高溫礦井掘進(jìn)工作面冰塊降溫?cái)?shù)值模擬研究*

李杰林，喻曉麗，黃沖紅，周科平，程春龍

(1.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.玉溪礦業(yè)有限公司，云南 玉溪 653100)

0 引言

隨著淺地表資源的逐漸開(kāi)采殆盡，我國(guó)眾多金屬礦山已進(jìn)入深部開(kāi)采階段，圍巖散熱、空氣自壓縮放熱以及機(jī)械設(shè)備散熱量逐漸增加，礦井深部易形成高溫、高濕作業(yè)環(huán)境。據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計(jì)，在500～1 000 m開(kāi)采深度的礦井中，高溫礦井占比達(dá)63%以上，高溫?zé)岷?wèn)題已成為采礦行業(yè)中普遍面臨和亟需解決的一大難題[1]。高溫高濕環(huán)境對(duì)人體產(chǎn)生不良影響，危害礦工生理、心理健康[2]，引發(fā)職業(yè)性中暑等急性病[3]，嚴(yán)重影響礦山的安全生產(chǎn)進(jìn)度。因此，開(kāi)展高溫礦井掘進(jìn)工作面的降溫措施研究，對(duì)于保障礦山安全生產(chǎn)和工人的身心健康具有重要意義。

目前礦井常用的降溫措施可分為通風(fēng)降溫[4]、噴涂隔熱材料降溫[5]、機(jī)械制冷降溫[6]等。機(jī)械制冷是1種較為廣泛的降溫方法，降溫效果較好，但機(jī)械制冷技術(shù)需要建立制冷機(jī)站和一整套制冷、輸冷、傳冷和排熱的系統(tǒng)，造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用較為昂貴，且各種機(jī)械制冷技術(shù)仍存在一些尚未解決的難題，如機(jī)械制冰技術(shù)中輸冰管道易堵塞等，限制了該技術(shù)的推廣和發(fā)展[7]。冰塊降溫是1種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且有效的降溫方法，目前已在高溫隧道中得到了廣泛的應(yīng)用。陳博[8]以毛坡良隧道、太陽(yáng)寨隧道、石板寨一號(hào)隧道為工程背景，計(jì)算得出冰塊降溫比通風(fēng)降溫的措施費(fèi)平均每延米少157元的結(jié)論；嚴(yán)健等[9]提出了設(shè)置冰墻以降低環(huán)境溫度，改善施工條件的降溫思路；朱宇等[10]利用fluent模擬研究了冰塊量和冰塊布置2個(gè)因素對(duì)于隧道內(nèi)降溫效果的影響和溫度場(chǎng)變化規(guī)律，結(jié)果表明在隧道兩側(cè)各放置0.5 m3冰塊可降低掘進(jìn)面溫度6 ℃左右，冰塊布設(shè)于風(fēng)管出風(fēng)口軸線上比雙側(cè)布置的降溫效果好。可見(jiàn)對(duì)于局部高溫?zé)岷^(qū)域，冰塊的降溫效果較為顯著。

雖然冰塊降溫方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高地溫隧道施工中，但在高溫礦井中的應(yīng)用還較少，受礦山井巷工程錯(cuò)綜布置、通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜等因素的影響，冰塊降溫應(yīng)用于高溫礦井的降溫效果以及設(shè)計(jì)參數(shù)等內(nèi)容尚沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。但國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了許多關(guān)于高溫礦井熱害治理的數(shù)值模擬研究，如Han等[11]通過(guò)數(shù)值模擬的手段利用WBGT指標(biāo)對(duì)高溫交換機(jī)械系統(tǒng)(HEMS系統(tǒng))的冷卻效果進(jìn)行模擬評(píng)價(jià)；田龍等[12]采用數(shù)值模擬研究有無(wú)輔助通風(fēng)設(shè)施、不同輔助通風(fēng)設(shè)施長(zhǎng)度及其與墻壁間的距離對(duì)巷道降溫效果的影響；Wang等[13]利用fluent模擬了盲巷熱環(huán)境，并在模擬中提出了近強(qiáng)制遠(yuǎn)排氣通風(fēng)方案。以上研究為高溫礦井冰塊降溫?cái)?shù)值模擬提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)作用。

