黄冲红，李在利，李杰林，程春龙

(1.中铝集团玉溪矿业有限公司， 云南 玉溪市 653405；2.中南大学 资源与安全工程学院， 湖南 长沙 410083)

1 工程背景

玉溪矿业有限公司大红山铜矿位于云南省新平县戛洒镇境内，大红山铜矿属于典型的深井高温地下矿山。根据地质资料，该矿山矿体埋藏较深，内含成矿温度615℃～655℃的隐伏花岗岩，岩体沿地层间破碎带形成凹槽、凹盆、小岩脉、岩墙、微突起、侧部凹陷带，为热液的停留和富集提供了封闭、半封闭空间。同时，花岗岩侵入时与碳酸盐岩交代形成矽卡岩矿物，含矿热液充填交代矽卡岩在接触带形成了较高温度的矽卡岩钨矿石、深部硫矿石[1]。并且花岗岩的大理岩化是由碳酸盐岩热变质形成的重结晶，铁锰矿化亦是由热液沿岩石节理充填、交代、氧化形成。因此，大红山铜矿的成矿作用和地质情况对井下的较高岩温具有重要影响[2]。根据在大红山铜矿西矿段140中段处实测地温梯度3.04℃/100 m，该矿山属于典型的高地热地下矿山，因此矿山的热害治理工作已刻不容缓。

目前矿井热害治理技术主要分为两类，即非人工机械制冷降温技术和人工机械制冷降温技术。非人工机械制冷降温技术主要有通风降温、水喷雾降温、溶液除湿降温、个体防护降温、隔热分流排热降温、热源控制降温、减少热源降温等[3-4]。人工机械制冷降温技术主要包括人工制冷水降温、人工制冰降温和压缩空气制冷降温[5-6]。人工制冷水降温技术按照制冷机的安装位置，又分为地面集中式、井下集中式、地面井下联合式、井下移动式等[7]，各种制冷措施的优缺点见表1。结合大红山铜矿的工程实际，选择采用人工机械制冷方案，并开发出了一套高温工作面移动式人工制冷设备。该设备采用一体化设计，设备总功率为6.5 kW，利用井下空气作为制冷媒介，具有无需建立基站、无需外接水管、占地面积小、移动方便、运营成本低等特点，可以实现对小范围区域降温的目的。人工制冷设备的正面由冷风出口、回风口以及冷凝器的进风栅栏组成，背面则由控制面板和两个冷凝器散热风扇组成。为了实现设备的移动性，设计了一个可移动平台，制冷机组安放在移动平台上，能够通过牵引设备进行移动。为了达到良好的降温效果，移动式人工制冷设备工作时需要将其停放在巷道作业面区域，设备运行产生的热量和冷媒所携带的回风热量会直接排放在巷道内，如不采取排热措施，这部分热量会扩散至制冷区域中，从而对降温效果产生影响。因此，有必要对移动式人工制冷设备运行的散热量排放方式进行分析和设计。

表1 人工机械降温技术优缺点对比

2 人工制冷设备散热排放现场试验

选择西矿段140中段132线探矿穿脉作为试验地点，将移动式人工制冷设备放置在距离巷道掌子面15 m处，设备的正面面对巷道作业面，并在冷风出口外接一条Ф300 mm、长10 m的软质风筒延至作业面区域，风筒的冷风出口距离掌子面5 m。启动设备后，测得冷风出口温度为 29℃，风速为10 m/s。在距离巷道作业面11 m，高1.6 m处设置一个测温点，记录温度随时间的变化情况。

为了排出人工制冷设备的散热，分别设计了在设备前方和后方放置鼓风机的方案，鼓风机的功率为2.2 kW。鼓风机放置在设备前方是利用鼓风机出风口正压吹走设备散热，阻止散热扩散至制冷区域；鼓风机放置在设备后方是利用鼓风机的进口负压来吸走设备散热，从而防止人工制冷设备散热向制冷区域扩散。图1为制冷范围巷道内空气温度在两种方式下随时间的变化趋势。从图1中可以看出，当鼓风机放置在制冷设备前方时，测点处的温度有明显上升趋势，上升幅度约为 1.5℃；而当鼓风机放置在制冷设备后方时，测点温度整体呈波动状态，稳定在35℃到35.5℃之间，并有小幅下降趋势，说明采用鼓风机后置的散热方式，其降温效果明显优于鼓风机前置。

图1 测点温度随时间变化真的趋势

3 散热排放效果数值模拟

3.1 物理模型

为了进一步分析鼓风机放置不同位置的散热方式对制冷区域的温度场、速度场分布的影响，采用 FLUENT软件结合现场试验情况建立了数值计算模型。巷道模型总长20 m，制冷设备设置在距离掌子面15 m处，冷风管出口距离掌子面5 m，回风管长 0.8 m，进风筒出风口与制冷设备正面在同一平面上。前置鼓风机设置在距离掌子面10 m处，后置鼓风机设置在制冷设备后方 1 m处，如图2所示。

