高溫獨頭巷道人工制冷降溫效果的優化研究*

李杰林，程春龍，周科平，喻曉麗，李光全，黃沖紅

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

0 引言

隨著礦山開采深度的增加，許多礦山面臨高溫、高濕的難題。高溫、高濕環境對人體熱平衡、心率、呼吸和循環系統都會產生負面影響，容易導致代謝失調，從而降低工作效率。有研究表明：井下溫度每升高1 ℃，工人勞動產出率就會降低6%～8%。熱濕環境容易使礦工的心理、生理反應失常，從而增加事故發生率[1]，我國多個礦井的調查結果表明：30～37 ℃工作面較30 ℃以下工作面的事故率增加1.5～2.3倍[2]。因此，降低高溫掘進巷道工作面的溫度，對改善工作環境，提高勞動生產率，降低安全事故的發生率均具有重要意義。

目前，高溫礦井熱害防治技術主要分為2類：1類是采用非人工制冷降溫方法，如通風降溫、設置隔熱層、個體防護降溫等；另1類是人工制冷降溫技術，如人工制冷水或制冰降溫、人工二氧化碳降溫、壓縮空氣降溫以及熱管降溫等。國內外學者開展大量高溫礦井熱害防治技術研究，馮興隆等[3]指出增加通風量能使井下風流溫度大幅度下降，并且該溫度的下降程度在通風量達到臨界量之前有急劇加快的趨勢，但此時再增加風量則風溫的下降趨勢又緩慢下來；趙春杰[4]利用Fluent數值模擬發現：當風量從50 m3/s增大到75 m3/s時有明顯的降溫效果，但當風量從75 m3/s增大到100 m3/s時通風降溫效果明顯下降；張睿沖等[5]利用差分法計算得出巷道內風流溫度，并推導出巷道和回采工作面風溫變化趨勢，結合采場安全生產允許溫度進行反推，得到通風降溫條件下的可采極限深度計算公式；田龍等[6]利用輔助通風設施增強了通風降溫的效果，并得出輔助通風設施長度、與墻壁距離、進氣道風速三者與冷卻降溫效果之間的關系。在隔熱降溫方面，周西華等[7]利用主動隔熱巷道風流與圍巖的氣-固耦合傳熱模型，得到巷道隔熱層材料熱力學性質參數對隔熱效果的影響規律；宋東平等[8]建立復合介質中的一維非穩態導熱控制方程，編制出能夠模擬隔熱巷道圍巖溫度場的計算機程序，并計算出隔熱層對圍巖溫度場的影響規律。在個體防護方面，馬礪等[9]提出1種基于渦流管制冷技術原理的礦井熱害防治個體降溫方法，降溫幅度可達1.2 ℃，續航時間超過30 min。在人工制冷方面，李杰林等[10]采用CFD軟件對在礦井高溫掘進工作面風筒前方放置冰塊進行數值模擬，取得良好的降溫效果；宋東平等[11]利用液態CO2相變釋放的冷量與工作面的高溫空氣進行換熱作用，降低工作面的環境溫度和濕度；初硯昊等[12]搭建動力型熱管試驗平臺，模擬井下傳熱過程，對井下熱害控制有一定的效果。

在高溫礦井熱害防治技術應用方面，2類熱害防治技術均得到廣泛應用，但主要存在以下問題：非人工制冷降溫方式對熱害問題較輕(<35 ℃)的礦井效果明顯，可實施性強，費用投入較少，但其在熱害較嚴重(>35 ℃)的礦井中降溫效果較差；人工制冷降溫技術在高溫礦井中能取得較好的降溫效果，但基礎設施建設投入大，制冷系統集中控制導致冷量分配不合理，且運行維護成本較高，從而制約了該類技術的大范圍使用。近年來，移動式制冷系統作為1種新型制冷方式，具有可移動、冷量傳輸損失小、制冷量可調、無需專門硐室安設、設備投入成本低等優點在我國部分高溫礦井開始投入使用。謝明[13]開展移動制冷設備的現場試驗，結果表明開機30 min后，降溫幅度達到10 ℃，相對濕度平均降低25%左右；戴銘等[14]使用永磁調速型移動制冷設備在溫度不斷變化的試驗場地進行制冷試驗，結果表明：制冷溫度與風量適宜且耗能低，可節約用電成本并提高工人的勞動舒適度。本文結合中南大學研制的高溫礦井移動式人工制冷系統在云南大紅山銅礦的現場試驗情況，利用CFD軟件Fluent進行風障對高溫獨頭巷道制冷效果的影響進行分析，尋求最佳的制冷工況參數。

