基于CFD數(shù)值模擬的相變儲(chǔ)能泵送濕噴混凝土熱性能研究

摘要：隨著世界各大金礦開采深度的增加，高溫圍巖向巷道風(fēng)流傳遞大量熱量，從而顯著提高風(fēng)溫。對(duì)巷道表面進(jìn)行隔熱材料的圍護(hù)已被證明是改善地下作業(yè)場所熱環(huán)境的有效手段。采用前期研發(fā)的用于巷道支護(hù)的相變儲(chǔ)能泵送濕噴混凝土（PWS-MPCM），使用流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬手段從圍巖內(nèi)部溫度分布的角度對(duì)其功能性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：PWS-MPCM對(duì)圍巖內(nèi)部溫度分布影響顯著，且具有良好的隔熱和控溫性能，論證了PWS-MPCM可為深井金礦熱害治理方案提供“釜底抽薪”的解決方案。

關(guān)鍵詞：深井開采；黃金礦山；高溫?zé)岷?；?shù)值模擬；泵送濕噴混凝土；熱性能

中圖分類號(hào)：TD727 文章編號(hào)：1001-1277（2024）09-0012-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240903

引 言

由于淺部金礦資源的枯竭，中國乃至世界范圍內(nèi)的金礦不得不進(jìn)入到深部開采階段［1］。隨著開采深度的增加，作業(yè)區(qū)域內(nèi)的溫度越來越高，由此引發(fā)的熱害問題對(duì)金礦企業(yè)安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重威脅。對(duì)此，國內(nèi)外諸多學(xué)者針對(duì)如何改善礦山作業(yè)區(qū)域內(nèi)的熱環(huán)境進(jìn)行了大量研究［2-3］。黃翰文［4］對(duì)一些高溫礦井進(jìn)行了較為系統(tǒng)的監(jiān)測，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，提出了風(fēng)溫預(yù)測模型，為數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。天野勛三等［5］提出了較為完整的礦井熱環(huán)境工程計(jì)算程序數(shù)學(xué)模型。吳強(qiáng)等［6］根據(jù)圍巖溫度場分布規(guī)律，通過有限元方法，得到了巷道作業(yè)區(qū)域的圍巖散熱求解方法。周少柳［7］通過CFD數(shù)值模擬確定了圍巖溫度場分布規(guī)律，進(jìn)而定量分析了工作區(qū)域需冷量與圍巖散熱量之間的關(guān)系。WEI等［8］分析了深部巷道中的通風(fēng)降溫影響因素，為降溫方案的制訂提供了理論依據(jù)。

綜上所述，針對(duì)深井熱害巷道的熱害防治研究主要集中在通過各種熱源的計(jì)算并運(yùn)用數(shù)值模擬的方式模擬通風(fēng)降溫的效果。然而，單純使用通風(fēng)降溫難以從根源上解決問題。近年來，使用隔熱材料減少從圍巖傳遞至巷道風(fēng)流內(nèi)的熱量是一種新的解決方案。因此，本研究以山東省某深井開采金礦為研究案例，采用前期研發(fā)的相變儲(chǔ)能泵送濕噴混凝土（PWS-MPCM），基于流體動(dòng)力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)其控溫隔熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，運(yùn)用圍巖內(nèi)部導(dǎo)熱與流固傳熱數(shù)學(xué)模型，探討了該金礦某段巷道有無PWS-MPCM涂層的溫度場分布對(duì)比，從而分析該涂層對(duì)圍巖溫度分布的影響規(guī)律，驗(yàn)證了PWS-MPCM對(duì)高溫巷道環(huán)境的隔熱控溫效果。本研究有望為深部高溫礦山熱害防治提供“標(biāo)本共治”的解決思路。

1 數(shù)值模型構(gòu)建

1.1 物理模型構(gòu)建

本研究以山東省某深井開采金礦的一段巷道作為研究對(duì)象，采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)高溫巷道的傳熱及溫度分布情況進(jìn)行了研究，在幾何建模過程中，應(yīng)用solidworks軟件建立了巷道-圍巖的全尺寸三維幾何模型（如圖1所示），所采用的數(shù)據(jù)均來源于實(shí)測。模型由圍巖、混凝土支護(hù)層和巷道組成。其中，圍巖厚度為15 m，巷道的混凝土支護(hù)層厚度為0.15 m，巷道長為100 m，巷道（不含支護(hù)層）的詳細(xì)尺寸如圖2所示。

