孫玉強 張 濤 陳宜華 呂真虎 王 巖 邱樹永 王 攀

（1.招金礦業(yè)股份有限公司；2.安徽工業(yè)大學能源與環(huán)境學院）

隨著金屬礦山開采規(guī)模愈發(fā)擴大、人類不斷向深部開采礦產(chǎn)，而阻礙深部礦井安全生產(chǎn)的一大問題——高溫熱害問題凸顯，得到廣泛關注。特別是掘進巷道作業(yè)面無法形成貫穿風流，導致高溫熱害問題相較其他巷道更加突出，嚴重影響了礦山的安全、高效生產(chǎn)［1］。

井下高溫熱害問題主要與圍巖散熱、礦物氧化熱、機電設備放熱等多種因素有關，為了改善高溫礦井掘進面工作環(huán)境，局部制冷通風降溫技術成為首選。研究掘進巷道送風風速、風溫與供冷量合理匹配，對提高掘進工作降溫效果和經(jīng)濟性具有重要意義。本研究以工作面氣相流冷熱交換為對象，利用FLUENT軟件對掘進巷道作業(yè)面的溫度場進行模擬，并結合現(xiàn)場實驗探究掘進面溫度場與送風情況（風溫、風速、送風距離）之間的關系，為掘進面降溫設計提供技術支持［2］。

1 研究方案

為解決某礦山-1 040 m水平掘進巷道的熱害問題，本研究以三大守恒定律和2個流動運動方程為基礎，通過FLUENT模擬，探究適合現(xiàn)場實際使用的局部降溫通風方案。在現(xiàn)場進行試驗驗證降溫效果，對巷道風流溫度場變化進行研究，具體方案如下。

（1）建立掘進巷道氣流流動數(shù)學模型和契合某礦山-1 040 m水平巷道實際開拓布置的幾何模型。對添加制冷措施前的巷道風流溫度進行模擬，得到的風溫結果與現(xiàn)場實測溫度進行比較，驗證模擬可靠性的同時，探究提出制冷措施的必要性。

（2）以添加制冷措施后的機組、風筒分布修改幾何模型，再次進行模擬。設置2組工況。工況一:風機出風風速為15 m/s，送風溫度為25℃；工況二:風機出風風速為20 m/s，送風溫度為20℃，得到在不同送風溫度、送風風速時，-1 040 m水平巷道風溫變化，確定降溫方案，為現(xiàn)場提供指導。

（3）按照模擬給出的局部降溫通風方案，在現(xiàn)場進行試運行，驗證制冷機組的降溫效果，研究實際運行時風流溫度場的變化。

2 數(shù)學模型的建立

掘進工作面風流流動較復雜，且受多種因素影響，為了簡化模擬過程，對氣流做出如下假設:將氣流設為不可壓縮的理想流體，流動過程中忽略黏性力做功耗散熱以及水蒸氣的解吸；氣流狀態(tài)為具有各向同性的穩(wěn)態(tài)紊流；氣流的各組分之間不產(chǎn)生相互反應。掘進巷道中的氣流流動遵循三大守恒定律和2個流體運動方程。

（1）質(zhì)量守恒方程為

式中，ρ為氣體密度，kg/m3；t為時間，s；ui為坐標系中i方向上的速度，m/s；xi為坐標系中i方向上的空間位置，m；Sm是加入到連續(xù)相的質(zhì)量或其他自定義源項。

（2）動量守恒方程為

式中，xj為坐標系中j方向上的空間位置，m；uj為坐標系中j方向上的速度，m/s；ρ為靜壓，Pa；τij為應力張力，N；gi和Fi分別為i方向上的重力和外部體積力，N。

（3）能量守恒方程為

式中，T為溫度，℃；u為速度，m/s；h為流體的傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；Cp為比熱容，J/（kg·℃）；ST為其他體積熱源。

