王運敏 陳宜華 賈敏濤

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室)

在高溫金屬礦床礦井通風過程中，當?shù)V井入風風流溫度較高時，風流流過井巷與井下環(huán)境空氣產(chǎn)生熱交換。熱交換過程是一個“多相流”復雜過程，有氣－固(氣體與固體間)、氣 －液(氣體與熱水間)、氣－氣(高溫氣體與低溫氣體間)熱交換。根據(jù)井下地點不同可將熱交換分為風流通過豎井、巷道、掘進工作面、硐室的熱交換過程等。本研究根據(jù)深井開采熱源產(chǎn)生的量及地點，以開采巷道的熱力學計算為對象，以冬瓜山銅礦為實例，通過計算機模擬的手段對巷道進行熱力學分析，并現(xiàn)場校驗熱力學計算的符合性，指導深井巷道降溫設(shè)計。

1 風流通過巷道的熱力學計算

礦井風流通過巷道的熱交換過程是一個能量交換過程，根據(jù)熱力學定律，各種形式的能量均可在一定的條件下相互轉(zhuǎn)換，總能量保持不變。根據(jù)礦山井下巷道熱量產(chǎn)生方式的不同以及開挖時間的長短，所產(chǎn)生的熱量或放熱過程是不同的，按照井下巷道開挖時間分為通風時間大于1 a和小于1 a的巷道通風熱交換。對冬瓜山銅礦而言，通風風流通過采空區(qū)巷道，實現(xiàn)對入風風流的熱交換，對風溫預冷，風流通過空區(qū)預冷按通風時間大于1 a的巷道計算。為后述方便，進行以下設(shè)定:i1、i2為風流通過巷道始點、終點質(zhì)量焓，kJ/kg;φ1、φ2為巷道始點、終點相對濕度;MB為通過井巷的風量，kg/s;Kτ為風流與圍巖間的不穩(wěn)定熱交換系數(shù)，W/(m2·℃);L、U為巷道長度、周長，m;tgu為圍巖原始溫度，℃;t1、t2為風流通過巷道始點、終點溫度，℃;KW為巷道水溝蓋板傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)，無水溝巷道內(nèi)排水取0;FW為水溝蓋板的面積，m2，無水溝取0;tW為排水溝水溫度，℃，無水溝取0;∑QM為巷道內(nèi)局部放熱量之和，W;Bj(j=1，2)為巷道內(nèi)起點、終點大氣壓力，kPa。為了簡化計算，認為風流通過井巷是穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程。

能量方程如下:

式中，u1、u2為巷道起、終點質(zhì)量熱力能，J;v1、v2為巷道起、終點風速，m/s;p1、p2為巷道起、終點壓強，Pa;V1、V2為巷道起、終點質(zhì)量體積，m3/kg;z1、z2為巷道起、終點標高，m;g為自由落體加速度，取9.8 m/s2;q為巷道環(huán)境對空氣加熱量，J/kg。

分析風流通過水平無熱水管道巷道的穩(wěn)定流動過程，由式(1)得

式中，Cp為空氣質(zhì)量定壓熱容，kJ/(kg·℃);r為水的汽化潛熱，J/kg;xj為含濕量，g/kg。

令

式中，KB1、KB2為相對大氣壓力比，KBj=101.325/Bj;a0、a1、a2為常數(shù)，實驗獲得或查表。

在t=14～35℃，通過查表，得a0=9.929 7，a1=－0.464 3，a2=0.034 5，水的汽化潛熱0℃時，r=2 501 J/kg，Cp=1.005 kJ/(kg·℃)。令

式中，λ為巖石熱導率，W/(m·℃);a為放熱系數(shù)，W/(m·℃);R0為巷道當量半徑，m;τ為巷道通風時間，h;b為圍巖的蓄熱系數(shù)，b=1．128 4，Cy為巖石熱容，J/(m3·℃)。

2 巷道高溫風流的計算機模擬

深熱礦井地熱研究的方法主要有室內(nèi)試驗、類比模擬試驗、計算機模擬試驗和現(xiàn)場半工業(yè)試驗。通過試驗研究工作確定礦井熱害治理對策。其中通過計算機模擬可預測主要井巷的溫度變化，找出高溫地段，研究相應(yīng)的對策措施。

