譚星宇 廖文景 謝賢平

（1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012；2.湖南銘生安全科技有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012；3.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410012；4.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

隨著礦山開采深度的增加，井下地?zé)犸@著提高，通常礦山深部掘進(jìn)工作面熱害最為突出。噴漿支護(hù)的掘進(jìn)工作面溫度除受入口風(fēng)流溫度、風(fēng)量、圍巖放熱等因素影響外［1-2］，還受到噴漿支護(hù)后混凝土水化放熱的影響，本項(xiàng)目考慮以上因素對(duì)噴漿支護(hù)掘進(jìn)工作面溫度的影響，利用流體力學(xué)軟件Fluent開展噴漿支護(hù)掘進(jìn)工作面降溫方案的研究。

1 噴漿支護(hù)掘進(jìn)工作面溫度主要影響因素

掘進(jìn)工作面熱源包括圍巖放熱、機(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)放熱、混凝土水化放熱、爆破放熱和人體放熱等，均是造成掘進(jìn)工作面溫度升高的因素。對(duì)于噴漿支護(hù)的掘進(jìn)工作面，圍巖放熱和混凝土水化放熱是溫度升高的主要影響因素。此外，掘進(jìn)工作面的風(fēng)量和入口風(fēng)流溫度是掘進(jìn)工作面溫度的關(guān)鍵影響因素。

（1）圍巖放熱。當(dāng)圍巖巖體與在井巷中流動(dòng)的空氣存在溫度差時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱交換，這種熱交換是一種極為復(fù)雜的對(duì)流換熱過程。在工程上，井巷圍巖放熱量

式中，Qr為井巷圍巖放熱量，W；kτ為圍巖與風(fēng)流間的對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2?℃）；U、L為井巷周長(zhǎng)和長(zhǎng)度，m；tr為巷道平均原始巖溫，℃；tb為巷道平均風(fēng)溫，℃。由式（1）可知圍巖的放熱量與對(duì)流換熱系數(shù)、圍巖與空氣的接觸面積、圍巖與空氣的溫差成正比，當(dāng)tr大于tb時(shí)圍巖放熱。

（2）混凝土水化放熱?；炷林械乃喟l(fā)生反應(yīng)時(shí)伴隨著能量的釋放?；炷了療崾且蕾囉邶g期的，可用下式計(jì)算［3］：

式中：Qct為t齡期時(shí)混凝土的水化熱值，kJ/kg；W為每立方米混凝土中水泥用量，kg/m3；Q為每千克水泥水化熱，kJ/kg；ρ為混凝土密度，kg/m3；t為混凝土澆筑后至計(jì)算時(shí)的天數(shù)，d；m為常數(shù)。

各齡期混凝土的放熱量qct（W/m3）可由下式計(jì)算：

將式（2）代入式（3），可得：

由式（4）可知混凝土放熱量與水泥用量和水泥水化熱成正比，與齡期成負(fù)指數(shù)關(guān)系，隨著齡期增大混凝土放熱減小。

（3）風(fēng)量和入口風(fēng)流溫度。掘進(jìn)工作面風(fēng)流溫度隨風(fēng)量的增加逐漸降低，兩者呈負(fù)冪函數(shù)規(guī)律變化，隨著風(fēng)量的增大，工作面溫度下降的速率在逐漸減?。?］。掘進(jìn)工作面溫度隨入口風(fēng)流溫度增加面增加，兩者呈線性關(guān)系變化［5］。

（4）其他影響因素。機(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)放熱、爆破放熱和人體放熱等對(duì)掘進(jìn)工作面溫度升高也起到一定的影響。

