喷浆支护掘进工作面降温方案研究

谭星宇 廖文景 谢贤平

（1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012；2.湖南铭生安全科技有限责任公司，湖南 长沙 410012；3.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南 长沙 410012；4.昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

随着矿山开采深度的增加，井下地热显著提高，通常矿山深部掘进工作面热害最为突出。喷浆支护的掘进工作面温度除受入口风流温度、风量、围岩放热等因素影响外［1-2］，还受到喷浆支护后混凝土水化放热的影响，本项目考虑以上因素对喷浆支护掘进工作面温度的影响，利用流体力学软件Fluent开展喷浆支护掘进工作面降温方案的研究。

1 喷浆支护掘进工作面温度主要影响因素

掘进工作面热源包括围岩放热、机电设备运转放热、混凝土水化放热、爆破放热和人体放热等，均是造成掘进工作面温度升高的因素。对于喷浆支护的掘进工作面，围岩放热和混凝土水化放热是温度升高的主要影响因素。此外，掘进工作面的风量和入口风流温度是掘进工作面温度的关键影响因素。

（1）围岩放热。当围岩岩体与在井巷中流动的空气存在温度差时会产生热交换，这种热交换是一种极为复杂的对流换热过程。在工程上，井巷围岩放热量

式中，Qr为井巷围岩放热量，W；kτ为围岩与风流间的对流换热系数，W/（m2∙℃）；U、L为井巷周长和长度，m；tr为巷道平均原始岩温，℃；tb为巷道平均风温，℃。由式（1）可知围岩的放热量与对流换热系数、围岩与空气的接触面积、围岩与空气的温差成正比，当tr大于tb时围岩放热。

（2）混凝土水化放热。混凝土中的水泥发生反应时伴随着能量的释放。混凝土水化热是依赖于龄期的，可用下式计算［3］：

式中：Qct为t龄期时混凝土的水化热值，kJ/kg；W为每立方米混凝土中水泥用量，kg/m3；Q为每千克水泥水化热，kJ/kg；ρ为混凝土密度，kg/m3；t为混凝土浇筑后至计算时的天数，d；m为常数。

各龄期混凝土的放热量qct（W/m3）可由下式计算：

将式（2）代入式（3），可得：

由式（4）可知混凝土放热量与水泥用量和水泥水化热成正比，与龄期成负指数关系，随着龄期增大混凝土放热减小。

（3）风量和入口风流温度。掘进工作面风流温度随风量的增加逐渐降低，两者呈负幂函数规律变化，随着风量的增大，工作面温度下降的速率在逐渐减小［4］。掘进工作面温度随入口风流温度增加面增加，两者呈线性关系变化［5］。

（4）其他影响因素。机电设备运转放热、爆破放热和人体放热等对掘进工作面温度升高也起到一定的影响。

2 工程概述及降温方案

2.1 工程概述

云南某铅锌矿-20 m中段南翼掘进工作面围岩条件较差，采用喷锚支护，图1为掘进工作面现状图。掘进工作面深度约900 m，长为34 m；掘进裸巷断面规格为2.4 m×2.5 m（宽×高），喷浆厚度为100 mm，支护后巷道断面规格为2.2 m×2.4 m（宽×高）。掘进工作面每掘进20 m进行喷浆1次，喷浆循环周期为11 d，靠近撑子面留4 m长巷道不进行喷浆，已完成2段巷道的喷浆（编号分别为C30-Ⅰ和C30-Ⅱ，龄期分别为1 d、12 d）。喷浆使用混凝土标号为C30，C30混凝土配比如表1。该掘进工作面采用压入式局部通风，风筒直径为400 mm，风量为1.5 m3/s。

2.2 温度测定

因混凝土放热量随着龄期增大而减小，喷浆支护后第1天混凝土放热量最大，依据最不利原则，喷浆支护后第1天对掘进工作面进行温度测量，如图1，设置4个温度测量断面（断面A-A、B-B、C-C和D-D）进行温度测量，每个断面设置3个测点（测点Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）。测量结果如表2，由测量结果可知掘进工作面4个测量断面的平均温度均超过28℃，超过《金属非金属矿山安全规程》（GB 16423-2006）对采掘工作面温度的要求，应采取降温措施，降低该掘进工作面温度。