图2 数值计算物理模型

3.2 数值模拟参数设置

3.2.1 求解器设置

为了简化问题，假设风流模型满足Boussinesq假设。对于巷道内风流流动问题，选用 Pressure-Based压力基求解器类型、Absolute速度方程、Steady稳态流动时间求解器，并考虑重力场的影响，重力加速度为9.81 m/s2，方向沿y轴负方向。

3.2.2 计算模型设置

独头巷道内的风流流动多为高雷诺数的湍流流动状态，因此选用标准的Standard k-epsilon模型，同时选用能量方程，进行速度场和温度场的模拟。

3.2.3 边界条件设置

选择可压缩的理想气体作为巷道内的风流流体。结合现场实测数据，冷风出口边界设置为速度入口，速度为10 m/s，温度为29.8℃；进风筒进风口同样设置为速度入口，速度为 8 m/s，温度为35.4℃；制冷设备的散热出口是制冷设备模型单元的风流出口，同时也是巷道模型单元的入口，因此，将制冷设备的散热出口设为速度入口，速度为 4 m/s，温度为 45℃；制冷设备回风出口边界设置为压力出口，压力为-80 Pa；轴流鼓风机设为Fan边界条件，压力跃迁为80 Pa。

4 数值模拟结果分析

4.1 温度场分析

在模型中设置一个与实际测温点一致的温度监测点，结果显示该监测点的温度为36.7℃，与现场试验所得的温度值吻合，说明了数值模拟结果的可靠性。图3为巷道中心轴平面的温度场分布云图，从图3中可以看出，由于冷空气的输入，距离掌子面较近处的温度较低，制冷效果明显；而巷道左侧由于冷空气无法扩散至该区域，以及制冷设备产生的热量回流等，导致温度不降反升。对比两种散热排放方式，当鼓风机放置在设备后方时，温度分布比较均匀，整体温度较低，制冷效果较好。

图3 巷道温度场分布

为了分析制冷空间内温度随距掌子面之间距离的变化规律，在巷道中轴平面上布置7个测温点，各测点如图3所示，P1距掌子面1 m，其余各测温点相隔2 m。图4为两种散热排放方式下制冷空间内的温度随距离变化趋势图。从图4可以看出，当鼓风机前置时，距离工作面较近处的温度较低，但随着距离的增大，温度持续升高后又小幅度下降，最高温度接近38℃，超过了巷道制冷降温前温度，说明人工制冷设备的散热扩散到了制冷区域中，从而导致巷道内的温度升高。当鼓风机后置时，温度随着距工作面的距离增大而小幅度升高，但升高幅度较小，且温度均低于巷道进行制冷降温前的温度，说明制冷区域的热负荷没有增加。两种散热排放方式下的最大温差约为4℃，表明鼓风机后置时，巷道内各处的温度要低，人工制冷设备的散热能够有效排出制冷区域，减少了制冷区域的热负荷，巷道内的制冷效果更好。

图4 测点温度随距离变化趋势

4.2 速度场分析

图5为两种散热排放方式的制冷区域的速度矢量图。在鼓风机前置时，制冷设备的散热在散热风扇的驱使下向前喷射一小段距离后就开始分散，只有部分热气流向下方偏移，扩散至距离制冷空间较远处，还有一部分热气流则从制冷设备与巷道之间的空隙被吸入到制冷设备前方并产生涡旋。分析认为制冷设备的散热风扇功能有限，在巷道内多流场扰动的作用下无法将散热驱动至较远处，从而使得部分热气流无规律扩散；另外，由于鼓风机放置在制冷设备的前方，一定程度上加速了制冷区域内的气流向外流动，而在风流流动的路线上，制冷设备充当了风障的作用，使得风流在制冷设备前方形成旋涡，并将设备后方动能较弱的热空气吸入到制冷空间内，这也是造成温度场分布中热量回流的主要原因。

图5 巷道内速度矢量图

当鼓风机后置时，绝大部分散热气流在鼓风机的负压吸力作用下向前方运动，排放出了制冷空间区域，从而阻止了热量回流，改善了制冷效果。因此，鼓风机放置在设备后方能有效地对人工制冷设备的散热进行排放，增强制冷效果。

5 结论

（1）高温作业面移动式人工制冷设备应用在大红山铜矿的高温独头巷道降温中，能明显降低巷道掌子面区域的温度，降温效果与距离掌子面的远近有关，距离掌子面越近，降温效果越明显。

（2）人工制冷设备后方放置鼓风机的散热方式，在鼓风机的负压吸力作用下，能够有效排放制冷设备的散热，防止热量回流，从而增强制冷效果。