王玉普 劉一良 孫 龍 李杰林 周科平 李光全

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

隨著金屬礦山開采深度的不斷增大，越來越多的金屬礦山已經(jīng)或即將進(jìn)入深部開采階段，目前世界上有色金屬礦最大開采深度已超過4 350 m［1］。隨著開采深度的增大，受地?zé)峒帮L(fēng)流自壓縮熱等因素的影響，礦井高溫?zé)岷栴}日益凸顯［2-3］，成為當(dāng)下采礦和安全領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

我國對井田地溫場及井巷圍巖溫度的研究最早開始于1954 年［4］，近些年來，礦井降溫技術(shù)研究發(fā)展迅速，可分為非人工制冷降溫技術(shù)及人工制冷降溫技術(shù)2類。前者主要包括通風(fēng)降溫、利用調(diào)溫巷道降溫、巷壁絕熱等技術(shù)，后者主要包括人工制冷水/冰降溫、液態(tài)氣體相變制冷降溫、直膨式熱泵降溫等技術(shù)，各類降溫技術(shù)均能在一定程度上緩解礦山高溫?zé)岷栴}［5］。從應(yīng)用情況來看，非人工制冷降溫技術(shù)降溫幅度有限，尤其是針對以地?zé)釣橹饕獰嵩吹牡V山，降溫效果較差，通常僅作為輔助措施［6］；而人工制冷降溫技術(shù)降溫效果良好，但此類技術(shù)通常需要在地面或井下建立制冷系統(tǒng)，存在占地面積大、成本高、能耗大、移動(dòng)性差等不足［7］，且隨著開采深度的不斷增大，冷量制備和傳輸壓力也將進(jìn)一步增大，尤其是對于以地?zé)岢梢?、作業(yè)點(diǎn)分布范圍廣的金屬礦山而言，性價(jià)比較低。

為了解決高溫礦井掘進(jìn)工作面熱害難題，以云南大紅山銅礦為研究對象，在對礦山熱害成因和各類降溫方案的降溫效果及適用條件分析的基礎(chǔ)上［8-9］，提出了一種金屬礦山高溫工作面的移動(dòng)式人工制冷降溫方法，并開展了現(xiàn)場試驗(yàn)，取得了初步的應(yīng)用效果［10-11］。為進(jìn)一步探究人工制冷設(shè)備對金屬礦山高溫工作面的適用性，采用現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)值模擬的方法對制冷設(shè)備運(yùn)行工況下的巷道溫度場分布特征開展研究，研究成果可為高溫礦井人工制冷技術(shù)研發(fā)提供指導(dǎo)。

1 人工制冷設(shè)備降溫效果的現(xiàn)場試驗(yàn)

1.1 設(shè)備概況

人工制冷設(shè)備功率為15 kW，采用一體化設(shè)計(jì)，由設(shè)備主體及拖行式平臺兩部分組成。設(shè)備主體正面有冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)口及2 個(gè)冷風(fēng)出口，背面有4 個(gè)熱風(fēng)出口，冷凝器、壓縮機(jī)、儲液器等集成在設(shè)備主體內(nèi)部，設(shè)備主體安設(shè)在拖行式平臺上，便于對設(shè)備進(jìn)行拖拽前行或后退。

1.2 試驗(yàn)工況設(shè)置

現(xiàn)場試驗(yàn)地點(diǎn)選取大紅山銅礦西礦段140 m 水平132 線探礦穿脈，巷道斷面為三心拱，斷面尺寸為4 m×3.4 m，人工制冷設(shè)備放置于距離工作面12 m處，設(shè)備正面朝向工作面，向工作面輸送冷風(fēng)?？紤]到工作面附近區(qū)域人員活動(dòng)較為頻繁，故在制冷設(shè)備的一個(gè)冷風(fēng)出口處增設(shè)直徑為800 mm的冷風(fēng)送風(fēng)風(fēng)筒，風(fēng)筒出口距離工作面5 m。前期研究成果表明：縮小制冷空間、有效排出制冷設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量，有利于提高降溫效果，故在制冷設(shè)備左右兩側(cè)及上側(cè)安設(shè)風(fēng)障以縮小制冷空間。同時(shí)，為了降低設(shè)備散熱對制冷效果的影響，在制冷設(shè)備熱風(fēng)出口處增設(shè)直徑為600 mm、長為10 m 的排熱風(fēng)筒，將散熱排出設(shè)備周圍區(qū)域。現(xiàn)場試驗(yàn)如圖1所示。

為便于評價(jià)降溫效果，試驗(yàn)時(shí)在制冷空間內(nèi)設(shè)置編號依次為1號、2號、3號的3個(gè)測點(diǎn)，與工作面距離分別為1、6 和11 m，3 個(gè)測點(diǎn)距巷道底板高度均為1.6 m，每隔5 min自動(dòng)記錄測點(diǎn)處的干球溫度值。

