高温深井矿山独头掘进巷道通风降温机理研究- 大数跨境

首页

高温深井矿山独头掘进巷道通风降温机理研究

矿山安全天地

2024-09-04

导读：针对高温深井矿山独头掘进作业温度高、通风难等问题,以海南山金抱伦金矿为原型,基于气固两相流理论,

分享是最大的支持，关注是最好的鼓励

摘要

针对高温深井矿山独头掘进作业温度高、通风难等问题,以海南山金抱伦金矿为原型,基于气固两相流理论,采用三维流体仿真软件模拟深井井下高温环境,根据不同通风参数下主运巷及独头巷道的温度场、速度场分布特征,研究风温、风速及岩温等对气流分布、温度分布特征影响规律。结果表明:独头巷道有效通风临界距离为7 m,巷道交接处会产生“8”字型涡流,涡流交错处断面平均温度达到最低值,超过7 m,需要采取局部通风措施改善作业环境;采用制冷设备进行降温时,制冷装置距离掘进作业点距离小于30 m,入口通风温度为20～25 ℃时较为适宜;对于高热巷道围岩覆盖一定厚度的保温材料,减少岩壁向气流中散热,可以有效降低巷道空气温度。研究结论可为高温深井矿山通风系统设计、局部制冷降温设计提供理论支撑。

作者及单位

李晓健¹，贾敏涛^1,2，赵旭^1,2，李卫国³，张明峰⁴

1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；2.中南大学资源与安全工程学院；3.海南山金矿业有限公司；4.金属矿山安全与健康国家重点实验室

引用格式

李晓健, 贾敏涛, 赵旭, 等. 高温深井矿山独头掘进巷道通风降温机理研究[J]. 金属矿山, 2024(2):271-275.

正文

随着矿山纵向开拓的不断延伸,越来越多矿山转为深井、超深井生产,由此带来的热害问题愈显严重。冬瓜山铜矿、三山岛金矿、焦家金矿、大红山铁矿等均随生产变动,开拓超千米深进、回风井,招金瑞海矿业作为新建矿山,一期设计井深已至-1 500 m 以下,经实测,各矿山部分地点风温已达32 ℃,部分独头掘进区域若不采取大风量通风设备或增设制冷设备,风温将至38～40 ℃。高温高湿的作业环境,不仅极大地影响井下作业人员工作效率,而且严重影响了井下作业人员的职业健康。文献指出,国内平均地温梯度约为1.6 ～3.0 ℃/100 m,千米深井地温已经高达35 ～40 ℃,加之无轨设备散热及局部热水涌出,井下工作环境温度可达高达45 ～50 ℃。因此,深入研究不同通风状态下掘进巷道温度、速度分布特征,对于改善井下作业条件,同时降低设备能耗具有重要的意义与价值。

目前深井井下冷量衰减与有效保持研究还停留在初步阶段。李跃通通过计算软件Mathematica 研究了壁面粗糙度、巷道断面周长、风流质量流量、岩石热导率、风流含湿量相关参数对于风流温升的影响,并分析了含湿量对风流与围岩间热交换的影响。张培红等使用CFD 软件研究不同通风条件对于机械通风降温影响,确定出最佳通风参数。孙成鑫模拟巷道通风两年的温度场,得到高温巷道中风流、隔热层以及围岩的温度时空分布演化规律以及表面对流传热系数的变化规律。张成法则通过理论分析、实验研究及数值模拟分析了不同形式热源的散热量和热贡献率。孔祥强等分析了巷道几何尺寸、岩层热物理条件及入口气流初始温度对风流温度的影响,研究结果表明:岩层热物理性质对井下风流影响最大,巷道几何尺寸对井下风流影响较小。这表明若想精确模拟巷道风流实际运行状态,需要进行相关理化试验确定围岩的热物理性质,巷道几何尺寸影响较小则表明研究的规律及分布特征具有普适性及推广应用的价值。魏亚兴等采用极差分析法和相关性分析法分析试验所得结果,探讨各因素对终点温度和终点相对湿度的影响.结果表明:对终点温度影响较大的3 个因素依次为巷道壁温,巷道长度,进风温度,且都表现出正相关性.巷道壁面湿度对终点湿度影响最明显,成正相关,剩余各因素影响较小。刘景秀等以干燥巷道为例,根据巷道围岩与风流热交换规律,通过理论计算,分析水平巷道围岩与风流热交换对风温变化的基本影响规律。白洋等利用FLUENT 流体仿真软件对干燥巷道风流受围岩传热的影响进行模拟,研究结果表明:巷道内通风速度相对较小时,围岩对风流温度的影响相对明显;随着风流距离入风端距离的增加,风流温度的变化与巷道围岩调热圈半径变化相关,风流温度在变化过程中分为3 个阶段:初期阶段,缓步阶段与稳定阶段。王义江等[10]搭建了巷道风流非稳态传热试验台,并分析了进风温度和进风速度对于非稳态传热影响,结果表明:当风速低于3 m/s 时,相对改变进风流温度来说,风速对围岩温度场的影响更大。

