高溫礦井掘進工作面冰塊降溫數(shù)值模擬研究*

李杰林，喻曉麗，黃沖紅，周科平，程春龍

(1.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.玉溪礦業(yè)有限公司，云南 玉溪 653100)

0 引言

隨著淺地表資源的逐漸開采殆盡，我國眾多金屬礦山已進入深部開采階段，圍巖散熱、空氣自壓縮放熱以及機械設(shè)備散熱量逐漸增加，礦井深部易形成高溫、高濕作業(yè)環(huán)境。據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計，在500～1 000 m開采深度的礦井中，高溫礦井占比達63%以上，高溫熱害問題已成為采礦行業(yè)中普遍面臨和亟需解決的一大難題[1]。高溫高濕環(huán)境對人體產(chǎn)生不良影響，危害礦工生理、心理健康[2]，引發(fā)職業(yè)性中暑等急性病[3]，嚴重影響礦山的安全生產(chǎn)進度。因此，開展高溫礦井掘進工作面的降溫措施研究，對于保障礦山安全生產(chǎn)和工人的身心健康具有重要意義。

目前礦井常用的降溫措施可分為通風降溫[4]、噴涂隔熱材料降溫[5]、機械制冷降溫[6]等。機械制冷是1種較為廣泛的降溫方法，降溫效果較好，但機械制冷技術(shù)需要建立制冷機站和一整套制冷、輸冷、傳冷和排熱的系統(tǒng)，造價和運行費用較為昂貴，且各種機械制冷技術(shù)仍存在一些尚未解決的難題，如機械制冰技術(shù)中輸冰管道易堵塞等，限制了該技術(shù)的推廣和發(fā)展[7]。冰塊降溫是1種簡單、經(jīng)濟且有效的降溫方法，目前已在高溫隧道中得到了廣泛的應(yīng)用。陳博[8]以毛坡良隧道、太陽寨隧道、石板寨一號隧道為工程背景，計算得出冰塊降溫比通風降溫的措施費平均每延米少157元的結(jié)論；嚴健等[9]提出了設(shè)置冰墻以降低環(huán)境溫度，改善施工條件的降溫思路；朱宇等[10]利用fluent模擬研究了冰塊量和冰塊布置2個因素對于隧道內(nèi)降溫效果的影響和溫度場變化規(guī)律，結(jié)果表明在隧道兩側(cè)各放置0.5 m3冰塊可降低掘進面溫度6 ℃左右，冰塊布設(shè)于風管出風口軸線上比雙側(cè)布置的降溫效果好。可見對于局部高溫熱害區(qū)域，冰塊的降溫效果較為顯著。

雖然冰塊降溫方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高地溫隧道施工中，但在高溫礦井中的應(yīng)用還較少，受礦山井巷工程錯綜布置、通風系統(tǒng)復(fù)雜等因素的影響，冰塊降溫應(yīng)用于高溫礦井的降溫效果以及設(shè)計參數(shù)等內(nèi)容尚沒有統(tǒng)一的認識。但國內(nèi)外進行了許多關(guān)于高溫礦井熱害治理的數(shù)值模擬研究，如Han等[11]通過數(shù)值模擬的手段利用WBGT指標對高溫交換機械系統(tǒng)(HEMS系統(tǒng))的冷卻效果進行模擬評價；田龍等[12]采用數(shù)值模擬研究有無輔助通風設(shè)施、不同輔助通風設(shè)施長度及其與墻壁間的距離對巷道降溫效果的影響；Wang等[13]利用fluent模擬了盲巷熱環(huán)境，并在模擬中提出了近強制遠排氣通風方案。以上研究為高溫礦井冰塊降溫數(shù)值模擬提供理論基礎(chǔ)和實踐指導(dǎo)作用。

本文以云南大紅山銅礦深部工作面為研究對象，利用數(shù)值模擬的方法研究冰塊降溫方法在高溫掘進作業(yè)面中降溫的可行性和降溫效果，并分析冰塊量和擺放方式(垂直方向和水平方向)2個因素對掘進工作面溫度場的影響，為冰塊降溫在高溫礦井作業(yè)面的應(yīng)用提供借鑒意義。

