人工制冷條件下高溫掘進(jìn)巷道的溫度場(chǎng)分布特征研究*

王玉普 劉一良 孫 龍 李杰林 周科平 李光全

（1.玉溪礦業(yè)有限公司；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院）

隨著金屬礦山開(kāi)采深度的不斷增大，越來(lái)越多的金屬礦山已經(jīng)或即將進(jìn)入深部開(kāi)采階段，目前世界上有色金屬礦最大開(kāi)采深度已超過(guò)4 350 m［1］。隨著開(kāi)采深度的增大，受地?zé)峒帮L(fēng)流自壓縮熱等因素的影響，礦井高溫?zé)岷?wèn)題日益凸顯［2-3］，成為當(dāng)下采礦和安全領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

我國(guó)對(duì)井田地溫場(chǎng)及井巷圍巖溫度的研究最早開(kāi)始于1954 年［4］，近些年來(lái)，礦井降溫技術(shù)研究發(fā)展迅速，可分為非人工制冷降溫技術(shù)及人工制冷降溫技術(shù)2類(lèi)。前者主要包括通風(fēng)降溫、利用調(diào)溫巷道降溫、巷壁絕熱等技術(shù)，后者主要包括人工制冷水/冰降溫、液態(tài)氣體相變制冷降溫、直膨式熱泵降溫等技術(shù)，各類(lèi)降溫技術(shù)均能在一定程度上緩解礦山高溫?zé)岷?wèn)題［5］。從應(yīng)用情況來(lái)看，非人工制冷降溫技術(shù)降溫幅度有限，尤其是針對(duì)以地?zé)釣橹饕獰嵩吹牡V山，降溫效果較差，通常僅作為輔助措施［6］；而人工制冷降溫技術(shù)降溫效果良好，但此類(lèi)技術(shù)通常需要在地面或井下建立制冷系統(tǒng)，存在占地面積大、成本高、能耗大、移動(dòng)性差等不足［7］，且隨著開(kāi)采深度的不斷增大，冷量制備和傳輸壓力也將進(jìn)一步增大，尤其是對(duì)于以地?zé)岢梢?、作業(yè)點(diǎn)分布范圍廣的金屬礦山而言，性?xún)r(jià)比較低。

為了解決高溫礦井掘進(jìn)工作面熱害難題，以云南大紅山銅礦為研究對(duì)象，在對(duì)礦山熱害成因和各類(lèi)降溫方案的降溫效果及適用條件分析的基礎(chǔ)上［8-9］，提出了一種金屬礦山高溫工作面的移動(dòng)式人工制冷降溫方法，并開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了初步的應(yīng)用效果［10-11］。為進(jìn)一步探究人工制冷設(shè)備對(duì)金屬礦山高溫工作面的適用性，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)值模擬的方法對(duì)制冷設(shè)備運(yùn)行工況下的巷道溫度場(chǎng)分布特征開(kāi)展研究，研究成果可為高溫礦井人工制冷技術(shù)研發(fā)提供指導(dǎo)。

1 人工制冷設(shè)備降溫效果的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 設(shè)備概況

人工制冷設(shè)備功率為15 kW，采用一體化設(shè)計(jì)，由設(shè)備主體及拖行式平臺(tái)兩部分組成。設(shè)備主體正面有冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)口及2 個(gè)冷風(fēng)出口，背面有4 個(gè)熱風(fēng)出口，冷凝器、壓縮機(jī)、儲(chǔ)液器等集成在設(shè)備主體內(nèi)部，設(shè)備主體安設(shè)在拖行式平臺(tái)上，便于對(duì)設(shè)備進(jìn)行拖拽前行或后退。

