掘進(jìn)巷道通風(fēng)降溫試驗研究

張瑞明 魏丁一 杜翠鳳 張宏光 徐海月

（1.山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西太原030009；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點試驗室，北京100083；3.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京100083；4.馬鋼(集團(tuán))控股有限公司南山礦業(yè)公司，安徽馬鞍山243000）

目前，我國淺部資源已經(jīng)基本開采結(jié)束，金屬礦山逐步轉(zhuǎn)向深部開采，伴隨而來的是深部開采過程中高溫高濕熱害問題的日益嚴(yán)重，許多專家和學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。黃壽元等［1-2］分析了通風(fēng)降溫的主要技術(shù)措施、特點及適用條件，并得到礦井回風(fēng)排放冷凝熱模式受通風(fēng)系統(tǒng)影響較大；胡華瑞等［3］利用Ventsim構(gòu)建礦區(qū)通風(fēng)可視化模型，得到增加礦井總通風(fēng)量不能降溫，但增加局部風(fēng)量和通風(fēng)時間可降低巷道風(fēng)溫，采場溫度與地表氣溫變化一致，采場溫度高于30℃時建議采用井下集中式降溫；解彬等［4-5］利用Fluent對單、雙風(fēng)筒2種壓入式通風(fēng)條件下的巷內(nèi)溫度場分布進(jìn)行模擬，得到雙風(fēng)筒壓入式通風(fēng)更優(yōu)，在掘進(jìn)面附近溫度比單風(fēng)筒低1～2℃，風(fēng)流分布更均勻，提高入口風(fēng)速能有效降低采場溫度；劉召勝等［6］通過通風(fēng)降溫?zé)崮M獲得了大臺溝鐵礦深井開采時通風(fēng)降溫的最優(yōu)方案，為人工制冷與選擇通風(fēng)降溫提供了科學(xué)依據(jù)；杜翠鳳等［7］選取夏甸金礦-682 m水平進(jìn)行通風(fēng)降溫測定，得到通風(fēng)降溫影響重要度排序為入風(fēng)溫度＞巖壁溫度＞風(fēng)量，入風(fēng)溫度和巖壁溫度的升高均導(dǎo)致風(fēng)溫線性升高，增大風(fēng)量可有效降溫但降溫效果隨風(fēng)量增加越來越不明顯；張培紅等［8］利用Fluent模擬測定自然通風(fēng)時礦內(nèi)的溫度分布和風(fēng)速大小，得到風(fēng)速為4 m/s、溫度為15℃時水平巷道內(nèi)溫度能降到28℃，滿足安全規(guī)程規(guī)定。本研究對于蠶莊金礦的徐家疃-750 m水平進(jìn)行通風(fēng)降溫試驗，得到不同通風(fēng)條件下掘進(jìn)巷道的氣溫變化和影響規(guī)律。

1 試驗方案及測點布置

1.1 試驗條件及儀器

選擇徐家疃-750 m水平的掘進(jìn)巷道作為測試巷道，斷面面積為5.75 m2，巷道采用局部壓入式通風(fēng)，風(fēng)機(jī)功率為11 kW，柔性風(fēng)筒直徑為0.4 m。盲巷沒有生產(chǎn)作業(yè)，未進(jìn)行封閉。測試儀器主要有通風(fēng)溫度記錄儀、多參數(shù)檢測儀、卷尺等。采用溫度記錄儀多點實時監(jiān)測氣溫或巖壁溫度，多參數(shù)檢測儀測量測點的風(fēng)速、濕度和氣壓等參數(shù)。

1.2 測點布置

該掘進(jìn)巷道風(fēng)筒出口距掌子面20 m，測點編號依次為1、2、3等，巖壁溫度編號為同位置氣溫編號后加（b），如測點2對應(yīng)的壁溫測點記為2（b）。每個測點設(shè)置溫度記錄儀，記錄儀位置距地面約1 m高，距巷道壁面0.1 m。