1 工程背景

大紅山銅礦位于云南省新平縣戛灑境內(nèi)，海拔700～1 400 m，屬于典型的深井高溫地下礦山。該礦山礦體埋藏較深，內(nèi)含成礦溫度615～655 ℃的隱伏花崗巖，巖體沿地層間破碎帶形成凹槽、凹盆、小巖脈、巖墻、微突起、側(cè)部凹陷帶，為熱液的停留和富集提供了封閉、半封閉空間。同時，花崗巖侵入時與碳酸鹽巖交代形成矽卡巖礦物，含礦熱液充填交代矽卡巖在接觸帶形成了較高溫度的矽卡巖鎢礦石、深部硫礦石。因此，大紅山銅礦的成礦作用和地質(zhì)情況將對井下的較高巖溫帶來重要影響。通過采用深孔測溫法獲得了大紅山銅礦的平均地溫梯度為3.04 ℃/100 m，屬于典型的高地溫類地溫類型，地熱災(zāi)害嚴重。

較高的地溫梯度導(dǎo)致圍巖散熱量巨大，成為大紅山銅礦主要熱源之一。根據(jù)對大紅山井下熱源成因統(tǒng)計，如圖1所示，圍巖散熱量占總散熱量的1/2，再加上其他熱源散熱，導(dǎo)致大紅山銅礦井下部分掘進工作面的空氣溫度超過40 ℃，獨頭巷道掘進工作面作業(yè)環(huán)境更為惡劣，嚴重影響了工程施工和工人的身心健康，需要輔助以冰塊降溫措施以保證作業(yè)面的溫度達到安全要求。

圖1 大紅山銅礦井下各熱源放熱量占比

2 掘進工作面冰塊降溫方案

借鑒高溫隧道的冰塊降溫方法，高溫礦井掘進工作面冰塊降溫方案主要包括地面制冰站制冰、運輸冰塊至井下、冰塊擺放在降溫區(qū)域3個部分。首先通過制冰站的制冰機完成冰塊的制備，冰塊大小尺寸適中，適合搬運；制備好的冰塊通過汽車經(jīng)斜坡道直接運輸至井下高溫工作面；然后按照設(shè)計要求，將冰塊進行合理擺放，冰塊吸收空氣中的熱量并逐漸融化，從而實現(xiàn)降溫目的。冰塊降溫方案的設(shè)計主要考慮冰塊量和冰塊擺放方式2個因素。

在冰塊降溫方案中，冰塊量的設(shè)計可借鑒工程經(jīng)驗，已知冰塊尺寸為0.4 m×0.2 m×0.1 m，將冰塊量設(shè)為0.128，0.256，0.384 m33種情況，即分別為16，32，48塊。由于單位時間內(nèi)冰塊與環(huán)境之間的對流換熱量與冰表面對流換熱系數(shù)、換熱面上環(huán)境溫度與冰塊表面的平均溫差以及冰塊的表面積成正比關(guān)系[10]，為最大限度地增大冰塊與空氣的接觸面積，同時考慮到風筒直徑為800 mm，將0.128，0.256，0.384 m3的冰塊量分別碼放成2個相同的冰塊堆(長×寬×高分別為0.8 m×0.1 m×0.8 m，1.6 m×0.1 m×0.8 m，2.4 m×0.1 m×0.8 m，各冰塊堆的冰塊數(shù)量分別為8，16，24塊)。

冰塊堆的擺放方式分為2類，一類是冰塊堆距巷道底板垂直距離的設(shè)置，分別設(shè)為距巷道底板0 m(即放在巷道底板)和距巷道底板1.2 m(即冰塊堆中心與風筒中心在同一高度處)2種情況，其中第2種情況通過搭建1.2 m高的承載平臺實現(xiàn)；另一類是冰塊堆距工作面水平距離的設(shè)置，考慮井下作業(yè)面設(shè)備的運轉(zhuǎn)和人員的工作空間，將冰塊堆距工作面水平距離設(shè)置為3，5 m 2種情況。

