王运敏 陈宜华 贾敏涛

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室)

在高温金属矿床矿井通风过程中，当矿井入风风流温度较高时，风流流过井巷与井下环境空气产生热交换。热交换过程是一个“多相流”复杂过程，有气－固(气体与固体间)、气 －液(气体与热水间)、气－气(高温气体与低温气体间)热交换。根据井下地点不同可将热交换分为风流通过竖井、巷道、掘进工作面、硐室的热交换过程等。本研究根据深井开采热源产生的量及地点，以开采巷道的热力学计算为对象，以冬瓜山铜矿为实例，通过计算机模拟的手段对巷道进行热力学分析，并现场校验热力学计算的符合性，指导深井巷道降温设计。

1 风流通过巷道的热力学计算

矿井风流通过巷道的热交换过程是一个能量交换过程，根据热力学定律，各种形式的能量均可在一定的条件下相互转换，总能量保持不变。根据矿山井下巷道热量产生方式的不同以及开挖时间的长短，所产生的热量或放热过程是不同的，按照井下巷道开挖时间分为通风时间大于1 a和小于1 a的巷道通风热交换。对冬瓜山铜矿而言，通风风流通过采空区巷道，实现对入风风流的热交换，对风温预冷，风流通过空区预冷按通风时间大于1 a的巷道计算。为后述方便，进行以下设定:i1、i2为风流通过巷道始点、终点质量焓，kJ/kg;φ1、φ2为巷道始点、终点相对湿度;MB为通过井巷的风量，kg/s;Kτ为风流与围岩间的不稳定热交换系数，W/(m2·℃);L、U为巷道长度、周长，m;tgu为围岩原始温度，℃;t1、t2为风流通过巷道始点、终点温度，℃;KW为巷道水沟盖板传热系数，W/(m2·℃)，无水沟巷道内排水取0;FW为水沟盖板的面积，m2，无水沟取0;tW为排水沟水温度，℃，无水沟取0;∑QM为巷道内局部放热量之和，W;Bj(j=1，2)为巷道内起点、终点大气压力，kPa。为了简化计算，认为风流通过井巷是稳态稳流过程。

能量方程如下:

式中，u1、u2为巷道起、终点质量热力能，J;v1、v2为巷道起、终点风速，m/s;p1、p2为巷道起、终点压强，Pa;V1、V2为巷道起、终点质量体积，m3/kg;z1、z2为巷道起、终点标高，m;g为自由落体加速度，取9.8 m/s2;q为巷道环境对空气加热量，J/kg。

分析风流通过水平无热水管道巷道的稳定流动过程，由式(1)得

式中，Cp为空气质量定压热容，kJ/(kg·℃);r为水的汽化潜热，J/kg;xj为含湿量，g/kg。

令

式中，KB1、KB2为相对大气压力比，KBj=101.325/Bj;a0、a1、a2为常数，实验获得或查表。

在t=14～35℃，通过查表，得a0=9.929 7，a1=－0.464 3，a2=0.034 5，水的汽化潜热0℃时，r=2 501 J/kg，Cp=1.005 kJ/(kg·℃)。令

式中，λ为岩石热导率，W/(m·℃);a为放热系数，W/(m·℃);R0为巷道当量半径，m;τ为巷道通风时间，h;b为围岩的蓄热系数，b=1．128 4，Cy为岩石热容，J/(m3·℃)。

2 巷道高温风流的计算机模拟

深热矿井地热研究的方法主要有室内试验、类比模拟试验、计算机模拟试验和现场半工业试验。通过试验研究工作确定矿井热害治理对策。其中通过计算机模拟可预测主要井巷的温度变化，找出高温地段，研究相应的对策措施。

计算机模拟法有多种，本研究采用MATLAB软件对巷道进行模拟。MATLAB是以矩阵作为数据操作的基本单元，还提供了十分丰富的数值计算函数，MATLAB与符号计算语言Maple相结合，使MATLAB具有计算功能，另外MATLAB提供绘图操作。

矿井通风降温计算数学模型中，涉及到矿井、巷道、硐室热及回采工作面的热交换计算等，本研究以巷道的热交换为例，对铜陵有色公司冬瓜山铜矿井下巷道条件进行模拟，解算其热交换的微分方程，说明其方法可行性。

在Windowns平台上，应用MATLAB进行编程，MATLAB在桌面上添加了Start按钮，可快速访问所有工具，且在窗口的左下角设计“开始”按钮，启动MATLAB之后，在操作界面对图标进行操作。

对风流通过巷道的稳定流动过程进行分析(水平巷道无热水管道)，模拟计算巷道长度上的温度变化关系，结果如图1所示。

3 冬瓜山铜矿巷道热力学计算及通风降温实践

通过上述理论计算，对矿山井下巷道进行实际监测分析，说明模拟计算的准确性。

图1 巷道长度上温度变化解算结果

3.1 矿山开采概况

冬瓜山铜矿床是埋藏深度超过千米且矿体均赋存于热害区的特大型高硫铜矿床。矿体埋藏较深，达－690～1 007 m，水平走向长度1 810 m，最大宽度882 m，最小宽度204 m，矿体一般厚度30～50 m，为层状缓倾斜—水平矿体，厚度变化较大。矿石含硫量19.7%，矿区恒温带深度20±5 m，恒温带温度17.5℃，平均地温梯度2.1℃ /hm。矿体标高原岩温度30～39.8℃，全矿地下水正常涌水量预测4 320 m3/d，最大涌水量9 510 m3/d。采矿方法为大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法和扇形中深孔阶段空场嗣后充填法，采矿生产能力的建设规模为1万 t/d。

