贾敏涛 陈宜华 吴冷峻 王 爽 菅从光

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司,安徽 马鞍山 243000；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室,安徽 马鞍山 243000；3.金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心,安徽 马鞍山 243000；4.中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州 221116)

·机电与自动化·

金属矿山深部掘进巷道热交换模拟测试平台设计

贾敏涛1,2,3陈宜华1,2,3吴冷峻1,2,3王 爽1,2,3菅从光4

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司,安徽 马鞍山 243000；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室,安徽 马鞍山 243000；3.金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心,安徽 马鞍山 243000；4.中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州 221116)

基于深井采矿热害控制问题，研发设计了金属矿山深部掘进巷道热交换模拟测试平台。该测试平台按照相似理论将井下掘进巷道简化为长方体硐室。利用电加热膜模拟井下各类热源，加湿器加湿模拟井下高湿环境；制冷降温装置由制冷机组、空冷器和冷风风管等构成。试验平台采用西门子300PLC系统进行实时监测以及远程操作，对工艺流程上设备运行的工况、生产流程中的工艺参数进行实时采集，并将采集的数据传送到上位操作画面，由上位机根据工艺要求，对设备、工艺过程、工艺参数进行自动控制和操作。试验平台能够在实验室内模拟井下真实热湿交换环境，模拟巷道流场、温度场及湿度场的变化规律，研究制冷降温系统的匹配优化和冷量在工作面的配送方式对降温效果的影响因素等，对于解决目前深井开采面临的问题具有很好的现实意义和推广应用价值。

深井采矿 掘进巷道 热湿交换 热害控制 PLC

随着地下矿山开采深度的不断延伸，我国井下热害问题已经逐步凸显，高温热害已经成为制约高深矿井安全生产的突出问题。研究表明，独头掘进巷道由于其特殊的作业环境，无法在工作面形成贯穿风流，高温问题最为突出。研究独头掘进巷道冷热交换规律，设计适应独头掘进巷道作业环境的制冷设备，既能够避免集中制冷设备昂贵的成本投入，又能够解决井下最突出的热害问题，对于解决目前深井矿山热害问题具有很好的现实意义和实用推广价值。

1 试验装置及试验原理

1.1 相似理论分析

用数学方法研究一些复杂的换热过程时，由于数学上的困难，往往得不到可靠的或具有足够准确度的解。而采用实验研究的方法也存在着以下2方面的问题：①无法确定每个因素对所求物理量的影响；②当影响现象的因素很多时，要确定每个变量对待求量的影响，需要进行大量的实验等问题。人们从相似理论中找到了解决复杂问题的办法。相似理论提供了将个别实验结果推广到相似现象中去的可能性。

根据相似理论可知，如果2个现象相似，则这2个现象的无量纲形式的方程组与单值条件应该相同，即具有相同的无量纲形式解。这2个现象的无量纲形式的方程组及单值条件中的所有无量纲组合数对应相等。这些无量纲组合数被称作相似准则。它是在判断2个现象之间相似性的概念，在实验流体力学中应用比较广泛。与本试验平台有关的相似准则数有：

(1)表征边界导热热阻与对流换热热阻比值的努谢尔数Nu

(1)

式中，α为对流换热系数，W/(m2·K)；d为特性尺寸，m；λ为导热系数，W/(m·K)。

(2)表征流体的边界扩散阻力与对流传质阻力之比的舍伍德数Sh

(2)

式中，β为对流传质系数，m/s；D为水蒸汽在空气中的扩散系数，m2/s。

(3)反映惯性与黏性力之比的雷诺数Re

(3)

式中，υ为流速，m/s；ρ为密度，kg/m3；μ为黏性系数，(N/m2)·s。

(4)反映动量传输与热量传输关系的普朗特数Pr

(4)

式中，cp为等压比热容，J/(kg·K)。

(5)反映动量传输与质量传输关系的施密特数Sc

Sc=υ/D.

