金属矿山独头掘进巷道降温试验

王 爽 贾敏涛 陈宜华 吴冷峻

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司,安徽 马鞍山 243000；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室,安徽 马鞍山 243000；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司,安徽 马鞍山 243000)

·安全与环保·

金属矿山独头掘进巷道降温试验

王 爽1，2，3贾敏涛1，2，3陈宜华1，2,3吴冷峻1，2,3

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司,安徽 马鞍山 243000；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室,安徽 马鞍山 243000；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司,安徽 马鞍山 243000)

金属矿山独头掘进巷道制冷系数是计算独头掘进巷道降温需冷量非常重要的参数之一，关系到能否达到预期降温效果及影响着降温工程的的经济投入。利用“金属矿山深部开采降温试验系统”分别模拟通风降温、加大风量降温、制冷降温、加大制冷降温4种条件下独头掘进巷道的降温过程，并分析独头掘进巷道降温效果，在通风及加大风量降温后，独头掘进巷道内温度先下降然后趋于稳定，再也无法下降，只有通过制冷措施，对独头掘进工作面进行降温。通过监测数据的焓差值计算出降温制冷系数，同时利用多次试验得出制冷系数范围在1.38～1.68，进而为独头掘进巷道降温设计提供设计依据。

独头掘进巷道 降温试验系统 制冷降温 焓差 制冷系数

据不完全统计，目前国外进入深部开采的金属矿山已超过80座[1]，深井开采必然将遇到高温问题；国内己有140余个金属矿山出现了不同程度的高温问题，其中采掘工作面风温超过30 ℃的矿井己达60余个[2-3]。独头掘进巷道作为井下热害最严重的地方，如不采取有效措施，独头掘进巷道内空气温度过高的情况将会更加严重，不仅会损害井下工人的身体健康，而且会导致生产率的降低，甚至掘进工作面无法作业[4]。因此，开展“金属矿山独头掘进巷道降温试验研究”，模拟独头掘进巷道不同降温措施下的降温效果，并通过大量的试验分析计算出制冷系数经验值，进而为独头掘进巷道降温设计提供设计依据。

1 独头掘进巷道降温试验研究

1.1 试验系统组成

“金属矿山深部开采降温试验系统”利用制冷机组制取冷水，由冷冻水泵将冷水输送至空冷器进行冷量交换，使空冷器出口风流的温度和湿度降低，调节独头作业面的空气参数；井下风流的热力参数通过研制的模拟装置进行控制，独头作业面热负荷的大小可通过调节不同的加热功率实现，湿度由加湿系统进行控制。

该试验系统由制冷系统与装备、井下模拟系统及装置、冷量交换系统与装备及试验测量系统组成[5]，系统图如图1所示。

图1 矿山深部开采降温试验系统示意

1.2 试验方案设计

1.2.1 试验设备及监测系统

设备除上述的金属矿山深部开采降温试验系统，还有红外线测温仪，TESTO42精密型风速仪等。过程采用的观测方法有直接测量法、连续监测法等。连续监测法将模拟巷道共分为4个截面(截面A、B、C、D)，每个截面布置4个点(A：1#、5#、9#、13#；B：2#、6#、10#、14#；C：3#、7#、11#、15#；D：4#、8#、12#、16#)，分别安设4个温度传感器和4个湿度传感器，用于监测模拟巷道内热交换过程中空气的温湿度变化情况，矿井降温试验平台控制界面[6]如图2。

1.2.2 试验参数设置

独头掘进作业面的模拟巷道利用加热、加湿控制系统进行加热加湿，模拟井下高温环境状态。某次参数设定见表1，分别进行了通风降温、加大风量、制冷降温、加大制冷4种条件下的模拟试验。

图2 矿井降温试验平台控制界面

条 件巷道内平均风速/(m/s)风筒距离工作面距离/m壁面温度/℃通风降温加大风量制冷降温加大制冷0.38A截面(工作面温度),35B截面(0m≤z<4m),35C截面(4m≤z<9m),35D截面(9m≤z≤13m),35

注：湿度以空气湿度为准。

1.2.3 试验过程说明

某次试验主要是研究独头掘进作业面在不同负荷条件下，掘进工作面的降温效果。在现场过程中，共分为3个阶段。

第一阶段：开启模拟巷道的加热系统，对模拟巷道进行加热；

第二阶段：开启风机，通过调节风机频率控制通风量，模拟分析巷道内空气热交换；

第三阶段：开启制冷机组，通过调节风机频率控制风量来调节制冷量，模拟分析巷道内空气进行采取降温措施后热交换过程，分析模拟巷道在冷负荷下的降温效果。

1.3 试验数据记录

1.3.1 监控点不同时刻温、湿度记录

如表2所示。

表2 各监控点温、湿度记录

1.3.2 通风量、制冷量数据记录

有关数据如表3所示。

表3 通风、制冷数据记录

注：风量计算，湿空气密度取值1.2 kg/m3。

2 独头掘进巷道降温试验数据分析

2.1 模拟巷道内温度变化情况

模拟巷道内各截面温度变化情况，如图3所示。模拟巷道内空气在模拟加热趋于稳定时，巷道内温度最高温度38.23 ℃，最低温度34.35 ℃，平均温度36.39 ℃，符合独头掘进工作面经验温度。经通风及加大风量降温，模拟巷道内温度最大温度降4.75 ℃，最小温度降1.02 ℃，平均温度降1.02 ℃。现场试验发现，当模拟巷道内空气温度下降到接近34 ℃时，通风降温不再有明显效果，巷道内温度趋于稳定，见图4(a)。开启制冷机组后，模拟巷道内温度最大温度降5.45 ℃，最小温度降4.53 ℃，平均温度降4.99 ℃。再加大制冷后，模拟巷道内温度最大温度降6.90℃，最小温度降6.47 ℃，平均温度降6.72 ℃。在末尾状态时刻，模拟巷道内最高温度27.00 ℃，最低温度26.48 ℃，平均温度26.66 ℃，均满足安全规程要求独头掘进巷道掘进工作面空气温度不得超过28 ℃，如图4(b)。