1.3 結(jié)果分析

設(shè)備開機(jī)后，3 個(gè)測點(diǎn)的干球溫度變化如圖2 所示，可以看出，溫度穩(wěn)定后，1 號測點(diǎn)干球溫度位于25.9～26.9 ℃，2 號測點(diǎn)干球溫度位于27.0～28.0 ℃，3號測點(diǎn)干球溫度位于27.0～27.9 ℃，與原始的環(huán)境溫度相比（34 ℃），各測點(diǎn)溫度均下降明顯，說明人工制冷設(shè)備的降溫效果顯著。

2 人工制冷設(shè)備降溫效果的數(shù)值模擬分析

2.1 物理模型建立

物理模型如圖3所示，模型長為100 m，斷面尺寸及人工制冷設(shè)備相應(yīng)位置參數(shù)設(shè)置參照前文試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 模擬參數(shù)設(shè)定

對物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后將其導(dǎo)入Fluent，求解器選擇壓力基、絕對速度、穩(wěn)態(tài)，設(shè)置重力加速度沿Y軸負(fù)方向，數(shù)值為9.81 m/s2，開啟能量方程?？紤]到礦井巷道中的風(fēng)流多為湍流流動(dòng)，故開啟湍流模 型，模 型 選 用Realizable K-Epsilon［12］，算 法 選 用SIMPLE［13］。

結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)所得的各項(xiàng)實(shí)測數(shù)據(jù)，設(shè)定模擬過程中的邊界條件如下。

（1）入口邊界：均為速度入口邊界，設(shè)定未增設(shè)冷風(fēng)送風(fēng)風(fēng)筒的人工制冷設(shè)備冷風(fēng)出口速度為10 m/s，溫度為25.5 ℃；設(shè)定冷風(fēng)送風(fēng)風(fēng)筒的風(fēng)筒出口速度為10 m/s，溫度為26 ℃；設(shè)定排熱風(fēng)筒的風(fēng)筒出口速度為10 m/s，溫度為48 ℃。

（2）出口邊界：設(shè)定人工制冷設(shè)備冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)口為壓力出口邊界，壓力設(shè)置為-10 Pa。

（3）壁面邊界：設(shè)定巷道壁面為無滑移固體壁面邊界，壁面溫度設(shè)置為34 ℃。

2.3 模型驗(yàn)證

參數(shù)設(shè)定完成之后，進(jìn)行初始化，開展穩(wěn)態(tài)模擬。模擬收斂后，將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入CFD-Post 中進(jìn)行后處理，在模型中添加1 號、2 號、3 號3 個(gè)點(diǎn)，分別對應(yīng)現(xiàn)場試驗(yàn)中的3 個(gè)測點(diǎn)，得到3 個(gè)點(diǎn)的干球溫度值分別為27.0、26.9、27.4 ℃。3 個(gè)測點(diǎn)的模擬溫度值與實(shí)測溫度值對比如圖4所示，可以看出，3個(gè)測點(diǎn)的模擬溫度值與實(shí)測溫度值之間的誤差分別為0.4%～4.2%、0.4%～3.9%、1.5%～1.8%，均小于4.2%，處于可接受范圍內(nèi)，故認(rèn)為數(shù)值模擬模型可靠，計(jì)算結(jié)果正確。

3 人工制冷設(shè)備運(yùn)行下巷道溫度場分布規(guī)律

提取數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，對巷道溫度場規(guī)律進(jìn)行分析。

3.1 沿巷道軸向的溫度場分布特征

以掘進(jìn)工作面為起點(diǎn)，在距離工作面1～36 m 范圍內(nèi)每隔1 m 取一個(gè)截面，獲得截面的平均溫度，繪制截面平均干球溫度隨距工作面距離的變化圖，如圖5所示。依據(jù)各截面平均干球溫度的影響因素，可將圖5 大致分為3 個(gè)區(qū)域。第一個(gè)區(qū)域?yàn)橹评淇臻g（圖5 中A 區(qū)域），此區(qū)域內(nèi)干球溫度受制冷設(shè)備產(chǎn)生的冷空氣及巷道內(nèi)少量進(jìn)入制冷空間的熱空氣影響，截面平均干球溫度隨距工作面距離的增大而增大；第二個(gè)區(qū)域?yàn)轱L(fēng)障至制冷設(shè)備排熱風(fēng)筒出口（圖5 中B 區(qū)域），此區(qū)域內(nèi)干球溫度受制冷空間內(nèi)逸散的部分冷空氣、巷道內(nèi)原有的熱空氣及制冷設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量影響，截面平均干球溫度隨距工作面距離的增大而增大；第三個(gè)區(qū)域?yàn)榕艧犸L(fēng)筒出口至距離工作面36 m范圍內(nèi)（圖5中C區(qū)域），此區(qū)域內(nèi)干球溫度受制冷設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量影響，截面平均干球溫度隨距工作面距離的增大呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，若巷道足夠長，則溫度最終將趨近于巷道內(nèi)原始空氣的溫度。