(5)

在试验模型设计中，以上相似准则数与实际巷道中对应相等。

1.2 试验平台组成

该试验平台由井下模拟系统及装置、制冷系统与装备、冷量交换系统与装备及试验测量系统组成，系统图如图1所示，实物图如图2所示。

图1 试验平台示意

图2 试验平台实物

(1)井下高温湿热环境模拟系统。独头巷道模型为13 m×1.2 m×1.5 m的长方体结构，长方体5个面封闭，由角钢作为骨架，镶嵌20 mm厚的600 mm×600 mm的花岗岩组成。在花岗岩外铺设电加热膜，用于加热巷道壁面，加热膜的加热温度可以调节，用于模拟井下热源。在加热膜的外层包裹保温材料。在巷道端部设置1台超声波加湿器，由加湿器引出两条PVC管引入巷道内，在管壁开小口，调节巷道内空气的湿度环境。

(2)井下风源模拟系统。为在实验室内模拟井下高温高湿的进风风源，在给巷道内送风的局部扇风机处设置电加热器和超声波加湿器，保证了无论实验室环境如何变化都能够准确的模拟送入巷道内的空气状态和井下一致。

(3)制冷降温系统。制冷降温系统由一套水冷式制冷机组和空冷器组成，制冷机组用来提供独头巷道内降温所需的冷源，制冷机组制冷量可以人工调节，确保送入巷道内空气温度可调可控。空冷器用于送入巷道内空气的预冷。

(4)试验平台测量系统。在巷道内分别选择距离工作面0.5 m、1.5 m、6.5 m和12.5 m的4个断面，每个断面均匀布置4组温湿度传感器，具体布置位置见图1所示。巷道内共计16组温湿度传感器，用于检测巷道内空气温湿度的实时变化情况。在空冷器出口的巷道进风管安装1组温湿度传感器和风流流量变送器，用于检测送入巷道内的空气参数。在空冷器进出口分别安设1组温度传感器和1组水流流量计，用于检测制冷机组的制冷量。

2 试验平台监控和操作系统

试验平台通过自动控制系统，对工艺流程上设备运行的工况、生产流程中的工艺参数进行实时采集，并将采集的数据传送到上位操作画面，由上位机根据工艺要求，对设备、工艺过程、工艺参数进行自动控制和操作，系统中所有信号经过多年应用验证是准确有效的，保证系统精度在±3%以内。

自动控制系统采用西门子300PLC系统进行实时监测以及远程操作。系统中选用的西门子PLC为集成以太网口的CPU，通讯方式为工业以太网通讯，可以实现与设备层和信息层的高效互联、互通，确保网路效率和数据流的合理性和安全性，实现各种应用。

现场仪表采集的数据通过信号电缆传输到西门子PLC的信号采集模块后，实时地反应出现场的温度、湿度以及风速数据。在上位机中设置历史曲线功能，可以有选择地将以往所做的数据曲线调出进行实验比对。

试验平台中对于制冷机组控制系统采用了PLC之间进行通讯的方式，将制冷机组中所需要的数据传输到PLC中进行数据处理并最终显示在上位画面中。系统中拥有友好通讯接口，可以有效地进行扩展和兼容其他控制系统。

当试验平台运行时，如果现场仪表的数据超过报警设置限值，则会有相应的报警信息提示，根据报警可以及时地调整现场工艺流程设置，优化工艺。试验平台控制界面如图3所示。

图3 试验平台控制界面

3 试验平台应用

试验平台在实验室进行模拟独头掘进巷道降温效果，设定6个工况点进行试验。沿巷道长度方向将壁面温度分3段，温度由里向外依次为前4 m设定40 ℃、中间4 m设定38 ℃和出口5 m设定36 ℃。具体初始条件和工况点设置见表1和表2所示。

