基于CFD數(shù)值模擬的相變儲能泵送濕噴混凝土熱性能研究

摘要：隨著世界各大金礦開采深度的增加，高溫圍巖向巷道風(fēng)流傳遞大量熱量，從而顯著提高風(fēng)溫。對巷道表面進行隔熱材料的圍護已被證明是改善地下作業(yè)場所熱環(huán)境的有效手段。采用前期研發(fā)的用于巷道支護的相變儲能泵送濕噴混凝土（PWS-MPCM），使用流體動力學(xué)數(shù)值模擬手段從圍巖內(nèi)部溫度分布的角度對其功能性進行了驗證。結(jié)果表明：PWS-MPCM對圍巖內(nèi)部溫度分布影響顯著，且具有良好的隔熱和控溫性能，論證了PWS-MPCM可為深井金礦熱害治理方案提供“釜底抽薪”的解決方案。

關(guān)鍵詞：深井開采；黃金礦山；高溫?zé)岷Γ粩?shù)值模擬；泵送濕噴混凝土；熱性能

中圖分類號：TD727 文章編號：1001-1277（2024）09-0012-05

文獻標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240903

引 言

由于淺部金礦資源的枯竭，中國乃至世界范圍內(nèi)的金礦不得不進入到深部開采階段［1］。隨著開采深度的增加，作業(yè)區(qū)域內(nèi)的溫度越來越高，由此引發(fā)的熱害問題對金礦企業(yè)安全生產(chǎn)造成了嚴重威脅。對此，國內(nèi)外諸多學(xué)者針對如何改善礦山作業(yè)區(qū)域內(nèi)的熱環(huán)境進行了大量研究［2-3］。黃翰文［4］對一些高溫礦井進行了較為系統(tǒng)的監(jiān)測，采用數(shù)理統(tǒng)計的方法，提出了風(fēng)溫預(yù)測模型，為數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。天野勛三等［5］提出了較為完整的礦井熱環(huán)境工程計算程序數(shù)學(xué)模型。吳強等［6］根據(jù)圍巖溫度場分布規(guī)律，通過有限元方法，得到了巷道作業(yè)區(qū)域的圍巖散熱求解方法。周少柳［7］通過CFD數(shù)值模擬確定了圍巖溫度場分布規(guī)律，進而定量分析了工作區(qū)域需冷量與圍巖散熱量之間的關(guān)系。WEI等［8］分析了深部巷道中的通風(fēng)降溫影響因素，為降溫方案的制訂提供了理論依據(jù)。

綜上所述，針對深井熱害巷道的熱害防治研究主要集中在通過各種熱源的計算并運用數(shù)值模擬的方式模擬通風(fēng)降溫的效果。然而，單純使用通風(fēng)降溫難以從根源上解決問題。近年來，使用隔熱材料減少從圍巖傳遞至巷道風(fēng)流內(nèi)的熱量是一種新的解決方案。因此，本研究以山東省某深井開采金礦為研究案例，采用前期研發(fā)的相變儲能泵送濕噴混凝土（PWS-MPCM），基于流體動力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬技術(shù)對其控溫隔熱性能進行了數(shù)值模擬研究，運用圍巖內(nèi)部導(dǎo)熱與流固傳熱數(shù)學(xué)模型，探討了該金礦某段巷道有無PWS-MPCM涂層的溫度場分布對比，從而分析該涂層對圍巖溫度分布的影響規(guī)律，驗證了PWS-MPCM對高溫巷道環(huán)境的隔熱控溫效果。本研究有望為深部高溫礦山熱害防治提供“標(biāo)本共治”的解決思路。

1 數(shù)值模型構(gòu)建

1.1 物理模型構(gòu)建

本研究以山東省某深井開采金礦的一段巷道作為研究對象，采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對高溫巷道的傳熱及溫度分布情況進行了研究，在幾何建模過程中，應(yīng)用solidworks軟件建立了巷道-圍巖的全尺寸三維幾何模型（如圖1所示），所采用的數(shù)據(jù)均來源于實測。模型由圍巖、混凝土支護層和巷道組成。其中，圍巖厚度為15 m，巷道的混凝土支護層厚度為0.15 m，巷道長為100 m，巷道（不含支護層）的詳細尺寸如圖2所示。