1.2 試驗(yàn)工況設(shè)置

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地點(diǎn)選取大紅山銅礦西礦段140 m 水平132 線探礦穿脈，巷道斷面為三心拱，斷面尺寸為4 m×3.4 m，人工制冷設(shè)備放置于距離工作面12 m處，設(shè)備正面朝向工作面，向工作面輸送冷風(fēng)?？紤]到工作面附近區(qū)域人員活動(dòng)較為頻繁，故在制冷設(shè)備的一個(gè)冷風(fēng)出口處增設(shè)直徑為800 mm的冷風(fēng)送風(fēng)風(fēng)筒，風(fēng)筒出口距離工作面5 m。前期研究成果表明：縮小制冷空間、有效排出制冷設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，有利于提高降溫效果，故在制冷設(shè)備左右兩側(cè)及上側(cè)安設(shè)風(fēng)障以縮小制冷空間。同時(shí)，為了降低設(shè)備散熱對(duì)制冷效果的影響，在制冷設(shè)備熱風(fēng)出口處增設(shè)直徑為600 mm、長(zhǎng)為10 m 的排熱風(fēng)筒，將散熱排出設(shè)備周?chē)鷧^(qū)域?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如圖1所示。

為便于評(píng)價(jià)降溫效果，試驗(yàn)時(shí)在制冷空間內(nèi)設(shè)置編號(hào)依次為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)的3個(gè)測(cè)點(diǎn)，與工作面距離分別為1、6 和11 m，3 個(gè)測(cè)點(diǎn)距巷道底板高度均為1.6 m，每隔5 min自動(dòng)記錄測(cè)點(diǎn)處的干球溫度值。

1.3 結(jié)果分析

設(shè)備開(kāi)機(jī)后，3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的干球溫度變化如圖2 所示，可以看出，溫度穩(wěn)定后，1 號(hào)測(cè)點(diǎn)干球溫度位于25.9～26.9 ℃，2 號(hào)測(cè)點(diǎn)干球溫度位于27.0～28.0 ℃，3號(hào)測(cè)點(diǎn)干球溫度位于27.0～27.9 ℃，與原始的環(huán)境溫度相比（34 ℃），各測(cè)點(diǎn)溫度均下降明顯，說(shuō)明人工制冷設(shè)備的降溫效果顯著。

2 人工制冷設(shè)備降溫效果的數(shù)值模擬分析

2.1 物理模型建立

物理模型如圖3所示，模型長(zhǎng)為100 m，斷面尺寸及人工制冷設(shè)備相應(yīng)位置參數(shù)設(shè)置參照前文試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 模擬參數(shù)設(shè)定

對(duì)物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后將其導(dǎo)入Fluent，求解器選擇壓力基、絕對(duì)速度、穩(wěn)態(tài)，設(shè)置重力加速度沿Y軸負(fù)方向，數(shù)值為9.81 m/s2，開(kāi)啟能量方程。考慮到礦井巷道中的風(fēng)流多為湍流流動(dòng)，故開(kāi)啟湍流模 型，模 型 選 用Realizable K-Epsilon［12］，算 法 選 用SIMPLE［13］。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所得的各項(xiàng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)定模擬過(guò)程中的邊界條件如下。

（1）入口邊界：均為速度入口邊界，設(shè)定未增設(shè)冷風(fēng)送風(fēng)風(fēng)筒的人工制冷設(shè)備冷風(fēng)出口速度為10 m/s，溫度為25.5 ℃；設(shè)定冷風(fēng)送風(fēng)風(fēng)筒的風(fēng)筒出口速度為10 m/s，溫度為26 ℃；設(shè)定排熱風(fēng)筒的風(fēng)筒出口速度為10 m/s，溫度為48 ℃。

（2）出口邊界：設(shè)定人工制冷設(shè)備冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)口為壓力出口邊界，壓力設(shè)置為-10 Pa。