本文以云南大紅山銅礦深部工作面為研究對(duì)象，利用數(shù)值模擬的方法研究冰塊降溫方法在高溫掘進(jìn)作業(yè)面中降溫的可行性和降溫效果，并分析冰塊量和擺放方式(垂直方向和水平方向)2個(gè)因素對(duì)掘進(jìn)工作面溫度場(chǎng)的影響，為冰塊降溫在高溫礦井作業(yè)面的應(yīng)用提供借鑒意義。

1 工程背景

大紅山銅礦位于云南省新平縣戛灑境內(nèi)，海拔700～1 400 m，屬于典型的深井高溫地下礦山。該礦山礦體埋藏較深，內(nèi)含成礦溫度615～655 ℃的隱伏花崗巖，巖體沿地層間破碎帶形成凹槽、凹盆、小巖脈、巖墻、微突起、側(cè)部凹陷帶，為熱液的停留和富集提供了封閉、半封閉空間。同時(shí)，花崗巖侵入時(shí)與碳酸鹽巖交代形成矽卡巖礦物，含礦熱液充填交代矽卡巖在接觸帶形成了較高溫度的矽卡巖鎢礦石、深部硫礦石。因此，大紅山銅礦的成礦作用和地質(zhì)情況將對(duì)井下的較高巖溫帶來(lái)重要影響。通過(guò)采用深孔測(cè)溫法獲得了大紅山銅礦的平均地溫梯度為3.04 ℃/100 m，屬于典型的高地溫類地溫類型，地?zé)釣?zāi)害嚴(yán)重。

較高的地溫梯度導(dǎo)致圍巖散熱量巨大，成為大紅山銅礦主要熱源之一。根據(jù)對(duì)大紅山井下熱源成因統(tǒng)計(jì)，如圖1所示，圍巖散熱量占總散熱量的1/2，再加上其他熱源散熱，導(dǎo)致大紅山銅礦井下部分掘進(jìn)工作面的空氣溫度超過(guò)40 ℃，獨(dú)頭巷道掘進(jìn)工作面作業(yè)環(huán)境更為惡劣，嚴(yán)重影響了工程施工和工人的身心健康，需要輔助以冰塊降溫措施以保證作業(yè)面的溫度達(dá)到安全要求。

圖1 大紅山銅礦井下各熱源放熱量占比

2 掘進(jìn)工作面冰塊降溫方案

借鑒高溫隧道的冰塊降溫方法，高溫礦井掘進(jìn)工作面冰塊降溫方案主要包括地面制冰站制冰、運(yùn)輸冰塊至井下、冰塊擺放在降溫區(qū)域3個(gè)部分。首先通過(guò)制冰站的制冰機(jī)完成冰塊的制備，冰塊大小尺寸適中，適合搬運(yùn)；制備好的冰塊通過(guò)汽車經(jīng)斜坡道直接運(yùn)輸至井下高溫工作面；然后按照設(shè)計(jì)要求，將冰塊進(jìn)行合理擺放，冰塊吸收空氣中的熱量并逐漸融化，從而實(shí)現(xiàn)降溫目的。冰塊降溫方案的設(shè)計(jì)主要考慮冰塊量和冰塊擺放方式2個(gè)因素。

在冰塊降溫方案中，冰塊量的設(shè)計(jì)可借鑒工程經(jīng)驗(yàn)，已知冰塊尺寸為0.4 m×0.2 m×0.1 m，將冰塊量設(shè)為0.128，0.256，0.384 m33種情況，即分別為16，32，48塊。由于單位時(shí)間內(nèi)冰塊與環(huán)境之間的對(duì)流換熱量與冰表面對(duì)流換熱系數(shù)、換熱面上環(huán)境溫度與冰塊表面的平均溫差以及冰塊的表面積成正比關(guān)系[10]，為最大限度地增大冰塊與空氣的接觸面積，同時(shí)考慮到風(fēng)筒直徑為800 mm，將0.128，0.256，0.384 m3的冰塊量分別碼放成2個(gè)相同的冰塊堆(長(zhǎng)×寬×高分別為0.8 m×0.1 m×0.8 m，1.6 m×0.1 m×0.8 m，2.4 m×0.1 m×0.8 m，各冰塊堆的冰塊數(shù)量分別為8，16，24塊)。