本文以海南山金抱伦金矿井下某掘进巷道为研究对象,开展不同通风参数对运输巷及掘进巷道速度场、温度场分布影响研究,通过分析独头巷道有效通风降温距离以及主巷的冷量衰减率,确定了移动制冷设备常规通风距离下适宜的通风温度,研究结论可为深井高热矿山巷道掘进期局部通风设备布置提供理论依据,为局部通风设备选型、制冷设备能耗计算等提供计算基础。

1 模型构建

海南山金抱伦金矿独特的地理位置、气候环境导致其井下大部分环境为高温、高湿。近年该矿着重建设通风制冷系统,取得了明显效果,但部分掘进巷道通风、制冷能耗较高,经实测,其八中段、九中段掘进面局扇关停后风温快速升至34 ℃。因此,研究掘进巷道温度场、速度场分布,制冷设备冷量能耗分析对改善该矿深井局部通风效果,降低矿山能耗具有重要的实际意义。

1.1 物理模型

以海南山金抱伦金矿某中段巷道为研究对象,以现场实测数据为基础,利用三维仿真模拟软件,建立巷道数值模拟模型。如图1 所示,巷道外型为拱型,巷道断面宽度2.4 m,巷道拱高0.8 m,腰高1.8 m,主巷长度30 m,独头巷道长度10 m。使用ICEM 软件划分网格,类型采用四面体网格,网格质量＞0.7。最密处位于主巷与独头巷道交叉区域,随着向巷道进出口延伸而逐渐变疏。网格划分如图2 所示。

图1 巷道结构断面(单位:mm)

图2 网格划分结构

1.2 数学模型

假定通风气流为不可压缩稳态流体,忽略由黏性力做功所引起的耗散热,假定壁面恒定壁温,流动模型采用紊流模型,基于压力基隐式求解方式,对动量守恒方程中的阻力(黏性)项与能量守恒方程中黏性耗散项进行修正。为了简化计算,做出以下假设:①围岩均质,热传递各向同性,边界条件为常壁温,忽略围岩辐射散热及其他热源散热;② 巷道断面忽略排水管、供气管等各种工艺管道的影响,壁面粗糙度以平均粗糙度50 mm 代替;③ 空气流动过程中风量无损失,巷道壁面扩散通量为零。

1.3 边界条件

(1)气流入口边界条件采用速度入口(Velocity inlet),湍流强度根据雷诺数确定:

式中,ρ 为空气密度;u 为进口风速,m/s;d 为水力直径,m;μ 为空气黏度系数。

(2)气流出口边界条件为自由出口(Outlet),壁面条件默认为无滑移边界条件。对于换热过程,因为深层巷道围岩壁温常年变化不大,设置为常壁温边壁条件。

(3)围岩的物性参数通过实验确定,其中湿度系数设为0.62,矿石比热容设为930 kJ/(kg·K),矿石密度为2 670 kg/m3,围岩的导热系数取为2.282 W/(m·K),围岩的导温系数(即热扩散率)设为0.942 m2/s,对流换热系数经计算取为7.978 W/(m2·K)。

(4)模型采用基于压力基隐式求解方程,湍流模型选用标准k-ω 模型,SIMPLE 算法求解流场,能量方程二阶离散化处理,初始计算时动能及能量方程松弛因子调低以增强收敛性。

2 模型验证

为了验证模型划分及边界参数、初始参数合理性,需要对模型进行验证。通过实验测定巷道中心位置处温度值,与数值仿真结果值进行对比。实验条件为巷道壁面温度32 ℃,进口气流温度25 ℃,相对湿度为70%,测定与仿真结果对比见图3。

图3 模型验证结果对比

由图3 可知,现场实验测定结果和数值仿真结果变化趋势一致,两者间最大差值不超过1 ℃,相对误差不超过5%,从而证明了该模型模拟结果的准确性。

3 模拟结果分析

3.1 通风速度对井下风流的影响

取常壁面温度为32 ℃,进口气流温度为15 ℃,分析不同通风速度下主巷及独头巷道速度、温度分布特征,如图4 所示。

图4 v=1.0 m/s 时主巷横断面风速分布

由图4 可知,入口断面速度取为1 m/s,随着距离的增加,巷道中心与壁面处速度差值逐渐增加,出口处中心区域速度大于入口风速,达到了1.269 m/s。这是因为一方面壁面存在较大的摩擦阻力,壁面处边界层分离,再者气流在流动过程中不断与壁面对流换热,密度降低造成断面中心速度增加。

由图5 可知主巷与独头巷道交叉处靠近出口一侧速度大于另一侧,此区域产生涡流。由图6 流线分布及图7 速度矢量图可知,独头巷道内涡流为“8”字型涡流,靠近主巷处速度值较大,随着距离增加,速度逐渐降低,回流气流和主巷横断面气流交叉相遇,导致主巷断面气流速度有所降低,速度场紊乱度增加。

