掘进巷道通风降温试验研究

张瑞明 魏丁一 杜翠凤 张宏光 徐海月

（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）

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，许多专家和学者进行了相关研究。黄寿元等［1-2］分析了通风降温的主要技术措施、特点及适用条件，并得到矿井回风排放冷凝热模式受通风系统影响较大；胡华瑞等［3］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，采场温度高于30℃时建议采用井下集中式降温；解彬等［4-5］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；刘召胜等［6］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降温提供了科学依据；杜翠凤等［7］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；张培红等［8］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。

1 试验方案及测点布置

1.1 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道，断面面积为5.75 m2，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。

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。

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、6、7和8，测点9与测点8间距为14 m。测点1和2在风筒出风口前方，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1所示。

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。

（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104 m，不同风量条件下风筒出口风温略有不同，当风量为1.9、1.6、0.9 m3/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。

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。

2.2 进风侧通风温度变化分析

保持风量为1.9 m3/s时风机持续运行90 min，记录巷道降温情况；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、27.5和27.9℃。试验中掘进巷道进风10 m处岩壁温度由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。

2.3 回风侧通风温度变化分析

控制试验风量和时间间隔情况与进风侧保持一致。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14 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

试验中，分别对供风量为0.9、1.6 m和1.9 m3/s条件下掘进巷道测点处降温效果进行比较分析。测点1靠近掘进独头，位于风筒出口前方20 m，在1.6 m3/s与1.9 m3/s的风量条件下90 min内的气温变化如图5（a）。由图5（a）可知，风量为1.6 m3/s时气温在3 min内快速下降，之后下降趋势变缓；风量为1.9 m3/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，试验结束时两者温差为0.5℃，风量为1.9 m3/s时降温幅度随时间变化更大。另外由风量为1.6 m3/s时降温效果来看，持续通风90 min内风筒前方20 m（掘进头）处由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。

分析图5（b）中测点2在60 min内的气温变化可知，风量为0.9 m3/s时气温在3 min内快速下降，之后下降趋势变缓，22 min后气温基本不变；风量为1.9 m3/s时气温在6 min内快速下降，之后下降趋势变缓，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，试验结束时两者温差为1℃，风量为1.9 m3/s时降温幅度随时间增加的可能更大。且风量为0.9 m3/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 m3/s，通风40 min后对巷道回风流中一点（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25.86℃，无人作业时平均气温为25.45℃，温差有0.41℃。可见有人员作业时气温会有微弱升高且温度呈现振荡变化。

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。

（3）巷道内气温随着通风风量增加而降低，且出风口附近气温最低，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温目的。

（4）当入风温度为23℃时，风量为0.9 m3/s时掌子面附近气温仍低于28℃；当风筒入口温度为13.5℃，流经100 m的风筒后出口温度达到23℃，温升将近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。