冰塊堆的擺放方式分為2類，一類是冰塊堆距巷道底板垂直距離的設(shè)置，分別設(shè)為距巷道底板0 m(即放在巷道底板)和距巷道底板1.2 m(即冰塊堆中心與風(fēng)筒中心在同一高度處)2種情況，其中第2種情況通過(guò)搭建1.2 m高的承載平臺(tái)實(shí)現(xiàn)；另一類是冰塊堆距工作面水平距離的設(shè)置，考慮井下作業(yè)面設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)和人員的工作空間，將冰塊堆距工作面水平距離設(shè)置為3，5 m 2種情況。

根據(jù)以上掘進(jìn)工作面冰塊降溫方案，共設(shè)計(jì)了6個(gè)模擬工況，工況1指僅采用通風(fēng)降溫方式；工況2～6的設(shè)置如圖2～3所示(圖中未畫(huà)出冰塊堆承載平臺(tái))；圖4為距工作面2 m橫向垂直截面上的溫度測(cè)量點(diǎn)P1，P2，P3。

圖2 工況2～6冰塊堆設(shè)置正視圖

圖3 工況2～6冰塊堆設(shè)置側(cè)視圖

圖4 距掘進(jìn)工作面2 m橫向垂直截面上的測(cè)溫點(diǎn)

3 數(shù)值模擬過(guò)程

3.1 模型的建立

3.2 系統(tǒng)初始設(shè)置

風(fēng)筒出風(fēng)口設(shè)置為速度進(jìn)口邊界條件，根據(jù)實(shí)測(cè)，風(fēng)筒出口風(fēng)速為3 m/s，風(fēng)溫為30 ℃；掘進(jìn)巷道出口設(shè)置為壓力型邊界條件；巷道壁面設(shè)置為無(wú)滑移固體壁面邊界，壁面溫度設(shè)置為40 ℃。在計(jì)算有冰塊布置的工況時(shí)采用融化凝固模型，設(shè)置模型初始條件為巷道內(nèi)空氣溫度為34 ℃，冰塊溫度為-1 ℃，冰塊體積分?jǐn)?shù)為1。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 冰塊對(duì)工作面溫度場(chǎng)的影響

圖5分別為不同通風(fēng)時(shí)刻工況1(僅通風(fēng))、工況4(放置0.256 m3冰塊)Z=1.6 m溫度場(chǎng)曲線分布圖。觀察圖5(a)可以得知，巷道中心線(X=0 m)和風(fēng)筒軸線(X=-1.2 m)處的溫度曲線較為接近，而遠(yuǎn)離風(fēng)筒位置靠近壁面處(X=1.2 m)處的溫度曲線高于這兩處。這是因?yàn)轱L(fēng)筒流出的低溫風(fēng)流與巷道內(nèi)空氣發(fā)生對(duì)流換熱而吸收熱量，而距離風(fēng)筒較遠(yuǎn)位置處風(fēng)流的速度由于受到有限空間的限制而不斷降低，吸收熱量較少，從而導(dǎo)致遠(yuǎn)離風(fēng)筒位置處的溫度較高[15]。對(duì)比分析圖5(a)和圖5(b)可發(fā)現(xiàn)二者呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，且各測(cè)點(diǎn)溫度幾乎相同，隨通風(fēng)時(shí)間的增加變化不大，這說(shuō)明在通風(fēng)30 min后巷道內(nèi)溫度場(chǎng)趨于穩(wěn)定，各測(cè)溫點(diǎn)溫度保持在32 ℃以上，降溫幅度處于0.4～2 ℃范圍內(nèi)，降溫效果不明顯?？梢?jiàn)在僅通風(fēng)的作用下，掘進(jìn)工作面附近溫度較高，不能滿足《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB16423—2006)對(duì)于井下工作地點(diǎn)空氣溫度不得超過(guò)28 ℃的相關(guān)規(guī)定。