（3）壁面邊界：設(shè)定巷道壁面為無(wú)滑移固體壁面邊界，壁面溫度設(shè)置為34 ℃。

2.3 模型驗(yàn)證

參數(shù)設(shè)定完成之后，進(jìn)行初始化，開(kāi)展穩(wěn)態(tài)模擬。模擬收斂后，將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入CFD-Post 中進(jìn)行后處理，在模型中添加1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)3 個(gè)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中的3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，得到3 個(gè)點(diǎn)的干球溫度值分別為27.0、26.9、27.4 ℃。3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的模擬溫度值與實(shí)測(cè)溫度值對(duì)比如圖4所示，可以看出，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的模擬溫度值與實(shí)測(cè)溫度值之間的誤差分別為0.4%～4.2%、0.4%～3.9%、1.5%～1.8%，均小于4.2%，處于可接受范圍內(nèi)，故認(rèn)為數(shù)值模擬模型可靠，計(jì)算結(jié)果正確。

3 人工制冷設(shè)備運(yùn)行下巷道溫度場(chǎng)分布規(guī)律

提取數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)巷道溫度場(chǎng)規(guī)律進(jìn)行分析。

3.1 沿巷道軸向的溫度場(chǎng)分布特征

以掘進(jìn)工作面為起點(diǎn)，在距離工作面1～36 m 范圍內(nèi)每隔1 m 取一個(gè)截面，獲得截面的平均溫度，繪制截面平均干球溫度隨距工作面距離的變化圖，如圖5所示。依據(jù)各截面平均干球溫度的影響因素，可將圖5 大致分為3 個(gè)區(qū)域。第一個(gè)區(qū)域?yàn)橹评淇臻g（圖5 中A 區(qū)域），此區(qū)域內(nèi)干球溫度受制冷設(shè)備產(chǎn)生的冷空氣及巷道內(nèi)少量進(jìn)入制冷空間的熱空氣影響，截面平均干球溫度隨距工作面距離的增大而增大；第二個(gè)區(qū)域?yàn)轱L(fēng)障至制冷設(shè)備排熱風(fēng)筒出口（圖5 中B 區(qū)域），此區(qū)域內(nèi)干球溫度受制冷空間內(nèi)逸散的部分冷空氣、巷道內(nèi)原有的熱空氣及制冷設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量影響，截面平均干球溫度隨距工作面距離的增大而增大；第三個(gè)區(qū)域?yàn)榕艧犸L(fēng)筒出口至距離工作面36 m范圍內(nèi)（圖5中C區(qū)域），此區(qū)域內(nèi)干球溫度受制冷設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量影響，截面平均干球溫度隨距工作面距離的增大呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，若巷道足夠長(zhǎng)，則溫度最終將趨近于巷道內(nèi)原始空氣的溫度。

從圖5可以看出，制冷空間內(nèi)各截面平均干球溫度均低于28 ℃，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)巷道相對(duì)濕度為70%，按照干球溫度28 ℃換算得到的濕球溫度約為23.6 ℃，低于27 ℃，滿(mǎn)足《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB 16423—2020）的規(guī)定。由此可見(jiàn)，人工制冷設(shè)備的降溫效果良好，能夠有效解決金屬礦山工作面的高溫問(wèn)題。

從圖5 也可以看出，在距離工作面1～36 m 范圍內(nèi)截面平均干球溫度發(fā)生了2次躍遷，第一次為區(qū)域A 與區(qū)域B 的交界處，即風(fēng)障所在位置，干球溫度由風(fēng)障內(nèi)側(cè)的27.85 ℃躍遷至風(fēng)障外側(cè)的31.35 ℃，溫差3.5 ℃；發(fā)生躍遷的原因是風(fēng)障將巷道內(nèi)的冷熱空氣分隔在制冷空間內(nèi)外，阻隔了制冷空間內(nèi)冷空氣向制冷空間外流動(dòng)及制冷空間外熱空氣向制冷空間內(nèi)流動(dòng)，減少了冷熱空氣的換熱。第二次為區(qū)域B與區(qū)域C 的交界處，即排熱風(fēng)筒出風(fēng)口處，干球溫度由風(fēng)筒出口靠近工作面一側(cè)的36.25 ℃躍遷至風(fēng)筒出口靠近巷道出口一側(cè)的37.85 ℃，溫差1.6 ℃；此位置處的溫度躍遷由制冷設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量排放造成，而經(jīng)排熱風(fēng)筒排出的熱空氣會(huì)使截面平均干球溫度最高升至42.75 ℃，由此可見(jiàn)，若未設(shè)置排熱風(fēng)筒，風(fēng)障內(nèi)外兩側(cè)最高溫差將接近或超過(guò)10 ℃。