2 工程概述及降溫方案

2.1 工程概述

云南某鉛鋅礦-20 m中段南翼掘進(jìn)工作面圍巖條件較差，采用噴錨支護(hù)，圖1為掘進(jìn)工作面現(xiàn)狀圖。掘進(jìn)工作面深度約900 m，長(zhǎng)為34 m；掘進(jìn)裸巷斷面規(guī)格為2.4 m×2.5 m（寬×高），噴漿厚度為100 mm，支護(hù)后巷道斷面規(guī)格為2.2 m×2.4 m（寬×高）。掘進(jìn)工作面每掘進(jìn)20 m進(jìn)行噴漿1次，噴漿循環(huán)周期為11 d，靠近撐子面留4 m長(zhǎng)巷道不進(jìn)行噴漿，已完成2段巷道的噴漿（編號(hào)分別為C30-Ⅰ和C30-Ⅱ，齡期分別為1 d、12 d）。噴漿使用混凝土標(biāo)號(hào)為C30，C30混凝土配比如表1。該掘進(jìn)工作面采用壓入式局部通風(fēng)，風(fēng)筒直徑為400 mm，風(fēng)量為1.5 m3/s。

2.2 溫度測(cè)定

因混凝土放熱量隨著齡期增大而減小，噴漿支護(hù)后第1天混凝土放熱量最大，依據(jù)最不利原則，噴漿支護(hù)后第1天對(duì)掘進(jìn)工作面進(jìn)行溫度測(cè)量，如圖1，設(shè)置4個(gè)溫度測(cè)量斷面（斷面A-A、B-B、C-C和D-D）進(jìn)行溫度測(cè)量，每個(gè)斷面設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）。測(cè)量結(jié)果如表2，由測(cè)量結(jié)果可知掘進(jìn)工作面4個(gè)測(cè)量斷面的平均溫度均超過28℃，超過《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB 16423-2006）對(duì)采掘工作面溫度的要求，應(yīng)采取降溫措施，降低該掘進(jìn)工作面溫度。

2.3 降溫方案設(shè)計(jì)

-20 m中段南翼掘進(jìn)工作面溫度主要受圍巖放熱、混凝土水化放熱、風(fēng)量和入口風(fēng)流溫度等因素影響，制定該掘進(jìn)工作面降溫方案時(shí)主要考慮從以上四方面采取措施：

（1）根據(jù)混凝土水化放熱的規(guī)律，可通過優(yōu)化支護(hù)方案，減少單次噴漿支護(hù)長(zhǎng)度，避免大量混凝土集中放熱，造成掘進(jìn)工作面溫度過高。

（2）通過增加掘進(jìn)工作面的風(fēng)量能加快掘進(jìn)工作面熱量的排出，降底工作環(huán)境溫度，同時(shí)風(fēng)速的增加，人體的散熱條件可以得到改善；在一定范圍內(nèi)增加掘進(jìn)工作面風(fēng)量，增加成本較低。

（3）對(duì)于控制圍巖放熱可通過預(yù)冷巖層和隔熱材料噴涂巖壁實(shí)現(xiàn)，但成本較高，技術(shù)難度大［6］。

（4）降低掘進(jìn)工作面入口風(fēng)流溫度需通過人工制冷降溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)［7］，技術(shù)難度較大，成本高。

綜上所述，由于-20 m中段南翼掘進(jìn)工作面熱害嚴(yán)重程度較低，考慮降溫方案的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性，采取增加風(fēng)量、優(yōu)化支護(hù)的措施降低掘進(jìn)工作面溫度，擬定表3所示3種降溫方案。

3 數(shù)值模擬及降溫方案比選

3.1 基本原理

熱量傳遞的方式有傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射3種。噴漿支護(hù)掘進(jìn)工作面，混凝土與圍巖之間的主要換熱方式為傳導(dǎo)換熱，混凝土、圍巖與風(fēng)流之間主要為對(duì)流換熱。掘進(jìn)工作面風(fēng)流流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。

3.2 模型建立和邊界條件設(shè)置

運(yùn)用ICEM CFD軟件建立云南某鉛鋅礦-20 m中段南翼掘進(jìn)工作面三維幾何模型，對(duì)掘進(jìn)工作面不同齡期混凝土分別建立體（Body），采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行幾何模型網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格數(shù)量80余萬個(gè)。