圖5 工況1和工況4溫度場(chǎng)曲線分布

觀察圖5(c)可發(fā)現(xiàn)在距工作面3 m范圍內(nèi)溫度急劇下降，最低溫度低于20 ℃，這是由于在距工作面3 m處放置了0.256 m3的冰塊堆，冰塊與風(fēng)流發(fā)生對(duì)流換熱實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)流的預(yù)冷作用，從而有效降低了工作區(qū)(距工作面3 m范圍內(nèi))的環(huán)境溫度。同時(shí)由于冰塊吸熱融化，巷道內(nèi)溫度場(chǎng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，從而使得圖5(c)和圖5(d)呈現(xiàn)出較大的差異。觀察圖5(d)可發(fā)現(xiàn)工作區(qū)的溫度回升至34 ℃左右(初始環(huán)境溫度)，這是由于在通風(fēng)1 h后，冰塊已經(jīng)完全融化，失去了對(duì)風(fēng)流預(yù)冷的作用。

由以上分析可知，與只采用通風(fēng)降溫方案相比，采用冰塊降溫方案的降溫效果明顯，冰塊可以實(shí)現(xiàn)快速降溫的效果，但受限于冰塊受熱融化，且不同體積、不同位置處的冰塊完全融化所需時(shí)間不同，其有效制冷時(shí)間必然有所不同。因此，有必要探討冰塊量和冰塊擺放方式對(duì)作業(yè)區(qū)溫度分布的影響。

4.2 冰塊量對(duì)掘進(jìn)工作面溫度場(chǎng)的影響

根據(jù)工況1、工況2、工況4和工況6的計(jì)算結(jié)果，得到相同布置方式(垂直方向距巷道底板1.2 m，水平方向距掘進(jìn)工作面3 m)、不同冰塊量下測(cè)溫點(diǎn)P1，P2，P3的溫度隨通風(fēng)時(shí)間的變化曲線圖，如圖6所示。

圖6 各測(cè)溫點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

工況1掘進(jìn)工作面附近溫度在5 min以后趨于穩(wěn)定，各測(cè)點(diǎn)溫度維持在32.2～33.2 ℃之間，且總體上P3測(cè)點(diǎn)的溫度最高，其次是P2，P1最低，這與圖5(a)所呈現(xiàn)的特點(diǎn)相同，即距離風(fēng)筒越遠(yuǎn)，溫度越高。工況2中，冰塊量較少，融化的速度較快，通風(fēng)5 min時(shí)P1測(cè)點(diǎn)的溫度最低，約為14 ℃，通風(fēng)10 min時(shí)P2和P3測(cè)點(diǎn)的溫度最低，約為20 ℃；隨著冰塊的逐漸融化，其對(duì)風(fēng)流的預(yù)冷能力降低，溫度逐漸回升，23 min后各測(cè)點(diǎn)溫度均已超過(guò)28 ℃，并于30 min時(shí)上升至32 ℃，隨后溫度穩(wěn)定在32～34 ℃之間，可見(jiàn)0.128 m3冰塊的有效制冷時(shí)間為23 min。

工況4中，冰塊量(0.256 m3)較多，融化的速度較慢，在通風(fēng)5 min時(shí)P2測(cè)點(diǎn)的溫度最低，約為20 ℃，通風(fēng)10 min時(shí)P1，P3測(cè)點(diǎn)的溫度最低，約為18 ℃；隨后溫度開(kāi)始回升，但回升速率較慢，30 min時(shí)，各測(cè)點(diǎn)溫度均處于26 ℃以下，35 min后P1點(diǎn)溫度超過(guò)28 ℃，45 min后各測(cè)點(diǎn)溫度均超過(guò)28 ℃，可見(jiàn)其有效制冷時(shí)間約為40 min。