1 高溫獨頭巷道人工制冷的計算模型

1.1 物理模型的建立

制冷空間體積的大小對制冷速率、制冷效果產生重要影響。設置風障可以有效縮小制冷空間，改善制冷效果。在現場試驗中使用擋風簾作為風障，從而在掘進巷道中形成相對密閉的制冷空間，現場試驗如圖1(a)所示。考慮到降溫研究的主要目的是改善工作面附近的人員工作環境，因此，可將模型簡化，單獨對風障與工作面之間的空間進行研究，并依此在ANSYS-DesignModeler中建立長7 m×寬4 m×高3.7 m的物理模型，如圖1(b)所示。

圖1 現場試驗及物理模型Fig.1 Field experiment and physical model

1.2 控制方程與邊界條件

為合理描述制冷空間內的溫度變化情況和風流流動狀態，建立高溫工作面降溫數值模型，并進行簡化假設：巷道和工作面圍巖是均質的；風障不允許風流穿過；巷道內的風流為各向同性的湍流流動；巷道圍巖為恒溫邊界。

考慮到巷道內的風流流動為湍流狀態下低雷諾數的低速非旋轉流動，選擇標準的k-ε湍流計算模型。標準的k-ε模型控制方程為二元方程，包括湍動能運輸方程k方程和耗散率方程ε方程，如式(1)～(7)所示：

(1)

(2)

其中：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

在Fluent中利用穩態求解器進行求解，各邊界條件設置參數通過礦山現場實測獲得，見表1。

表1 模型邊界條件參數Table 1 Boundary condition parameters of model

2 影響因素與計算工況確定

1)風障距離D：在人工制冷降溫過程中，當制冷量一定時，制冷空間體積大小直接影響著降溫的速度和幅度，因此，確定合理的制冷空間體積大小尤為重要。試驗中通過改變風障與工作面的距離(D)來實現制冷空間體積大小的改變。

2)回風口動壓P：在獨頭巷道中采用長抽短壓式能加快制冷空間內的風流循環，及時排出高溫氣體，但風流循環過快也會導致冷量流失，因此，需要對決定回風速度的回風口動壓(P)進行確定。

3)回風管高度H：試驗中，制冷設備的抽出式回風管和壓入式冷風管分別布置在巷道兩側，如圖2所示。制冷空氣由于密度較大而沉積于下方，如果回風管高度過低，會將制冷空氣吸出制冷空間外，進而影響制冷效果，因此，優化確定回風管高度(H)能有效提高冷空氣的冷量利用率。

圖2 數值計算模型及測點布置Fig.2 Numerical calculation model and layout of measuring points

為了掌握巷道內不同區域位置的降溫效果，在巷道垂高Y=1.5 m水平剖面內，取X=1，2，3 m 3條直線，分別為L1，L2，L3；在巷道中心X=2 m縱剖面內取Y=0.5，2.5 m 2條直線，分別為L4，L5，溫度監測線布置如圖2所示，在每條線上均勻取20個溫度測點，從而得到在不同工況下、不同區域的溫度變化趨勢。