由掌子面開始，每隔10 m布置1個測點，編號依次為1、2、3和4，由測點4開始每隔20 m布置測點5、6、7和8，測點9與測點8間距為14 m。測點1和2在風(fēng)筒出風(fēng)口前方，用來測試掘進(jìn)巷道內(nèi)進(jìn)風(fēng)風(fēng)流對氣溫的影響，測點3至9是為了測試回風(fēng)流溫度的降溫變化規(guī)律。各測點在掘進(jìn)巷道內(nèi)的分布位置如圖1所示。

1.3 試驗步驟

進(jìn)行通風(fēng)試驗時應(yīng)保證各溫度記錄儀與計時器時間同步。試驗步驟如下。

（1）在未通風(fēng)情況下布置溫度記錄儀，設(shè)定數(shù)據(jù)采集時間間隔為20 s，分別對每個測點溫度進(jìn)行測定。

（2）開啟風(fēng)機(jī)進(jìn)行試驗，觀察各測點工作情況并使用多參數(shù)檢測儀記錄測點空氣參數(shù)。

（3）測試風(fēng)機(jī)運(yùn)行與關(guān)閉條件下對巷道氣溫的影響時，保持風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)后工作90 min，采集并分析空氣降溫規(guī)律；然后關(guān)閉風(fēng)機(jī)保持60 min，采集并分析空氣升溫規(guī)律。

（4）測試不同風(fēng)量等多種條件下對巷道氣溫的影響時，改變供給風(fēng)量后保持通風(fēng)狀態(tài)90 min，采集數(shù)據(jù)并觀察溫度變化情況。

2 試驗結(jié)果與討論

試驗時風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)氣溫均為13.5℃，風(fēng)筒長為104 m，不同風(fēng)量條件下風(fēng)筒出口風(fēng)溫略有不同，當(dāng)風(fēng)量為1.9、1.6、0.9 m3/s時風(fēng)筒出口風(fēng)溫分別為23、23.2和25.2℃。進(jìn)行通風(fēng)降溫試驗時，分別就是否有人員作業(yè)、通風(fēng)機(jī)是否運(yùn)行和不同風(fēng)量等多種條件下的巷道氣溫影響變化進(jìn)行試驗。

2.1 巖壁溫度、氣溫與通風(fēng)時間關(guān)系

由于溫度記錄數(shù)據(jù)量較大，因此選取部分特征數(shù)據(jù)說明。以測點2為例說明巖壁溫度、氣溫與通風(fēng)時間的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知測點2的巖壁溫度60 min內(nèi)無變化，通風(fēng)90 min時巖壁溫度只降低了0.1℃。而風(fēng)溫隨著通風(fēng)時間增加變化較為明顯，尤其是通風(fēng)5 min時已下降了2.7℃。此后雖然也在下降但降溫幅度明顯減緩。因此巖壁溫度與氣溫溫差隨著通風(fēng)時間增加逐漸增大。

2.2 進(jìn)風(fēng)側(cè)通風(fēng)溫度變化分析

保持風(fēng)量為1.9 m3/s時風(fēng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行90 min，記錄巷道降溫情況；關(guān)閉風(fēng)機(jī)后保持無風(fēng)狀態(tài)60 min，記錄巷道溫升情況。進(jìn)風(fēng)側(cè)通風(fēng)時的溫度變化如圖3（a）所示。由圖3（a）可知，試驗開始前測點1～3處氣溫分別為28.5、28.5和28.8℃，約6 min后氣溫急速下降且分別降低3、2.5和2℃；在6～12 min內(nèi)氣溫波動的原因可能是試驗人員檢查儀器或者紊亂風(fēng)流作用導(dǎo)致；12 min后氣溫穩(wěn)定下降且下降趨勢平緩。經(jīng)過約90 min通風(fēng)后，測點1～3氣溫分別降低4.9、4.5和3.4℃；最終氣溫分別為23.6、24和25.4℃，均低于28℃。其中測點3降溫梯度最大，測點1最小，這表明在風(fēng)筒出口位置風(fēng)流降溫最快。由溫降變化規(guī)律可知3個測點均表現(xiàn)出前6 min內(nèi)降溫梯度大，而后趨于平緩的規(guī)律。

