金屬礦山深部掘進(jìn)巷道熱交換模擬測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

賈敏濤 陳宜華 吳冷峻 王 爽 菅從光

(1.中鋼集團(tuán)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心,安徽 馬鞍山 243000；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

·機(jī)電與自動(dòng)化·

金屬礦山深部掘進(jìn)巷道熱交換模擬測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

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(tuán)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心,安徽 馬鞍山 243000；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

基于深井采礦熱害控制問題，研發(fā)設(shè)計(jì)了金屬礦山深部掘進(jìn)巷道熱交換模擬測(cè)試平臺(tái)。該測(cè)試平臺(tái)按照相似理論將井下掘進(jìn)巷道簡(jiǎn)化為長(zhǎng)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(huán)境；制冷降溫裝置由制冷機(jī)組、空冷器和冷風(fēng)風(fēng)管等構(gòu)成。試驗(yàn)平臺(tái)采用西門子300PLC系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及遠(yuǎn)程操作，對(duì)工藝流程上設(shè)備運(yùn)行的工況、生產(chǎn)流程中的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將采集的數(shù)據(jù)傳送到上位操作畫面，由上位機(jī)根據(jù)工藝要求，對(duì)設(shè)備、工藝過(guò)程、工藝參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制和操作。試驗(yàn)平臺(tái)能夠在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬井下真實(shí)熱濕交換環(huán)境，模擬巷道流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及濕度場(chǎng)的變化規(guī)律，研究制冷降溫系統(tǒng)的匹配優(yōu)化和冷量在工作面的配送方式對(duì)降溫效果的影響因素等，對(duì)于解決目前深井開采面臨的問題具有很好的現(xiàn)實(shí)意義和推廣應(yīng)用價(jià)值。

深井采礦 掘進(jìn)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(guó)井下熱害問題已經(jīng)逐步凸顯，高溫?zé)岷σ呀?jīng)成為制約高深礦井安全生產(chǎn)的突出問題。研究表明，獨(dú)頭掘進(jìn)巷道由于其特殊的作業(yè)環(huán)境，無(wú)法在工作面形成貫穿風(fēng)流，高溫問題最為突出。研究獨(dú)頭掘進(jìn)巷道冷熱交換規(guī)律，設(shè)計(jì)適應(yīng)獨(dú)頭掘進(jìn)巷道作業(yè)環(huán)境的制冷設(shè)備，既能夠避免集中制冷設(shè)備昂貴的成本投入，又能夠解決井下最突出的熱害問題，對(duì)于解決目前深井礦山熱害問題具有很好的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用推廣價(jià)值。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)原理

1.1 相似理論分析

用數(shù)學(xué)方法研究一些復(fù)雜的換熱過(guò)程時(shí)，由于數(shù)學(xué)上的困難，往往得不到可靠的或具有足夠準(zhǔn)確度的解。而采用實(shí)驗(yàn)研究的方法也存在著以下2方面的問題：①無(wú)法確定每個(gè)因素對(duì)所求物理量的影響；②當(dāng)影響現(xiàn)象的因素很多時(shí)，要確定每個(gè)變量對(duì)待求量的影響，需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)等問題。人們從相似理論中找到了解決復(fù)雜問題的辦法。相似理論提供了將個(gè)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果推廣到相似現(xiàn)象中去的可能性。

根據(jù)相似理論可知，如果2個(gè)現(xiàn)象相似，則這2個(gè)現(xiàn)象的無(wú)量綱形式的方程組與單值條件應(yīng)該相同，即具有相同的無(wú)量綱形式解。這2個(gè)現(xiàn)象的無(wú)量綱形式的方程組及單值條件中的所有無(wú)量綱組合數(shù)對(duì)應(yīng)相等。這些無(wú)量綱組合數(shù)被稱作相似準(zhǔn)則。它是在判斷2個(gè)現(xiàn)象之間相似性的概念，在實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)中應(yīng)用比較廣泛。與本試驗(yàn)平臺(tái)有關(guān)的相似準(zhǔn)則數(shù)有：

(1)表征邊界導(dǎo)熱熱阻與對(duì)流換熱熱阻比值的努謝爾數(shù)Nu

(1)

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

(2)表征流體的邊界擴(kuò)散阻力與對(duì)流傳質(zhì)阻力之比的舍伍德數(shù)Sh

(2)

式中，β為對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)，m/s；D為水蒸汽在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

(3)反映慣性與黏性力之比的雷諾數(shù)Re

(3)

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

(4)反映動(dòng)量傳輸與熱量傳輸關(guān)系的普朗特?cái)?shù)Pr

(4)

式中，cp為等壓比熱容，J/(kg·K)。

(5)反映動(dòng)量傳輸與質(zhì)量傳輸關(guān)系的施密特?cái)?shù)Sc

Sc=υ/D.

