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)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重，許多專家和學(xué)者進行了相關(guān)研究。黃壽元等［1-2］分析了通風降溫的主要技術(shù)措施、特點及適用條件，并得到礦井回風排放冷凝熱模式受通風系統(tǒng)影響較大；胡華瑞等［3］利用Ventsim構(gòu)建礦區(qū)通風可視化模型，得到增加礦井總通風量不能降溫，但增加局部風量和通風時間可降低巷道風溫，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、雙風筒2種壓入式通風條件下的巷內(nèi)溫度場分布進行模擬，得到雙風筒壓入式通風更優(yōu)，在掘進面附近溫度比單風筒低1～2℃，風流分布更均勻，提高入口風速能有效降低采場溫度；劉召勝等［6］通過通風降溫熱模擬獲得了大臺溝鐵礦深井開采時通風降溫的最優(yōu)方案，為人工制冷與選擇通風降溫提供了科學(xué)依據(jù)；杜翠鳳等［7］選取夏甸金礦-682 m水平進行通風降溫測定，得到通風降溫影響重要度排序為入風溫度＞巖壁溫度＞風量，入風溫度和巖壁溫度的升高均導(dǎo)致風溫線性升高，增大風量可有效降溫但降溫效果隨風量增加越來越不明顯；張培紅等［8］利用Fluent模擬測定自然通風時礦內(nèi)的溫度分布和風速大小，得到風速為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水平進行通風降溫試驗，得到不同通風條件下掘進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，風機功率為11 kW，柔性風筒直徑為0.4 m。盲巷沒有生產(chǎn)作業(yè)，未進行封閉。測試儀器主要有通風溫度記錄儀、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速、濕度和氣壓等參數(shù)。

1.2 測點布置

該掘進巷道風筒出口距掌子面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在風筒出風口前方，用來測試掘進巷道內(nèi)進風風流對氣溫的影響，測點3至9是為了測試回風流溫度的降溫變化規(guī)律。各測點在掘進巷道內(nèi)的分布位置如圖1所示。

1.3 試驗步驟

進行通風試驗時應(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行測定。

（2）開啟風機進行試驗，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）測試風機運行與關(guān)閉條件下對巷道氣溫的影響時，保持風機運行狀態(tài)后工作90 min，采集并分析空氣降溫規(guī)律；然后關(guān)閉風機保持60 min，采集并分析空氣升溫規(guī)律。

（4）測試不同風量等多種條件下對巷道氣溫的影響時，改變供給風量后保持通風狀態(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

試驗時風機進風氣溫均為13.5℃，風筒長為104 m，不同風量條件下風筒出口風溫略有不同，當風量為1.9、1.6、0.9 m3/s時風筒出口風溫分別為23、23.2和25.2℃。進行通風降溫試驗時，分別就是否有人員作業(yè)、通風機是否運行和不同風量等多種條件下的巷道氣溫影響變化進行試驗。

2.1 巖壁溫度、氣溫與通風時間關(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90 min時巖壁溫度只降低了0.1℃。而風溫隨著通風時間增加變化較為明顯，尤其是通風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時間增加逐漸增大。

2.2 進風側(cè)通風溫度變化分析

保持風量為1.9 m3/s時風機持續(xù)運行90 min，記錄巷道降溫情況；關(guān)閉風機后保持無風狀態(tài)60 min，記錄巷道溫升情況。進風側(cè)通風時的溫度變化如圖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，這表明在風筒出口位置風流降溫最快。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。

掘進巷道進風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60 min，巖壁溫度幾乎不變。一方面原因是由于通風降溫風量較小且通風時間短，另一方面原因是巖壁溫度主要受原巖溫度的影響，對于巖壁進行通風降溫需要的時間較長。而在掌子面附近通風10 min時風溫可降低2℃以上，此后繼續(xù)通風但降溫幅度逐漸減小，且距離風筒出口越近風流溫度越低。

測點1、2和3停風后的溫升數(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℃。試驗中掘進巷道進風10 m處巖壁溫度由28.2℃降至28.1℃，可能是與之前的通風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，原因可能是風筒出口氣溫低，當風機停止運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 回風側(cè)通風溫度變化分析

控制試驗風量和時間間隔情況與進風側(cè)保持一致。其中測點8距進風巷道（通風機）直線距離14 m?；仫L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位于風筒出口，溫度下降最快。

當風機停止運行后回風側(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。當風機停止運行后，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由于距進風與回風大巷僅僅14 m，氣溫較低是受到新風或局部風筒漏風影響。

2.4 不同風量的降溫效果分析

試驗中，分別對供風量為0.9、1.6 m和1.9 m3/s條件下掘進巷道測點處降溫效果進行比較分析。測點1靠近掘進獨頭，位于風筒出口前方20 m，在1.6 m3/s與1.9 m3/s的風量條件下90 min內(nèi)的氣溫變化如圖5（a）。由圖5（a）可知，風量為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℃，風量為1.9 m3/s時降溫幅度隨時間變化更大。另外由風量為1.6 m3/s時降溫效果來看，持續(xù)通風90 min內(nèi)風筒前方20 m（掘進頭）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℃，風量為1.9 m3/s時降溫幅度隨時間增加的可能更大。且風量為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，不同風量對空氣的降溫效果可以在6 min中體現(xiàn)出來，且大風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

試驗中保持供風量為1.9 m3/s，通風40 min后對巷道回風流中一點（距風筒出口30 m）進行是否有人員作業(yè)條件下的氣溫變化測定。有人作業(yè)為3名礦工使用礦車進行礦石運輸。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）在通風條件下，隨著通風時間的增加，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，且通風超過60 min后巖壁溫度與氣溫溫差可達3℃以上。

（2）通風時間為6 min時巷道內(nèi)風溫迅速降低，此時降溫梯度最大；通風12 min后巷道風溫雖然也降低，但降溫梯度大幅減??；停止通風后巷道內(nèi)氣溫迅速上升，停止通風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。

（3）巷道內(nèi)氣溫隨著通風風量增加而降低，且出風口附近氣溫最低，距離出風口越遠氣溫越高。因此對于掘進巷道的風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量來實現(xiàn)降溫目的。

（4）當入風溫度為23℃時，風量為0.9 m3/s時掌子面附近氣溫仍低于28℃；當風筒入口溫度為13.5℃，流經(jīng)100 m的風筒后出口溫度達到23℃，溫升將近10℃。可見為了供給工作面較低溫度的風流，在實際生產(chǎn)中需要考慮風筒保溫問題。