將三維幾何模型導(dǎo)入Fluent軟件，由于掘進(jìn)工作面采用局部通風(fēng)方式，將風(fēng)筒出風(fēng)口設(shè)置為入口邊界，入口風(fēng)流溫度為26.6℃，現(xiàn)狀和方案一入口風(fēng)速設(shè)置為11.94 m/s，方案二和方案三入口風(fēng)速為15.92 m/s；掘進(jìn)工作面入口設(shè)置為出口邊界，為自由出口（outflow）；原巖壁面與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)15.2 W/（m2·℃），壁面溫度為30.6℃；混凝土壁面與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)12.7 W/（m2·℃）；混凝土密度為2 400 kg/m3，比熱容為1 037.5 J/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)為3.05 W/（m·K），各齡期混凝土的放熱量qct根據(jù)式（4）計(jì)算選取，混凝土的齡期根據(jù)最后一次噴漿支護(hù)后的第1天確定。

-20 m中段南翼掘進(jìn)工作面機(jī)械化程度不高，掘進(jìn)工作面爆破后先進(jìn)行30 min通風(fēng)，掘進(jìn)工作面同時(shí)作業(yè)人員2～4人，機(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)放熱、爆破放熱和人體放熱對(duì)該掘進(jìn)工作面影響較小，數(shù)值模擬時(shí)不考慮機(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)放熱、爆破放熱和人體放熱對(duì)掘進(jìn)工作面熱環(huán)境影響。

3.3 模擬結(jié)果及分析

（1）模擬結(jié)果。在模型建立和邊界條件設(shè)定后，分別對(duì)-20 m中段南翼掘進(jìn)工作面現(xiàn)狀和3種降溫方案進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬進(jìn)行500步迭代后均收斂。圖3為現(xiàn)狀及降溫方案數(shù)值模擬溫度分布云圖，表4為現(xiàn)狀及降溫方案溫度數(shù)據(jù)。

（2）測(cè)量與模擬結(jié)果對(duì)比分析。將表2中實(shí)測(cè)溫度與表4中現(xiàn)狀模擬溫度進(jìn)行對(duì)比分析，斷面平均溫度絕對(duì)誤差不大于0.21℃，絕對(duì)誤差不大于0.73%，因此數(shù)值模擬結(jié)果科學(xué)可靠。實(shí)測(cè)溫度較模擬溫度整體略微偏大，主要是由于數(shù)值模擬時(shí)未考慮機(jī)電設(shè)備放熱和人體放熱等對(duì)掘進(jìn)工作面熱環(huán)境影響。

（3）降溫方案選擇。由數(shù)值模擬結(jié)果可知：采用方案一，掘進(jìn)工作面溫度27.46～28.32℃，平均溫度為27.94℃，掘進(jìn)工作面兩個(gè)斷面平均溫度超過28℃；采用方案二，掘進(jìn)工作面溫度27.38～28.31℃，平均溫度為27.86℃，掘進(jìn)工作面一個(gè)斷面平均溫度超過28℃；采用方案三，掘進(jìn)工作面溫度27.14～28.75℃，平均溫度為27.48℃，掘進(jìn)工作面各斷面平均溫度均小于28℃。綜上所述，選定方案三為掘進(jìn)工作面的降溫方案，方案三采取優(yōu)化支護(hù)+增加風(fēng)量的措施，掘進(jìn)工作面平均溫度可降低約1.06℃，該降溫方案可應(yīng)用于礦山其他相似掘進(jìn)工作面。

4 結(jié)論

（1）在分析了噴漿支護(hù)掘進(jìn)工作面溫度主要影響因素的基礎(chǔ)上，根據(jù)礦山掘進(jìn)工作面實(shí)際情況，制定了3個(gè)掘進(jìn)工作面降溫方案，3個(gè)方案分別采取的措施為優(yōu)化支護(hù)、增加風(fēng)量和優(yōu)化支護(hù)+增加風(fēng)量。

（2）運(yùn)用Fluent軟件建立了礦山噴漿支護(hù)掘進(jìn)工作面現(xiàn)狀及3個(gè)降溫方案模型，通過數(shù)值模擬選定方案三（優(yōu)化支護(hù)+增加風(fēng)量）為該掘進(jìn)工作面降溫方案，根據(jù)數(shù)值模擬采取方案三后掘進(jìn)工作面平均溫度降低至27.48℃。