高温矿井掘进工作面冰块降温数值模拟研究*

李杰林，喻晓丽，黄冲红，周科平，程春龙

(1.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083；2.玉溪矿业有限公司，云南 玉溪 653100)

0 引言

随着浅地表资源的逐渐开采殆尽，我国众多金属矿山已进入深部开采阶段，围岩散热、空气自压缩放热以及机械设备散热量逐渐增加，矿井深部易形成高温、高湿作业环境。据相关研究统计，在500～1 000 m开采深度的矿井中，高温矿井占比达63%以上，高温热害问题已成为采矿行业中普遍面临和亟需解决的一大难题[1]。高温高湿环境对人体产生不良影响，危害矿工生理、心理健康[2]，引发职业性中暑等急性病[3]，严重影响矿山的安全生产进度。因此，开展高温矿井掘进工作面的降温措施研究，对于保障矿山安全生产和工人的身心健康具有重要意义。

目前矿井常用的降温措施可分为通风降温[4]、喷涂隔热材料降温[5]、机械制冷降温[6]等。机械制冷是1种较为广泛的降温方法，降温效果较好，但机械制冷技术需要建立制冷机站和一整套制冷、输冷、传冷和排热的系统，造价和运行费用较为昂贵，且各种机械制冷技术仍存在一些尚未解决的难题，如机械制冰技术中输冰管道易堵塞等，限制了该技术的推广和发展[7]。冰块降温是1种简单、经济且有效的降温方法，目前已在高温隧道中得到了广泛的应用。陈博[8]以毛坡良隧道、太阳寨隧道、石板寨一号隧道为工程背景，计算得出冰块降温比通风降温的措施费平均每延米少157元的结论；严健等[9]提出了设置冰墙以降低环境温度，改善施工条件的降温思路；朱宇等[10]利用fluent模拟研究了冰块量和冰块布置2个因素对于隧道内降温效果的影响和温度场变化规律，结果表明在隧道两侧各放置0.5 m3冰块可降低掘进面温度6 ℃左右，冰块布设于风管出风口轴线上比双侧布置的降温效果好。可见对于局部高温热害区域，冰块的降温效果较为显著。

虽然冰块降温方法已经广泛应用于高地温隧道施工中，但在高温矿井中的应用还较少，受矿山井巷工程错综布置、通风系统复杂等因素的影响，冰块降温应用于高温矿井的降温效果以及设计参数等内容尚没有统一的认识。但国内外进行了许多关于高温矿井热害治理的数值模拟研究，如Han等[11]通过数值模拟的手段利用WBGT指标对高温交换机械系统(HEMS系统)的冷却效果进行模拟评价；田龙等[12]采用数值模拟研究有无辅助通风设施、不同辅助通风设施长度及其与墙壁间的距离对巷道降温效果的影响；Wang等[13]利用fluent模拟了盲巷热环境，并在模拟中提出了近强制远排气通风方案。以上研究为高温矿井冰块降温数值模拟提供理论基础和实践指导作用。

本文以云南大红山铜矿深部工作面为研究对象，利用数值模拟的方法研究冰块降温方法在高温掘进作业面中降温的可行性和降温效果，并分析冰块量和摆放方式(垂直方向和水平方向)2个因素对掘进工作面温度场的影响，为冰块降温在高温矿井作业面的应用提供借鉴意义。

1 工程背景

大红山铜矿位于云南省新平县戛洒境内，海拔700～1 400 m，属于典型的深井高温地下矿山。该矿山矿体埋藏较深，内含成矿温度615～655 ℃的隐伏花岗岩，岩体沿地层间破碎带形成凹槽、凹盆、小岩脉、岩墙、微突起、侧部凹陷带，为热液的停留和富集提供了封闭、半封闭空间。同时，花岗岩侵入时与碳酸盐岩交代形成矽卡岩矿物，含矿热液充填交代矽卡岩在接触带形成了较高温度的矽卡岩钨矿石、深部硫矿石。因此，大红山铜矿的成矿作用和地质情况将对井下的较高岩温带来重要影响。通过采用深孔测温法获得了大红山铜矿的平均地温梯度为3.04 ℃/100 m，属于典型的高地温类地温类型，地热灾害严重。