掘進(jìn)巷道進(jìn)風(fēng)10 m處，巖壁溫度在試驗過程中由28.3℃降至28.2℃，溫度變化不大。對于同一測點通風(fēng)60 min，巖壁溫度幾乎不變。一方面原因是由于通風(fēng)降溫風(fēng)量較小且通風(fēng)時間短，另一方面原因是巖壁溫度主要受原巖溫度的影響，對于巖壁進(jìn)行通風(fēng)降溫需要的時間較長。而在掌子面附近通風(fēng)10 min時風(fēng)溫可降低2℃以上，此后繼續(xù)通風(fēng)但降溫幅度逐漸減小，且距離風(fēng)筒出口越近風(fēng)流溫度越低。

測點1、2和3停風(fēng)后的溫升數(shù)據(jù)分布如圖3（b）所示。試驗開始前測點1～3處氣溫分別23.6、24.1和25.4℃，12 min內(nèi)氣溫快速上升，測點1～3分別升溫3.7、2.6和1.6 ℃，在12～36 min內(nèi)氣溫穩(wěn)定上升，測點1～3處氣溫分別升高0.5℃、0.6℃和0.7℃，36 min后氣溫緩慢上升。經(jīng)過60 min無風(fēng)狀態(tài)后測點1～3分別升溫4.1℃、3.4℃和2.5℃，最終氣溫分別為27.7、27.5和27.9℃。試驗中掘進(jìn)巷道進(jìn)風(fēng)10 m處巖壁溫度由28.2℃降至28.1℃，可能是與之前的通風(fēng)降溫試驗時間間隔較短，巖壁溫度變化滯后導(dǎo)致。同樣3個測點中測點3溫升梯度最大，測點1最小，原因可能是風(fēng)筒出口氣溫低，當(dāng)風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行后該處空氣與周邊存在溫差，引起冷空氣下降和熱空氣上升，局部形成熱對流，造成該處溫度上升較快。由溫升變化規(guī)律可知，測點在12 min內(nèi)溫升梯度大，此后溫升梯度基本不變。

2.3 回風(fēng)側(cè)通風(fēng)溫度變化分析

控制試驗風(fēng)量和時間間隔情況與進(jìn)風(fēng)側(cè)保持一致。其中測點8距進(jìn)風(fēng)巷道（通風(fēng)機(jī)）直線距離14 m?；仫L(fēng)側(cè)各測點溫度變化如圖4（a）所示。由圖4（a）可知，在試驗開始前6 min內(nèi)溫度下降較快，6～30 min內(nèi)部分點存在波動，30 min時測點溫度緩慢下降直至試驗結(jié)束。同樣由于測點3位于風(fēng)筒出口，溫度下降最快。

當(dāng)風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行后回風(fēng)側(cè)各測點升溫變化如圖4（b）所示。15 min內(nèi)各測點溫度上升較快，局部存在波動，15 min后溫度上升較緩慢。當(dāng)風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行后，測點3處空氣與周邊的溫差會造成該處溫度上升較快；測點4處溫度可能也受此影響；測點5和測點6之間存在涌水區(qū)，水具有天然保溫效果，受水溫影響溫度上升較快；測點8由于距進(jìn)風(fēng)與回風(fēng)大巷僅僅14 m，氣溫較低是受到新風(fēng)或局部風(fēng)筒漏風(fēng)影響。

2.4 不同風(fēng)量的降溫效果分析

試驗中，分別對供風(fēng)量為0.9、1.6 m和1.9 m3/s條件下掘進(jìn)巷道測點處降溫效果進(jìn)行比較分析。測點1靠近掘進(jìn)獨(dú)頭，位于風(fēng)筒出口前方20 m，在1.6 m3/s與1.9 m3/s的風(fēng)量條件下90 min內(nèi)的氣溫變化如圖5（a）。由圖5（a）可知，風(fēng)量為1.6 m3/s時氣溫在3 min內(nèi)快速下降，之后下降趨勢變緩；風(fēng)量為1.9 m3/s時氣溫在6 min內(nèi)快速下降，之后下降趨勢同樣變緩；因此風(fēng)量增加時氣溫快速下降時間也在增加，試驗結(jié)束時兩者溫差為0.5℃，風(fēng)量為1.9 m3/s時降溫幅度隨時間變化更大。另外由風(fēng)量為1.6 m3/s時降溫效果來看，持續(xù)通風(fēng)90 min內(nèi)風(fēng)筒前方20 m（掘進(jìn)頭）處由28.5降至26℃，滿足安全生產(chǎn)要求。此外由圖5（a）可知測點溫度在6 min內(nèi)快速下降，30 min后緩慢下降。