計算機模擬法有多種，本研究采用MATLAB軟件對巷道進行模擬。MATLAB是以矩陣作為數(shù)據(jù)操作的基本單元，還提供了十分豐富的數(shù)值計算函數(shù)，MATLAB與符號計算語言Maple相結(jié)合，使MATLAB具有計算功能，另外MATLAB提供繪圖操作。

礦井通風降溫計算數(shù)學模型中，涉及到礦井、巷道、硐室熱及回采工作面的熱交換計算等，本研究以巷道的熱交換為例，對銅陵有色公司冬瓜山銅礦井下巷道條件進行模擬，解算其熱交換的微分方程，說明其方法可行性。

在Windowns平臺上，應(yīng)用MATLAB進行編程，MATLAB在桌面上添加了Start按鈕，可快速訪問所有工具，且在窗口的左下角設(shè)計“開始”按鈕，啟動MATLAB之后，在操作界面對圖標進行操作。

對風流通過巷道的穩(wěn)定流動過程進行分析(水平巷道無熱水管道)，模擬計算巷道長度上的溫度變化關(guān)系，結(jié)果如圖1所示。

3 冬瓜山銅礦巷道熱力學計算及通風降溫實踐

通過上述理論計算，對礦山井下巷道進行實際監(jiān)測分析，說明模擬計算的準確性。

圖1 巷道長度上溫度變化解算結(jié)果

3.1 礦山開采概況

冬瓜山銅礦床是埋藏深度超過千米且礦體均賦存于熱害區(qū)的特大型高硫銅礦床。礦體埋藏較深，達－690～1 007 m，水平走向長度1 810 m，最大寬度882 m，最小寬度204 m，礦體一般厚度30～50 m，為層狀緩傾斜—水平礦體，厚度變化較大。礦石含硫量19.7%，礦區(qū)恒溫帶深度20±5 m，恒溫帶溫度17.5℃，平均地溫梯度2.1℃ /hm。礦體標高原巖溫度30～39.8℃，全礦地下水正常涌水量預測4 320 m3/d，最大涌水量9 510 m3/d。采礦方法為大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法和扇形中深孔階段空場嗣后充填法，采礦生產(chǎn)能力的建設(shè)規(guī)模為1萬 t/d。

3.2 風流通過巷道的熱力學計算

3.2.1 原始資料

風流從+40 m輔井平硐口到+50 m預冷巷道，巷道內(nèi)無生產(chǎn)設(shè)施(無生產(chǎn)設(shè)備、水溝、管道等)，為廢棄巷道(見圖2)。巷道經(jīng)濟風速要求為7～8 m/s，擬定預冷風量為60～90 m3/s，+50 m預冷巷道壁溫為19℃，參照相關(guān)資料，f(19℃)=13.8，巖石熱導率λ=3.944 W/(m·℃)，散熱系數(shù)a=14.65 W/(m2·℃)，地溫梯度σ=2.1℃/hm，巖石比熱ω=0.222 Cal/(g·℃)，巖石密度(灰?guī)r、大理巖夾角巖)б=2.695 kg/m3，巖石熱容 Cy=2 503.2 kJ/(m3·℃)，φ1=0.8，φ2=0.9，B1=B2=101.325 kPa，巷道通風時間常數(shù)τ=7 a，tgu=19℃。

3.2.2 圍巖與風流之間的不穩(wěn)定熱交換計算

(1)冬瓜山輔助井平硐端空氣預冷。+40 m至+50 m聯(lián)巷S=5.84 m2，P=9.23 m，當量半徑R0=1.47 m，從輔井平硐口到+50 m長L=212 m，按上述微分方程解算方法計算，圍巖蓄熱系數(shù)b=1.128 54(λCp×1 000)0.51，(τ)0.5=14 058.8，圍巖與風流間的熱交換系數(shù)Kτ=1.488 W/(m2·K)。

圖2 空氣預冷系統(tǒng)

空區(qū)已是長期不用的礦坑，由于深部生產(chǎn)的需要，上部空區(qū)進行處理，只保留了巷道，無熱源。由式(2)～式(5)得 A=27.6，D=1 007，t2=20.8 ℃。