1.2 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

湍流是不規(guī)則、多尺度、有結(jié)構(gòu)的流動(dòng)，一般是三維、非定常的，具有很強(qiáng)的擴(kuò)散性和耗散性。巷道內(nèi)風(fēng)流是地下熱環(huán)境流動(dòng)特性的重要組成部分，對(duì)巷道熱環(huán)境有著重要的影響。盡管巷道風(fēng)流的湍流模型非常復(fù)雜，但仍需遵循動(dòng)量守恒定律、質(zhì)量守恒定律與能量守恒定律，在流體力學(xué)中分別體現(xiàn)為動(dòng)量方程（Navier-Stokes方程）、質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）及能量守恒方程，本研究采用ANSYS Fluent商用CFD軟件求解上述方程?；贙-ε模型對(duì)風(fēng)流模擬有效性的優(yōu)點(diǎn)，本文選用工程中最常用的標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型［9］。

高溫巷道風(fēng)流分為平流和湍流2種方式［10-12］。其中，湍流的動(dòng)量傳遞、質(zhì)量傳遞和能量傳遞是同時(shí)發(fā)生的［13-14］。

1.3 傳熱模型定解條件設(shè)定

數(shù)值模擬中的定解條件主要包括2種：一個(gè)是被研究對(duì)象起始狀況的條件，稱為初始條件；另一個(gè)是對(duì)被研究對(duì)象的邊界問題起到限制的條件，稱為邊界條件。

1）初始條件。根據(jù)該礦山巷道現(xiàn)場的實(shí)測數(shù)據(jù)，其相關(guān)尺寸如圖2所示。其中，圍巖外側(cè)溫度為45 ℃。圍巖材料以花崗巖為主，巷道內(nèi)壁面噴射0.15 m厚的支護(hù)層。對(duì)照組（普通混凝土）支護(hù)層材料的參數(shù)設(shè)置如下：密度為2 400 kg/m3，比熱容為1 000 J/（kg·℃），導(dǎo)熱系數(shù)為1.5 W/（m·℃）；試驗(yàn)組（PWS-MPCM）支護(hù)層材料的參數(shù)設(shè)置如下：密度為1 641 kg/m3，比熱容為1 229 J/（kg·℃），導(dǎo)熱系數(shù)為0.27 W/（m·℃），相關(guān)材料的物理參數(shù)如表1所示。

2）邊界條件。熱量從原巖通過圍巖和支護(hù)層傳遞到巷道的過程是一個(gè)耦合的過程，該過程會(huì)受到圍巖內(nèi)部、支護(hù)層內(nèi)部導(dǎo)熱系數(shù)及圍巖與支護(hù)層、支護(hù)層與巷道空氣之間熱對(duì)流的共同影響。在圍巖與支護(hù)層、支護(hù)層與巷道空氣之間創(chuàng)建交界面，使固體傳熱與流體傳熱之間利用耦合邊界條件進(jìn)行耦合。相關(guān)模擬參數(shù)和邊界條件的設(shè)定如表2所示。

1.4 傳熱模型網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格尺寸對(duì)模擬結(jié)果的精度有著重要影響，對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性檢驗(yàn)非常必要，以保證生成的網(wǎng)格尺寸不會(huì)影響模擬結(jié)果［15-16］?，F(xiàn)以巷道截面為例，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散。通過Ansys網(wǎng)格劃分，生成了具有低、中、高3種質(zhì)量的網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量分別為1 088 842，1 997 920和2 519 235個(gè)，如圖3-a）所示。利用ANSYS Fluent軟件對(duì)不同網(wǎng)格質(zhì)量下巖石溫度隨深度變化進(jìn)行模擬，對(duì)巷道x=20 m和z=2.4 m（0 m≤y≤17.45 m）處的圍巖溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出，如圖3-b）所示。由圖3-b）可知：中質(zhì)量網(wǎng)格下的溫度與高質(zhì)量網(wǎng)格下的溫度偏差約為0.6 %，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差可忽略不計(jì)；低質(zhì)量網(wǎng)格下的溫度與高質(zhì)量網(wǎng)格下的溫度偏差高達(dá)2.5 %，說明低質(zhì)量網(wǎng)格的劃分是不理想的。同時(shí)，網(wǎng)格質(zhì)量越高，模擬的時(shí)間成本越大。權(quán)衡模擬誤差與時(shí)間成本，本研究選擇中質(zhì)量的網(wǎng)格劃分。

