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掘进巷道通风降温试验研究
2018-10-10
为了得到不同通风条件下掘进巷道内的气温变化影响规律,在蚕庄金矿徐家瞳-750 m水平进行了有无 人员作业、通风机是否工作、不同风量等条件下的通风降温试验研究。研究结果表明:通风6 min时气温迅速降低,12 min后气温虽然降低但降温梯度大幅减小,在停风60 min时巷内气温迅速升至28 ℃左右,为保证工作面满足安全规程 要求,有人员作业地点要保持连续通风;气温随风量的增加而降低,且距离出风口越远时气温越高,可适当加大工作面 风量;巷内岩壁温度随通风时间的增加下降很小,但同一位置岩壁温度与气温温差在加大,且通风60 min后温差可达 3 ℃以上;风筒每增加10 m,出口气温增加约1 ℃,实际生...
Series No. 507 金 属 矿 山 总第 507 期 September 2018 METAL MINE 2018 年第 9 期 掘进巷道通风降温试验研究 1 2,3 2,3 4 2,3 徐海月 张瑞明 魏丁一 杜翠凤 张宏光 ( 1. 山西工程职业技术学院,山西 太原030009;2. 金属矿山高效开采与安全教育部重点试验室,北京 100083; 3 . 北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083;4.马钢(集团)控股有限公司南山矿业公司,安徽 马鞍山 243000) 摘 要 为了得到不同通风条件下掘进巷道内的气温变化影响规律,在蚕庄金矿徐家瞳-750 m水平进行了有无 人员作业、通风机是否工作、不同风量等条件下的通风降温试验研究。研究结果表明:通风6 min时气温迅速降低,12 min后气温虽然降低但降温梯度大幅减小,在停风60 min时巷内气温迅速升至28 ℃左右,为保证工作面满足安全规程 要求,有人员作业地点要保持连续通风;气温随风量的增加而降低,且距离出风口越远时气温越高,可适当加大工作面 风量;巷内岩壁温度随通风时间的增加下降很小,但同一位置岩壁温度与气温温差在加大,且通风60 min后温差可达 3 ℃以上;风筒每增加10 m,出口气温增加约1 ℃,实际生产中需要考虑风筒保温问题。试验得出的掘进巷道气温变 化规律可为其他水平和条件下的通风降温参数设置提供参考。 关键词 掘进巷道 通风时间 岩壁温度 风量 空气温度 中图分类号 TD72 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2018)-09-171-05 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.201809031 Experimental Study on Ventilation and Cooling in Excavation Roadway 1 Zhang Ruiming Wei Dingyi 2,3 2,3 4 Zhang Hongguang Xu Haiyue 2,3 Du Cuifeng (1. Shanxi Engineering Vocational College,Taiyuan 030009,China;2. State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,Ministry of Education,Beijing 100083,China;3. School of Civil and Resources Engineering, University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;4. Nanshan Mine Company,Magang (Group) Holding Co. Ltd.,Maanshan 243000,China) Abstract In order to obtain the influence law of temperature variation in the excavation roadway under different ventila⁃ tion conditions,tests of ventilation and cooling under the conditions that operations is unmanned or not,the fan is working or not with different air volume were carried out at the Xujiatong -750 m level in the Canzhuang gold mine.The results showed that the temperature dropped rapidly after ventilation for 6 minutes,but the temperature decreased gently after ventilation for 1 2 minutes.When the wind is closed for 60 minutes,the temperature in the excavation roadway rises rapidly to about 28 ℃. Therefore,in order to ensure that the working face can meet requirements of the safety