工況6中，盡管冰塊量較大(0.384 m3)，但其有效制冷時(shí)間與0.256 m3冰塊相近，約為40 min。但與工況4相比，在有效制冷時(shí)間內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的溫度較低，降溫幅度較大，部分區(qū)域溫度低于人體舒適溫度，易給人體帶來(lái)不適，可見(jiàn)冰塊量并不是越多越好。綜上所述，與通風(fēng)降溫方式相比，放置冰塊堆對(duì)掘進(jìn)工作面附近的降溫效果較為明顯。隨著冰塊量的增加，有效制冷時(shí)間相應(yīng)增加，但增加到一定程度時(shí)，有效制冷時(shí)間基本不變，此時(shí)增加冰塊量帶來(lái)的直接效果是在有效制冷時(shí)間內(nèi)使得溫度場(chǎng)溫度普遍較低，易給人體帶來(lái)不適。

4.3 冰塊不同垂直擺放方式對(duì)掘進(jìn)工作面溫度場(chǎng)的影響

對(duì)比工況3和工況4，分析相同冰塊量(0.256 m3)和同一水平(距掘進(jìn)工作面3 m)擺放方式下不同垂直位置處擺放冰塊對(duì)掘進(jìn)工作面附近溫度場(chǎng)的影響，圖7為不同通風(fēng)時(shí)間且不同垂直位置下擺放冰塊時(shí)巷道橫向垂直截面(y=18 m，即距工作面2 m)溫度場(chǎng)分布云圖。

由4.2節(jié)可知0.256 m3冰塊的有效制冷時(shí)間約為40 min左右，且通風(fēng)40 min時(shí)P1點(diǎn)溫度已超過(guò)28 ℃，因此，分別取通風(fēng)10，20，30 min來(lái)進(jìn)行分析。圖7(a)，7(c)，7(e)分別為工況3(冰塊放置在巷道底板)條件下不同時(shí)間點(diǎn)的溫度分布云圖，可以看出風(fēng)筒側(cè)(右側(cè))溫度均較低，處于27.5 ℃左右，其余大部分區(qū)域溫度約為30 ℃，遠(yuǎn)離風(fēng)筒側(cè)的溫度處于30～32.5 ℃之間，不符合相關(guān)規(guī)范的要求。圖7(b)，7(d)，7(f)分別為工況4(冰塊放置在與風(fēng)筒平齊位置)條件下不同時(shí)間點(diǎn)的溫度分布云圖，可以看出，通風(fēng)10 min時(shí)，風(fēng)筒側(cè)出現(xiàn)了7.5 ℃的局部低溫區(qū)域，遠(yuǎn)離風(fēng)筒側(cè)的溫度也處于20 ℃以下。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，風(fēng)筒側(cè)的局部低溫區(qū)域仍存在，可見(jiàn)將冰塊放置于與風(fēng)筒平齊位置處時(shí)的降溫幅度較大，但會(huì)出現(xiàn)局部低溫區(qū)域。

圖7 冰塊擺放在不同垂直位置時(shí)Y=18 m溫度場(chǎng)分布

綜上分析，將冰塊擺放在與風(fēng)筒平齊位置處的降溫效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于將冰塊擺放在巷道底板處。這是因?yàn)楫?dāng)冰塊擺放在巷道底板時(shí)，風(fēng)筒流出的絕大部分風(fēng)流沒(méi)有與冰塊直接接觸，冰塊對(duì)送風(fēng)風(fēng)流的預(yù)冷作用較弱，因而冰塊擺放在巷道底板時(shí)的降溫效果相對(duì)較差。因此，在使用冰塊進(jìn)行降溫時(shí)，應(yīng)盡可能的將冰塊擺放在與風(fēng)筒平齊的高度處，以達(dá)到充分利用冰塊對(duì)風(fēng)流的預(yù)冷作用，取得更好降溫效果的目的。