2.3 降温方案设计

-20 m中段南翼掘进工作面温度主要受围岩放热、混凝土水化放热、风量和入口风流温度等因素影响，制定该掘进工作面降温方案时主要考虑从以上四方面采取措施：

（1）根据混凝土水化放热的规律，可通过优化支护方案，减少单次喷浆支护长度，避免大量混凝土集中放热，造成掘进工作面温度过高。

（2）通过增加掘进工作面的风量能加快掘进工作面热量的排出，降底工作环境温度，同时风速的增加，人体的散热条件可以得到改善；在一定范围内增加掘进工作面风量，增加成本较低。

（3）对于控制围岩放热可通过预冷岩层和隔热材料喷涂岩壁实现，但成本较高，技术难度大［6］。

（4）降低掘进工作面入口风流温度需通过人工制冷降温技术实现［7］，技术难度较大，成本高。

综上所述，由于-20 m中段南翼掘进工作面热害严重程度较低，考虑降温方案的技术可行性和经济合理性，采取增加风量、优化支护的措施降低掘进工作面温度，拟定表3所示3种降温方案。

3 数值模拟及降温方案比选

3.1 基本原理

热量传递的方式有传导、对流和辐射3种。喷浆支护掘进工作面，混凝土与围岩之间的主要换热方式为传导换热，混凝土、围岩与风流之间主要为对流换热。掘进工作面风流流动遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。

3.2 模型建立和边界条件设置

运用ICEM CFD软件建立云南某铅锌矿-20 m中段南翼掘进工作面三维几何模型，对掘进工作面不同龄期混凝土分别建立体（Body），采用非结构网格进行几何模型网格划分，划分网格数量80余万个。

将三维几何模型导入Fluent软件，由于掘进工作面采用局部通风方式，将风筒出风口设置为入口边界，入口风流温度为26.6℃，现状和方案一入口风速设置为11.94 m/s，方案二和方案三入口风速为15.92 m/s；掘进工作面入口设置为出口边界，为自由出口（outflow）；原岩壁面与空气的对流换热系数15.2 W/（m2·℃），壁面温度为30.6℃；混凝土壁面与空气的对流换热系数12.7 W/（m2·℃）；混凝土密度为2 400 kg/m3，比热容为1 037.5 J/（kg·K），导热系数为3.05 W/（m·K），各龄期混凝土的放热量qct根据式（4）计算选取，混凝土的龄期根据最后一次喷浆支护后的第1天确定。

-20 m中段南翼掘进工作面机械化程度不高，掘进工作面爆破后先进行30 min通风，掘进工作面同时作业人员2～4人，机电设备运转放热、爆破放热和人体放热对该掘进工作面影响较小，数值模拟时不考虑机电设备运转放热、爆破放热和人体放热对掘进工作面热环境影响。

3.3 模拟结果及分析

（1）模拟结果。在模型建立和边界条件设定后，分别对-20 m中段南翼掘进工作面现状和3种降温方案进行数值模拟，模拟进行500步迭代后均收敛。图3为现状及降温方案数值模拟温度分布云图，表4为现状及降温方案温度数据。

（2）测量与模拟结果对比分析。将表2中实测温度与表4中现状模拟温度进行对比分析，断面平均温度绝对误差不大于0.21℃，绝对误差不大于0.73%，因此数值模拟结果科学可靠。实测温度较模拟温度整体略微偏大，主要是由于数值模拟时未考虑机电设备放热和人体放热等对掘进工作面热环境影响。

（3）降温方案选择。由数值模拟结果可知：采用方案一，掘进工作面温度27.46～28.32℃，平均温度为27.94℃，掘进工作面两个断面平均温度超过28℃；采用方案二，掘进工作面温度27.38～28.31℃，平均温度为27.86℃，掘进工作面一个断面平均温度超过28℃；采用方案三，掘进工作面温度27.14～28.75℃，平均温度为27.48℃，掘进工作面各断面平均温度均小于28℃。综上所述，选定方案三为掘进工作面的降温方案，方案三采取优化支护+增加风量的措施，掘进工作面平均温度可降低约1.06℃，该降温方案可应用于矿山其他相似掘进工作面。

4 结论

（1）在分析了喷浆支护掘进工作面温度主要影响因素的基础上，根据矿山掘进工作面实际情况，制定了3个掘进工作面降温方案，3个方案分别采取的措施为优化支护、增加风量和优化支护+增加风量。

（2）运用Fluent软件建立了矿山喷浆支护掘进工作面现状及3个降温方案模型，通过数值模拟选定方案三（优化支护+增加风量）为该掘进工作面降温方案，根据数值模拟采取方案三后掘进工作面平均温度降低至27.48℃。