regulations,continuous ventilation should be guaranteed for the personnel working place. The temperature in the excavation roadway gradually decreased as the ventilation air volume increased,and the farther away from the air outlet,the higher temperature inside the roadway. There⁃ fore,the air volume at working face should be appropriately increased;The rock wall temperature in the excavation roadway decreased less with the increase of ventilation time,but the temperature difference between the rock wall temperature and the temperature was increased at the same position with the temperature difference more than 3 ℃ after ventilation for 60 minutes; For every 10 m away from the ventilation duct,the temperature at the exit would increase by about 1 ℃. So,it is necessary to consider thermal insulation of the air duct in actual production.The temperature variation law in the excavation roadway ob⁃ tained from tests provides a reference for the setting of ventilation and cooling parameters under other levels and conditions. Keywords Excavating roadway,Ventilation time,Rock wall temperature,Ventilation volume,Air temperature 目前,我国浅部资源已经基本开采结束,金属矿 山逐步转向深部开采,伴随而来的是深部开采过程 中高温高湿热害问题的日益严重,许多专家和学者 [1-2] 进行了相关研究。黄寿元等 分析了通风降温的主 收稿日期 2018-06-15 基金项目 国家自然科学基金项目(编号:51274023)。 作者简介 张瑞明(1967—),男,副教授。通讯作者 杜翠凤(1966—),女,教授,博士,博士研究生导师。 · 171· 总第507期 金 属 矿 山 2018年第9期 要技术措施、特点及适用条件,并得到矿井回风排放 [ 3] 冷凝热模式受通风系统影响较大;胡华瑞等 利用 Ventsim 构建矿区通风可视化模型,得到增加矿井总 通风量不能降温,但增加局部风量和通风时间可降 低巷道风温,采场温度与地表气温变化一致,采场温 [4-5] 度高于30 ℃时建议采用井下集中式降温;解彬等 利用Fluent对单、双风筒2种压入式通风条件下的巷 内温度场分布进行模拟,得到双风筒压入式通风更 优,在掘进面附近温度比单风筒低 1~2 ℃,风流分布 更均匀,提高入口风速能有效降低采场温度;刘召胜 1 . 3 试验步骤 进行通风试验时应保证各温度记录仪与计时器 时间同步。试验步骤如下。 1)在未通风情况下布置温度记录仪,设定数据 采集时间间隔为20 s,分别对每个测点温度进行测定。 2)开启风机进行试验,观察各测点工作情况并 使用多参数检测仪记录测点空气参数。 3)测试风机运行与关闭条件下对巷道气温的 [6] 等 通过通风降温热模拟获得了大台沟铁矿深井开 采时通风降温的最优方案,为人工制冷与选择通风 ( [ 7] 降温提供了科学依据;杜翠凤等 选取夏甸金矿- 682 m水平进行通风降温测定,得到通风降温影响重 ( 要度排序为入风温度>岩壁温度>风量,入风温度和 岩壁温度的升高均导致风温线性升高,增大风量可 有效降温但降温效果随风量增加越来越不明显;张 ( [ 8] 影响时,保持风机运行状态后工作 90 min,采集并分 析空气降温规律;然后关闭风机保持 60 min,采集并 分析空气升温规律。 培红等 利用 Fluent 模拟测定自然通风时矿内的温 度分布和风速大小,得到风速为 4 m/s、温度为 15 ℃ 时水平巷道内温度能降到 28 ℃,满足安全规程规 定。本研究对于蚕庄金矿的徐家疃-750 m水平进行 通风降温试验,得到不同通风条件下掘进巷道的气 温变化和影响规律。 (4)测试不同风量等多种条件下对巷道气温的 影响时,改变供给风量后保持通风状态 90 min,采集 数据并观察温度变化情况。 2 试验结果与讨论 试验时风机进风气温均为 13.5 ℃,风筒长为 1 试验方案及测点布置 . 1 试验条件及仪器 选择徐家疃-750 m水平的掘进巷道作为测试巷 2 1 104 m,不同风量条件下风筒出口风温略有不同,当风 3 量为1.9、1.6、0.9 m /s时风筒出口风温分别为23、23.2 和 25.2 ℃。