基于VUMA-3D的深井矿山热环境模拟研究.pdf

第 ２７ 卷增刊 ２ ２０１８ 年 １０ 月 中 国 矿 业 CHINA MINING MAGAZINE Vol ． ２７ ， Suppl ２ Oct ． ２０１８ 收稿日期 ２０１８-０８-１２ 责任编辑 赵奎涛 基金项 目 “ 十 三 五 ” 国 家 重 点 研 发 计 划 项 目 资 助 （编 号 ２０１６YFC０６００８０３） 第一作者简介 朱瑞军（１９７１ － ） ， 男 ， 山西阳泉人 ， 高级工程师 ， 从事 矿山工程咨询设计及科研工作 。 引用格式 朱瑞军 ， 李少辉 ， 杨卓明 ． 基于 VUMA-３D 的深井矿山热 环境模拟研究 ［J］ ． 中国矿业 ， ２０１８ ， ２７ （S２） ２３４-２３７ ， ２６２ ． doi １０ ． １２０７５／j ． issn ． １００４-４０５１ ． ２０１８ ． S２ ． ０２４ 矿业纵横 基于 VUMA-3D 的深井矿山热环境模拟研究 朱瑞军 １ ， ２ ，李少辉 １ ， ２ ，杨卓明 １ ， ２ （１ ．中国恩菲工程技术有限公司 ，北京 １０００３８ ； ２ ．中国矿业信息化协同创新北京市工程研究中心 ，北京 １０００３８） 摘 要 深井高温热害已经成为制约矿山安全高效开采的重大问题之一 ， 需要对深井矿山的热环境 进行三维模拟才能有针对性地采取降温措施 。 本文介绍了三维通风模拟软件 VUMA-３D 的功能特点 ， 对 深井热源及其影响因素进行了分析 ， 针对某深井矿山进行了热环境模拟 ， 并对模拟结果进行了对比分析 ， 提出了按需降温的理念 。 关键词 VUMA-３D ；深井矿山 ；热环境模拟 ；按需降温 中图分类号 TD７２７ ＋.２ 文献标识码 A 文章编号 １００４-４０５１（２０１８）S２-０２３４-０４ Study on thermal environment simulation of deep mine based on VUMA-3D ZHU Ruijun１ ， ２，LI Shaohui１ ， ２，YANG Zhuoming１ ， ２ （１ ．China ENFI Engineering Corporation ，Beijing １０００３８ ，China ； ２ ．China Mining Innovation Center ，Beijing １０００３８ ，China） Abstract Hot disaster of high temperature has become one of the biggest issues with safe and efficient mining ．The ３D simulation of the thermal environment for deep mine can be targeted to take cooling measure ． This paper introduces the functions and characteristics of the ３D ventilation simulation software VUMA-３D ， and analyzes the heat source and its influencing factors ．As a case ，simulates the thermal environment simulation of one deep mine ， and analyzes the result of the simulation ． At last ， puts forward the concept of cooling on demand ． Keywords VUMA-３D ；deep mine ；thermal environment simulation ；cooling on demand 随着地下矿山开采深度的不断增大 ， 井下温度 也随之升高 ， 深井高温热害已经成为制约矿山安全 高效开采的重大问题之一 。 美国 、 德国 、 南非等矿业 发达国家很早就开展了矿井热害治理研究工作 ， 这 些国家的研究人员在矿井风温预测 、岩石热物性参 数测定 、 地温观测 、系数计算 、井下热源散热量以及 需冷量的计算方面做了大量的研究 ， 为矿井热害治 理和井下空调应用奠定了基础 ［１-４］ 。 当前 ， 我国对深 部矿井热环境的研究 ， 多集中于理论研究 、数值计 算 、 室内试验等方面 ， 还不能对井下热环境的温度场 及其规律进行准确预测 ［５-７］ 。 对矿井热害控制的前提是对井下热环境进行预 测 。 井下热环境是指由气温 、 周围物体表面温度 、 相 对湿度与气流速度等物理因素组成的作用于人并影 响人的冷热感和健康的环境 。 由于导致金属矿山矿 井热害的热源种类较多 ， 不同热源对井下作业环境 的影响程度不同 。 解决金属矿山深井热害问题一般 要查找与分析矿井存在高温的主要原因 ， 并利用计 算机软件进行热模拟 ， 有针对性地提出解决问题的 技术方案 。 1 VUMA-3D 软件系统简介 VUMA-３D 是国际上比较先进和流行的三维 通风软件 ， 能够对地下矿山通风系统 、 热环境 、污染 物环境等进行模拟 ， 进行空气动力学 、热力学解算 。 VUMA-３D 软件系统是由专门从事矿井通风降温 技术研究和工程设计施工的南非布卢姆 伯顿工程 万方数据 增刊 ２朱瑞军 ，等 基于 VUMA-３D 的深井矿山热环境模拟研究 有限公司（Bluhm Burton Engineering ， BBE）基于最 新研究成果和多年的工程实践经验开发 。 