。在空氣與熱源、巷道壁面的流固交界面需要設(shè)置膨脹層，本模擬設(shè)置8層膨脹層，最大膨脹層厚度設(shè)置為0.15 m，膨脹層邊界為熱源壁面和巷道壁面。2組面尺寸控制分別為空氣進出口面控制0.1 m和圍巖壁面控制1.5 m，產(chǎn)生共4 902 398個網(wǎng)格，最大偏度（skewness）為0.67<1，經(jīng)獨立性驗證，網(wǎng)格質(zhì)量良好，可導(dǎo)入FLUENT中開始計算。

3.2 邊界條件設(shè)置

-1 040 m水平:進風(fēng)口溫度為27.5℃，風(fēng)速為4.5 m/s，粗糙高度等設(shè)置默認值。出口條件設(shè)壓力出口，表壓為0 Pa，回流溫度保持默認。圍巖邊界類型設(shè)為恒壁溫36℃。除底面外其余巷道壁面設(shè)置為耦合類型。底面巷道存在熱水，設(shè)置為恒壁溫37.8℃。熱源設(shè)為熱通量放熱，取150 W/m2。

解算強調(diào)氣固兩相的熱交換，采用Couple算法，松散因子取FLUENT默認值，從全區(qū)域進行初始化。各項殘差低于1×10-6后結(jié)束。解算過程中設(shè)置監(jiān)視面，觀察溫度和風(fēng)速數(shù)值變化以及模擬結(jié)果是否收斂。

3.3 模擬結(jié)果分析

實測數(shù)據(jù)顯示，-1 040 m水平原巖溫度約為36℃，進風(fēng)井送入新風(fēng)溫度較低，但巷道內(nèi)有熱涌水，實測表面溫度為37.8℃，同時，掘進巷內(nèi)有掘進用機電設(shè)備，兩熱源通過空氣與圍巖表面發(fā)生換熱。

圖2 為-1 040 m水平巷道，A、B和E為獨頭掘進工作面，C、D為巷道監(jiān)視面。圖3為A、B和E掘進工作面平均溫度解算結(jié)果。

由圖2，A和B掘進面平均溫度為36.087℃，E處掘進面平均溫度為36.204℃，C和D處巷道監(jiān)視面平均溫度為33.2℃。現(xiàn)場實測A和B處掘進面溫度為35.5℃，E處掘進面溫度為34.9℃，相對誤差分別為1.65%和3.73%，誤差在允許的范圍內(nèi)，模擬具有可靠性。《金屬非金屬安全規(guī)程》（GB 16423—2020）中明確指出，人員連續(xù)作業(yè)場所的濕球溫度不高于27℃，通風(fēng)降溫不能滿足要求時，應(yīng)采取制冷降溫或其他防護措施，當(dāng)濕球溫度超過30℃時，應(yīng)停止作業(yè)。該礦山-1 040 m水平掘進面為保證安全作業(yè)，須加降溫通風(fēng)措施。

4 壓入式通風(fēng)降溫措施模擬

為了使掘進作業(yè)面的溫度下降，滿足安全生產(chǎn)要求，需對掘進作業(yè)面采取通風(fēng)降溫措施。目前，金屬礦山井下局部通風(fēng)降溫方式有壓入式、抽出式和壓抽混合式，因壓入式通風(fēng)降溫送風(fēng)距離遠，方便布置，管理簡單易行，多采用壓入式。模擬采用壓入式通風(fēng)降溫系統(tǒng)。根據(jù)空冷器的布置方式，該系統(tǒng)可分為集中式和分散式2種。分散式指將空冷器布置在每個掘進巷的入口，冷風(fēng)通過風(fēng)筒送入作業(yè)面，這種布置冷損少，空冷器可能影響設(shè)備行走。集中式指空冷器產(chǎn)生的冷風(fēng)通過局部風(fēng)機由風(fēng)筒分別送入作業(yè)面［5］。本模擬選用集中式布置空冷器，并直接將冷空氣送入作業(yè)面的終端降溫通風(fēng)系統(tǒng)。