进行通风降温试验时,分别就是否有人 员作业、通风机是否运行和不同风量等多种条件下 的巷道气温影响变化进行试验。 道,断面面积为 5.75 m ,巷道采用局部压入式通风, 风机功率为 11 kW,柔性风筒直径为 0.4 m。盲巷没 有生产作业,未进行封闭。测试仪器主要有通风温 度记录仪、多参数检测仪、卷尺等。采用温度记录仪 多点实时监测气温或岩壁温度,多参数检测仪测量 测点的风速、湿度和气压等参数。 2 . 1 岩壁温度、气温与通风时间关系 由于温度记录数据量较大,因此选取部分特征 数据说明。以测点2为例说明岩壁温度、气温与通风 时间的关系如图2所示。由图2可知测点2的岩壁温 度60 min内无变化,通风90 min时岩壁温度只降低了 1 . 2 测点布置 该掘进巷道风筒出口距掌子面 20 m,测点编号 依次为1、2、3等,岩壁温度编号为同位置气温编号后 加(b),如测点 2 对应的壁温测点记为 2(b)。每个测 点设置温度记录仪,记录仪位置距地面约 1 m 高,距 巷道壁面0.1 m。 0.1 ℃。而风温随着通风时间增加变化较为明显,尤 其是通风5 min时已下降了2.7 ℃。此后虽然也在下 降但降温幅度明显减缓。因此岩壁温度与气温温差 随着通风时间增加逐渐增大。 由掌子面开始,每隔10 m 布置1 个测点,编号依 次为 1、2、3和4,由测点 4开始每隔 20 m布置测点 5、 2 . 2 进风侧通风温度变化分析 保持风量为 1.9 m /s 时风机持续运行 90 min,记 3 6、7 和 8,测点 9 与测点 8 间距为 14 m。测点 1 和 2 在 录巷道降温情况;关闭风机后保持无风状态 60 min, 记录巷道温升情况。进风侧通风时的温度变化如图 风筒出风口前方,用来测试掘进巷道内进风风流对 气温的影响,测点3至9是为了测试回风流温度的降 温变化规律。各测点在掘进巷道内的分布位置如图 3(a)所示。由图3(a)可知,试验开始前测点1~3处气 温分别为28.5、28.5和28.8 ℃,约6 min后气温急速下 1 所示。 · 172· 张瑞明等:掘进巷道通风降温试验研究 2018年第9期 降且分别降低 3、2.5 和 2 ℃;在 6~12 min 内气温波动 的原因可能是试验人员检查仪器或者紊乱风流作用 导致;12 min后气温稳定下降且下降趋势平缓。经过 约 90 min 通风后,测点 1~3 气温分别降低 4.9、4.5 和 3.4 ℃;最终气温分别为 23.6、24 和 25.4 ℃,均低于 28 ℃。其中测点 3 降温梯度最大,测点 1 最小,这表 明在风筒出口位置风流降温最快。由温降变化规律 可知 3 个测点均表现出前 6 min 内降温梯度大,而后 趋于平缓的规律。 掘进巷道进风 10 m 处,岩壁温度在试验过程中 由 28.3 ℃降至 28.2 ℃,温度变化不大。对于同一测 点通风60 min,岩壁温度几乎不变。一方面原因是由 于通风降温风量较小且通风时间短,另一方面原因 是岩壁温度主要受原岩温度的影响,对于岩壁进行 通风降温需要的时间较长。而在掌子面附近通风10 min时风温可降低 2 ℃以上,此后继续通风但降温幅 度逐渐减小,且距离风筒出口越近风流温度越低。 测点 1、2 和 3 停风后的温升数据分布如图 3(b) 所示。试验开始前测点 1~3处气温分别 23.6、24.1和 致。其中测点 8 距进风巷道(通风机)直线距离 14 m。回风侧各测点温度变化如图 4(a)所示。由图 4 ( a)可知,在试验开始前 6 min 内温度下降较快,6~30 min 内部分点存在波动,30 min 时测点温度缓慢下降 直至试验结束。同样由于测点3位于风筒出口,温度 下降最快。 当风机停止运行后回风侧各测点升温变化如图 4(b)所示。15 min内各测点温度上升较快,局部存在 波动,15 min 后温度上升较缓慢。当风机停止运行 后,测点3处空气与周边的温差会造成该处温度上升 较快;测点4处温度可能也受此影响;测点5和测点6 之间存在涌水区,水具有天然保温效果,受水温影响 温度上升较快;测点 8 由于距进风与回风大巷仅仅 25.4 ℃,12 min 内气温快速上升,测点 1~3 分别升温 3.7、2.6和1.6 ℃,在12~36 min内气温稳定上升,测点 1~3处气温分别升高0.5 ℃、0.6 ℃和0.7 ℃,36 min后 气温缓慢上升。经过 60 min 无风状态后测点 1~3 分 别升温 4.1 ℃、3.4℃和 2.5 ℃,最终气温分别为 27.7、 1 4 m,气温较低是受到新风或局部风筒漏风影响。 2 . 4 不同风量的降温效果分析 3 27.5和27.9 ℃。试验中掘进巷道进风10 m处岩壁温 试验中,分别对供风量为 0.9、1.6 m和1.9 m /s条 度由 28.2 ℃降至 28.1 ℃,可能是与之前的通风降温 试验时间间隔较短,岩壁温度变化滞后导致。同样3 个测点中测点 3 温升梯度最大,测点 1 最小,原因可 能是风筒出口气温低,当风机停止运行后该处空气 与周边存在温差,引起冷空气下降和热空气上升,局 部形成热对流,造成该处温度上升较快。由温升变 化规律可知,测点在12 min内温升梯度大,此后温升 梯度基本不变。 件下掘进巷道测点处降温效果进行比较分析。测点 3 1 靠近掘进独头,位于风筒出口前方 20 m,在 1.6 m /s 3 与 1.9 m /s 的风量条件下 90 min 内的气温变化如图 5 3 (a)。由图 5(a)可知,风量为 1.6 m /s 时气温在 3 min 3 内快速下降,之后下降趋势变缓;风量为1.9 m /s时气 温在 6 min 内快速下降,之后下降趋势同样变缓;因 此风量增加时气温快速下降时间也在增加,试验结 3 束时两者温差为 0.5 ℃,风量为 1.9 m /s 时降温幅度 3 2 . 