金屬礦山獨頭掘進(jìn)巷道降溫試驗

王 爽 賈敏濤 陳宜華 吳冷峻

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司,安徽 馬鞍山 243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室,安徽 馬鞍山 243000；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

·安全與環(huán)保·

金屬礦山獨頭掘進(jìn)巷道降溫試驗

王 爽1，2，3賈敏濤1，2，3陳宜華1，2,3吳冷峻1，2,3

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司,安徽 馬鞍山 243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室,安徽 馬鞍山 243000；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

金屬礦山獨頭掘進(jìn)巷道制冷系數(shù)是計算獨頭掘進(jìn)巷道降溫需冷量非常重要的參數(shù)之一，關(guān)系到能否達(dá)到預(yù)期降溫效果及影響著降溫工程的的經(jīng)濟投入。利用“金屬礦山深部開采降溫試驗系統(tǒng)”分別模擬通風(fēng)降溫、加大風(fēng)量降溫、制冷降溫、加大制冷降溫4種條件下獨頭掘進(jìn)巷道的降溫過程，并分析獨頭掘進(jìn)巷道降溫效果，在通風(fēng)及加大風(fēng)量降溫后，獨頭掘進(jìn)巷道內(nèi)溫度先下降然后趨于穩(wěn)定，再也無法下降，只有通過制冷措施，對獨頭掘進(jìn)工作面進(jìn)行降溫。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的焓差值計算出降溫制冷系數(shù)，同時利用多次試驗得出制冷系數(shù)范圍在1.38～1.68，進(jìn)而為獨頭掘進(jìn)巷道降溫設(shè)計提供設(shè)計依據(jù)。

獨頭掘進(jìn)巷道 降溫試驗系統(tǒng) 制冷降溫 焓差 制冷系數(shù)

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國外進(jìn)入深部開采的金屬礦山已超過80座[1]，深井開采必然將遇到高溫問題；國內(nèi)己有140余個金屬礦山出現(xiàn)了不同程度的高溫問題，其中采掘工作面風(fēng)溫超過30 ℃的礦井己達(dá)60余個[2-3]。獨頭掘進(jìn)巷道作為井下熱害最嚴(yán)重的地方，如不采取有效措施，獨頭掘進(jìn)巷道內(nèi)空氣溫度過高的情況將會更加嚴(yán)重，不僅會損害井下工人的身體健康，而且會導(dǎo)致生產(chǎn)率的降低，甚至掘進(jìn)工作面無法作業(yè)[4]。因此，開展“金屬礦山獨頭掘進(jìn)巷道降溫試驗研究”，模擬獨頭掘進(jìn)巷道不同降溫措施下的降溫效果，并通過大量的試驗分析計算出制冷系數(shù)經(jīng)驗值，進(jìn)而為獨頭掘進(jìn)巷道降溫設(shè)計提供設(shè)計依據(jù)。

1 獨頭掘進(jìn)巷道降溫試驗研究

1.1 試驗系統(tǒng)組成

“金屬礦山深部開采降溫試驗系統(tǒng)”利用制冷機組制取冷水，由冷凍水泵將冷水輸送至空冷器進(jìn)行冷量交換，使空冷器出口風(fēng)流的溫度和濕度降低，調(diào)節(jié)獨頭作業(yè)面的空氣參數(shù)；井下風(fēng)流的熱力參數(shù)通過研制的模擬裝置進(jìn)行控制，獨頭作業(yè)面熱負(fù)荷的大小可通過調(diào)節(jié)不同的加熱功率實現(xiàn)，濕度由加濕系統(tǒng)進(jìn)行控制。

該試驗系統(tǒng)由制冷系統(tǒng)與裝備、井下模擬系統(tǒng)及裝置、冷量交換系統(tǒng)與裝備及試驗測量系統(tǒng)組成[5]，系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 礦山深部開采降溫試驗系統(tǒng)示意

1.2 試驗方案設(shè)計

1.2.1 試驗設(shè)備及監(jiān)測系統(tǒng)

設(shè)備除上述的金屬礦山深部開采降溫試驗系統(tǒng)，還有紅外線測溫儀，TESTO42精密型風(fēng)速儀等。過程采用的觀測方法有直接測量法、連續(xù)監(jiān)測法等。連續(xù)監(jiān)測法將模擬巷道共分為4個截面(截面A、B、C、D)，每個截面布置4個點(A：1#、5#、9#、13#；B：2#、6#、10#、14#；C：3#、7#、11#、15#；D：4#、8#、12#、16#)，分別安設(shè)4個溫度傳感器和4個濕度傳感器，用于監(jiān)測模擬巷道內(nèi)熱交換過程中空氣的溫濕度變化情況，礦井降溫試驗平臺控制界面[6]如圖2。