2 高溫巷道數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 巷道溫度場

為驗(yàn)證PWS-MPCM涂層的隔熱性能及控溫性能，本文主要模擬了巷道支護(hù)層（內(nèi)側(cè)和外側(cè)）不同噴涂材料下的溫度場分布，如圖4所示。由圖4可知，支護(hù)層外側(cè)較支護(hù)層內(nèi)側(cè)的整體溫度偏高。這是由于在溫度低的風(fēng)流和溫度高的圍巖的共同作用下，支護(hù)層材料由巷道內(nèi)側(cè)到巷道外側(cè)呈現(xiàn)一定的起伏性。

支護(hù)層材料為普通混凝土的巷道為對(duì)照組（如圖4-a）和圖4-b）所示），對(duì)比對(duì)照組支護(hù)層內(nèi)側(cè)的溫度分布情況，可以清楚看到有PWS-MPCM涂層（如圖4-c）所示）的巷道內(nèi)溫度較對(duì)照組支護(hù)層內(nèi)側(cè)低，這是因?yàn)樵谙嗤L(fēng)溫度的條件下，對(duì)照組即材料為普通混凝土支護(hù)層的導(dǎo)熱系數(shù)較高，巷道內(nèi)溫度低的風(fēng)流相對(duì)較快會(huì)傳遞到支護(hù)層外側(cè)，造成冷量浪費(fèi)，這也是對(duì)照組支護(hù)層外側(cè)溫度較低的原因。含PWS-MPCM涂層的支護(hù)層外側(cè)溫度較高的原因?yàn)楹琍WS-MPCM涂層的支護(hù)層導(dǎo)熱系數(shù)較低，巷道內(nèi)冷風(fēng)流很難傳遞到支護(hù)層外側(cè)而保留在巷道內(nèi)，所以含PWS-MPCM涂層的支護(hù)層內(nèi)側(cè)溫度低。此時(shí)，含PWS-MPCM涂層的支護(hù)層外側(cè)主要受高溫圍巖的影響，所以其整體溫度較高。由以上分析可以得出，即使PWS-MPCM涂層內(nèi)的相變微膠囊不發(fā)生相態(tài)變化即不發(fā)揮吸熱作用時(shí)，與普通混凝土相比，對(duì)巷道溫度場有著積極的作用。這驗(yàn)證了PWS-MPCM涂層具有良好的隔熱性能。

當(dāng)巷道內(nèi)的溫度達(dá)到相變微膠囊相變溫度時(shí)，相變微膠囊內(nèi)的相變材料會(huì)熔化吸收支護(hù)層內(nèi)側(cè)和外側(cè)的熱量，并將這部分熱量儲(chǔ)存起來而自身變?yōu)橐簯B(tài)（熱能儲(chǔ)存狀態(tài)）。PWS-MPCM涂層內(nèi)的相變材料發(fā)生相態(tài)變化發(fā)揮吸熱作用最大化狀態(tài)的模擬圖如圖4-e）和圖4-f）所示，所以其支護(hù)層內(nèi)側(cè)和外側(cè)的溫度分別比PWS-MPCM涂層內(nèi)的相變材料未發(fā)揮吸熱作用時(shí)支護(hù)層內(nèi)側(cè)和外側(cè)的溫度更低一些。這驗(yàn)證了PWS-MPCM涂層發(fā)生相變時(shí)還具有良好的控溫性能。

2.2 圍巖-巷道溫度場

與之前的參數(shù)設(shè)置相同，本節(jié)模擬了在相同通風(fēng)條件下圍巖-巷道溫度場的分布情況。模擬過程中，圍巖外圍的溫度設(shè)置為45 ℃，風(fēng)溫設(shè)置為18 ℃。圍巖-巷道模型的各部分溫度都會(huì)受高溫圍巖和低溫風(fēng)流的雙重影響。為了更加清晰和直觀地展示模擬結(jié)果，本研究選取圍巖-巷道模型的橫截面和縱剖面對(duì)溫度場云圖進(jìn)行展示，如圖5所示。