图3 模拟巷道内各监测点温度变化

2.2 降温制冷系数的计算2.2.1降温制冷系数的定义

独头巷道降温需冷量计算需考虑降温制冷系数，

图4 模拟巷道内9#点温度变化

在实验室模拟过程中，我们定义制冷系数为制冷量与风流带走热量的比值，即

(1)

式中，KL为制冷系数；Q制冷为独头掘进巷道的需冷量实际值，kW；Q带走为独头掘进巷道的需冷量理论值，kW。

2.2.2 各时段放热量和制冷量计算

各时段放热量、制冷量计算，如表4。

表4 各时段放热量、制冷量计算

在制冷降温时，风流带走的热量是6.37 kW，制冷机组的制冷量是10.13 kW，降温效率0.63，制冷系数为1.59；在加大制冷时，风流带走的热量是9.90 kW，制冷机组的制冷量是14.81 kW，降温效率0.67，制冷系数为1.50。通过多次试验，得出制冷系数最大值1.68，最小值1.38。考虑到模拟巷道内的空气湿度比独头巷道内空气湿度低，建议制冷系数经验取值为1.2～1.6。希望制冷系数经验值能给矿井降温设计人员和现场工程技术人员带来帮助。

3 结 语

(1)通过试验模拟独头掘进巷道降温，可得经通风及加大风量降温，独头掘进巷道内温度下降到一定程度以后再也无法下降。必须通过制冷措施，对独头掘进工作面进行降温。

(2)通过多次试验，得出制冷系数的经验取值，希望制冷系数经验值能给矿井降温设计人员和现场工程技术人员提供借鉴。

[1] 何茂才,陈建宏,永学艳．深井高温金属矿开采降温方案探讨及应用[J]．金属矿山，2011(4):144-147． He Maocai，Chen Jianhong，Yong Xueyan.Discussion and application of cooling schemes in mining of deep metal mine with high-temperature[J].Metal Mine，2011(4)：144-147．

[2] 龙腾腾.高温独头巷道射流通风热环境数值模拟及热害控制技术研究[D].长沙:中南大学，2008． Long Tengteng.Numerical Simulation of Jet Ventilation and Thermal Disaster Prevention Study on High Temperature Heading Face[D].Changsha:Central South University,2008.

[3] 李 瑞.深井掘进巷道热灾害预测模型研究[D].西安:西安科技大学，2009． Li Rui.Study on Heat-calamity Forecast Model in Drivage Roadway of Deep Shaft[D].Xi'an：Xi'an University of Science and Technology，2009.

[4] 李孜军，吴 超，周 勃．独头工作面通风降温新方法及效果分析[J]．金属矿山，2002(1)：51-53． Li Zijun，Wu Chao，Zhou Bo.A new ventilation and temperature drop method for dead working face and its effect analysis[J].Metal Mine，2002(1)：51-53．

[5] 陈宜华.高温矿床开采地热成因与降温技术研究报告[R].马鞍山：中钢集团马鞍山矿山研究院,2013:30-30． Chen Yihua.The Research Report of High Temperature Geothermal Genesis of Deposit Mining and Cooling Technology[R].Maanshan：Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.，Ltd.,2013:30-30．

[6] 贾敏涛,陈宜华,吴冷峻，等．金属矿山深部掘进巷道热交换模拟测试平台设计[J]．金属矿山，2014(11)：113-116． Jia Mintao，Chen Yihua，Wu Lengjun，et al.Design of mine deep mining roadway thermal exchange simulation test platform[J].Metal Mine,2014(11)：113-116．

(责任编辑 徐志宏)

Cooling Experiment on Blind Heading Face of Metal Mine

Wang Shuang1,2,3Jia Mintao1,2Chen Yihua1,2,3Wu Lengjun1,2,3

(1.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.，Maanshan243000，China;2.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMine，Maanshan243000，China；3.NationalEngineeringResearchCenterofHuaweiHighEfficiencyCyclicUtilizationofMetalMineralResourcesCo.，Ltd.，Maanshan243000，China)

The cooling coefficient in heading face of metal mine is one of the important parameters for calculating the required amount of cooling for tunneling and related to whether to achieve the desired cooling effect and economic investment influencing the cooling engineering.With the aid of the mine deep mining cooling test system，the cooling process in heading face under four conditions of ventilation cooling，cooling by increasing air flow，refrigeration cooling and cooling by increasing refrigeration are simulated，and the cooling effect in heading face is analyzed.After ventilation and cooling by increasing ventilation，the temperature in heading face was dropped first，stabilized，and then kept still.Only the refrigeration measures can lower the temperature in heading face.With the monitoring data，the refrigeration coefficient is calculated out by using the enthalpy difference.At the same time，it is obtained that the refrigeration coefficient ranges at 1.38～1.68 from many experiments.This research provides the design basis for design of cooling in heading face.

Heading face，Cooling test system，Refrigeration cooling，Enthalpy difference，Cooling coefficient

2014-11-21

“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2012BAB14B01)，国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(编号：2012CB724207)。

王 爽(1988—)，男，硕士研究生。

TD727

A

1001-1250(2015)-03-165-04