3 回风侧通风温度变化分析 随时间变化更大。另外由风量为1.6 m /s时降温效果 控制试验风量和时间间隔情况与进风侧保持一 来看,持续通风 90 min 内风筒前方 20 m(掘进头)处 · 173· 总第507期 金 属 矿 山 2018年第9期 在试验时间内气温在持续缓慢下降;可以看出在此 条件下,风量增加约1倍,快速降温时间增加1倍,试 3 验结束时两者温差为 1 ℃,风量为 1.9 m /s 时降温幅 3 度随时间增加的可能更大。且风量为0.9 m /s时也能 保证掌子面附近温度低于28 ℃。 由上述气温分析可知,不同风量对空气的降温 效果可以在6 min中体现出来,且大风量条件下温度 快速下降的持续时间更长。 2 . 5 有人与无人作业条件下气温变化分析 试验中保持供风量为 1.9 m /s,通风 40 min 后对 3 巷道回风流中一点(距风筒出口30 m)进行是否有人 员作业条件下的气温变化测定。有人作业为 3 名矿 工使用矿车进行矿石运输。2 种情况下连续监测 60 min内的气温参数,气温变化如图6所示。 由 28.5 降至 26 ℃,满足安全生产要求。此外由图 5 (a)可知测点温度在6 min内快速下降,30 min后缓慢 下降。 由图 6 可知,有人作业时气温呈现不规律变化; 无人作业时,在通风降温影响下气温缓慢下降。从 测试时段的气温变化来看,有人作业时平均气温为 2 5.86 ℃,无人作业时平均气温为 25.45 ℃,温差有 .41 ℃。可见有人员作业时气温会有微弱升高且温 0 度呈现振荡变化。 3 结 论 (1)在通风条件下,随着通风时间的增加,巷道 内岩壁温度下降幅度很小,但同一位置岩壁温度与 气温温差逐渐加大,且通风超过 60 min 后岩壁温度 与气温温差可达3 ℃以上。 (2)通风时间为 6 min 时巷道内风温迅速降低, 此时降温梯度最大;通风 12 min 后巷道风温虽然也 降低,但降温梯度大幅减小;停止通风后巷道内气温 迅速上升,停止通风 60 min 后巷道内测点气温会升 至28 ℃左右。因此为保证工作面温度满足安全规程 要求,有人员作业地点要保持连续通风。 分析图 5(b)中测点 2 在 60 min 内的气温变化可 ( 3)巷道内气温随着通风风量增加而降低,且出 3 知,风量为 0.9 m /s 时气温在 3 min 内快速下降,之后 风口附近气温最低,距离出风口越远气温越高。因 此对于掘进巷道的风筒出口距离掌子面不超过 10 m,在满足要求的前提下可加大工作面风量来实现降 下降趋势变缓,22 min 后气温基本不变;风量为 1.9 3 m /s时气温在6 min内快速下降,之后下降趋势变缓, · 174· 张瑞明等:掘进巷道通风降温试验研究 2018年第9期 [4] 解 彬,王海宁,宿雅威,等.掘进作业面压入式通风温度场数值 温目的。 4)当入风温度为 23 ℃时,风量为 0.9 m /s 时掌 子面附近气温仍低于 28 ℃;当风筒入口温度为 3.5 ℃,流经100 m的风筒后出口温度达到23 ℃,温 3 模拟[J].矿业研究与开发,2016,36(7):105-109. ( Xie Bin,Wang Haining,Yan Jiangbo,et al.Numerical simulation on the temperature field of forced auxiliary ventilation in driving face 1 [J].Mining Research and Development,2016,36(7): 105-109. 升将近 10 ℃。可见为了供给工作面较低温度的风 流,在实际生产中需要考虑风筒保温问题。 [5] 解 彬,王海宁,晏江波,等.某矿采掘工作面通风降温措施及数 值模拟研究[J].矿业研究与开发,2016,36(5):105-109. Xie Bin,Wang Haining,Yan Jiangbo,et al.Numerical simulation and measures of ventilation cooling for an extracting face in a mine 参 考 文 献 [J].Mining Research and Development,2016,36(5):105-109. [6] 刘召胜,朱坤磊,周 育,等.极厚大矿床深井开采通风降温技术 [1] 黄寿元,赵晓雨,李 刚,等.金属矿山深井人工制冷降温系统模 研究[J].金属矿山,2016(6):144-148. 式分析[J].金属矿山,2018(5):165-171. Liu Zhaosheng,Zhu Kunlei,Zhou Yu,et al.Study on the Ventilation and cooling technology for deep mining of extremely thick and large ore deposits[J].Metal Mine,2016(6):144-148. Huang Shouyuan,Zhao Xiaoyu,Li Gang,et al.Analysis on the mod- el of artificial refrigeration cooling System in deep metal mines[J]. Metal Mine,2018(5):165-171. 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