3.2 风流通过巷道的热力学计算

3.2.1 原始资料

风流从+40 m辅井平硐口到+50 m预冷巷道，巷道内无生产设施(无生产设备、水沟、管道等)，为废弃巷道(见图2)。巷道经济风速要求为7～8 m/s，拟定预冷风量为60～90 m3/s，+50 m预冷巷道壁温为19℃，参照相关资料，f(19℃)=13.8，岩石热导率λ=3.944 W/(m·℃)，散热系数a=14.65 W/(m2·℃)，地温梯度σ=2.1℃/hm，岩石比热ω=0.222 Cal/(g·℃)，岩石密度(灰岩、大理岩夹角岩)б=2.695 kg/m3，岩石热容 Cy=2 503.2 kJ/(m3·℃)，φ1=0.8，φ2=0.9，B1=B2=101.325 kPa，巷道通风时间常数τ=7 a，tgu=19℃。

3.2.2 围岩与风流之间的不稳定热交换计算

(1)冬瓜山辅助井平硐端空气预冷。+40 m至+50 m联巷S=5.84 m2，P=9.23 m，当量半径R0=1.47 m，从辅井平硐口到+50 m长L=212 m，按上述微分方程解算方法计算，围岩蓄热系数b=1.128 54(λCp×1 000)0.51，(τ)0.5=14 058.8，围岩与风流间的热交换系数Kτ=1.488 W/(m2·K)。

图2 空气预冷系统

空区已是长期不用的矿坑，由于深部生产的需要，上部空区进行处理，只保留了巷道，无热源。由式(2)～式(5)得 A=27.6，D=1 007，t2=20.8 ℃。

(2)联络平巷空气预冷。联络平巷S=2 m×2 m=4 m2，P=8 m，当量半径 R0=1.27 m ，L=280 m，风量 Q=60 m3/s，t1=20.8 ℃，f(20.8 ℃)=13.7。

围岩蓄热系数 b=1.128 54(λCp×1 000)0.5，(τ)0.5=14 085.8。

围岩与风流间的热交换系数 Kτ=1.488 W/(m2·K)。

同上计算，A=16.79，D=948，t2=23.5 ℃。由于巷道断面减小，风速增加，气流与巷道壁磨擦产生热量，使风流温度升高。

(3)预冷主巷空气预冷。预冷主巷S=11.69 m2，P=13.06 m，L=398 m，R0=2.07，风量 Q=90 m3/s，t1=23.5 ℃，f(23.5 ℃)=17.7。

围岩蓄热系数 b=1.128 54(λCp×1 000)0.5，(τ)0.5=14 085.8。

围岩与风流间的热交换系数 Kτ=0.988 W/(m2·K)。

同上计算，A=16.79，D=948，t2=18.5 ℃。

3.3 冬瓜山铜矿采空区废旧巷道预冷降温的实践

冬瓜山铜矿夏季平均气温为27.5℃，最高温度37℃，平均相对湿度80%。新鲜风流从老西风井进入，经－10 m中段后，从天井下到－40 m中段，然后汇入进风井。在－40 m中段进风井石门装有1台风机，预冷风量为65 m3/s。由于老采空区和废旧巷道通风时间较长，调热巷道壁面的温度取19℃。而－10～－40 m中段可用废旧巷道长度约2 400 m，所以可以把65 m3/s的风流降温到19.85℃(计算值为18℃)。

利用风井及－80、－120、－160 m中段废旧巷道预冷。新鲜风流从风井进入，分3路分别进入－80、－120、－160 m中段，－80 m中段的冷风与副井的新鲜风混合。－120和－160 m中段的冷风与进风井的新鲜风混合。预冷风量为90 m3/s，每个中段30 m3/s。

经计算，利用此3个中段可把90 m3/s的预冷风量的温度降至19.85℃，需要的废旧巷道长度为2 650 m，而这3个中段废旧巷道长度＞3 000 m，所以可满足要求。

进风井总风量由程序解算为600 m3/s，在与预冷风流混合后，空气的温度为24.4℃。副井总风量为132 m3/s，在与预冷风流混合后，实测空气的温度为24.8℃。实际测定的结果与通风热交换的理论计算基本符合。

4 结论

本研究对高温矿井巷道的热力学微分方程分析计算，提出金属矿山冷热空气在井下巷道内热交换方程，结合冬瓜山铜矿的实际，把分析结果应用于冬瓜山铜矿的热力学计算。冬瓜山矿进风井口地面温度在7—8月份比较高，地面空气进入井下时，通过恒温带，热空气与岩石进行热交换，使进入工作面的风流温度降低，通过热力学计算，地表35℃高温空气通过上部采空区巷道(2 400 m)后，在与进风井混合前，风流温度可降低为18℃左右(实际测定19.5℃)，混合后风流温度降至24.4℃(实际测定24.8℃)，说明巷道热交换理论模拟分析计算具有较好的实用价值。

［1］ 李东青，王李广．深井硬岩大规模开采理论与技术［M］.北京:冶金工业出版社，2009．

［2］ 杨德源，杨天鸿著．矿井热环境及其控制［M］.北京:冶金工业出版社，2009．

［3］ 胡汉华．金属矿山矿井热害控制关键技术研究［D］.长沙:中南大学，2008．

［4］ 杨德源．矿井风流与环境热交换机理［M］.抚顺:煤炭科学院抚顺分院，1994．