较高的地温梯度导致围岩散热量巨大，成为大红山铜矿主要热源之一。根据对大红山井下热源成因统计，如图1所示，围岩散热量占总散热量的1/2，再加上其他热源散热，导致大红山铜矿井下部分掘进工作面的空气温度超过40 ℃，独头巷道掘进工作面作业环境更为恶劣，严重影响了工程施工和工人的身心健康，需要辅助以冰块降温措施以保证作业面的温度达到安全要求。

图1 大红山铜矿井下各热源放热量占比

2 掘进工作面冰块降温方案

借鉴高温隧道的冰块降温方法，高温矿井掘进工作面冰块降温方案主要包括地面制冰站制冰、运输冰块至井下、冰块摆放在降温区域3个部分。首先通过制冰站的制冰机完成冰块的制备，冰块大小尺寸适中，适合搬运；制备好的冰块通过汽车经斜坡道直接运输至井下高温工作面；然后按照设计要求，将冰块进行合理摆放，冰块吸收空气中的热量并逐渐融化，从而实现降温目的。冰块降温方案的设计主要考虑冰块量和冰块摆放方式2个因素。

在冰块降温方案中，冰块量的设计可借鉴工程经验，已知冰块尺寸为0.4 m×0.2 m×0.1 m，将冰块量设为0.128，0.256，0.384 m33种情况，即分别为16，32，48块。由于单位时间内冰块与环境之间的对流换热量与冰表面对流换热系数、换热面上环境温度与冰块表面的平均温差以及冰块的表面积成正比关系[10]，为最大限度地增大冰块与空气的接触面积，同时考虑到风筒直径为800 mm，将0.128，0.256，0.384 m3的冰块量分别码放成2个相同的冰块堆(长×宽×高分别为0.8 m×0.1 m×0.8 m，1.6 m×0.1 m×0.8 m，2.4 m×0.1 m×0.8 m，各冰块堆的冰块数量分别为8，16，24块)。

冰块堆的摆放方式分为2类，一类是冰块堆距巷道底板垂直距离的设置，分别设为距巷道底板0 m(即放在巷道底板)和距巷道底板1.2 m(即冰块堆中心与风筒中心在同一高度处)2种情况，其中第2种情况通过搭建1.2 m高的承载平台实现；另一类是冰块堆距工作面水平距离的设置，考虑井下作业面设备的运转和人员的工作空间，将冰块堆距工作面水平距离设置为3，5 m 2种情况。

根据以上掘进工作面冰块降温方案，共设计了6个模拟工况，工况1指仅采用通风降温方式；工况2～6的设置如图2～3所示(图中未画出冰块堆承载平台)；图4为距工作面2 m横向垂直截面上的温度测量点P1，P2，P3。

图2 工况2～6冰块堆设置正视图

图3 工况2～6冰块堆设置侧视图

图4 距掘进工作面2 m横向垂直截面上的测温点

3 数值模拟过程

3.1 模型的建立

3.2 系统初始设置

风筒出风口设置为速度进口边界条件，根据实测，风筒出口风速为3 m/s，风温为30 ℃；掘进巷道出口设置为压力型边界条件；巷道壁面设置为无滑移固体壁面边界，壁面温度设置为40 ℃。在计算有冰块布置的工况时采用融化凝固模型，设置模型初始条件为巷道内空气温度为34 ℃，冰块温度为-1 ℃，冰块体积分数为1。

4 模拟结果分析

4.1 冰块对工作面温度场的影响

图5分别为不同通风时刻工况1(仅通风)、工况4(放置0.256 m3冰块)Z=1.6 m温度场曲线分布图。观察图5(a)可以得知，巷道中心线(X=0 m)和风筒轴线(X=-1.2 m)处的温度曲线较为接近，而远离风筒位置靠近壁面处(X=1.2 m)处的温度曲线高于这两处。这是因为风筒流出的低温风流与巷道内空气发生对流换热而吸收热量，而距离风筒较远位置处风流的速度由于受到有限空间的限制而不断降低，吸收热量较少，从而导致远离风筒位置处的温度较高[15]。对比分析图5(a)和图5(b)可发现二者呈现出相似的规律，且各测点温度几乎相同，随通风时间的增加变化不大，这说明在通风30 min后巷道内温度场趋于稳定，各测温点温度保持在32 ℃以上，降温幅度处于0.4～2 ℃范围内，降温效果不明显。可见在仅通风的作用下，掘进工作面附近温度较高，不能满足《金属非金属矿山安全规程》(GB16423—2006)对于井下工作地点空气温度不得超过28 ℃的相关规定。