根據(jù)以上掘進工作面冰塊降溫方案，共設(shè)計了6個模擬工況，工況1指僅采用通風降溫方式；工況2～6的設(shè)置如圖2～3所示(圖中未畫出冰塊堆承載平臺)；圖4為距工作面2 m橫向垂直截面上的溫度測量點P1，P2，P3。

圖2 工況2～6冰塊堆設(shè)置正視圖

圖3 工況2～6冰塊堆設(shè)置側(cè)視圖

圖4 距掘進工作面2 m橫向垂直截面上的測溫點

3 數(shù)值模擬過程

3.1 模型的建立

3.2 系統(tǒng)初始設(shè)置

風筒出風口設(shè)置為速度進口邊界條件，根據(jù)實測，風筒出口風速為3 m/s，風溫為30 ℃；掘進巷道出口設(shè)置為壓力型邊界條件；巷道壁面設(shè)置為無滑移固體壁面邊界，壁面溫度設(shè)置為40 ℃。在計算有冰塊布置的工況時采用融化凝固模型，設(shè)置模型初始條件為巷道內(nèi)空氣溫度為34 ℃，冰塊溫度為-1 ℃，冰塊體積分數(shù)為1。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 冰塊對工作面溫度場的影響

圖5分別為不同通風時刻工況1(僅通風)、工況4(放置0.256 m3冰塊)Z=1.6 m溫度場曲線分布圖。觀察圖5(a)可以得知，巷道中心線(X=0 m)和風筒軸線(X=-1.2 m)處的溫度曲線較為接近，而遠離風筒位置靠近壁面處(X=1.2 m)處的溫度曲線高于這兩處。這是因為風筒流出的低溫風流與巷道內(nèi)空氣發(fā)生對流換熱而吸收熱量，而距離風筒較遠位置處風流的速度由于受到有限空間的限制而不斷降低，吸收熱量較少，從而導(dǎo)致遠離風筒位置處的溫度較高[15]。對比分析圖5(a)和圖5(b)可發(fā)現(xiàn)二者呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，且各測點溫度幾乎相同，隨通風時間的增加變化不大，這說明在通風30 min后巷道內(nèi)溫度場趨于穩(wěn)定，各測溫點溫度保持在32 ℃以上，降溫幅度處于0.4～2 ℃范圍內(nèi)，降溫效果不明顯。可見在僅通風的作用下，掘進工作面附近溫度較高，不能滿足《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB16423—2006)對于井下工作地點空氣溫度不得超過28 ℃的相關(guān)規(guī)定。

圖5 工況1和工況4溫度場曲線分布

觀察圖5(c)可發(fā)現(xiàn)在距工作面3 m范圍內(nèi)溫度急劇下降，最低溫度低于20 ℃，這是由于在距工作面3 m處放置了0.256 m3的冰塊堆，冰塊與風流發(fā)生對流換熱實現(xiàn)對風流的預(yù)冷作用，從而有效降低了工作區(qū)(距工作面3 m范圍內(nèi))的環(huán)境溫度。同時由于冰塊吸熱融化，巷道內(nèi)溫度場處于不穩(wěn)定狀態(tài)，從而使得圖5(c)和圖5(d)呈現(xiàn)出較大的差異。觀察圖5(d)可發(fā)現(xiàn)工作區(qū)的溫度回升至34 ℃左右(初始環(huán)境溫度)，這是由于在通風1 h后，冰塊已經(jīng)完全融化，失去了對風流預(yù)冷的作用。

由以上分析可知，與只采用通風降溫方案相比，采用冰塊降溫方案的降溫效果明顯，冰塊可以實現(xiàn)快速降溫的效果，但受限于冰塊受熱融化，且不同體積、不同位置處的冰塊完全融化所需時間不同，其有效制冷時間必然有所不同。因此，有必要探討冰塊量和冰塊擺放方式對作業(yè)區(qū)溫度分布的影響。