(2)聯(lián)絡(luò)平巷空氣預冷。聯(lián)絡(luò)平巷S=2 m×2 m=4 m2，P=8 m，當量半徑 R0=1.27 m ，L=280 m，風量 Q=60 m3/s，t1=20.8 ℃，f(20.8 ℃)=13.7。

圍巖蓄熱系數(shù) b=1.128 54(λCp×1 000)0.5，(τ)0.5=14 085.8。

圍巖與風流間的熱交換系數(shù) Kτ=1.488 W/(m2·K)。

同上計算，A=16.79，D=948，t2=23.5 ℃。由于巷道斷面減小，風速增加，氣流與巷道壁磨擦產(chǎn)生熱量，使風流溫度升高。

(3)預冷主巷空氣預冷。預冷主巷S=11.69 m2，P=13.06 m，L=398 m，R0=2.07，風量 Q=90 m3/s，t1=23.5 ℃，f(23.5 ℃)=17.7。

圍巖蓄熱系數(shù) b=1.128 54(λCp×1 000)0.5，(τ)0.5=14 085.8。

圍巖與風流間的熱交換系數(shù) Kτ=0.988 W/(m2·K)。

同上計算，A=16.79，D=948，t2=18.5 ℃。

3.3 冬瓜山銅礦采空區(qū)廢舊巷道預冷降溫的實踐

冬瓜山銅礦夏季平均氣溫為27.5℃，最高溫度37℃，平均相對濕度80%。新鮮風流從老西風井進入，經(jīng)－10 m中段后，從天井下到－40 m中段，然后匯入進風井。在－40 m中段進風井石門裝有1臺風機，預冷風量為65 m3/s。由于老采空區(qū)和廢舊巷道通風時間較長，調(diào)熱巷道壁面的溫度取19℃。而－10～－40 m中段可用廢舊巷道長度約2 400 m，所以可以把65 m3/s的風流降溫到19.85℃(計算值為18℃)。

利用風井及－80、－120、－160 m中段廢舊巷道預冷。新鮮風流從風井進入，分3路分別進入－80、－120、－160 m中段，－80 m中段的冷風與副井的新鮮風混合。－120和－160 m中段的冷風與進風井的新鮮風混合。預冷風量為90 m3/s，每個中段30 m3/s。

經(jīng)計算，利用此3個中段可把90 m3/s的預冷風量的溫度降至19.85℃，需要的廢舊巷道長度為2 650 m，而這3個中段廢舊巷道長度＞3 000 m，所以可滿足要求。

進風井總風量由程序解算為600 m3/s，在與預冷風流混合后，空氣的溫度為24.4℃。副井總風量為132 m3/s，在與預冷風流混合后，實測空氣的溫度為24.8℃。實際測定的結(jié)果與通風熱交換的理論計算基本符合。

4 結(jié)論

本研究對高溫礦井巷道的熱力學微分方程分析計算，提出金屬礦山冷熱空氣在井下巷道內(nèi)熱交換方程，結(jié)合冬瓜山銅礦的實際，把分析結(jié)果應(yīng)用于冬瓜山銅礦的熱力學計算。冬瓜山礦進風井口地面溫度在7—8月份比較高，地面空氣進入井下時，通過恒溫帶，熱空氣與巖石進行熱交換，使進入工作面的風流溫度降低，通過熱力學計算，地表35℃高溫空氣通過上部采空區(qū)巷道(2 400 m)后，在與進風井混合前，風流溫度可降低為18℃左右(實際測定19.5℃)，混合后風流溫度降至24.4℃(實際測定24.8℃)，說明巷道熱交換理論模擬分析計算具有較好的實用價值。

［1］ 李東青，王李廣．深井硬巖大規(guī)模開采理論與技術(shù)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2009．

［2］ 楊德源，楊天鴻著．礦井熱環(huán)境及其控制［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2009．

［3］ 胡漢華．金屬礦山礦井熱害控制關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.長沙:中南大學，2008．

［4］ 楊德源．礦井風流與環(huán)境熱交換機理［M］.撫順:煤炭科學院撫順分院，1994．