图5 工况1和工况4温度场曲线分布

观察图5(c)可发现在距工作面3 m范围内温度急剧下降，最低温度低于20 ℃，这是由于在距工作面3 m处放置了0.256 m3的冰块堆，冰块与风流发生对流换热实现对风流的预冷作用，从而有效降低了工作区(距工作面3 m范围内)的环境温度。同时由于冰块吸热融化，巷道内温度场处于不稳定状态，从而使得图5(c)和图5(d)呈现出较大的差异。观察图5(d)可发现工作区的温度回升至34 ℃左右(初始环境温度)，这是由于在通风1 h后，冰块已经完全融化，失去了对风流预冷的作用。

由以上分析可知，与只采用通风降温方案相比，采用冰块降温方案的降温效果明显，冰块可以实现快速降温的效果，但受限于冰块受热融化，且不同体积、不同位置处的冰块完全融化所需时间不同，其有效制冷时间必然有所不同。因此，有必要探讨冰块量和冰块摆放方式对作业区温度分布的影响。

4.2 冰块量对掘进工作面温度场的影响

根据工况1、工况2、工况4和工况6的计算结果，得到相同布置方式(垂直方向距巷道底板1.2 m，水平方向距掘进工作面3 m)、不同冰块量下测温点P1，P2，P3的温度随通风时间的变化曲线图，如图6所示。

图6 各测温点温度随时间变化曲线

工况1掘进工作面附近温度在5 min以后趋于稳定，各测点温度维持在32.2～33.2 ℃之间，且总体上P3测点的温度最高，其次是P2，P1最低，这与图5(a)所呈现的特点相同，即距离风筒越远，温度越高。工况2中，冰块量较少，融化的速度较快，通风5 min时P1测点的温度最低，约为14 ℃，通风10 min时P2和P3测点的温度最低，约为20 ℃；随着冰块的逐渐融化，其对风流的预冷能力降低，温度逐渐回升，23 min后各测点温度均已超过28 ℃，并于30 min时上升至32 ℃，随后温度稳定在32～34 ℃之间，可见0.128 m3冰块的有效制冷时间为23 min。

工况4中，冰块量(0.256 m3)较多，融化的速度较慢，在通风5 min时P2测点的温度最低，约为20 ℃，通风10 min时P1，P3测点的温度最低，约为18 ℃；随后温度开始回升，但回升速率较慢，30 min时，各测点温度均处于26 ℃以下，35 min后P1点温度超过28 ℃，45 min后各测点温度均超过28 ℃，可见其有效制冷时间约为40 min。

工况6中，尽管冰块量较大(0.384 m3)，但其有效制冷时间与0.256 m3冰块相近，约为40 min。但与工况4相比，在有效制冷时间内各测点的温度较低，降温幅度较大，部分区域温度低于人体舒适温度，易给人体带来不适，可见冰块量并不是越多越好。综上所述，与通风降温方式相比，放置冰块堆对掘进工作面附近的降温效果较为明显。随着冰块量的增加，有效制冷时间相应增加，但增加到一定程度时，有效制冷时间基本不变，此时增加冰块量带来的直接效果是在有效制冷时间内使得温度场温度普遍较低，易给人体带来不适。

4.3 冰块不同垂直摆放方式对掘进工作面温度场的影响

对比工况3和工况4，分析相同冰块量(0.256 m3)和同一水平(距掘进工作面3 m)摆放方式下不同垂直位置处摆放冰块对掘进工作面附近温度场的影响，图7为不同通风时间且不同垂直位置下摆放冰块时巷道横向垂直截面(y=18 m，即距工作面2 m)温度场分布云图。