（4）組分運輸方程為

式中，cs為物質(zhì)濃度，kg/m3；Ds1g為該組分的擴散系數(shù)；Ss為系統(tǒng)內(nèi)部單位時間內(nèi)單位體積該組分生成質(zhì)量，kg。

（5）工作面風流流動的控制方程選擇K-ε雙方程為

式中，k表示為紊流動能，J；ε表示為紊流動能耗散率，%；v表示為尾流動力黏性系數(shù)，Pa·s；C1z、C2z為經(jīng)驗常數(shù)；?k、?ε分別為k和ε對應的Prandtl數(shù)；Gk為平均速度梯度引起的紊動能產(chǎn)生項。

在K-ε雙方程模型中，通過對各守恒定律進行數(shù)學描述獲得控制方程，然后將其與礦山井下掘進巷道的邊界條件和初始條件相結合，構造了掘進工作面內(nèi)風流的數(shù)學模型［3］。

根據(jù)經(jīng)驗值以及試驗驗證，模型常數(shù)值分別取C1z=1.44，C2z=1.92，σk=1.00，σε=1.30。

3 礦山熱環(huán)境現(xiàn)狀模擬

3.1 幾何模型建立

為探究深部工作面溫度變化，提供合理通風降溫方案，以某礦山-1 040 m水平中段平面圖建立模型。每個掘進巷前端是獨頭作業(yè)面，設置熱源1個，如圖1所示。為了減少計算量，巷道長度為50 m，簡化為長方體，掘進巷與沿脈大巷90°相接，連接處用圓角修正，減少空氣進入探礦巷的局部阻力。由于調(diào)熱圈厚度一般在20 m以上，故在巷道周圍設置厚20 m的圍巖，通過設定圍巖壁面溫度，耦合計算巷道內(nèi)空氣溫度，更符合實際。-1 040 m水平地下涌水較多又無法找到固定出水點，地下水放熱在壁面邊界條件中進行設定［4］。

網(wǎng)格劃分設置1組膨脹層，2組面尺寸控制。在空氣與熱源、巷道壁面的流固交界面需要設置膨脹層，本模擬設置8層膨脹層，最大膨脹層厚度設置為0.15 m，膨脹層邊界為熱源壁面和巷道壁面。2組面尺寸控制分別為空氣進出口面控制0.1 m和圍巖壁面控制1.5 m，產(chǎn)生共4 902 398個網(wǎng)格，最大偏度（skewness）為0.67<1，經(jīng)獨立性驗證，網(wǎng)格質(zhì)量良好，可導入FLUENT中開始計算。

3.2 邊界條件設置

-1 040 m水平:進風口溫度為27.5℃，風速為4.5 m/s，粗糙高度等設置默認值。出口條件設壓力出口，表壓為0 Pa，回流溫度保持默認。圍巖邊界類型設為恒壁溫36℃。除底面外其余巷道壁面設置為耦合類型。底面巷道存在熱水，設置為恒壁溫37.8℃。熱源設為熱通量放熱，取150 W/m2。

解算強調(diào)氣固兩相的熱交換，采用Couple算法，松散因子取FLUENT默認值，從全區(qū)域進行初始化。各項殘差低于1×10-6后結束。解算過程中設置監(jiān)視面，觀察溫度和風速數(shù)值變化以及模擬結果是否收斂。

3.3 模擬結果分析

實測數(shù)據(jù)顯示，-1 040 m水平原巖溫度約為36℃，進風井送入新風溫度較低，但巷道內(nèi)有熱涌水，實測表面溫度為37.8℃，同時，掘進巷內(nèi)有掘進用機電設備，兩熱源通過空氣與圍巖表面發(fā)生換熱。