1.2 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

湍流是不規(guī)則、多尺度、有結(jié)構(gòu)的流動，一般是三維、非定常的，具有很強的擴散性和耗散性。巷道內(nèi)風(fēng)流是地下熱環(huán)境流動特性的重要組成部分，對巷道熱環(huán)境有著重要的影響。盡管巷道風(fēng)流的湍流模型非常復(fù)雜，但仍需遵循動量守恒定律、質(zhì)量守恒定律與能量守恒定律，在流體力學(xué)中分別體現(xiàn)為動量方程（Navier-Stokes方程）、質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）及能量守恒方程，本研究采用ANSYS Fluent商用CFD軟件求解上述方程。基于K-ε模型對風(fēng)流模擬有效性的優(yōu)點，本文選用工程中最常用的標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型［9］。

高溫巷道風(fēng)流分為平流和湍流2種方式［10-12］。其中，湍流的動量傳遞、質(zhì)量傳遞和能量傳遞是同時發(fā)生的［13-14］。

1.3 傳熱模型定解條件設(shè)定

數(shù)值模擬中的定解條件主要包括2種：一個是被研究對象起始狀況的條件，稱為初始條件；另一個是對被研究對象的邊界問題起到限制的條件，稱為邊界條件。

1）初始條件。根據(jù)該礦山巷道現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)，其相關(guān)尺寸如圖2所示。其中，圍巖外側(cè)溫度為45 ℃。圍巖材料以花崗巖為主，巷道內(nèi)壁面噴射0.15 m厚的支護層。對照組（普通混凝土）支護層材料的參數(shù)設(shè)置如下：密度為2 400 kg/m3，比熱容為1 000 J/（kg·℃），導(dǎo)熱系數(shù)為1.5 W/（m·℃）；試驗組（PWS-MPCM）支護層材料的參數(shù)設(shè)置如下：密度為1 641 kg/m3，比熱容為1 229 J/（kg·℃），導(dǎo)熱系數(shù)為0.27 W/（m·℃），相關(guān)材料的物理參數(shù)如表1所示。

2）邊界條件。熱量從原巖通過圍巖和支護層傳遞到巷道的過程是一個耦合的過程，該過程會受到圍巖內(nèi)部、支護層內(nèi)部導(dǎo)熱系數(shù)及圍巖與支護層、支護層與巷道空氣之間熱對流的共同影響。在圍巖與支護層、支護層與巷道空氣之間創(chuàng)建交界面，使固體傳熱與流體傳熱之間利用耦合邊界條件進行耦合。相關(guān)模擬參數(shù)和邊界條件的設(shè)定如表2所示。

1.4 傳熱模型網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格尺寸對模擬結(jié)果的精度有著重要影響，對模型網(wǎng)格進行獨立性檢驗非常必要，以保證生成的網(wǎng)格尺寸不會影響模擬結(jié)果［15-16］。現(xiàn)以巷道截面為例，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對計算區(qū)域進行離散。通過Ansys網(wǎng)格劃分，生成了具有低、中、高3種質(zhì)量的網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量分別為1 088 842，1 997 920和2 519 235個，如圖3-a）所示。利用ANSYS Fluent軟件對不同網(wǎng)格質(zhì)量下巖石溫度隨深度變化進行模擬，對巷道x=20 m和z=2.4 m（0 m≤y≤17.45 m）處的圍巖溫度數(shù)據(jù)進行導(dǎo)出，如圖3-b）所示。由圖3-b）可知：中質(zhì)量網(wǎng)格下的溫度與高質(zhì)量網(wǎng)格下的溫度偏差約為0.6 %，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差可忽略不計；低質(zhì)量網(wǎng)格下的溫度與高質(zhì)量網(wǎng)格下的溫度偏差高達2.5 %，說明低質(zhì)量網(wǎng)格的劃分是不理想的。同時，網(wǎng)格質(zhì)量越高，模擬的時間成本越大。權(quán)衡模擬誤差與時間成本，本研究選擇中質(zhì)量的網(wǎng)格劃分。