由4.2节可知0.256 m3冰块的有效制冷时间约为40 min左右，且通风40 min时P1点温度已超过28 ℃，因此，分别取通风10，20，30 min来进行分析。图7(a)，7(c)，7(e)分别为工况3(冰块放置在巷道底板)条件下不同时间点的温度分布云图，可以看出风筒侧(右侧)温度均较低，处于27.5 ℃左右，其余大部分区域温度约为30 ℃，远离风筒侧的温度处于30～32.5 ℃之间，不符合相关规范的要求。图7(b)，7(d)，7(f)分别为工况4(冰块放置在与风筒平齐位置)条件下不同时间点的温度分布云图，可以看出，通风10 min时，风筒侧出现了7.5 ℃的局部低温区域，远离风筒侧的温度也处于20 ℃以下。随着时间的延长，风筒侧的局部低温区域仍存在，可见将冰块放置于与风筒平齐位置处时的降温幅度较大，但会出现局部低温区域。

图7 冰块摆放在不同垂直位置时Y=18 m温度场分布

综上分析，将冰块摆放在与风筒平齐位置处的降温效果要远远大于将冰块摆放在巷道底板处。这是因为当冰块摆放在巷道底板时，风筒流出的绝大部分风流没有与冰块直接接触，冰块对送风风流的预冷作用较弱，因而冰块摆放在巷道底板时的降温效果相对较差。因此，在使用冰块进行降温时，应尽可能的将冰块摆放在与风筒平齐的高度处，以达到充分利用冰块对风流的预冷作用，取得更好降温效果的目的。

4.4 冰块不同水平摆放方式对掘进工作面温度场的影响

将冰块摆放在距巷道底板1.2 m高度处(即与风筒平齐位置处)的降温效果最佳，但同时也会出现作业面附近靠近风筒侧温度较低的现象，易给作业人员带来不适。为解决这一问题，探讨冰块不同水平摆放位置对作业面温度场的影响。对相同的冰块量(0.256 m3)和同一垂直位置(1.2 m)摆放方式下，不同水平位置处摆放冰块对掘进作业面温度场的影响进行分析。由于工况5在通风20 min时局部低温区域的情况较为严重，因此，选取通风时间20 min时的温度场进行分析。

图8(a)，8(b)分别为冰块摆放在距掘进工作面3和5 m处时温度分布图。可以发现，将冰块摆放在距掘进工作面3 m处时，距掘进工作面10 m范围内大部分区域的温度处于28 ℃以下，但不同区域的温度分布不均匀，尤其是掘进工作面的温度处于17.5～20 ℃，温度较低，易给人体带来不适；将冰块摆放在距掘进工作面5 m处时，距掘进工作面10 m范围内的温度均处于28 ℃以下，且温度分布更为理想，降温范围也更广。从图9中也可以发现，与图9(a)中出现10 ℃以下局部低温区域相比，图9(b)中巷道内的温度分布更为均匀，人体活动区域整体温度处于17.5～25 ℃。因此，不同水平摆放方式对掘进工作面附近温度场的分布有明显影响，在距掘进工作面5 m处摆放冰块时不仅达到了预期的降温效果，而且工作面区域的温度场分布更为均匀。

图8 不同水平位置下放置冰块时X=0 m温度场分布

图9 不同水平位置下放置冰块时Y=18 m温度场分布

5 结论

1)与只采用通风的降温方案相比，增加冰块的降温方案降温效果明显，添加0.256 m3冰块且通风30 min时可使作业面3 m范围内的温度迅速下降到20 ℃以下，实现了降温的目的。

2)当冰块摆放方式相同时，冰块量越多，有效制冷时间越长，平均每增加0.128 m3冰块量可带来20 min的有效制冷时间。但当冰块增加到一定程度时有效制冷时间基本不变，并在其有效制冷时间内造成温度场温度过低的现象，给人体带来不适。

3)在相同的冰块量、同一水平摆放方式下不同垂直位置处摆放冰块时，将冰块摆放在与风筒平齐位置处的降温效果要远远大于将冰块摆放在巷道底板处，故当使用冰块进行降温时，应将冰块摆放在与风筒平齐的垂直位置处。

4)当冰块量及其垂直摆放方式相同时，不同水平摆放方式对掘进工作面附近温度场的分布有明显影响，距掘进工作面越远时，掘进工作面附近温度场的分布越均匀，制冷空间越大。

5)在模拟计算时未考虑各种外界因素对工作面附近温度场的影响，在实际应用中应结合现场实际情况考虑冰块参数的选取。