4.2 冰塊量對掘進工作面溫度場的影響

根據(jù)工況1、工況2、工況4和工況6的計算結(jié)果，得到相同布置方式(垂直方向距巷道底板1.2 m，水平方向距掘進工作面3 m)、不同冰塊量下測溫點P1，P2，P3的溫度隨通風時間的變化曲線圖，如圖6所示。

圖6 各測溫點溫度隨時間變化曲線

工況1掘進工作面附近溫度在5 min以后趨于穩(wěn)定，各測點溫度維持在32.2～33.2 ℃之間，且總體上P3測點的溫度最高，其次是P2，P1最低，這與圖5(a)所呈現(xiàn)的特點相同，即距離風筒越遠，溫度越高。工況2中，冰塊量較少，融化的速度較快，通風5 min時P1測點的溫度最低，約為14 ℃，通風10 min時P2和P3測點的溫度最低，約為20 ℃；隨著冰塊的逐漸融化，其對風流的預(yù)冷能力降低，溫度逐漸回升，23 min后各測點溫度均已超過28 ℃，并于30 min時上升至32 ℃，隨后溫度穩(wěn)定在32～34 ℃之間，可見0.128 m3冰塊的有效制冷時間為23 min。

工況4中，冰塊量(0.256 m3)較多，融化的速度較慢，在通風5 min時P2測點的溫度最低，約為20 ℃，通風10 min時P1，P3測點的溫度最低，約為18 ℃；隨后溫度開始回升，但回升速率較慢，30 min時，各測點溫度均處于26 ℃以下，35 min后P1點溫度超過28 ℃，45 min后各測點溫度均超過28 ℃，可見其有效制冷時間約為40 min。

工況6中，盡管冰塊量較大(0.384 m3)，但其有效制冷時間與0.256 m3冰塊相近，約為40 min。但與工況4相比，在有效制冷時間內(nèi)各測點的溫度較低，降溫幅度較大，部分區(qū)域溫度低于人體舒適溫度，易給人體帶來不適，可見冰塊量并不是越多越好。綜上所述，與通風降溫方式相比，放置冰塊堆對掘進工作面附近的降溫效果較為明顯。隨著冰塊量的增加，有效制冷時間相應(yīng)增加，但增加到一定程度時，有效制冷時間基本不變，此時增加冰塊量帶來的直接效果是在有效制冷時間內(nèi)使得溫度場溫度普遍較低，易給人體帶來不適。

4.3 冰塊不同垂直擺放方式對掘進工作面溫度場的影響

對比工況3和工況4，分析相同冰塊量(0.256 m3)和同一水平(距掘進工作面3 m)擺放方式下不同垂直位置處擺放冰塊對掘進工作面附近溫度場的影響，圖7為不同通風時間且不同垂直位置下擺放冰塊時巷道橫向垂直截面(y=18 m，即距工作面2 m)溫度場分布云圖。

由4.2節(jié)可知0.256 m3冰塊的有效制冷時間約為40 min左右，且通風40 min時P1點溫度已超過28 ℃，因此，分別取通風10，20，30 min來進行分析。圖7(a)，7(c)，7(e)分別為工況3(冰塊放置在巷道底板)條件下不同時間點的溫度分布云圖，可以看出風筒側(cè)(右側(cè))溫度均較低，處于27.5 ℃左右，其余大部分區(qū)域溫度約為30 ℃，遠離風筒側(cè)的溫度處于30～32.5 ℃之間，不符合相關(guān)規(guī)范的要求。圖7(b)，7(d)，7(f)分別為工況4(冰塊放置在與風筒平齊位置)條件下不同時間點的溫度分布云圖，可以看出，通風10 min時，風筒側(cè)出現(xiàn)了7.5 ℃的局部低溫區(qū)域，遠離風筒側(cè)的溫度也處于20 ℃以下。隨著時間的延長，風筒側(cè)的局部低溫區(qū)域仍存在，可見將冰塊放置于與風筒平齊位置處時的降溫幅度較大，但會出現(xiàn)局部低溫區(qū)域。

