王運(yùn)敏 陳宜華 賈敏濤

(1.中鋼集團(tuán)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

在高溫金屬礦床礦井通風(fēng)過程中，當(dāng)?shù)V井入風(fēng)風(fēng)流溫度較高時(shí)，風(fēng)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(gè)“多相流”復(fù)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(diǎn)不同可將熱交換分為風(fēng)流通過豎井、巷道、掘進(jìn)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(diǎn)，以開采巷道的熱力學(xué)計(jì)算為對(duì)象，以冬瓜山銅礦為實(shí)例，通過計(jì)算機(jī)模擬的手段對(duì)巷道進(jìn)行熱力學(xué)分析，并現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)熱力學(xué)計(jì)算的符合性，指導(dǎo)深井巷道降溫設(shè)計(jì)。

1 風(fēng)流通過巷道的熱力學(xué)計(jì)算

礦井風(fēng)流通過巷道的熱交換過程是一個(gè)能量交換過程，根據(jù)熱力學(xué)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(shí)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(shí)間分為通風(fēng)時(shí)間大于1 a和小于1 a的巷道通風(fēng)熱交換。對(duì)冬瓜山銅礦而言，通風(fēng)風(fēng)流通過采空區(qū)巷道，實(shí)現(xiàn)對(duì)入風(fēng)風(fēng)流的熱交換，對(duì)風(fēng)溫預(yù)冷，風(fēng)流通過空區(qū)預(yù)冷按通風(fēng)時(shí)間大于1 a的巷道計(jì)算。為后述方便，進(jìn)行以下設(shè)定:i1、i2為風(fēng)流通過巷道始點(diǎn)、終點(diǎn)質(zhì)量焓，kJ/kg;φ1、φ2為巷道始點(diǎn)、終點(diǎn)相對(duì)濕度;MB為通過井巷的風(fēng)量，kg/s;Kτ為風(fēng)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(fēng)流通過巷道始點(diǎn)、終點(diǎn)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(diǎn)、終點(diǎn)大氣壓力，kPa。為了簡化計(jì)算，認(rèn)為風(fēng)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(diǎn)質(zhì)量熱力能，J;v1、v2為巷道起、終點(diǎn)風(fēng)速，m/s;p1、p2為巷道起、終點(diǎn)壓強(qiáng)，Pa;V1、V2為巷道起、終點(diǎn)質(zhì)量體積，m3/kg;z1、z2為巷道起、終點(diǎn)標(biāo)高，m;g為自由落體加速度，取9.8 m/s2;q為巷道環(huán)境對(duì)空氣加熱量，J/kg。

分析風(fēng)流通過水平無熱水管道巷道的穩(wěn)定流動(dòng)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(duì)大氣壓力比，KBj=101.325/Bj;a0、a1、a2為常數(shù)，實(shí)驗(yàn)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(shí)，r=2 501 J/kg，Cp=1.005 kJ/(kg·℃)。令

式中，λ為巖石熱導(dǎo)率，W/(m·℃);a為放熱系數(shù)，W/(m·℃);R0為巷道當(dāng)量半徑，m;τ為巷道通風(fēng)時(shí)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(fēng)流的計(jì)算機(jī)模擬

深熱礦井地?zé)嵫芯康姆椒ㄖ饕惺覂?nèi)試驗(yàn)、類比模擬試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)半工業(yè)試驗(yàn)。通過試驗(yàn)研究工作確定礦井熱害治理對(duì)策。其中通過計(jì)算機(jī)模擬可預(yù)測(cè)主要井巷的溫度變化，找出高溫地段，研究相應(yīng)的對(duì)策措施。

計(jì)算機(jī)模擬法有多種，本研究采用MATLAB軟件對(duì)巷道進(jìn)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(jì)算函數(shù)，MATLAB與符號(hào)計(jì)算語言Maple相結(jié)合，使MATLAB具有計(jì)算功能，另外MATLAB提供繪圖操作。

礦井通風(fēng)降溫計(jì)算數(shù)學(xué)模型中，涉及到礦井、巷道、硐室熱及回采工作面的熱交換計(jì)算等，本研究以巷道的熱交換為例，對(duì)銅陵有色公司冬瓜山銅礦井下巷道條件進(jìn)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(tái)上，應(yīng)用MATLAB進(jìn)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(jì)“開始”按鈕，啟動(dòng)MATLAB之后，在操作界面對(duì)圖標(biāo)進(jìn)行操作。

對(duì)風(fēng)流通過巷道的穩(wěn)定流動(dòng)過程進(jìn)行分析(水平巷道無熱水管道)，模擬計(jì)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(xué)計(jì)算及通風(fēng)降溫實(shí)踐