(5)

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)中，以上相似準(zhǔn)則數(shù)與實(shí)際巷道中對(duì)應(yīng)相等。

1.2 試驗(yàn)平臺(tái)組成

該試驗(yàn)平臺(tái)由井下模擬系統(tǒng)及裝置、制冷系統(tǒng)與裝備、冷量交換系統(tǒng)與裝備及試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)組成，系統(tǒng)圖如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)示意

圖2 試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物

(1)井下高溫濕熱環(huán)境模擬系統(tǒng)。獨(dú)頭巷道模型為13 m×1.2 m×1.5 m的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)方體5個(gè)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(shè)電加熱膜，用于加熱巷道壁面，加熱膜的加熱溫度可以調(diào)節(jié)，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(shè)置1臺(tái)超聲波加濕器，由加濕器引出兩條PVC管引入巷道內(nèi)，在管壁開小口，調(diào)節(jié)巷道內(nèi)空氣的濕度環(huán)境。

(2)井下風(fēng)源模擬系統(tǒng)。為在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬井下高溫高濕的進(jìn)風(fēng)風(fēng)源，在給巷道內(nèi)送風(fēng)的局部扇風(fēng)機(jī)處設(shè)置電加熱器和超聲波加濕器，保證了無(wú)論實(shí)驗(yàn)室環(huán)境如何變化都能夠準(zhǔn)確的模擬送入巷道內(nèi)的空氣狀態(tài)和井下一致。

(3)制冷降溫系統(tǒng)。制冷降溫系統(tǒng)由一套水冷式制冷機(jī)組和空冷器組成，制冷機(jī)組用來(lái)提供獨(dú)頭巷道內(nèi)降溫所需的冷源，制冷機(jī)組制冷量可以人工調(diào)節(jié)，確保送入巷道內(nèi)空氣溫度可調(diào)可控。空冷器用于送入巷道內(nèi)空氣的預(yù)冷。

(4)試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)。在巷道內(nèi)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(gè)斷面，每個(gè)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(nèi)共計(jì)16組溫濕度傳感器，用于檢測(cè)巷道內(nèi)空氣溫濕度的實(shí)時(shí)變化情況。在空冷器出口的巷道進(jìn)風(fēng)管安裝1組溫濕度傳感器和風(fēng)流流量變送器，用于檢測(cè)送入巷道內(nèi)的空氣參數(shù)。在空冷器進(jìn)出口分別安設(shè)1組溫度傳感器和1組水流流量計(jì)，用于檢測(cè)制冷機(jī)組的制冷量。

2 試驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控和操作系統(tǒng)

試驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)工藝流程上設(shè)備運(yùn)行的工況、生產(chǎn)流程中的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將采集的數(shù)據(jù)傳送到上位操作畫面，由上位機(jī)根據(jù)工藝要求，對(duì)設(shè)備、工藝過(guò)程、工藝參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制和操作，系統(tǒng)中所有信號(hào)經(jīng)過(guò)多年應(yīng)用驗(yàn)證是準(zhǔn)確有效的，保證系統(tǒng)精度在±3%以內(nèi)。

自動(dòng)控制系統(tǒng)采用西門子300PLC系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及遠(yuǎn)程操作。系統(tǒng)中選用的西門子PLC為集成以太網(wǎng)口的CPU，通訊方式為工業(yè)以太網(wǎng)通訊，可以實(shí)現(xiàn)與設(shè)備層和信息層的高效互聯(lián)、互通，確保網(wǎng)路效率和數(shù)據(jù)流的合理性和安全性，實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用。