3 模擬結果分析

3.1 風障距離對降溫效果的影響

將回風口壓力P=-80 Pa，回風管高度H=1 m設為初始值，風障距離D分別設置為4，4.5，5，5.5，6 m 5種不同工況，研究風障距工作面不同距離時巷道內的溫度變化。取巷道中心處L2直線為數據采集點，得到風障在不同距離下的溫度曲線，如圖3所示。圖3中虛線對應5種不同距離下風障所在位置，虛線左側為制冷空間內部，右側為制冷空間外部。可以看出，每條曲線中風障兩側的溫度躍遷明顯，變化幅度為4～6 ℃，說明風障有效隔絕了制冷空間內的冷空氣向外擴散，同時減弱了制冷空間外部的熱量傳遞到制冷空間內，可見風障能有效提高制冷效果。同時，通過圖3還可以看出：當D=5 m時，制冷空間內的溫度最低，降溫效果最好。分析認為由于試驗中冷風出口位置與風障齊平，并隨風障距離變化而變化。當風障距離掌子面較近時，一方面縮小了制冷空間有利于降溫，但同時也使得冷風直接吹在了工作面的圍巖上，導致較多的冷量用于冷卻工作面圍巖，而用于冷卻巷道內空氣溫度的冷量不足，導致降溫效果不明顯，因此，出現D=4 m時的溫度最高的現象。另一方面，當增加風障與工作面距離時，制冷空間的體積也會增大，在設備制冷功率一定的情況下，將會導致降溫效果下降，因而出現D=6 m時的降溫效果不佳。因此，風障的布置距離為D=5 m較為適中，降溫效果好。D=5 m工況下巷道內不同區域的溫度分布如圖4所示。由圖4可以看出，直線L5(垂高最高)各點的溫度明顯高于其他區域，這是因為熱空氣密度小，易擴散并聚集于巷道上方空間，導致溫度較高，因此，在實踐中可加強巷道上方的通風，及時抽排高處熱空氣，有利于降低制冷空間的溫度。

圖3 風障不同距離下L2處的溫度Fig.3 Temperature at L2 under different distances of wind barrier

圖4 D=5 m時各直線上的溫度變化Fig.4 Temperature variation on each straight line when D=5 m

在圖3～4中，巷道內溫度隨距離的變化呈“U”型分布。產生該變化趨勢的原因是制冷空氣從冷風管流出后，沿該側巷道壁面到達工作面，受到工作面阻擋后，大部分冷空氣流仍會貼著工作面和另一側巷道壁面進行貼壁流動，從而在巷道空間內形成氣流渦旋，如圖5所示。渦旋外側是溫度較低的冷空氣，渦旋內部區域的氣流無法流動，為巷道內的初始高溫氣流，溫度較高，但隨后會與周圍冷空氣發生冷熱交換而降低溫度，所以旋渦處的溫度變化趨勢為先升高后降低，該現象與圖3中溫度曲線在1～4 m處的變化趨勢吻合。

圖5 制冷空間內的風流速度矢量圖Fig.5 Vector diagram of air flow velocity in refrigeration space

3.2 回風口壓力對制冷效果的影響

以D=5 m作為初始條件，將回風口負壓取值分別設置為-60，-70，-80，-90，-100 Pa，得到不同回風壓力對制冷空間內制冷效果的影響，如圖6所示。觀察圖6可以發現，在不同的回風壓力下，巷道中心L2處的溫度變化趨勢基本一致，在距離工作面較近處的溫度先快速上升，在制冷空間中部平穩上升，最后在風障處又急劇上升，與圖3中“U”型分布的谷底處的溫度分布規律相同。在不同回風口壓力條件下，當P=-70 Pa時的各點溫度值最低，具有最好的降溫效果。說明出風口的負壓能夠加快制冷空間內的氣流流動，使冷、熱空氣之間的換熱更加劇烈，有利于提高降溫效果，但回風口壓力過大或過小都不利于制冷。回風口壓力過低，冷氣流的流動較慢，影響冷熱空氣的熱交換速率，而如果回風口負壓過大，又會導致制冷空間內的冷空氣來不及發生熱交換就被抽出，造成冷量流失。P=-70 Pa時制冷空間內不同區域的溫度變化如圖7所示。由圖7可以明顯看出L5處的溫度遠遠高于其他區域，進一步說明熱空氣密度較小，在巷道上部聚集，從而導致溫度較高。

圖6 不同壓力下L2處溫度曲線Fig.6 Temperature curves of L2 under different pressures

圖7 P=-70 Pa時各直線上的溫度變化Fig.7 Temperature variation on each straight line when P=-70 Pa