通過上述理論計(jì)算，對(duì)礦山井下巷道進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測(cè)分析，說明模擬計(jì)算的準(zhǔn)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(dá)－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(biāo)高原巖溫度30～39.8℃，全礦地下水正常涌水量預(yù)測(cè)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?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法和扇形中深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?，采礦生產(chǎn)能力的建設(shè)規(guī)模為1萬 t/d。

3.2 風(fēng)流通過巷道的熱力學(xué)計(jì)算

3.2.1 原始資料

風(fēng)流從+40 m輔井平硐口到+50 m預(yù)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(jì)風(fēng)速要求為7～8 m/s，擬定預(yù)冷風(fēng)量為60～90 m3/s，+50 m預(yù)冷巷道壁溫為19℃，參照相關(guān)資料，f(19℃)=13.8，巖石熱導(dǎo)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(fēng)時(shí)間常數(shù)τ=7 a，tgu=19℃。

3.2.2 圍巖與風(fēng)流之間的不穩(wěn)定熱交換計(jì)算

(1)冬瓜山輔助井平硐端空氣預(yù)冷。+40 m至+50 m聯(lián)巷S=5.84 m2，P=9.23 m，當(dāng)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(jì)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(fēng)流間的熱交換系數(shù)Kτ=1.488 W/(m2·K)。

圖2 空氣預(yù)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(jìn)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(yù)冷。聯(lián)絡(luò)平巷S=2 m×2 m=4 m2，P=8 m，當(dāng)量半徑 R0=1.27 m ，L=280 m，風(fēng)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(fēng)流間的熱交換系數(shù) Kτ=1.488 W/(m2·K)。

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

(3)預(yù)冷主巷空氣預(yù)冷。預(yù)冷主巷S=11.69 m2，P=13.06 m，L=398 m，R0=2.07，風(fēng)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(fēng)流間的熱交換系數(shù) Kτ=0.988 W/(m2·K)。

同上計(jì)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(yù)冷降溫的實(shí)踐

冬瓜山銅礦夏季平均氣溫為27.5℃，最高溫度37℃，平均相對(duì)濕度80%。新鮮風(fēng)流從老西風(fēng)井進(jìn)入，經(jīng)－10 m中段后，從天井下到－40 m中段，然后匯入進(jìn)風(fēng)井。在－40 m中段進(jìn)風(fēng)井石門裝有1臺(tái)風(fēng)機(jī)，預(yù)冷風(fēng)量為65 m3/s。由于老采空區(qū)和廢舊巷道通風(fēng)時(shí)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(fēng)流降溫到19.85℃(計(jì)算值為18℃)。

利用風(fēng)井及－80、－120、－160 m中段廢舊巷道預(yù)冷。新鮮風(fēng)流從風(fēng)井進(jìn)入，分3路分別進(jìn)入－80、－120、－160 m中段，－80 m中段的冷風(fēng)與副井的新鮮風(fēng)混合。－120和－160 m中段的冷風(fēng)與進(jìn)風(fēng)井的新鮮風(fēng)混合。預(yù)冷風(fēng)量為90 m3/s，每個(gè)中段30 m3/s。

經(jīng)計(jì)算，利用此3個(gè)中段可把90 m3/s的預(yù)冷風(fēng)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(gè)中段廢舊巷道長度＞3 000 m，所以可滿足要求。

進(jìn)風(fēng)井總風(fēng)量由程序解算為600 m3/s，在與預(yù)冷風(fēng)流混合后，空氣的溫度為24.4℃。副井總風(fēng)量為132 m3/s，在與預(yù)冷風(fēng)流混合后，實(shí)測(cè)空氣的溫度為24.8℃。實(shí)際測(cè)定的結(jié)果與通風(fēng)熱交換的理論計(jì)算基本符合。

4 結(jié)論

本研究對(duì)高溫礦井巷道的熱力學(xué)微分方程分析計(jì)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(shí)際，把分析結(jié)果應(yīng)用于冬瓜山銅礦的熱力學(xué)計(jì)算。冬瓜山礦進(jìn)風(fēng)井口地面溫度在7—8月份比較高，地面空氣進(jìn)入井下時(shí)，通過恒溫帶，熱空氣與巖石進(jìn)行熱交換，使進(jìn)入工作面的風(fēng)流溫度降低，通過熱力學(xué)計(jì)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(jìn)風(fēng)井混合前，風(fēng)流溫度可降低為18℃左右(實(shí)際測(cè)定19.5℃)，混合后風(fēng)流溫度降至24.4℃(實(shí)際測(cè)定24.8℃)，說明巷道熱交換理論模擬分析計(jì)算具有較好的實(shí)用價(jià)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(xué)，2008．

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