4.4 冰塊不同水平擺放方式對(duì)掘進(jìn)工作面溫度場(chǎng)的影響

將冰塊擺放在距巷道底板1.2 m高度處(即與風(fēng)筒平齊位置處)的降溫效果最佳，但同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)作業(yè)面附近靠近風(fēng)筒側(cè)溫度較低的現(xiàn)象，易給作業(yè)人員帶來(lái)不適。為解決這一問(wèn)題，探討冰塊不同水平擺放位置對(duì)作業(yè)面溫度場(chǎng)的影響。對(duì)相同的冰塊量(0.256 m3)和同一垂直位置(1.2 m)擺放方式下，不同水平位置處擺放冰塊對(duì)掘進(jìn)作業(yè)面溫度場(chǎng)的影響進(jìn)行分析。由于工況5在通風(fēng)20 min時(shí)局部低溫區(qū)域的情況較為嚴(yán)重，因此，選取通風(fēng)時(shí)間20 min時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。

圖8(a)，8(b)分別為冰塊擺放在距掘進(jìn)工作面3和5 m處時(shí)溫度分布圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，將冰塊擺放在距掘進(jìn)工作面3 m處時(shí)，距掘進(jìn)工作面10 m范圍內(nèi)大部分區(qū)域的溫度處于28 ℃以下，但不同區(qū)域的溫度分布不均勻，尤其是掘進(jìn)工作面的溫度處于17.5～20 ℃，溫度較低，易給人體帶來(lái)不適；將冰塊擺放在距掘進(jìn)工作面5 m處時(shí)，距掘進(jìn)工作面10 m范圍內(nèi)的溫度均處于28 ℃以下，且溫度分布更為理想，降溫范圍也更廣。從圖9中也可以發(fā)現(xiàn)，與圖9(a)中出現(xiàn)10 ℃以下局部低溫區(qū)域相比，圖9(b)中巷道內(nèi)的溫度分布更為均勻，人體活動(dòng)區(qū)域整體溫度處于17.5～25 ℃。因此，不同水平擺放方式對(duì)掘進(jìn)工作面附近溫度場(chǎng)的分布有明顯影響，在距掘進(jìn)工作面5 m處擺放冰塊時(shí)不僅達(dá)到了預(yù)期的降溫效果，而且工作面區(qū)域的溫度場(chǎng)分布更為均勻。

圖8 不同水平位置下放置冰塊時(shí)X=0 m溫度場(chǎng)分布

圖9 不同水平位置下放置冰塊時(shí)Y=18 m溫度場(chǎng)分布

5 結(jié)論

1)與只采用通風(fēng)的降溫方案相比，增加冰塊的降溫方案降溫效果明顯，添加0.256 m3冰塊且通風(fēng)30 min時(shí)可使作業(yè)面3 m范圍內(nèi)的溫度迅速下降到20 ℃以下，實(shí)現(xiàn)了降溫的目的。

2)當(dāng)冰塊擺放方式相同時(shí)，冰塊量越多，有效制冷時(shí)間越長(zhǎng)，平均每增加0.128 m3冰塊量可帶來(lái)20 min的有效制冷時(shí)間。但當(dāng)冰塊增加到一定程度時(shí)有效制冷時(shí)間基本不變，并在其有效制冷時(shí)間內(nèi)造成溫度場(chǎng)溫度過(guò)低的現(xiàn)象，給人體帶來(lái)不適。

3)在相同的冰塊量、同一水平擺放方式下不同垂直位置處擺放冰塊時(shí)，將冰塊擺放在與風(fēng)筒平齊位置處的降溫效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于將冰塊擺放在巷道底板處，故當(dāng)使用冰塊進(jìn)行降溫時(shí)，應(yīng)將冰塊擺放在與風(fēng)筒平齊的垂直位置處。

4)當(dāng)冰塊量及其垂直擺放方式相同時(shí)，不同水平擺放方式對(duì)掘進(jìn)工作面附近溫度場(chǎng)的分布有明顯影響，距掘進(jìn)工作面越遠(yuǎn)時(shí)，掘進(jìn)工作面附近溫度場(chǎng)的分布越均勻，制冷空間越大。

5)在模擬計(jì)算時(shí)未考慮各種外界因素對(duì)工作面附近溫度場(chǎng)的影響，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況考慮冰塊參數(shù)的選取。