3.3 回風管高度對制冷效果的影響

回風管道的架設高度H分別為0.5，1，1.5 m時，距離巷道底板高度h分別為0.5，1，1.5 m水平剖面的溫度分布如圖8所示。由圖8可以直觀看出：不同回風管高度下的風障兩側均存在明顯的溫度差，風障左側制冷空間內的溫度最高值為28.3 ℃，風障右側溫度較高，部分區域最高溫度超過37 ℃，進一步說明風障在提高巷道制冷效果中具有良好作用。綜合對比不同回風管高度下的風障兩側溫度分布情況，可以發現：當回風管高度H=0.5 m時，在風障外側的低溫區域比其他2種情況更大，說明冷空氣的密度大，匯聚于巷道下部區域，而回風管高度過低會將冷空氣抽出制冷空間外，從而導致冷量流失，進而出現制冷空間外側的低溫區域范圍大；當回風管高度H=1 m時，制冷空間內不同高度水平的低溫區域范圍最大，大部分區域的溫度在23.8 ℃以下，部分區域溫度范圍在23.8～26 ℃之間，制冷效果良好；當回風管高度H=1.5 m時，制冷空間內的最高溫度為28.3 ℃，在制冷空間內中部位置出現了小范圍的較高溫度區，溫度范圍為26～28.3 ℃，，而該現象在另外2種工況下未出現，這說明回風管位置過高，不能有效地帶動密度較低，沉積于下方的冷空氣，未達到加快制冷循環的效果。綜合分析，確定回風管最佳的垂直高度為1 m。

圖8 3種工況在不同水平截面溫度云圖Fig.8 Temperature nephogram of three working conditions at different horizontal sections

4 模擬結果驗證

基于上述研究得出的最優工況參數，在云南大紅山銅礦高溫獨頭巷道開展移動式人工制冷設備的現場試驗。在制冷空間內的中軸線高1.5 m，距工作面3 m處設置溫度記錄儀，得到該點溫度隨時間變化的情況。現場實測數據與數值模擬結果對比如圖9所示。由圖9可以看出，未設置風障時，溫度隨時間的變化極為緩慢，經過70 min后溫度從35.4 ℃降低到31 ℃左右后不再發生明顯變化，降溫效果較差。這是因為巷道是1個開放的空間，制冷空間中的冷量會不斷向外流失。同時根據能量守恒原理，制冷設備的制冷量與其冷凝散熱量是相同的，移動制冷設備本身處在制冷空間內，設備工作時產生的大量冷凝熱會直接排放到巷道中，因此，熱量的回流會對制冷效果產生重要影響，而設置風障后，現場試驗和數值模擬結果均顯示制冷空間內的溫度降幅較大，開機45 min后溫度從35.4 ℃降低至28 ℃，80 min后溫度穩定在24 ℃左右不再發生明顯變化，即設置風障前、后的溫差約為7 ℃。

圖9 各工況溫度隨時間變化曲線Fig.9 Temperature variation with time under different conditions

通過對比設置風障條件下的現場試驗和數值計算結果，發現兩者的整體變化趨勢基本一致，誤差較小，但現場試驗中實測溫度要略高于數值模擬所得的溫度，這是因為巷道內的實際熱環境更為復雜多變，而數值模擬進行了相應的簡化，忽略了人體散熱、水汽的冷凝熱以及設備用電而產生的熱量等，這些熱源相對于巷道圍巖散熱和空氣焓熱來說比較小，但會使試驗數據與模擬結果產生微小偏差。

5 結論

1)設置風障能夠有效阻隔制冷空間與外界的熱量交換，風障內側溫度比外側溫度低4～6 ℃；同時風障能夠縮小制冷空間，從而在制冷量一定的情況下提高制冷效果；風障的最佳布置距離為距離工作面5 m處，制冷空間內溫度可降低至28 ℃以下。

2)回風口加設軸流風機能夠增加回風能力，加快巷道內風流循環，促進冷熱交換，回風壓力過高效果不佳，回風壓力過低導致冷量流失，最佳的回風口壓力為-70 Pa。

3)回風管布置的架設高度會對制冷效果有明顯影響，回風管位置過低會吸走下沉的冷空氣導致冷量流失，回風管位置過高會從風障上方吸進熱空氣導致熱量回流，最佳回風管布置高度為1 m。