噴漿支護掘進工作面降溫方案研究

譚星宇 廖文景 謝賢平

（1.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；2.湖南銘生安全科技有限責任公司，湖南 長沙 410012；3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室，湖南 長沙 410012；4.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093）

隨著礦山開采深度的增加，井下地熱顯著提高，通常礦山深部掘進工作面熱害最為突出。噴漿支護的掘進工作面溫度除受入口風流溫度、風量、圍巖放熱等因素影響外［1-2］，還受到噴漿支護后混凝土水化放熱的影響，本項目考慮以上因素對噴漿支護掘進工作面溫度的影響，利用流體力學軟件Fluent開展噴漿支護掘進工作面降溫方案的研究。

1 噴漿支護掘進工作面溫度主要影響因素

掘進工作面熱源包括圍巖放熱、機電設備運轉放熱、混凝土水化放熱、爆破放熱和人體放熱等，均是造成掘進工作面溫度升高的因素。對于噴漿支護的掘進工作面，圍巖放熱和混凝土水化放熱是溫度升高的主要影響因素。此外，掘進工作面的風量和入口風流溫度是掘進工作面溫度的關鍵影響因素。

（1）圍巖放熱。當圍巖巖體與在井巷中流動的空氣存在溫度差時會產生熱交換，這種熱交換是一種極為復雜的對流換熱過程。在工程上，井巷圍巖放熱量

式中，Qr為井巷圍巖放熱量，W；kτ為圍巖與風流間的對流換熱系數(shù)，W/（m2?℃）；U、L為井巷周長和長度，m；tr為巷道平均原始巖溫，℃；tb為巷道平均風溫，℃。由式（1）可知圍巖的放熱量與對流換熱系數(shù)、圍巖與空氣的接觸面積、圍巖與空氣的溫差成正比，當tr大于tb時圍巖放熱。

（2）混凝土水化放熱。混凝土中的水泥發(fā)生反應時伴隨著能量的釋放?；炷了療崾且蕾囉邶g期的，可用下式計算［3］：

式中：Qct為t齡期時混凝土的水化熱值，kJ/kg；W為每立方米混凝土中水泥用量，kg/m3；Q為每千克水泥水化熱，kJ/kg；ρ為混凝土密度，kg/m3；t為混凝土澆筑后至計算時的天數(shù)，d；m為常數(shù)。

各齡期混凝土的放熱量qct（W/m3）可由下式計算：

將式（2）代入式（3），可得：

由式（4）可知混凝土放熱量與水泥用量和水泥水化熱成正比，與齡期成負指數(shù)關系，隨著齡期增大混凝土放熱減小。

（3）風量和入口風流溫度。掘進工作面風流溫度隨風量的增加逐漸降低，兩者呈負冪函數(shù)規(guī)律變化，隨著風量的增大，工作面溫度下降的速率在逐漸減小［4］。掘進工作面溫度隨入口風流溫度增加面增加，兩者呈線性關系變化［5］。

（4）其他影響因素。機電設備運轉放熱、爆破放熱和人體放熱等對掘進工作面溫度升高也起到一定的影響。

2 工程概述及降溫方案

2.1 工程概述

云南某鉛鋅礦-20 m中段南翼掘進工作面圍巖條件較差，采用噴錨支護，圖1為掘進工作面現(xiàn)狀圖。掘進工作面深度約900 m，長為34 m；掘進裸巷斷面規(guī)格為2.4 m×2.5 m（寬×高），噴漿厚度為100 mm，支護后巷道斷面規(guī)格為2.2 m×2.4 m（寬×高）。掘進工作面每掘進20 m進行噴漿1次，噴漿循環(huán)周期為11 d，靠近撐子面留4 m長巷道不進行噴漿，已完成2段巷道的噴漿（編號分別為C30-Ⅰ和C30-Ⅱ，齡期分別為1 d、12 d）。噴漿使用混凝土標號為C30，C30混凝土配比如表1。該掘進工作面采用壓入式局部通風，風筒直徑為400 mm，風量為1.5 m3/s。

2.2 溫度測定

因混凝土放熱量隨著齡期增大而減小，噴漿支護后第1天混凝土放熱量最大，依據最不利原則，噴漿支護后第1天對掘進工作面進行溫度測量，如圖1，設置4個溫度測量斷面（斷面A-A、B-B、C-C和D-D）進行溫度測量，每個斷面設置3個測點（測點Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）。測量結果如表2，由測量結果可知掘進工作面4個測量斷面的平均溫度均超過28℃，超過《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB 16423-2006）對采掘工作面溫度的要求，應采取降溫措施，降低該掘進工作面溫度。

2.3 降溫方案設計

-20 m中段南翼掘進工作面溫度主要受圍巖放熱、混凝土水化放熱、風量和入口風流溫度等因素影響，制定該掘進工作面降溫方案時主要考慮從以上四方面采取措施：

（1）根據混凝土水化放熱的規(guī)律，可通過優(yōu)化支護方案，減少單次噴漿支護長度，避免大量混凝土集中放熱，造成掘進工作面溫度過高。

（2）通過增加掘進工作面的風量能加快掘進工作面熱量的排出，降底工作環(huán)境溫度，同時風速的增加，人體的散熱條件可以得到改善；在一定范圍內增加掘進工作面風量，增加成本較低。