從圖5可以看出，制冷空間內(nèi)各截面平均干球溫度均低于28 ℃，現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)測巷道相對濕度為70%，按照干球溫度28 ℃換算得到的濕球溫度約為23.6 ℃，低于27 ℃，滿足《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB 16423—2020）的規(guī)定。由此可見，人工制冷設(shè)備的降溫效果良好，能夠有效解決金屬礦山工作面的高溫問題。

從圖5 也可以看出，在距離工作面1～36 m 范圍內(nèi)截面平均干球溫度發(fā)生了2次躍遷，第一次為區(qū)域A 與區(qū)域B 的交界處，即風(fēng)障所在位置，干球溫度由風(fēng)障內(nèi)側(cè)的27.85 ℃躍遷至風(fēng)障外側(cè)的31.35 ℃，溫差3.5 ℃；發(fā)生躍遷的原因是風(fēng)障將巷道內(nèi)的冷熱空氣分隔在制冷空間內(nèi)外，阻隔了制冷空間內(nèi)冷空氣向制冷空間外流動(dòng)及制冷空間外熱空氣向制冷空間內(nèi)流動(dòng)，減少了冷熱空氣的換熱。第二次為區(qū)域B與區(qū)域C 的交界處，即排熱風(fēng)筒出風(fēng)口處，干球溫度由風(fēng)筒出口靠近工作面一側(cè)的36.25 ℃躍遷至風(fēng)筒出口靠近巷道出口一側(cè)的37.85 ℃，溫差1.6 ℃；此位置處的溫度躍遷由制冷設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量排放造成，而經(jīng)排熱風(fēng)筒排出的熱空氣會(huì)使截面平均干球溫度最高升至42.75 ℃，由此可見，若未設(shè)置排熱風(fēng)筒，風(fēng)障內(nèi)外兩側(cè)最高溫差將接近或超過10 ℃。

綜上分析，設(shè)置風(fēng)障能夠有效增加冷空氣利用率，提高設(shè)備的降溫效果；而設(shè)置排熱風(fēng)筒能夠有效地將設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量排放至遠(yuǎn)離設(shè)備區(qū)域，避免熱空氣在設(shè)備附近積聚，極大減少了熱空氣的回流，大幅提高了設(shè)備的降溫效果，在實(shí)際應(yīng)用中，可充分利用局部通風(fēng)系統(tǒng)來排出設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量，減少拆裝風(fēng)筒造成的人力物力消耗。

3.2 不同位置的巷道橫截面溫度分布特點(diǎn)

制冷空間為制冷降溫的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，故以Z=1 m、Z=3 m、Z=5 m、Z=7 m、Z=9 m、Z=11 m 的干球溫度分布云圖為例探究巷道橫截面的干球溫度分布特點(diǎn)，不同截面的干球溫度分布云圖如圖6所示。從圖6 可以看出，在Z=1 m、Z=3 m、Z=5 m 時(shí)，各個(gè)截面的整體干球溫度較低，冷空氣分布均勻，溫度最低點(diǎn)集中在冷風(fēng)送風(fēng)風(fēng)筒出口附近，熱空氣則主要集中在巷道壁面附近，且隨著與工作面距離的增大，各個(gè)截面的冷空氣呈現(xiàn)出從四周向冷風(fēng)送風(fēng)風(fēng)筒出口收縮的趨勢。而在Z=7 m、Z=9 m、Z=11 m 時(shí)，各個(gè)截面的整體干球溫度有所上升，冷空氣覆蓋范圍減小，但熱空氣主要分布在巷道上部，冷空氣則在巷道中下部分布均勻，若取作業(yè)人員的平均身高為1.7 m，則此范圍內(nèi)的熱空氣不會(huì)對作業(yè)人員造成過大的影響。此外，各個(gè)截面干球溫度最低點(diǎn)分布在冷風(fēng)出口附近，且隨著距工作面距離的增大，各個(gè)截面的冷空氣同樣呈現(xiàn)出從四周向設(shè)備冷風(fēng)出口收縮的趨勢。

4 結(jié) 論

（1）通過現(xiàn)場試驗(yàn)，人工制冷設(shè)備可將制冷空間內(nèi)干球溫度降低至28 ℃以下，對應(yīng)的濕球溫度約為23.6 ℃，滿足《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB 16423—2020）的規(guī)定，降溫效果顯著，對金屬礦山高溫工作面有良好的適用性。

（2）安設(shè)風(fēng)障能有效地將冷熱空氣阻隔在制冷空間內(nèi)外，能夠顯著減少冷熱空氣的換熱，提高冷空氣利用率，提升制冷設(shè)備的降溫效果。

（3）增設(shè)排熱風(fēng)筒能夠及時(shí)將制冷設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量排放至遠(yuǎn)離設(shè)備的區(qū)域，避免熱空氣在設(shè)備附近積聚，有效提高了制冷設(shè)備的降溫效果。

（4）制冷空間內(nèi)溫度最低點(diǎn)分布在冷源出口（冷風(fēng)送風(fēng)風(fēng)筒出口、冷風(fēng)出口）附近，隨著距工作面距離的增大，制冷空間內(nèi)的冷空氣呈現(xiàn)出向冷源出口收縮的趨勢。