綜上分析，設(shè)置風(fēng)障能夠有效增加冷空氣利用率，提高設(shè)備的降溫效果；而設(shè)置排熱風(fēng)筒能夠有效地將設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量排放至遠(yuǎn)離設(shè)備區(qū)域，避免熱空氣在設(shè)備附近積聚，極大減少了熱空氣的回流，大幅提高了設(shè)備的降溫效果，在實(shí)際應(yīng)用中，可充分利用局部通風(fēng)系統(tǒng)來(lái)排出設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量，減少拆裝風(fēng)筒造成的人力物力消耗。

3.2 不同位置的巷道橫截面溫度分布特點(diǎn)

制冷空間為制冷降溫的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，故以Z=1 m、Z=3 m、Z=5 m、Z=7 m、Z=9 m、Z=11 m 的干球溫度分布云圖為例探究巷道橫截面的干球溫度分布特點(diǎn)，不同截面的干球溫度分布云圖如圖6所示。從圖6 可以看出，在Z=1 m、Z=3 m、Z=5 m 時(shí)，各個(gè)截面的整體干球溫度較低，冷空氣分布均勻，溫度最低點(diǎn)集中在冷風(fēng)送風(fēng)風(fēng)筒出口附近，熱空氣則主要集中在巷道壁面附近，且隨著與工作面距離的增大，各個(gè)截面的冷空氣呈現(xiàn)出從四周向冷風(fēng)送風(fēng)風(fēng)筒出口收縮的趨勢(shì)。而在Z=7 m、Z=9 m、Z=11 m 時(shí)，各個(gè)截面的整體干球溫度有所上升，冷空氣覆蓋范圍減小，但熱空氣主要分布在巷道上部，冷空氣則在巷道中下部分布均勻，若取作業(yè)人員的平均身高為1.7 m，則此范圍內(nèi)的熱空氣不會(huì)對(duì)作業(yè)人員造成過(guò)大的影響。此外，各個(gè)截面干球溫度最低點(diǎn)分布在冷風(fēng)出口附近，且隨著距工作面距離的增大，各個(gè)截面的冷空氣同樣呈現(xiàn)出從四周向設(shè)備冷風(fēng)出口收縮的趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

（1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，人工制冷設(shè)備可將制冷空間內(nèi)干球溫度降低至28 ℃以下，對(duì)應(yīng)的濕球溫度約為23.6 ℃，滿(mǎn)足《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB 16423—2020）的規(guī)定，降溫效果顯著，對(duì)金屬礦山高溫工作面有良好的適用性。

（2）安設(shè)風(fēng)障能有效地將冷熱空氣阻隔在制冷空間內(nèi)外，能夠顯著減少冷熱空氣的換熱，提高冷空氣利用率，提升制冷設(shè)備的降溫效果。

（3）增設(shè)排熱風(fēng)筒能夠及時(shí)將制冷設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量排放至遠(yuǎn)離設(shè)備的區(qū)域，避免熱空氣在設(shè)備附近積聚，有效提高了制冷設(shè)備的降溫效果。

（4）制冷空間內(nèi)溫度最低點(diǎn)分布在冷源出口（冷風(fēng)送風(fēng)風(fēng)筒出口、冷風(fēng)出口）附近，隨著距工作面距離的增大，制冷空間內(nèi)的冷空氣呈現(xiàn)出向冷源出口收縮的趨勢(shì)。