1.2.2 試驗參數(shù)設(shè)置

獨頭掘進(jìn)作業(yè)面的模擬巷道利用加熱、加濕控制系統(tǒng)進(jìn)行加熱加濕，模擬井下高溫環(huán)境狀態(tài)。某次參數(shù)設(shè)定見表1，分別進(jìn)行了通風(fēng)降溫、加大風(fēng)量、制冷降溫、加大制冷4種條件下的模擬試驗。

圖2 礦井降溫試驗平臺控制界面

條 件巷道內(nèi)平均風(fēng)速/(m/s)風(fēng)筒距離工作面距離/m壁面溫度/℃通風(fēng)降溫加大風(fēng)量制冷降溫加大制冷0.38A截面(工作面溫度),35B截面(0m≤z<4m),35C截面(4m≤z<9m),35D截面(9m≤z≤13m),35

注：濕度以空氣濕度為準(zhǔn)。

1.2.3 試驗過程說明

某次試驗主要是研究獨頭掘進(jìn)作業(yè)面在不同負(fù)荷條件下，掘進(jìn)工作面的降溫效果。在現(xiàn)場過程中，共分為3個階段。

第一階段：開啟模擬巷道的加熱系統(tǒng)，對模擬巷道進(jìn)行加熱；

第二階段：開啟風(fēng)機，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率控制通風(fēng)量，模擬分析巷道內(nèi)空氣熱交換；

第三階段：開啟制冷機組，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率控制風(fēng)量來調(diào)節(jié)制冷量，模擬分析巷道內(nèi)空氣進(jìn)行采取降溫措施后熱交換過程，分析模擬巷道在冷負(fù)荷下的降溫效果。

1.3 試驗數(shù)據(jù)記錄

1.3.1 監(jiān)控點不同時刻溫、濕度記錄

如表2所示。

表2 各監(jiān)控點溫、濕度記錄

1.3.2 通風(fēng)量、制冷量數(shù)據(jù)記錄

有關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 通風(fēng)、制冷數(shù)據(jù)記錄

注：風(fēng)量計算，濕空氣密度取值1.2 kg/m3。

2 獨頭掘進(jìn)巷道降溫試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 模擬巷道內(nèi)溫度變化情況

模擬巷道內(nèi)各截面溫度變化情況，如圖3所示。模擬巷道內(nèi)空氣在模擬加熱趨于穩(wěn)定時，巷道內(nèi)溫度最高溫度38.23 ℃，最低溫度34.35 ℃，平均溫度36.39 ℃，符合獨頭掘進(jìn)工作面經(jīng)驗溫度。經(jīng)通風(fēng)及加大風(fēng)量降溫，模擬巷道內(nèi)溫度最大溫度降4.75 ℃，最小溫度降1.02 ℃，平均溫度降1.02 ℃。現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)模擬巷道內(nèi)空氣溫度下降到接近34 ℃時，通風(fēng)降溫不再有明顯效果，巷道內(nèi)溫度趨于穩(wěn)定，見圖4(a)。開啟制冷機組后，模擬巷道內(nèi)溫度最大溫度降5.45 ℃，最小溫度降4.53 ℃，平均溫度降4.99 ℃。再加大制冷后，模擬巷道內(nèi)溫度最大溫度降6.90℃，最小溫度降6.47 ℃，平均溫度降6.72 ℃。在末尾狀態(tài)時刻，模擬巷道內(nèi)最高溫度27.00 ℃，最低溫度26.48 ℃，平均溫度26.66 ℃，均滿足安全規(guī)程要求獨頭掘進(jìn)巷道掘進(jìn)工作面空氣溫度不得超過28 ℃，如圖4(b)。

圖3 模擬巷道內(nèi)各監(jiān)測點溫度變化

2.2 降溫制冷系數(shù)的計算2.2.1降溫制冷系數(shù)的定義

獨頭巷道降溫需冷量計算需考慮降溫制冷系數(shù)，

圖4 模擬巷道內(nèi)9#點溫度變化

在實驗室模擬過程中，我們定義制冷系數(shù)為制冷量與風(fēng)流帶走熱量的比值，即

(1)

式中，KL為制冷系數(shù)；Q制冷為獨頭掘進(jìn)巷道的需冷量實際值，kW；Q帶走為獨頭掘進(jìn)巷道的需冷量理論值，kW。

2.2.2 各時段放熱量和制冷量計算

各時段放熱量、制冷量計算，如表4。

表4 各時段放熱量、制冷量計算

在制冷降溫時，風(fēng)流帶走的熱量是6.37 kW，制冷機組的制冷量是10.13 kW，降溫效率0.63，制冷系數(shù)為1.59；在加大制冷時，風(fēng)流帶走的熱量是9.90 kW，制冷機組的制冷量是14.81 kW，降溫效率0.67，制冷系數(shù)為1.50。通過多次試驗，得出制冷系數(shù)最大值1.68，最小值1.38。考慮到模擬巷道內(nèi)的空氣濕度比獨頭巷道內(nèi)空氣濕度低，建議制冷系數(shù)經(jīng)驗取值為1.2～1.6。希望制冷系數(shù)經(jīng)驗值能給礦井降溫設(shè)計人員和現(xiàn)場工程技術(shù)人員帶來幫助。