（3）對于控制圍巖放熱可通過預冷巖層和隔熱材料噴涂巖壁實現(xiàn)，但成本較高，技術難度大［6］。

（4）降低掘進工作面入口風流溫度需通過人工制冷降溫技術實現(xiàn)［7］，技術難度較大，成本高。

綜上所述，由于-20 m中段南翼掘進工作面熱害嚴重程度較低，考慮降溫方案的技術可行性和經濟合理性，采取增加風量、優(yōu)化支護的措施降低掘進工作面溫度，擬定表3所示3種降溫方案。

3 數(shù)值模擬及降溫方案比選

3.1 基本原理

熱量傳遞的方式有傳導、對流和輻射3種。噴漿支護掘進工作面，混凝土與圍巖之間的主要換熱方式為傳導換熱，混凝土、圍巖與風流之間主要為對流換熱。掘進工作面風流流動遵循質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。

3.2 模型建立和邊界條件設置

運用ICEM CFD軟件建立云南某鉛鋅礦-20 m中段南翼掘進工作面三維幾何模型，對掘進工作面不同齡期混凝土分別建立體（Body），采用非結構網格進行幾何模型網格劃分，劃分網格數(shù)量80余萬個。

將三維幾何模型導入Fluent軟件，由于掘進工作面采用局部通風方式，將風筒出風口設置為入口邊界，入口風流溫度為26.6℃，現(xiàn)狀和方案一入口風速設置為11.94 m/s，方案二和方案三入口風速為15.92 m/s；掘進工作面入口設置為出口邊界，為自由出口（outflow）；原巖壁面與空氣的對流換熱系數(shù)15.2 W/（m2·℃），壁面溫度為30.6℃；混凝土壁面與空氣的對流換熱系數(shù)12.7 W/（m2·℃）；混凝土密度為2 400 kg/m3，比熱容為1 037.5 J/（kg·K），導熱系數(shù)為3.05 W/（m·K），各齡期混凝土的放熱量qct根據式（4）計算選取，混凝土的齡期根據最后一次噴漿支護后的第1天確定。

-20 m中段南翼掘進工作面機械化程度不高，掘進工作面爆破后先進行30 min通風，掘進工作面同時作業(yè)人員2～4人，機電設備運轉放熱、爆破放熱和人體放熱對該掘進工作面影響較小，數(shù)值模擬時不考慮機電設備運轉放熱、爆破放熱和人體放熱對掘進工作面熱環(huán)境影響。

3.3 模擬結果及分析

（1）模擬結果。在模型建立和邊界條件設定后，分別對-20 m中段南翼掘進工作面現(xiàn)狀和3種降溫方案進行數(shù)值模擬，模擬進行500步迭代后均收斂。圖3為現(xiàn)狀及降溫方案數(shù)值模擬溫度分布云圖，表4為現(xiàn)狀及降溫方案溫度數(shù)據。

（2）測量與模擬結果對比分析。將表2中實測溫度與表4中現(xiàn)狀模擬溫度進行對比分析，斷面平均溫度絕對誤差不大于0.21℃，絕對誤差不大于0.73%，因此數(shù)值模擬結果科學可靠。實測溫度較模擬溫度整體略微偏大，主要是由于數(shù)值模擬時未考慮機電設備放熱和人體放熱等對掘進工作面熱環(huán)境影響。

（3）降溫方案選擇。由數(shù)值模擬結果可知：采用方案一，掘進工作面溫度27.46～28.32℃，平均溫度為27.94℃，掘進工作面兩個斷面平均溫度超過28℃；采用方案二，掘進工作面溫度27.38～28.31℃，平均溫度為27.86℃，掘進工作面一個斷面平均溫度超過28℃；采用方案三，掘進工作面溫度27.14～28.75℃，平均溫度為27.48℃，掘進工作面各斷面平均溫度均小于28℃。綜上所述，選定方案三為掘進工作面的降溫方案，方案三采取優(yōu)化支護+增加風量的措施，掘進工作面平均溫度可降低約1.06℃，該降溫方案可應用于礦山其他相似掘進工作面。

4 結論

（1）在分析了噴漿支護掘進工作面溫度主要影響因素的基礎上，根據礦山掘進工作面實際情況，制定了3個掘進工作面降溫方案，3個方案分別采取的措施為優(yōu)化支護、增加風量和優(yōu)化支護+增加風量。

（2）運用Fluent軟件建立了礦山噴漿支護掘進工作面現(xiàn)狀及3個降溫方案模型，通過數(shù)值模擬選定方案三（優(yōu)化支護+增加風量）為該掘進工作面降溫方案，根據數(shù)值模擬采取方案三后掘進工作面平均溫度降低至27.48℃。