圖7 冰塊擺放在不同垂直位置時Y=18 m溫度場分布

綜上分析，將冰塊擺放在與風筒平齊位置處的降溫效果要遠遠大于將冰塊擺放在巷道底板處。這是因為當冰塊擺放在巷道底板時，風筒流出的絕大部分風流沒有與冰塊直接接觸，冰塊對送風風流的預(yù)冷作用較弱，因而冰塊擺放在巷道底板時的降溫效果相對較差。因此，在使用冰塊進行降溫時，應(yīng)盡可能的將冰塊擺放在與風筒平齊的高度處，以達到充分利用冰塊對風流的預(yù)冷作用，取得更好降溫效果的目的。

4.4 冰塊不同水平擺放方式對掘進工作面溫度場的影響

將冰塊擺放在距巷道底板1.2 m高度處(即與風筒平齊位置處)的降溫效果最佳，但同時也會出現(xiàn)作業(yè)面附近靠近風筒側(cè)溫度較低的現(xiàn)象，易給作業(yè)人員帶來不適。為解決這一問題，探討冰塊不同水平擺放位置對作業(yè)面溫度場的影響。對相同的冰塊量(0.256 m3)和同一垂直位置(1.2 m)擺放方式下，不同水平位置處擺放冰塊對掘進作業(yè)面溫度場的影響進行分析。由于工況5在通風20 min時局部低溫區(qū)域的情況較為嚴重，因此，選取通風時間20 min時的溫度場進行分析。

圖8(a)，8(b)分別為冰塊擺放在距掘進工作面3和5 m處時溫度分布圖。可以發(fā)現(xiàn)，將冰塊擺放在距掘進工作面3 m處時，距掘進工作面10 m范圍內(nèi)大部分區(qū)域的溫度處于28 ℃以下，但不同區(qū)域的溫度分布不均勻，尤其是掘進工作面的溫度處于17.5～20 ℃，溫度較低，易給人體帶來不適；將冰塊擺放在距掘進工作面5 m處時，距掘進工作面10 m范圍內(nèi)的溫度均處于28 ℃以下，且溫度分布更為理想，降溫范圍也更廣。從圖9中也可以發(fā)現(xiàn)，與圖9(a)中出現(xiàn)10 ℃以下局部低溫區(qū)域相比，圖9(b)中巷道內(nèi)的溫度分布更為均勻，人體活動區(qū)域整體溫度處于17.5～25 ℃。因此，不同水平擺放方式對掘進工作面附近溫度場的分布有明顯影響，在距掘進工作面5 m處擺放冰塊時不僅達到了預(yù)期的降溫效果，而且工作面區(qū)域的溫度場分布更為均勻。

圖8 不同水平位置下放置冰塊時X=0 m溫度場分布

圖9 不同水平位置下放置冰塊時Y=18 m溫度場分布

5 結(jié)論

1)與只采用通風的降溫方案相比，增加冰塊的降溫方案降溫效果明顯，添加0.256 m3冰塊且通風30 min時可使作業(yè)面3 m范圍內(nèi)的溫度迅速下降到20 ℃以下，實現(xiàn)了降溫的目的。

2)當冰塊擺放方式相同時，冰塊量越多，有效制冷時間越長，平均每增加0.128 m3冰塊量可帶來20 min的有效制冷時間。但當冰塊增加到一定程度時有效制冷時間基本不變，并在其有效制冷時間內(nèi)造成溫度場溫度過低的現(xiàn)象，給人體帶來不適。

3)在相同的冰塊量、同一水平擺放方式下不同垂直位置處擺放冰塊時，將冰塊擺放在與風筒平齊位置處的降溫效果要遠遠大于將冰塊擺放在巷道底板處，故當使用冰塊進行降溫時，應(yīng)將冰塊擺放在與風筒平齊的垂直位置處。

4)當冰塊量及其垂直擺放方式相同時，不同水平擺放方式對掘進工作面附近溫度場的分布有明顯影響，距掘進工作面越遠時，掘進工作面附近溫度場的分布越均勻，制冷空間越大。

5)在模擬計算時未考慮各種外界因素對工作面附近溫度場的影響，在實際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際情況考慮冰塊參數(shù)的選取。