圖2 為-1 040 m水平巷道，A、B和E為獨頭掘進工作面，C、D為巷道監(jiān)視面。圖3為A、B和E掘進工作面平均溫度解算結果。

由圖2，A和B掘進面平均溫度為36.087℃，E處掘進面平均溫度為36.204℃，C和D處巷道監(jiān)視面平均溫度為33.2℃?，F(xiàn)場實測A和B處掘進面溫度為35.5℃，E處掘進面溫度為34.9℃，相對誤差分別為1.65%和3.73%，誤差在允許的范圍內(nèi)，模擬具有可靠性。《金屬非金屬安全規(guī)程》（GB 16423—2020）中明確指出，人員連續(xù)作業(yè)場所的濕球溫度不高于27℃，通風降溫不能滿足要求時，應采取制冷降溫或其他防護措施，當濕球溫度超過30℃時，應停止作業(yè)。該礦山-1 040 m水平掘進面為保證安全作業(yè)，須加降溫通風措施。

4 壓入式通風降溫措施模擬

為了使掘進作業(yè)面的溫度下降，滿足安全生產(chǎn)要求，需對掘進作業(yè)面采取通風降溫措施。目前，金屬礦山井下局部通風降溫方式有壓入式、抽出式和壓抽混合式，因壓入式通風降溫送風距離遠，方便布置，管理簡單易行，多采用壓入式。模擬采用壓入式通風降溫系統(tǒng)。根據(jù)空冷器的布置方式，該系統(tǒng)可分為集中式和分散式2種。分散式指將空冷器布置在每個掘進巷的入口，冷風通過風筒送入作業(yè)面，這種布置冷損少，空冷器可能影響設備行走。集中式指空冷器產(chǎn)生的冷風通過局部風機由風筒分別送入作業(yè)面［5］。本模擬選用集中式布置空冷器，并直接將冷空氣送入作業(yè)面的終端降溫通風系統(tǒng)。

4.1 模擬前處理

模擬前處理即包括幾何模型建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件設置等步驟。壓入式通風降溫措施模擬在礦山原熱環(huán)境模擬的幾何模型基礎上，加入風機和風筒模型。制冷機組布置位于進風井（圖1中“入口”）井底車場，風機通過風筒將制冷機組產(chǎn)生的冷風送入3個掘進面。網(wǎng)格劃分上，風筒內(nèi)存在風流與風筒內(nèi)的流固交界面，設置5層膨脹層，最大膨脹層厚度設為0.1 m，風筒入風口和出風口設置面尺寸控制在0.05 m，其他設置同前。邊界條件設置上，需對風筒入風口的溫度、風速進行設置，類型為速度進口，具體數(shù)值在下述不同工況模擬結果中展示。風筒材料選擇合成塑料PVC，其他條件與原熱環(huán)境模擬一致。

4.2 模擬結果分析

對于工況一，盲混合井進風速度為4.5 m/s，進風溫度為27.5℃（實測數(shù)據(jù)）；風機出風風速為15 m/s，送風溫度25℃。-1 040 m水平工況一溫度分布模擬結果見圖4。

圖4 （b）中，掘進面位置與圖2編號對應。-1 040 m水平在工況一設置的送風溫度和風速條件下，降溫后的掘進面平均溫度由36.15℃降至26.49℃，低于27℃，掘進面熱環(huán)境得到顯著改善。同時，原熱環(huán)境模擬中的C、D位置風溫由33.2℃降至28.2℃，巷道熱環(huán)境也得到了改善。

對于工況二，盲混合井進風風速為4.5 m/s，進風溫度為27.5℃（實測數(shù)據(jù)）；風機出風風速為20 m/s，送風溫度為20℃。-1 040 m水平工況二獨頭掘進面溫度見圖5。

-1 040 m水平工況二掘進面平均溫度已低于26℃，AC和BD巷工作面平均溫度為25.03℃，AC巷工作面溫度為23.98℃，掘進面平均溫度24.51℃。工況二相較于工況一送風溫度更低、送風風速更大，帶來的降溫效果也更佳，但更大功率的風機以及制冷量的提高，意味著基建成本和運行成本加大。若工期緊張，井下運輸車輛、提升設備等其他熱源產(chǎn)熱量較高，可采用工況二的參數(shù)進行終端通風降溫。