4.1 模擬前處理

模擬前處理即包括幾何模型建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置等步驟。壓入式通風(fēng)降溫措施模擬在礦山原熱環(huán)境模擬的幾何模型基礎(chǔ)上，加入風(fēng)機和風(fēng)筒模型。制冷機組布置位于進風(fēng)井（圖1中“入口”）井底車場，風(fēng)機通過風(fēng)筒將制冷機組產(chǎn)生的冷風(fēng)送入3個掘進面。網(wǎng)格劃分上，風(fēng)筒內(nèi)存在風(fēng)流與風(fēng)筒內(nèi)的流固交界面，設(shè)置5層膨脹層，最大膨脹層厚度設(shè)為0.1 m，風(fēng)筒入風(fēng)口和出風(fēng)口設(shè)置面尺寸控制在0.05 m，其他設(shè)置同前。邊界條件設(shè)置上，需對風(fēng)筒入風(fēng)口的溫度、風(fēng)速進行設(shè)置，類型為速度進口，具體數(shù)值在下述不同工況模擬結(jié)果中展示。風(fēng)筒材料選擇合成塑料PVC，其他條件與原熱環(huán)境模擬一致。

4.2 模擬結(jié)果分析

對于工況一，盲混合井進風(fēng)速度為4.5 m/s，進風(fēng)溫度為27.5℃（實測數(shù)據(jù)）；風(fēng)機出風(fēng)風(fēng)速為15 m/s，送風(fēng)溫度25℃。-1 040 m水平工況一溫度分布模擬結(jié)果見圖4。

圖4 （b）中，掘進面位置與圖2編號對應(yīng)。-1 040 m水平在工況一設(shè)置的送風(fēng)溫度和風(fēng)速條件下，降溫后的掘進面平均溫度由36.15℃降至26.49℃，低于27℃，掘進面熱環(huán)境得到顯著改善。同時，原熱環(huán)境模擬中的C、D位置風(fēng)溫由33.2℃降至28.2℃，巷道熱環(huán)境也得到了改善。

對于工況二，盲混合井進風(fēng)風(fēng)速為4.5 m/s，進風(fēng)溫度為27.5℃（實測數(shù)據(jù)）；風(fēng)機出風(fēng)風(fēng)速為20 m/s，送風(fēng)溫度為20℃。-1 040 m水平工況二獨頭掘進面溫度見圖5。

-1 040 m水平工況二掘進面平均溫度已低于26℃，AC和BD巷工作面平均溫度為25.03℃，AC巷工作面溫度為23.98℃，掘進面平均溫度24.51℃。工況二相較于工況一送風(fēng)溫度更低、送風(fēng)風(fēng)速更大，帶來的降溫效果也更佳，但更大功率的風(fēng)機以及制冷量的提高，意味著基建成本和運行成本加大。若工期緊張，井下運輸車輛、提升設(shè)備等其他熱源產(chǎn)熱量較高，可采用工況二的參數(shù)進行終端通風(fēng)降溫。

5 現(xiàn)場試驗

為了降低-1 040 m水平掘進作業(yè)面溫度，設(shè)計安裝一套制冷系統(tǒng)，主要設(shè)備包括井下制冷機組、冷卻水泵、井下水倉、排水泵、蒸發(fā)器、排水管、冷凍水泵、軸流風(fēng)機、空冷器、空氣凈化器等，結(jié)構(gòu)圖見圖6。

圖6 中，冷凍水進入空冷器后產(chǎn)生冷風(fēng)。冷凍水來源于制冷機組內(nèi)制冷劑與冷卻水的熱交換，而冷凝熱隨著冷卻水進入地下水倉。水倉中有低溫涌水，布置換熱器或直接將熱水混入水倉，均可將冷卻水溫度降低。降溫后的冷卻水再次進入制冷機組進行換熱。吸熱后的水倉水通過排水泵排至地面，進行處理或二次利用。