2 高溫巷道數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 巷道溫度場

為驗證PWS-MPCM涂層的隔熱性能及控溫性能，本文主要模擬了巷道支護層（內(nèi)側(cè)和外側(cè)）不同噴涂材料下的溫度場分布，如圖4所示。由圖4可知，支護層外側(cè)較支護層內(nèi)側(cè)的整體溫度偏高。這是由于在溫度低的風(fēng)流和溫度高的圍巖的共同作用下，支護層材料由巷道內(nèi)側(cè)到巷道外側(cè)呈現(xiàn)一定的起伏性。

支護層材料為普通混凝土的巷道為對照組（如圖4-a）和圖4-b）所示），對比對照組支護層內(nèi)側(cè)的溫度分布情況，可以清楚看到有PWS-MPCM涂層（如圖4-c）所示）的巷道內(nèi)溫度較對照組支護層內(nèi)側(cè)低，這是因為在相同通風(fēng)溫度的條件下，對照組即材料為普通混凝土支護層的導(dǎo)熱系數(shù)較高，巷道內(nèi)溫度低的風(fēng)流相對較快會傳遞到支護層外側(cè)，造成冷量浪費，這也是對照組支護層外側(cè)溫度較低的原因。含PWS-MPCM涂層的支護層外側(cè)溫度較高的原因為含PWS-MPCM涂層的支護層導(dǎo)熱系數(shù)較低，巷道內(nèi)冷風(fēng)流很難傳遞到支護層外側(cè)而保留在巷道內(nèi)，所以含PWS-MPCM涂層的支護層內(nèi)側(cè)溫度低。此時，含PWS-MPCM涂層的支護層外側(cè)主要受高溫圍巖的影響，所以其整體溫度較高。由以上分析可以得出，即使PWS-MPCM涂層內(nèi)的相變微膠囊不發(fā)生相態(tài)變化即不發(fā)揮吸熱作用時，與普通混凝土相比，對巷道溫度場有著積極的作用。這驗證了PWS-MPCM涂層具有良好的隔熱性能。

當(dāng)巷道內(nèi)的溫度達到相變微膠囊相變溫度時，相變微膠囊內(nèi)的相變材料會熔化吸收支護層內(nèi)側(cè)和外側(cè)的熱量，并將這部分熱量儲存起來而自身變?yōu)橐簯B(tài)（熱能儲存狀態(tài)）。PWS-MPCM涂層內(nèi)的相變材料發(fā)生相態(tài)變化發(fā)揮吸熱作用最大化狀態(tài)的模擬圖如圖4-e）和圖4-f）所示，所以其支護層內(nèi)側(cè)和外側(cè)的溫度分別比PWS-MPCM涂層內(nèi)的相變材料未發(fā)揮吸熱作用時支護層內(nèi)側(cè)和外側(cè)的溫度更低一些。這驗證了PWS-MPCM涂層發(fā)生相變時還具有良好的控溫性能。

2.2 圍巖-巷道溫度場

與之前的參數(shù)設(shè)置相同，本節(jié)模擬了在相同通風(fēng)條件下圍巖-巷道溫度場的分布情況。模擬過程中，圍巖外圍的溫度設(shè)置為45 ℃，風(fēng)溫設(shè)置為18 ℃。圍巖-巷道模型的各部分溫度都會受高溫圍巖和低溫風(fēng)流的雙重影響。為了更加清晰和直觀地展示模擬結(jié)果，本研究選取圍巖-巷道模型的橫截面和縱剖面對溫度場云圖進行展示，如圖5所示。

當(dāng)支護層材料為普通混凝土?xí)r，由于普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)較高，與巷道距離較近的支護層外側(cè)受低溫風(fēng)流的影響比較大，所以其溫度較低，如圖5-a）和圖5-b）所示。與此同時，也造成了巷道內(nèi)低溫風(fēng)流冷量的浪費。當(dāng)支護層材料為PWS-MPCM且PWS-MPCM內(nèi)的相變微膠囊未發(fā)生相變時，由于PWS-MPCM的導(dǎo)熱系數(shù)較低，巷道內(nèi)的溫度主要受低溫風(fēng)流的影響。與此同時，高溫圍巖的熱量也很難通過PWS-MPCM支護層傳遞到巷道內(nèi)，這樣在避免巷道內(nèi)冷量浪費的同時，也阻隔了圍巖熱量的進入，巷道內(nèi)溫度較對照組溫度低。該結(jié)果驗證了PWS-MPCM具有良好的隔熱效果。