當(dāng)支護(hù)層材料為普通混凝土?xí)r，由于普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)較高，與巷道距離較近的支護(hù)層外側(cè)受低溫風(fēng)流的影響比較大，所以其溫度較低，如圖5-a）和圖5-b）所示。與此同時(shí)，也造成了巷道內(nèi)低溫風(fēng)流冷量的浪費(fèi)。當(dāng)支護(hù)層材料為PWS-MPCM且PWS-MPCM內(nèi)的相變微膠囊未發(fā)生相變時(shí)，由于PWS-MPCM的導(dǎo)熱系數(shù)較低，巷道內(nèi)的溫度主要受低溫風(fēng)流的影響。與此同時(shí)，高溫圍巖的熱量也很難通過PWS-MPCM支護(hù)層傳遞到巷道內(nèi)，這樣在避免巷道內(nèi)冷量浪費(fèi)的同時(shí)，也阻隔了圍巖熱量的進(jìn)入，巷道內(nèi)溫度較對(duì)照組溫度低。該結(jié)果驗(yàn)證了PWS-MPCM具有良好的隔熱效果。

當(dāng)支護(hù)層材料為PWS-MPCM且PWS-MPCM內(nèi)的相變微膠囊發(fā)生相變時(shí)，相變微膠囊內(nèi)的相變材料會(huì)熔化吸熱，PWS-MPCM內(nèi)相變材料發(fā)揮其吸熱作用最大化時(shí)的圍巖-巷道溫度場模擬結(jié)果如圖5-e）和圖5-f）所示。與相變材料未發(fā)生相變時(shí)相比，巷道支護(hù)層內(nèi)外側(cè)的溫度均更低。毫無疑問，這對(duì)巷道熱害治理發(fā)揮作用更大，效果更好，進(jìn)一步驗(yàn)證了PWS-MPCM具有良好的控溫效果。

3 經(jīng)濟(jì)性比較

為了驗(yàn)證PWS-MPCM的實(shí)用性，在山東某深井開采金礦進(jìn)行了為期6個(gè)月的現(xiàn)場試驗(yàn)。通過對(duì)比試驗(yàn)區(qū)與未使用該技術(shù)的對(duì)照區(qū)，對(duì)風(fēng)溫、圍巖熱流密度與熱舒適度等指標(biāo)進(jìn)行了監(jiān)測與調(diào)研。結(jié)0838d6197b689ddfd0345dc5af62eab7676415c1f24f86b7cce579e53f149850果顯示，使用PWS-MPCM的區(qū)域，平均風(fēng)溫比對(duì)照組低3 ℃～5 ℃，且溫度波動(dòng)范圍更小，熱流密度降低了約20 %，與數(shù)值模擬結(jié)果一致，隔熱效果顯著。礦山作業(yè)人員反饋，工作舒適度明顯提高，熱應(yīng)激反應(yīng)減少。

雖然相變微膠囊的引入增加了材料成本，但綜合考慮施工效率、使用壽命和維護(hù)費(fèi)用，該技術(shù)的總體成本依然遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)機(jī)械制冷方案。長期來看，由于其優(yōu)異的隔熱效果和穩(wěn)定性，能夠減少因熱害導(dǎo)致的安全事故和健康問題，從而大幅削減了潛在的勞動(dòng)保護(hù)費(fèi)用和損失的工作日。

該技術(shù)在提高礦山工作環(huán)境質(zhì)量方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，其環(huán)保、節(jié)能特性符合當(dāng)前綠色礦山的發(fā)展趨勢(shì)。此外，該技術(shù)的推廣應(yīng)用有助于提升礦山安全水平，促進(jìn)礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié) 語

本文采用前期針對(duì)高溫礦山研發(fā)的PWS-MPCM，并運(yùn)用ANSYS Fluent模擬軟件對(duì)支護(hù)層材料分別為普通混凝土、PWS-MPCM未發(fā)生相變及PWS-MPCM發(fā)生相變時(shí)的3種情況進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，得到了3種情況下巷道支護(hù)層內(nèi)外側(cè)的溫度場分布云圖和圍巖-巷道各剖面的溫度場分布云圖。通過對(duì)模擬結(jié)果的對(duì)比分析，得到了PWS-MPCM具有良好的隔熱和控溫性能的結(jié)論，進(jìn)一步驗(yàn)證了PWS-MPCM在礦井熱害治理方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

［參 考 文 獻(xiàn)］

［1］ 辛嵩，侯傳彬，金曉娜，等.基于Ventsim模型的礦井單翼通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2019，46（6）：84-88.

