人工制冷条件下高温掘进巷道的温度场分布特征研究*

王玉普 刘一良 孙 龙 李杰林 周科平 李光全

（1.玉溪矿业有限公司；2.中南大学资源与安全工程学院）

随着金属矿山开采深度的不断增大，越来越多的金属矿山已经或即将进入深部开采阶段，目前世界上有色金属矿最大开采深度已超过4 350 m［1］。随着开采深度的增大，受地热及风流自压缩热等因素的影响，矿井高温热害问题日益凸显［2-3］，成为当下采矿和安全领域的重点和难点。

我国对井田地温场及井巷围岩温度的研究最早开始于1954 年［4］，近些年来，矿井降温技术研究发展迅速，可分为非人工制冷降温技术及人工制冷降温技术2类。前者主要包括通风降温、利用调温巷道降温、巷壁绝热等技术，后者主要包括人工制冷水/冰降温、液态气体相变制冷降温、直膨式热泵降温等技术，各类降温技术均能在一定程度上缓解矿山高温热害问题［5］。从应用情况来看，非人工制冷降温技术降温幅度有限，尤其是针对以地热为主要热源的矿山，降温效果较差，通常仅作为辅助措施［6］；而人工制冷降温技术降温效果良好，但此类技术通常需要在地面或井下建立制冷系统，存在占地面积大、成本高、能耗大、移动性差等不足［7］，且随着开采深度的不断增大，冷量制备和传输压力也将进一步增大，尤其是对于以地热成因、作业点分布范围广的金属矿山而言，性价比较低。

为了解决高温矿井掘进工作面热害难题，以云南大红山铜矿为研究对象，在对矿山热害成因和各类降温方案的降温效果及适用条件分析的基础上［8-9］，提出了一种金属矿山高温工作面的移动式人工制冷降温方法，并开展了现场试验，取得了初步的应用效果［10-11］。为进一步探究人工制冷设备对金属矿山高温工作面的适用性，采用现场试验及数值模拟的方法对制冷设备运行工况下的巷道温度场分布特征开展研究，研究成果可为高温矿井人工制冷技术研发提供指导。

1 人工制冷设备降温效果的现场试验

1.1 设备概况

人工制冷设备功率为15 kW，采用一体化设计，由设备主体及拖行式平台两部分组成。设备主体正面有冷风进风口及2 个冷风出口，背面有4 个热风出口，冷凝器、压缩机、储液器等集成在设备主体内部，设备主体安设在拖行式平台上，便于对设备进行拖拽前行或后退。

1.2 试验工况设置

现场试验地点选取大红山铜矿西矿段140 m 水平132 线探矿穿脉，巷道断面为三心拱，断面尺寸为4 m×3.4 m，人工制冷设备放置于距离工作面12 m处，设备正面朝向工作面，向工作面输送冷风。考虑到工作面附近区域人员活动较为频繁，故在制冷设备的一个冷风出口处增设直径为800 mm的冷风送风风筒，风筒出口距离工作面5 m。前期研究成果表明：缩小制冷空间、有效排出制冷设备运行过程中产生的热量，有利于提高降温效果，故在制冷设备左右两侧及上侧安设风障以缩小制冷空间。同时，为了降低设备散热对制冷效果的影响，在制冷设备热风出口处增设直径为600 mm、长为10 m 的排热风筒，将散热排出设备周围区域。现场试验如图1所示。

为便于评价降温效果，试验时在制冷空间内设置编号依次为1号、2号、3号的3个测点，与工作面距离分别为1、6 和11 m，3 个测点距巷道底板高度均为1.6 m，每隔5 min自动记录测点处的干球温度值。

1.3 结果分析

设备开机后，3 个测点的干球温度变化如图2 所示，可以看出，温度稳定后，1 号测点干球温度位于25.9～26.9 ℃，2 号测点干球温度位于27.0～28.0 ℃，3号测点干球温度位于27.0～27.9 ℃，与原始的环境温度相比（34 ℃），各测点温度均下降明显，说明人工制冷设备的降温效果显著。

2 人工制冷设备降温效果的数值模拟分析

2.1 物理模型建立

物理模型如图3所示，模型长为100 m，断面尺寸及人工制冷设备相应位置参数设置参照前文试验数据。

2.2 模拟参数设定

对物理模型进行网格划分后将其导入Fluent，求解器选择压力基、绝对速度、稳态，设置重力加速度沿Y轴负方向，数值为9.81 m/s2，开启能量方程。考虑到矿井巷道中的风流多为湍流流动，故开启湍流模 型，模 型 选 用Realizable K-Epsilon［12］，算 法 选 用SIMPLE［13］。

结合现场试验所得的各项实测数据，设定模拟过程中的边界条件如下。

（1）入口边界：均为速度入口边界，设定未增设冷风送风风筒的人工制冷设备冷风出口速度为10 m/s，温度为25.5 ℃；设定冷风送风风筒的风筒出口速度为10 m/s，温度为26 ℃；设定排热风筒的风筒出口速度为10 m/s，温度为48 ℃。

（2）出口边界：设定人工制冷设备冷风进风口为压力出口边界，压力设置为-10 Pa。

（3）壁面边界：设定巷道壁面为无滑移固体壁面边界，壁面温度设置为34 ℃。

2.3 模型验证

参数设定完成之后，进行初始化，开展稳态模拟。模拟收敛后，将计算结果导入CFD-Post 中进行后处理，在模型中添加1 号、2 号、3 号3 个点，分别对应现场试验中的3 个测点，得到3 个点的干球温度值分别为27.0、26.9、27.4 ℃。3 个测点的模拟温度值与实测温度值对比如图4所示，可以看出，3个测点的模拟温度值与实测温度值之间的误差分别为0.4%～4.2%、0.4%～3.9%、1.5%～1.8%，均小于4.2%，处于可接受范围内，故认为数值模拟模型可靠，计算结果正确。