現(xiàn)場(chǎng)儀表采集的數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)電纜傳輸?shù)轿鏖T子PLC的信號(hào)采集模塊后，實(shí)時(shí)地反應(yīng)出現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度以及風(fēng)速數(shù)據(jù)。在上位機(jī)中設(shè)置歷史曲線功能，可以有選擇地將以往所做的數(shù)據(jù)曲線調(diào)出進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比對(duì)。

試驗(yàn)平臺(tái)中對(duì)于制冷機(jī)組控制系統(tǒng)采用了PLC之間進(jìn)行通訊的方式，將制冷機(jī)組中所需要的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并最終顯示在上位畫面中。系統(tǒng)中擁有友好通訊接口，可以有效地進(jìn)行擴(kuò)展和兼容其他控制系統(tǒng)。

當(dāng)試驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行時(shí)，如果現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù)超過(guò)報(bào)警設(shè)置限值，則會(huì)有相應(yīng)的報(bào)警信息提示，根據(jù)報(bào)警可以及時(shí)地調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)工藝流程設(shè)置，優(yōu)化工藝。試驗(yàn)平臺(tái)控制界面如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)平臺(tái)控制界面

3 試驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用

試驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬獨(dú)頭掘進(jìn)巷道降溫效果，設(shè)定6個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。沿巷道長(zhǎng)度方向?qū)⒈诿鏈囟确?段，溫度由里向外依次為前4 m設(shè)定40 ℃、中間4 m設(shè)定38 ℃和出口5 m設(shè)定36 ℃。具體初始條件和工況點(diǎn)設(shè)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(shù)設(shè)定

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

根據(jù)表2確定的試驗(yàn)工況，首先設(shè)定巷道壁面溫度，加熱巷道壁面，待巷道內(nèi)空氣溫度穩(wěn)定一段時(shí)間后，開始開啟制冷機(jī)組進(jìn)行制冷降溫試驗(yàn)。首先從工況點(diǎn)T1開始，設(shè)定風(fēng)筒入口風(fēng)溫為30 ℃，依次到工況點(diǎn)T5，必須確保巷道內(nèi)空氣溫度穩(wěn)定后方可記錄數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)工況點(diǎn)。

各工況點(diǎn)記錄的數(shù)據(jù)包括制冷機(jī)組制冷量、空冷器出口風(fēng)量和溫濕度、巷道內(nèi)特征斷面的空氣溫濕度。本次試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)理念，在巷道內(nèi)分別選取了4個(gè)特征斷面進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shì)。

各試驗(yàn)工況下工作面溫度變化趨勢(shì)和制冷機(jī)組運(yùn)行工況界面如圖4所示，工況統(tǒng)計(jì)如表3所示。

圖4 工作面空氣溫度變化趨勢(shì)

類 別巷道風(fēng)速/(m/s)入口風(fēng)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(wěn)定在39 ℃左右時(shí)，通風(fēng)降溫效果比較明顯，達(dá)到6 ℃，但仍無(wú)法滿足《GBl 6423—2006 金屬非金屬礦山安全規(guī)程》中6.4.1.7條規(guī)定“采掘作業(yè)地點(diǎn)干球溫度小于等于28 ℃”的要求。工況點(diǎn)T4，制冷量13.46 kW，工作面溫度27.5 ℃，滿足《安全規(guī)程》要求，溫度降低11.3 ℃。試驗(yàn)結(jié)果顯示，工作面最低溫度26.5 ℃，最高降幅12.3 ℃，作業(yè)環(huán)境明顯改善。

4 結(jié) 論

金屬礦山深部開采掘進(jìn)巷道熱交換模擬測(cè)試平臺(tái)針對(duì)某一個(gè)具體礦山的具體作業(yè)面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，找出該作業(yè)面的最佳冷量匹配方案，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)和選擇作業(yè)面制冷系統(tǒng)負(fù)荷，確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

該試驗(yàn)平臺(tái)可以研究冷量在作業(yè)面的配送方式對(duì)降溫效果的影響，找出最佳冷量分配方法。

該試驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)，尋找最符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的制冷運(yùn)行方案，對(duì)于解決礦山井下熱害問題具有重要的指導(dǎo)和參考作用。

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(責(zé)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(guó)家科技支撐計(jì)劃(編號(hào)：2012BAB14B01)，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(編號(hào)：2012CB724207)。

賈敏濤(1987—)，男，助理工程師，碩士。

TD727

A

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