图5 v=1.0 m/s 巷道纵断面速度分布

接着研究主巷通风速度ν=1.0 ～10 m/s 时独头巷道速度场分布规律。由图8 可知,进口风速越大,能够压入独头巷道风速就越大,压入独头巷道最大风速约为主巷断面平均风速的8%～10%。随着巷道距离的增加,断面平均风速先缓慢降低,后急剧降低,临界距离为7 m,即涡流“8”字型涡流线中间交错处。超过了这一距离,主巷风速再增加,也很难影响到独头巷道7 m 以外位置,因此当独头巷道掘进距离大于7 m 后,通过主巷风流进行通风降温难以实现,需要巷道侧壁安装风筒引流。

图6 交叉处速度流线图

图7 交叉处速度矢量图

图8 独头巷道断面平均速度分布

3.2 通风温度对井下气流的影响

当进风风速ν=2.5 m/s 时,巷道壁温tw=32 ℃,通风温度t=10～30 ℃时主巷及独头巷道断面平均温度分布如图9、图10 所示。

图9 主巷断面平均温度分布

图10 独头巷道断面平均温度分布

由图9 可知,通风温度越低,主巷断面平均温度越低,但是温度衰减率越高,常规通风温度下冷量衰减率(曲线斜率)约为0.20 ～0.48 ℃/m。随着入口风温的增加,巷道同一位置处气流温度随之增加,随着巷道距离的增加,气流温度逐渐升高,因为随着巷道距离增加,气流与巷道壁温的温差逐渐减少,风流与巷道壁面热传递随之减少,气流所能携带走的热量越来越少。

由图10 可知,独头巷道断面平均速度随着巷道距离先缓慢升高,再缓慢降低,后急剧升高,温度最低位置处于距离主巷中心线7 m 处,这和速度场分布趋势完全一致。超过了9 m 这一位置,主巷通风温度的增减对于独头巷道的影响趋于一致。深井巷道采用移动式制冷机组制备冷源时,符合井下通风安全规程风温不大于28 ℃的情况下,当出风口温度＜25 ℃时,开挖掌子面距离制冷机组最大距离不宜超过30 m。

3.3 巷道壁温对井下气流的影响

当进风风速ν=2.5 m/s 时,通风温度t=15 ℃,巷道壁温tw=24～40 ℃时主巷及独头巷道温度分布规律,如图11 所示。随着主巷距离增加,通风温度先逐渐升高后趋于平稳,这是因为巷道壁面和风流间存在温度差,随着换热的不断进行,两者温差逐渐降低,导致对流换热系数降低,换热量减少。当壁面温度超过40 ℃时,气流与壁面间换热急剧增加,换热系数与换热温差呈指数关系。因此对于高热巷道围岩覆盖一定厚度的保温材料,减少岩壁散热,可以有效降低井下空气温度,改善作业环境。

图11 主巷断面平均温度分布

4 结论

通过探究海南山金某中段巷道在不同通风参数下主巷及独头巷道的温度场、速度场分布特征,得到的主要结论如下:

(1)独头巷道有效通风临界距离为7 m,独头巷道与主巷交接处产生“8”字型涡流,涡流交错处断面平均温度达到最低值,超过这一位置,巷道断面平均风速急剧降低。因此当独头巷道掘进距离＞7 m 后,需要采取局部通风措施改善作业环境。

(2)通风温度越低,冷量衰减得越快,常规通风参数下冷量衰减率约为0.20 ～0.48 ℃/m,因此井下降温通风距离不能过长,或者需要采取有效的保温措施,减少巷道围岩散热量。考虑通风降温效果及制冷能耗,当制冷装置距离掘进作业点距离不大于30 m时,入口通风温度取值20～25 ℃时较为适宜。

(3)随着巷道壁温升高,冷风温度衰减先快速增加后趋于稳定,当壁温处于24 ～36 ℃时变化不大,当温度超过40 ℃时显著增加。因此对于高热巷道围岩覆盖一定厚度的保温材料,减少岩壁向气流中散热,可以有效降低巷道空气温度。

参考文献（略）

请在看、点赞、分享三连击，让更多人看到！

【声明】内容源于网络

矿山安全天地

及时报道矿业安全大事，宣传矿山安全先进人物，推荐矿山安全最新科研成果，普及矿山安全知识，提供矿山安全相关产品，全方位为矿山安全和矿山经营者、矿工服务。

内容 1841

粉丝 0

矿山安全天地及时报道矿业安全大事，宣传矿山安全先进人物，推荐矿山安全最新科研成果，普及矿山安全知识，提供矿山安全相关产品，全方位为矿山安全和矿山经营者、矿工服务。

总阅读895

粉丝0

内容1.8k