對井下掘進作業(yè)面溫濕度進行測定，監(jiān)測點選擇在送風(fēng)筒前后，溫濕度的測定使用數(shù)字式測試儀器，讀數(shù)穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)，測定結(jié)果見表1。

表1 中，測點間隔約為10 m。1#~3#測點遠離送風(fēng)風(fēng)筒，測量數(shù)據(jù)為制冷機組安裝處的巷道風(fēng)溫；4#~7#測點逐漸遠離風(fēng)筒出口，4#測點位于風(fēng)筒出風(fēng)口2 m處。通過現(xiàn)場實際檢測，送風(fēng)風(fēng)筒前（1#~3#測點）的巷道風(fēng)溫高于30℃，隨著與風(fēng)筒出風(fēng)口距離不斷接近，風(fēng)溫有降低的趨勢，冷風(fēng)出風(fēng)口附近位置溫度24.7℃，添加降溫通風(fēng)措施后的工作面溫度得到顯著改善，模擬顯示的降溫效果為24.51℃，相對誤差為0.77%，模擬具有指導(dǎo)意義。

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隨著送風(fēng)距離的升高，4#~7#測點空氣溫度持續(xù)升高，至7#點空氣溫度為29.1℃。溫度升高的斜率較大，原因在于該礦山-1 040 m水平采深大，圍巖放熱量高，掘進面有大型機械設(shè)備放熱，同時巷道底板存在溫度較高的熱涌水，在這些熱源的加熱下，制冷機組送入的冷風(fēng)會隨著與送風(fēng)口的距離增大而快速攀升。現(xiàn)場降溫工程中，風(fēng)筒材料應(yīng)具備可伸縮性，風(fēng)筒送風(fēng)口的位置可以根據(jù)生產(chǎn)進度進行調(diào)整。當(dāng)送風(fēng)口位置固定，僅靠提高風(fēng)機送風(fēng)速度和制冷量，無法保證遠距離的制冷效果，還會增加基建和運行成本。

6 結(jié)論

（1）熱環(huán)境現(xiàn)狀的數(shù)值模擬顯示，在現(xiàn)有通風(fēng)條件下，A和B掘進面平均溫度為36.087℃，E處掘進面平均溫度為36.204℃。現(xiàn)場實測A和B處掘進面溫度為35.5℃，E處掘進面溫度為34.9℃，相對誤差分別為1.65%和3.73%，模擬與現(xiàn)場擬合度較高，具有指導(dǎo)意義。模擬結(jié)果和實測溫度均高于安全規(guī)程中的要求，應(yīng)添加降溫通風(fēng)措施。

（2）對于壓入式通風(fēng)降溫系統(tǒng)，送風(fēng)距離一定時，制冷降溫系統(tǒng)送風(fēng)溫度越低，送風(fēng)風(fēng)筒風(fēng)速越高，降溫效果就越好。模擬結(jié)果表明，進風(fēng)溫度為27.5℃（實測數(shù)據(jù)）時，當(dāng)風(fēng)機出風(fēng)風(fēng)速為15 m/s，送風(fēng)溫度為25℃，掘進巷工作面平均溫度由36.15℃降至26.49℃；當(dāng)風(fēng)機出風(fēng)風(fēng)速為20 m/s，送風(fēng)溫度為20℃，掘進巷工作面平均溫度降至24.51℃。

（3）現(xiàn)場試驗說明，在入風(fēng)風(fēng)速和溫度一定時，壓入通風(fēng)降溫風(fēng)筒出口位置到工作面距離越短，降溫效果越好。礦山巷道的開拓隨著生產(chǎn)進度發(fā)生改變，選取具有可伸縮性的風(fēng)筒材料，改變送風(fēng)距離比一味地提高送風(fēng)風(fēng)速和制冷量更加節(jié)約經(jīng)濟成本，符合礦山實際需求。