5 現(xiàn)場試驗

為了降低-1 040 m水平掘進作業(yè)面溫度，設計安裝一套制冷系統(tǒng)，主要設備包括井下制冷機組、冷卻水泵、井下水倉、排水泵、蒸發(fā)器、排水管、冷凍水泵、軸流風機、空冷器、空氣凈化器等，結構圖見圖6。

圖6 中，冷凍水進入空冷器后產(chǎn)生冷風。冷凍水來源于制冷機組內(nèi)制冷劑與冷卻水的熱交換，而冷凝熱隨著冷卻水進入地下水倉。水倉中有低溫涌水，布置換熱器或直接將熱水混入水倉，均可將冷卻水溫度降低。降溫后的冷卻水再次進入制冷機組進行換熱。吸熱后的水倉水通過排水泵排至地面，進行處理或二次利用。

對井下掘進作業(yè)面溫濕度進行測定，監(jiān)測點選擇在送風筒前后，溫濕度的測定使用數(shù)字式測試儀器，讀數(shù)穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)，測定結果見表1。

表1 中，測點間隔約為10 m。1#~3#測點遠離送風風筒，測量數(shù)據(jù)為制冷機組安裝處的巷道風溫；4#~7#測點逐漸遠離風筒出口，4#測點位于風筒出風口2 m處。通過現(xiàn)場實際檢測，送風風筒前（1#~3#測點）的巷道風溫高于30℃，隨著與風筒出風口距離不斷接近，風溫有降低的趨勢，冷風出風口附近位置溫度24.7℃，添加降溫通風措施后的工作面溫度得到顯著改善，模擬顯示的降溫效果為24.51℃，相對誤差為0.77%，模擬具有指導意義。

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隨著送風距離的升高，4#~7#測點空氣溫度持續(xù)升高，至7#點空氣溫度為29.1℃。溫度升高的斜率較大，原因在于該礦山-1 040 m水平采深大，圍巖放熱量高，掘進面有大型機械設備放熱，同時巷道底板存在溫度較高的熱涌水，在這些熱源的加熱下，制冷機組送入的冷風會隨著與送風口的距離增大而快速攀升?，F(xiàn)場降溫工程中，風筒材料應具備可伸縮性，風筒送風口的位置可以根據(jù)生產(chǎn)進度進行調(diào)整。當送風口位置固定，僅靠提高風機送風速度和制冷量，無法保證遠距離的制冷效果，還會增加基建和運行成本。

6 結論

（1）熱環(huán)境現(xiàn)狀的數(shù)值模擬顯示，在現(xiàn)有通風條件下，A和B掘進面平均溫度為36.087℃，E處掘進面平均溫度為36.204℃?，F(xiàn)場實測A和B處掘進面溫度為35.5℃，E處掘進面溫度為34.9℃，相對誤差分別為1.65%和3.73%，模擬與現(xiàn)場擬合度較高，具有指導意義。模擬結果和實測溫度均高于安全規(guī)程中的要求，應添加降溫通風措施。

（2）對于壓入式通風降溫系統(tǒng)，送風距離一定時，制冷降溫系統(tǒng)送風溫度越低，送風風筒風速越高，降溫效果就越好。模擬結果表明，進風溫度為27.5℃（實測數(shù)據(jù)）時，當風機出風風速為15 m/s，送風溫度為25℃，掘進巷工作面平均溫度由36.15℃降至26.49℃；當風機出風風速為20 m/s，送風溫度為20℃，掘進巷工作面平均溫度降至24.51℃。

（3）現(xiàn)場試驗說明，在入風風速和溫度一定時，壓入通風降溫風筒出口位置到工作面距離越短，降溫效果越好。礦山巷道的開拓隨著生產(chǎn)進度發(fā)生改變，選取具有可伸縮性的風筒材料，改變送風距離比一味地提高送風風速和制冷量更加節(jié)約經(jīng)濟成本，符合礦山實際需求。