表1 巷道模型初始条件

表2 模拟参数设定

注：壁面温度沿巷道长度方向分3段，温度由里向外依次为40 ℃、38 ℃和36 ℃。

根据表2确定的试验工况，首先设定巷道壁面温度，加热巷道壁面，待巷道内空气温度稳定一段时间后，开始开启制冷机组进行制冷降温试验。首先从工况点T1开始，设定风筒入口风温为30 ℃，依次到工况点T5，必须确保巷道内空气温度稳定后方可记录数据调节工况点。

各工况点记录的数据包括制冷机组制冷量、空冷器出口风量和温湿度、巷道内特征断面的空气温湿度。本次试验根据试验平台设计理念，在巷道内分别选取了4个特征断面进行数据记录，依次为距离工作面0.5、1.5、6.5和12.5 m。图4是距离工作面0.5 m断面上空气温度的变化趋势。

各试验工况下工作面温度变化趋势和制冷机组运行工况界面如图4所示，工况统计如表3所示。

图4 工作面空气温度变化趋势

类 别巷道风速/(m/s)入口风温/℃工作面温度/m制冷量/kW工况T10.3030.032.8工况T20.3024.029.57.79工况T30.3022.028.610.08工况T40.3020.227.513.46工况T50.3018.526.517.01

从图4和表3可知，工作面温度稳定在39 ℃左右时，通风降温效果比较明显，达到6 ℃，但仍无法满足《GBl 6423—2006 金属非金属矿山安全规程》中6.4.1.7条规定“采掘作业地点干球温度小于等于28 ℃”的要求。工况点T4，制冷量13.46 kW，工作面温度27.5 ℃，满足《安全规程》要求，温度降低11.3 ℃。试验结果显示，工作面最低温度26.5 ℃，最高降幅12.3 ℃，作业环境明显改善。

4 结 论

金属矿山深部开采掘进巷道热交换模拟测试平台针对某一个具体矿山的具体作业面进行实验室模拟试验，找出该作业面的最佳冷量匹配方案，有针对性地设计和选择作业面制冷系统负荷，确定最优设计方案。

该试验平台可以研究冷量在作业面的配送方式对降温效果的影响，找出最佳冷量分配方法。

该试验平台在实验室进行现场模拟试验，寻找最符合现场实际的制冷运行方案，对于解决矿山井下热害问题具有重要的指导和参考作用。

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(责任编辑 徐志宏)

Design of Metal Mine Deep Mining Roadway Thermal Exchange Simulation Test Platform

Jia Mintao1,2,3Chen Yihua1,2,3Wu Lengjun1,2,3Wang Shuang1,2,3Jian Congguang4

(1.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.,Maanshan 243000,China；2.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine,Maanshan 243000；3.National Engineering Research Center of High Efficiency Cyclic Utilization of Metal Mineral Resources Co.,Ltd.,Maanshan 243000,China；4.School of Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)

Based on thermal disaster control in deep mining,a set of metal mine deep mining roadway heat exchange simulation test platform was designed.According to the similarity theory,the underground excavation roadway is simplified into a cuboid in the test platform.All kinds of underground heat sources were simulated by electro heating film,and downhole high humidity environment were simulated by humidification with humidifier.The refrigerating unit is composed of refrigerating units,air cooler and cooling air duct.The test platform adopts Siemens 300PLC system for real-time monitoring and remote operation,and for real-time data acquisition of process parameters in operation of equipment,and production process.The data collected will be transmitted to the upper computer screen.According to the process requirements,the upper computer is used to make automatic control and operation on equipment,process,and process parameters.The test platform can simulate the real heat and moisture exchange environment in the laboratory and also simulate the change law among tunnel flow field,temperature field and humidity field.It can be used to investigate the cooling effect factor for the cooling system matching optimization and cold in the distribution.It has good practical significance and application value to solve the current problems in deep mining.

Deep mining,Excavation roadway,Heat and humidity exchange,Thermal disaster control,PLC

2014-09-07

“十二五”国家科技支撑计划(编号：2012BAB14B01)，国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(编号：2012CB724207)。

贾敏涛(1987—)，男，助理工程师，硕士。

TD727

A

1001-1250(2014)-11-113-04