［2］ 郭良銀，張建俊，王宇.井下移動(dòng)熱源對(duì)深部巷道風(fēng)流環(huán)境影響研究［J］.黃金，2024，45（2）：8-13.

［3］ 王春光，李豪，董國強(qiáng)，等.深井開采個(gè)體防護(hù)降溫服試驗(yàn)研究［J］.黃金，2021，42（1）：80-83.

［4］ 黃翰文.礦井風(fēng)溫預(yù)測的統(tǒng)計(jì)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1981，6（3）：50-59.

［5］ 天野勛三，孟慶仁.利用微機(jī)的坑內(nèi)通風(fēng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)（日文版）［J］.國外金屬礦采礦，1987（8）：64-75.

［6］ 吳強(qiáng)，秦躍平，郭亮，等.掘進(jìn)工作面圍巖散熱的有限元計(jì)算［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，12（6）：36-39，94.

［7］ 周少柳.熱害礦井掘進(jìn)工作面熱環(huán)境數(shù)值模擬研究［D］.西安：西安科技大學(xué)，2017.

［8］ WEI D Y，DU C F，XU H Y，et al.Influencing factors and correlation analysis of ventilation and cooling in deep excavation roadway［J］.Case Studies in Thermal Engineering，2019，14：100483.

［9］ WANG W H，ZHANG C F，YANG W Y，et al.In situ measurements and CFD numerical simulations of thermal environment in blind headings of underground mines［J］.Processes，2019，7（5）：313.

［10］ 王凱旋，彭俊興，梁宗霍，等.深部復(fù)雜礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)值模擬研究［J］.金屬礦山，2023（10）：221-230.

［11］ 周西華，王繼仁，單亞飛，等.掘進(jìn)巷道風(fēng)流溫度分布規(guī)律的數(shù)值模擬［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，12（2）：22-26，83.

［12］ 蔣仲安，羅曄，牛偉.礦井空氣幕隔斷巷道風(fēng)流影響因素分析及實(shí)驗(yàn)［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2013，30（1）：149-153.

［13］ 郭金基.管道粉塵氣流的紊流方程組及其在環(huán)境治理中的應(yīng)用［J］.中山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1998，37（3）：23-28.

［14］ 閆文輝，張常賢，陳寧寧，等.用Gao-Yong湍流方程組數(shù)值模擬高雷諾數(shù)頂蓋驅(qū)動(dòng)方腔流［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2008，19（3）：428-433.

［15］ XIN S，WANG W，ZHANG N，et al.Comparative studies on control of thermal environment in development headings using force/exhaust overlap ventilation systems［J］.Journal of Building Engineering，2021，38：102227.

［16］ 王會(huì)剛，張為明.大空間建筑火災(zāi)FDS數(shù)值模擬網(wǎng)格尺寸影響［J］.中國公共安全（學(xué)術(shù)版），2013（3）：56-60.

Study on the thermal performance of pumping wet shotcrete

with phase change materials based on CFD numerical simulation

Sun Qifei，Wang Yang，Zuo Mingming，Su Xuekai

（Shandong Zhaojin Group Co.，Ltd.）

Abstract：As the mining depth of major gold mines around the world increases，high-temperature surrounding rock transfers a significant amount of heat to the airflow in roadways，thereby significantly raising the air temperature.The use of insulating materials on roadway surfaces has proved to be an effective method for improving the thermal environment of underground workplaces.This study validates the functionality of pumping wet shotcrete with phase change materials （PWS-MPCM），previously developed for roadway support，using fluid dynamics numerical simulation to analyze the temperature distribution within the surrounding rock.The results show that PWS-MPCM significantly impacts the temperature distribution within the surrounding rock and exhibits excellent thermal insulation and temperature control properties.This study demonstrates that PWS-MPCM can be a fundamental solution for mitigating heat hazards in deep gold mines.

Keywords：deep mining;gold mine;high-temperature heat hazard;numerical simulation;pumping wet shotcrete;thermal performance