矿井通风降温热交换模拟试验装置研究

陈宜华 贾敏涛 王 爽

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心)

矿井通风降温热交换模拟试验装置研究

陈宜华1 2 3贾敏涛1 2.3王 爽1 2.3

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心)

介绍一种金属矿井下通风降温热交换模拟试验装置平台，通过工控机、计算机智能模块、传感器、通讯网络对井巷环境条件实时监测，模拟井下巷道降温与制冷量最佳匹配方案，指导深部开采井下降温系统的设计及运行。

通风降温 制冷量 热交换 试验装置

随着我国对矿产资源需求的日益增加，地表资源已日趋短缺，深部开采已成为我国未来采矿发展的趋势。目前，国际上开采深度超过1 000 m的矿山已达到80多座，有的深部开采矿井已进入3 000 m 以下。如南非的金矿将进入4 500～5 000 m 的开采深度[1]，瑞典基鲁纳铁矿开采深度达3 000 m以下。国内矿山开采深度亦在不断增加，辽宁的红透山铜矿、老虎台煤矿、冬瓜山铜矿等开采深度已超过或接近1 000 m。随着矿山开采深度的增加，深部巷道高温高湿凸现，由此带来的灾害也越来越多，不仅给井下工人带来安全隐患，而且劳动生产率大大降低，是深井矿床高效开采关键技术之一。

目前所采用的降温方法主要是通风降温、制冷降温、局部小气候和个体防护(冰背心)降温等，但在金属矿山实际应用的甚少，深井降温存在技术经济方面的诸多问题，有待于研究解决。本文以热力学、传热学、流体机械、流体力学及制冷与低温工程为理论基础，利用相似原理模拟作业面降温的影响因素，提出一种针对井下局部高温巷道作业降温的通风制冷试验装置，指导深部开采井下降温系统的设计。

1 通风制冷试验装置工作原理及其组成

1.1 工作原理

参照相似三定理，通过对方程分析或因次分析，导出相似准则，考虑测量精度、试验条件等因素，获取准则之间的函数关系，通过相似理论将试验结果演绎到原型，从而得到原型中各参数间的变化规律。

试验设计为矩形巷道，巷道壁面采用花岗岩贴面，加热膜对其加热，模拟巷道壁散发热量；对巷道内空气加热，实现热交换；采用超声波加湿器对巷道模型内空气加湿，模拟井下湿热环境；采用制冷机组制冷，由风机送入巷道，模拟热量、制冷量、井巷热量参数的相互关联性能。

1.2 试验装置组成及控制[2]

1.2.1 试验装置组成

该试验装置由制冷系统与装备、井下巷道模拟系统及装置、冷量交换系统与装备及试验测量系统组成，如图1所示。

图1 矿山深部开采降温试验系统示意

1—制冷机组；2—风机；3—风机出口挡板；4—喷淋装置；5—电加热器；6—蒸汽加湿器；7—蒸汽锅炉；8—空气冷却器；9—风筒；10—模拟独头作业面；11—加尘器；12—冷冻水泵；13—加湿系统14—独头作业面加热控制装置；A—压力传感器；B—风流温、湿度传感器；C—风流流量(速度)变送器；D—空冷器进口侧温度传感器；G—流量计

(1)制冷系统主要由冷水机组、冷冻水泵、冷量输送管路及阀门组成，为试验系统提供降温所需冷量。

(2)井下独头巷道、气流模拟系统及装置。巷道主要由模拟巷道、加热控制系统、加湿系统等组成；气流模拟系统主要由风机、出口挡板、喷淋装置、电加热器、蒸汽加湿器及蒸汽锅炉(电)、加尘器等组成，该环节主要用于模拟井下环境。

(3)冷量交换系统与装备主要由空冷器、风筒等组成。

(4)试验测量系统主要包括模拟风流温度、湿度、风速(流量)测量装置，空冷器水温度和压力、水流量测量装置等。

1.2.2 试验平台

通过自动控制系统对工艺流程上设备运行工况、工艺参数进行实时采集，并将采集的数据传送到上位操作画面，由上位机根据工艺要求，对设备、工艺过程、工艺参数进行自动控制和操作，系统中所有信号经过应用验证是准确有效的，保证系统精度在±3%以内。试验平台控制界面见图2。

图2 矿井降温试验平台控制界面

根据井下巷道热交换机理，通过计算机控制操作，在模拟巷道产生的放热量，送入需制冷量，并显示热交换过程温度、冷量、风量值，从而得出相互间关系。

2 制冷试验装置试验效果模拟

目前井下巷道降温方式有通风降温和制冷降温，试验装置以两种方式模拟试验，在设定的巷道围岩类型(花岗岩)条件下，测定岩石的热导率进行降温试验。试验流程及结果如图3所示。

由图3可知，通过试验装置加热，模拟巷道的温度上升至34.6 ℃，采用通风降温，通风机开启后温度由34.6 ℃降至34 ℃，温度降低较少；开启制冷机组后，巷道内空气温度由34 ℃降至27.9 ℃，温度降低较快，与理论计算结果一致。

试验表明，单纯依赖通风方式降低巷道的温度，降温效果有限，制冷降温是一种快速有效的方法。

3 结 论

以热力学、传热学、流体机械、流体力学及制冷与低温工程为理论基础，研究矿井通风降温热交换模拟试验平台，模拟矿井降温冷风最佳运行模式，研究三相流热交换关系，为高温矿井降温提供理论指导。

[1] 杨德元，杨天鸿.矿井热环境及其控制[M].北京：冶金工业出版社，2009.

[2] 陈宜华,贾敏涛.深热矿床热源成因及热交换规律研究报告[R].马鞍山：中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，2014.

Research on the Simulation Experimental Device of Mine Ventilation Colling Heat Exchange

Chen Yihua1,2,3Jia Mintao1,2,3Wang Shuang1,2,3

(1.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.;2.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines;3.National Engineering Research Center of High Efficient Recycle and Utilization of Metal Resources)

A simulation experimental device platform of metal mine ventilation colling heat exchange is introduced,the environmental of mine is monitored in real-time by adopting the industrial PC,computer intelligent modules,sensors and communication network.Besides that,the optimum matching scheme of colling and refrigerating capacity of underworkings is simulated so as to provide guidance for designing and running of deep mining underground cooling system.

Ventilation cooling, Refrigerating capacity, Heat exchange, Experimental device

图3 巷道降温模拟试验

2014-06-20)

陈宜华(1963—)，男 ，所长，副总工程师，教授级高级工程师，243000 安徽省马鞍山市经济技术开发区西塘路666号。