當(dāng)支護層材料為PWS-MPCM且PWS-MPCM內(nèi)的相變微膠囊發(fā)生相變時，相變微膠囊內(nèi)的相變材料會熔化吸熱，PWS-MPCM內(nèi)相變材料發(fā)揮其吸熱作用最大化時的圍巖-巷道溫度場模擬結(jié)果如圖5-e）和圖5-f）所示。與相變材料未發(fā)生相變時相比，巷道支護層內(nèi)外側(cè)的溫度均更低。毫無疑問，這對巷道熱害治理發(fā)揮作用更大，效果更好，進一步驗證了PWS-MPCM具有良好的控溫效果。

3 經(jīng)濟性比較

為了驗證PWS-MPCM的實用性，在山東某深井開采金礦進行了為期6個月的現(xiàn)場試驗。通過對比試驗區(qū)與未使用該技術(shù)的對照區(qū)，對風(fēng)溫、圍巖熱流密度與熱舒適度等指標(biāo)進行了監(jiān)測與調(diào)研。結(jié)0838d6197b689ddfd0345dc5af62eab7676415c1f24f86b7cce579e53f149850果顯示，使用PWS-MPCM的區(qū)域，平均風(fēng)溫比對照組低3 ℃～5 ℃，且溫度波動范圍更小，熱流密度降低了約20 %，與數(shù)值模擬結(jié)果一致，隔熱效果顯著。礦山作業(yè)人員反饋，工作舒適度明顯提高，熱應(yīng)激反應(yīng)減少。

雖然相變微膠囊的引入增加了材料成本，但綜合考慮施工效率、使用壽命和維護費用，該技術(shù)的總體成本依然遠低于傳統(tǒng)機械制冷方案。長期來看，由于其優(yōu)異的隔熱效果和穩(wěn)定性，能夠減少因熱害導(dǎo)致的安全事故和健康問題，從而大幅削減了潛在的勞動保護費用和損失的工作日。

該技術(shù)在提高礦山工作環(huán)境質(zhì)量方面具有顯著優(yōu)勢，其環(huán)保、節(jié)能特性符合當(dāng)前綠色礦山的發(fā)展趨勢。此外，該技術(shù)的推廣應(yīng)用有助于提升礦山安全水平，促進礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié) 語

本文采用前期針對高溫礦山研發(fā)的PWS-MPCM，并運用ANSYS Fluent模擬軟件對支護層材料分別為普通混凝土、PWS-MPCM未發(fā)生相變及PWS-MPCM發(fā)生相變時的3種情況進行CFD數(shù)值模擬，得到了3種情況下巷道支護層內(nèi)外側(cè)的溫度場分布云圖和圍巖-巷道各剖面的溫度場分布云圖。通過對模擬結(jié)果的對比分析，得到了PWS-MPCM具有良好的隔熱和控溫性能的結(jié)論，進一步驗證了PWS-MPCM在礦井熱害治理方面具有明顯的優(yōu)勢。

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Study on the thermal performance of pumping wet shotcrete

with phase change materials based on CFD numerical simulation

Sun Qifei，Wang Yang，Zuo Mingming，Su Xuekai

（Shandong Zhaojin Group Co.，Ltd.）

Abstract：As the mining depth of major gold mines around the world increases，high-temperature surrounding rock transfers a significant amount of heat to the airflow in roadways，thereby significantly raising the air temperature.The use of insulating materials on roadway surfaces has proved to be an effective method for improving the thermal environment of underground workplaces.This study validates the functionality of pumping wet shotcrete with phase change materials （PWS-MPCM），previously developed for roadway support，using fluid dynamics numerical simulation to analyze the temperature distribution within the surrounding rock.The results show that PWS-MPCM significantly impacts the temperature distribution within the surrounding rock and exhibits excellent thermal insulation and temperature control properties.This study demonstrates that PWS-MPCM can be a fundamental solution for mitigating heat hazards in deep gold mines.

Keywords：deep mining;gold mine;high-temperature heat hazard;numerical simulation;pumping wet shotcrete;thermal performance