3 結(jié) 語

(1)通過試驗?zāi)M獨頭掘進(jìn)巷道降溫，可得經(jīng)通風(fēng)及加大風(fēng)量降溫，獨頭掘進(jìn)巷道內(nèi)溫度下降到一定程度以后再也無法下降。必須通過制冷措施，對獨頭掘進(jìn)工作面進(jìn)行降溫。

(2)通過多次試驗，得出制冷系數(shù)的經(jīng)驗取值，希望制冷系數(shù)經(jīng)驗值能給礦井降溫設(shè)計人員和現(xiàn)場工程技術(shù)人員提供借鑒。

[1] 何茂才,陳建宏,永學(xué)艷．深井高溫金屬礦開采降溫方案探討及應(yīng)用[J]．金屬礦山，2011(4):144-147． He Maocai，Chen Jianhong，Yong Xueyan.Discussion and application of cooling schemes in mining of deep metal mine with high-temperature[J].Metal Mine，2011(4)：144-147．

[2] 龍騰騰.高溫獨頭巷道射流通風(fēng)熱環(huán)境數(shù)值模擬及熱害控制技術(shù)研究[D].長沙:中南大學(xué)，2008． Long Tengteng.Numerical Simulation of Jet Ventilation and Thermal Disaster Prevention Study on High Temperature Heading Face[D].Changsha:Central South University,2008.

[3] 李 瑞.深井掘進(jìn)巷道熱災(zāi)害預(yù)測模型研究[D].西安:西安科技大學(xué)，2009． Li Rui.Study on Heat-calamity Forecast Model in Drivage Roadway of Deep Shaft[D].Xi'an：Xi'an University of Science and Technology，2009.

[4] 李孜軍，吳 超，周 勃．獨頭工作面通風(fēng)降溫新方法及效果分析[J]．金屬礦山，2002(1)：51-53． Li Zijun，Wu Chao，Zhou Bo.A new ventilation and temperature drop method for dead working face and its effect analysis[J].Metal Mine，2002(1)：51-53．

[5] 陳宜華.高溫礦床開采地?zé)岢梢蚺c降溫技術(shù)研究報告[R].馬鞍山：中鋼集團馬鞍山礦山研究院,2013:30-30． Chen Yihua.The Research Report of High Temperature Geothermal Genesis of Deposit Mining and Cooling Technology[R].Maanshan：Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.，Ltd.,2013:30-30．

[6] 賈敏濤,陳宜華,吳冷峻，等．金屬礦山深部掘進(jìn)巷道熱交換模擬測試平臺設(shè)計[J]．金屬礦山，2014(11)：113-116． Jia Mintao，Chen Yihua，Wu Lengjun，et al.Design of mine deep mining roadway thermal exchange simulation test platform[J].Metal Mine,2014(11)：113-116．

(責(zé)任編輯 徐志宏)

Cooling Experiment on Blind Heading Face of Metal Mine

Wang Shuang1,2,3Jia Mintao1,2Chen Yihua1,2,3Wu Lengjun1,2,3

(1.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.，Maanshan243000，China;2.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMine，Maanshan243000，China；3.NationalEngineeringResearchCenterofHuaweiHighEfficiencyCyclicUtilizationofMetalMineralResourcesCo.，Ltd.，Maanshan243000，China)

The cooling coefficient in heading face of metal mine is one of the important parameters for calculating the required amount of cooling for tunneling and related to whether to achieve the desired cooling effect and economic investment influencing the cooling engineering.With the aid of the mine deep mining cooling test system，the cooling process in heading face under four conditions of ventilation cooling，cooling by increasing air flow，refrigeration cooling and cooling by increasing refrigeration are simulated，and the cooling effect in heading face is analyzed.After ventilation and cooling by increasing ventilation，the temperature in heading face was dropped first，stabilized，and then kept still.Only the refrigeration measures can lower the temperature in heading face.With the monitoring data，the refrigeration coefficient is calculated out by using the enthalpy difference.At the same time，it is obtained that the refrigeration coefficient ranges at 1.38～1.68 from many experiments.This research provides the design basis for design of cooling in heading face.

Heading face，Cooling test system，Refrigeration cooling，Enthalpy difference，Cooling coefficient

2014-11-21

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAB14B01)，國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(編號：2012CB724207)。

王 爽(1988—)，男，碩士研究生。

TD727

A

1001-1250(2015)-03-165-04