分析圖5（b）中測點2在60 min內(nèi)的氣溫變化可知，風(fēng)量為0.9 m3/s時氣溫在3 min內(nèi)快速下降，之后下降趨勢變緩，22 min后氣溫基本不變；風(fēng)量為1.9 m3/s時氣溫在6 min內(nèi)快速下降，之后下降趨勢變緩，在試驗時間內(nèi)氣溫在持續(xù)緩慢下降；可以看出在此條件下，風(fēng)量增加約1倍，快速降溫時間增加1倍，試驗結(jié)束時兩者溫差為1℃，風(fēng)量為1.9 m3/s時降溫幅度隨時間增加的可能更大。且風(fēng)量為0.9 m3/s時也能保證掌子面附近溫度低于28℃。

由上述氣溫分析可知，不同風(fēng)量對空氣的降溫效果可以在6 min中體現(xiàn)出來，且大風(fēng)量條件下溫度快速下降的持續(xù)時間更長。

2.5 有人與無人作業(yè)條件下氣溫變化分析

試驗中保持供風(fēng)量為1.9 m3/s，通風(fēng)40 min后對巷道回風(fēng)流中一點（距風(fēng)筒出口30 m）進(jìn)行是否有人員作業(yè)條件下的氣溫變化測定。有人作業(yè)為3名礦工使用礦車進(jìn)行礦石運(yùn)輸。2種情況下連續(xù)監(jiān)測60 min內(nèi)的氣溫參數(shù)，氣溫變化如圖6所示。

由圖6可知，有人作業(yè)時氣溫呈現(xiàn)不規(guī)律變化；無人作業(yè)時，在通風(fēng)降溫影響下氣溫緩慢下降。從測試時段的氣溫變化來看，有人作業(yè)時平均氣溫為25.86℃，無人作業(yè)時平均氣溫為25.45℃，溫差有0.41℃。可見有人員作業(yè)時氣溫會有微弱升高且溫度呈現(xiàn)振蕩變化。

3 結(jié)論

（1）在通風(fēng)條件下，隨著通風(fēng)時間的增加，巷道內(nèi)巖壁溫度下降幅度很小，但同一位置巖壁溫度與氣溫溫差逐漸加大，且通風(fēng)超過60 min后巖壁溫度與氣溫溫差可達(dá)3℃以上。

（2）通風(fēng)時間為6 min時巷道內(nèi)風(fēng)溫迅速降低，此時降溫梯度最大；通風(fēng)12 min后巷道風(fēng)溫雖然也降低，但降溫梯度大幅減小；停止通風(fēng)后巷道內(nèi)氣溫迅速上升，停止通風(fēng)60 min后巷道內(nèi)測點氣溫會升至28℃左右。因此為保證工作面溫度滿足安全規(guī)程要求，有人員作業(yè)地點要保持連續(xù)通風(fēng)。

（3）巷道內(nèi)氣溫隨著通風(fēng)風(fēng)量增加而降低，且出風(fēng)口附近氣溫最低，距離出風(fēng)口越遠(yuǎn)氣溫越高。因此對于掘進(jìn)巷道的風(fēng)筒出口距離掌子面不超過10 m，在滿足要求的前提下可加大工作面風(fēng)量來實現(xiàn)降溫目的。

（4）當(dāng)入風(fēng)溫度為23℃時，風(fēng)量為0.9 m3/s時掌子面附近氣溫仍低于28℃；當(dāng)風(fēng)筒入口溫度為13.5℃，流經(jīng)100 m的風(fēng)筒后出口溫度達(dá)到23℃，溫升將近10℃?？梢姙榱斯┙o工作面較低溫度的風(fēng)流，在實際生產(chǎn)中需要考慮風(fēng)筒保溫問題。