喷浆支护掘进工作面降温方案研究_谭星宇.pdf

收稿日期2020-03-20 作者简介谭星宇 （1989） ， 男， 工程师， 硕士。 喷浆支护掘进工作面降温方案研究 谭星宇 1， 2， 3 廖文景 1， 2， 3 谢贤平 41 （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） 摘要为了制定可靠的喷浆支护掘进工作面降温方案， 采用数值模拟的方法对降温方案的降温效果进行分 析研究。在分析影响矿山喷浆支护掘进工作面温度主要因素的基础上， 结合工程实例， 制定3个降温方案， 分别为 优化支护、 增加风量和优化支护增加风量方案。然后， 运用 ICEM CFD软件建立喷浆支护掘进工作面模型， 模型 网络划分采用非结构网格， 网格数量约80万个； 采用Fluent软件进行掘进工作面现状及各降温方案模拟， 通过将掘 进工作面现场实测与现状模拟对比， 验证了数值模拟的可靠性； 分析降温方案数值模拟结果， 选定方案三 （优化支 护增加风量方案） 为掘进工作面降温方案。 关键词掘进工作面喷浆支护降温方案风量 中图分类号TD727文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -08-199-05 DOI10.19614/ki.jsks.202008032 Research on Cooling Scheme of Shotcrete Supporting Heading Face Tan Xingyu1， 2， 3Liao Wenjing1， 2， 3Xie Xianping42 （1. Changsha Institute of Mining Research Co.， Ltd.， Changsha 410012， China； 2. Hunan Mingsheng Safety Technology Co.， Ltd.， Changsha 410012， China； 3. State Key Laboratory of Metal Mine Safety Technology， Changsha 410012， China； 4. School of Land Resource Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650093， China） AbstractThe numerical simulation was adopted to study the cooling effect of the shotcrete supporting heading face′s cooling scheme for ulating a reliable cooling scheme． By analyzing the main factors affecting the temperature of the mine shotcrete support heading face， and combined with the engineering cases， three cooling schemes were developed as fol⁃ lows optimizing support scheme，increasing air quantity，and optimizing support scheme with increasing air volume． ICEM CFD software was used to build the model of shotcrete support heading face and the model network was divided into unstruc⁃ tured grids，with about 800 000 grids． Fluent software was used to simulate the current situation and the various cooling schemes of the heading face． The reliability of the numerical simulation is verified by comparing the actual measured tempera⁃ ture with the current simulated temperature of the heading face． From the numerical simulation results of the cooling scheme， the third scheme was selected as the cooling scheme of heading face，namely，optimizing support scheme with increasing air quantity． KeywordsHeading face， Shotcrete support， Cooling scheme， Air quantity 总第 530 期 2020 年第 8 期 金属矿山 METAL MINE Series No． 530 August2020 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。 199 ChaoXing 金属矿山2020年第8期总第530期 （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 Qr kτLUtr- tb，（1） 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］ Qct WQ ρ 1 - e-mt，（2） 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 qct 1 000 86 400 ρ[]Qct- Qc t - 1．（3） 将式 （2） 代入式 （3） ， 可得 qct WQ 86．4 em- 1e-mt.（4） 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 m2.5 m （宽高） ， 喷浆厚度为100 mm， 支护后巷道断面规格为2.2 m2.4 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。 200 ChaoXing 2020年第8期谭星宇等 喷浆支护掘进工作面降温方案研究 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 201 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ 金属矿山2020年第8期总第530期 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 ℃。 参 考 文 献 杨德源， 杨天鸿．矿井热环境及其控制 ［M］ ．北京 冶金工业出 版社， 2009269． Yang Deyuan， Yang Tianhong．Thermal Environment in Mine and Its Control ［M］ ．Beijing Metallurgical Industry Press， 2009 269． 胡汉华．深热矿井环境控制 ［M］ ．长沙 中南大学出版社， 2009 49-55． Hu Hanhua．Environment Control of Deep and Hot Mine ［M］ ．Chang⁃ sha Central South University Press， 2009 49-55． 朱伯芳．大体积混凝土温度应力与温度控制 ［M］ ．北京 中国水 利水电出版社， 2012． Zhu Bofang．Temperature Stress and Temperature Control of Mass Concrete［M］ ．Beijing China Water Conservancy and Hydropower Press， 2012． 杜翠凤， 徐喆， 唐占信， 等．掘进巷道通风降温的数值模拟及 影响因素分析 ［J］ ．金属矿山， 2016 （2） 151-155． Du Cuifeng， Xu Zhe， Tang Zhanxin， et．al．Numerical simulation of ventilation and cooling in excavation roadway and analysis of influ⁃ encing factors［J］ ．Metal Mine， 2016 （2） 151-155． 周西华， 王继仁， 单亚飞， 等．掘进巷道风流温度分布规律的数 值模拟 ［J］ ．中国安全科学学报， 2002， 12 （2） 19-23． Zhou Xihua， Wang Jiren， Shan Yafei， et al．Numerical simulation of the rule of airflow temperature distribution in drifting tunnel［J］． China Safety Science Journal， 2002， 12 （2） 19-23． 202 ChaoXing ［6］［7］ 2020年第8期谭星宇等 喷浆支护掘进工作面降温方案研究 胡汉华 ．金属矿矿井热害控制技术研究 ［D］ ．长沙 中南大学， 2007． Hu Hanhua．Research on Heat Harm Damage Control Technology of Metal Mine ［D］ ．Changsha Central South University， 2007． 刘何清， 吴超， 王卫军， 等．矿井降温技术研究述评 ［J］ ．金属矿 山， 2005 （6） 43-46． Liu Heqing， Wu Chao， Wang Weijun， et al．Review of mine tempera⁃ ture drop technology ［J］ ．Metal Mine， 2005 （6） 43-46． 203 ChaoXing