3 人工制冷设备运行下巷道温度场分布规律

提取数值模拟计算结果，对巷道温度场规律进行分析。

3.1 沿巷道轴向的温度场分布特征

以掘进工作面为起点，在距离工作面1～36 m 范围内每隔1 m 取一个截面，获得截面的平均温度，绘制截面平均干球温度随距工作面距离的变化图，如图5所示。依据各截面平均干球温度的影响因素，可将图5 大致分为3 个区域。第一个区域为制冷空间（图5 中A 区域），此区域内干球温度受制冷设备产生的冷空气及巷道内少量进入制冷空间的热空气影响，截面平均干球温度随距工作面距离的增大而增大；第二个区域为风障至制冷设备排热风筒出口（图5 中B 区域），此区域内干球温度受制冷空间内逸散的部分冷空气、巷道内原有的热空气及制冷设备运行产生的热量影响，截面平均干球温度随距工作面距离的增大而增大；第三个区域为排热风筒出口至距离工作面36 m范围内（图5中C区域），此区域内干球温度受制冷设备运行产生的热量影响，截面平均干球温度随距工作面距离的增大呈现先增大后降低的趋势，若巷道足够长，则温度最终将趋近于巷道内原始空气的温度。

从图5可以看出，制冷空间内各截面平均干球温度均低于28 ℃，现场试验实测巷道相对湿度为70%，按照干球温度28 ℃换算得到的湿球温度约为23.6 ℃，低于27 ℃，满足《金属非金属矿山安全规程》（GB 16423—2020）的规定。由此可见，人工制冷设备的降温效果良好，能够有效解决金属矿山工作面的高温问题。

从图5 也可以看出，在距离工作面1～36 m 范围内截面平均干球温度发生了2次跃迁，第一次为区域A 与区域B 的交界处，即风障所在位置，干球温度由风障内侧的27.85 ℃跃迁至风障外侧的31.35 ℃，温差3.5 ℃；发生跃迁的原因是风障将巷道内的冷热空气分隔在制冷空间内外，阻隔了制冷空间内冷空气向制冷空间外流动及制冷空间外热空气向制冷空间内流动，减少了冷热空气的换热。第二次为区域B与区域C 的交界处，即排热风筒出风口处，干球温度由风筒出口靠近工作面一侧的36.25 ℃跃迁至风筒出口靠近巷道出口一侧的37.85 ℃，温差1.6 ℃；此位置处的温度跃迁由制冷设备运行产生的热量排放造成，而经排热风筒排出的热空气会使截面平均干球温度最高升至42.75 ℃，由此可见，若未设置排热风筒，风障内外两侧最高温差将接近或超过10 ℃。

综上分析，设置风障能够有效增加冷空气利用率，提高设备的降温效果；而设置排热风筒能够有效地将设备运行产生的热量排放至远离设备区域，避免热空气在设备附近积聚，极大减少了热空气的回流，大幅提高了设备的降温效果，在实际应用中，可充分利用局部通风系统来排出设备运行产生的热量，减少拆装风筒造成的人力物力消耗。

3.2 不同位置的巷道横截面温度分布特点

制冷空间为制冷降温的重点关注区域，故以Z=1 m、Z=3 m、Z=5 m、Z=7 m、Z=9 m、Z=11 m 的干球温度分布云图为例探究巷道横截面的干球温度分布特点，不同截面的干球温度分布云图如图6所示。从图6 可以看出，在Z=1 m、Z=3 m、Z=5 m 时，各个截面的整体干球温度较低，冷空气分布均匀，温度最低点集中在冷风送风风筒出口附近，热空气则主要集中在巷道壁面附近，且随着与工作面距离的增大，各个截面的冷空气呈现出从四周向冷风送风风筒出口收缩的趋势。而在Z=7 m、Z=9 m、Z=11 m 时，各个截面的整体干球温度有所上升，冷空气覆盖范围减小，但热空气主要分布在巷道上部，冷空气则在巷道中下部分布均匀，若取作业人员的平均身高为1.7 m，则此范围内的热空气不会对作业人员造成过大的影响。此外，各个截面干球温度最低点分布在冷风出口附近，且随着距工作面距离的增大，各个截面的冷空气同样呈现出从四周向设备冷风出口收缩的趋势。

4 结 论

（1）通过现场试验，人工制冷设备可将制冷空间内干球温度降低至28 ℃以下，对应的湿球温度约为23.6 ℃，满足《金属非金属矿山安全规程》（GB 16423—2020）的规定，降温效果显著，对金属矿山高温工作面有良好的适用性。

（2）安设风障能有效地将冷热空气阻隔在制冷空间内外，能够显著减少冷热空气的换热，提高冷空气利用率，提升制冷设备的降温效果。

（3）增设排热风筒能够及时将制冷设备运行产生的热量排放至远离设备的区域，避免热空气在设备附近积聚，有效提高了制冷设备的降温效果。

（4）制冷空间内温度最低点分布在冷源出口（冷风送风风筒出口、冷风出口）附近，随着距工作面距离的增大，制冷空间内的冷空气呈现出向冷源出口收缩的趋势。