在 VUMA-３D 软件系统中 ， 通风网络是由多种 分支（元素）连接而成的 ， 这些分支包括竖井 、 井底车 场 、 巷道 、 掘进工作面 、 采场 、 风机 、 通风构筑物等 ， 每 一个分支都包含特定的空气动力学和热力学特性 。 通过空气动力学及热力学模拟 ， 可用于确定风机机 站及构筑物布置方案 、井下制冷方案并进行能耗计 算等 。 VUMA-３D 还可基于在线监控和实时数据 分析技术 ， 对生产矿山的通风系统进行优化 ， 这对于 能耗控制以及降低运营成本有很大用处 。 VUMA-３D 软件系统的功能特点包括 ① 可进 行 dxf 文件的导入导出 ， 方便快速建立通风网络 ； ② 友好易用的用户界面和智能提示功能 ， 可进行通 风网络三维设计 ， 方便地进行创建 、编辑 、 分类输入 参数等操作 ；③ 基于解算结果自动生成详细的分类 报告 ；④ 为地下采矿不同工作面的散热量计算提供 了完整算法 ， 且这些算法都经过了实际工程验证 ； ⑤ 建立了岩石 、 设备和风机的数据库 ， 方便快速调用 和计算 。 2 深井矿山热环境影响因素分析 2 ． 1 围岩散热 围岩散热量的影响因素有原岩温度 、 岩石热导 率 、 暴露面积 、揭露时间 、表面湿润程度 、支护形 式等 。 岩石的热导率取决于岩石的成分 、 结构 、 形成条 件 、 含水状况 、 温度和压力等 ［８］ 。 一般情况下 ， 岩石 的热导率随压力 、 密度和湿度的加大而增高 ， 随温度 的增高而减小 。 岩石热导率一般应采用实测法确 定 ， 不具备条件时 ， 则参考类似岩石的热导率进行选 取 。 巷道的揭露时间会影响岩壁的散热量 ， 揭露时 间短 ， 则单位时间内的散热量较大 ， 揭露一定时间 后 ， 其单位时间内的散热量逐渐趋于稳定 。 岩壁的 湿润程度 、 巷道的支护形式和支护厚度也会影响围 岩的散热量 ， 支护厚度大 ， 则保温效果较好 ， 围岩散 热量也会较小 。 2 ． 2 设备散热 由于矿山开采强度的增大 ， 井下的机械化程度 不断提升 ， 从而使一些机械设备的装机容量及数量 相应增大 ， 导致井下热量增多 ， 矿井机械设备的散热 已成为深井矿山一个重要的热源 。 设备散热量的影 响因素包括设备类型 、设备数量 、单台功率 、负载情 况 、 设备利用率以及工作环境的潮湿程度等 。 柴油 设备与电动设备的散热量也有较大差别 ， 同样功率 及工况条件下 ， 柴油设备的散热量一般会大于电动 设备的散热量 。 2 ． 3 空气压缩 风流由地表经井筒进入井下的过程中 ， 位能转 换为焓 ， 温度升高 ， 且由于井筒内一般是潮湿的 ， 井 巷围岩与风流会发生热湿交换的现象 ， 从而使水分 蒸发带走热量 ， 风流温度降低 ， 导致自压缩对温升的 影响降低 ， 但散热量会进一步加大 。 空气压缩热的 影响因素包括空气密度 、 空气流量 、 井筒深度等 ， 由 于深井矿山井筒深度大 ， 因此其空气压缩热成为影 响井下热环境的重要因素 。 2 ． 4 水沟 、 管路散热量计算参数 水沟中的水主要包括地下涌水 ， 充填 、 凿岩回水 等 。 水温及流量根据不同位置情况进行设定 ， 井下 涌水在地温较高的地段中也是一个重要的热源 。 井 巷中的风水管路也会对热环境产生一定影响 ， 其影 响因素包括管路断面尺寸 、 流量或流速 、流体温度 、 管路覆盖情况等 。 2 ． 5 爆破作业及矿堆放热 炸药爆炸产生的能量一部分用来破坏矿岩结 构 ， 另一部分则以热量的形式向矿内空气释放 ， 同时 也使采下的矿石温度升高 。 在原岩温度已知的情况 下 ， 岩石爆破放热量跟爆破后矿堆温度有关 ， 影响因 素还包括炸药种类 、 炸药量 、 工作面尺寸 、工作面推 进速度 、 涌水情况 、 围岩情况 、 支护情况等 ， 而爆破后 矿堆温度跟通风条件 、 矿石在井下停留时间 、 淋水等 因素有关 。 2 ． 6 其他 其他热源包含矿石氧化 、木材氧化 、照明 、人体 放热等 ， 一般情况下放热量较小 。 3 某深井矿山热环境模拟实例 3 ． 1 矿山简介 瑞海金矿地处渤海海湾 ， 位于三山岛北部海域 ， 矿山生产规模为 １２ ０００ t／d 。 矿床赋存在渤海海面 以下 ， 主矿体埋藏深度超过 １ ２００ m ， 设计采用上向 水平分层充填法开采 。 矿井需风量除满足向井下供 给足够新鲜风流 ， 有效排出炮烟和粉尘外 ， 还要排出 井下各种热源放出的热量 ， 从而保证井下作业面的 温度满足安全规程的要求 。 使用 VUMA-３D 软件 对瑞海金矿的井下放热量进行了分析 ， 对井下风流 、 空气温度 、 湿度等进行了模拟 。 3 ． 2 输入参数 在 VUMA-３D 通风网络系统中 ， 分支元素的类 型分为巷道（硐室）、 竖井 、 井底车场 、 采场 、 掘进工作 面 、 风机机站 、通风构筑物等 ， 其中巷道（硐室）、竖 井 、 井底车场 、 采场 、 掘进工作面为可能的热源 ， 在进 ５３２ 万方数据 中 国 矿 业第 ２７ 卷 行热环境模拟时 ， 需要对每个分支确定散热量计算 参数 ， 进行热力学解算 。 这些参数大部分是可以量 化的 ， 而对于那些难以量化的指标 ， 按照分级的方法 进行确定 ， 这些参数包括岩石表面湿润程度 、 管道绝 缘条件 、 柴油设备工作时间利用率 、热源湿度等级 、 采场涌水量等 。 VUMA-３D 对各个等级进行了描 述性说明 ， 方便用户根据实际情况来选取 。 ３ ． ２ ． １ 空气动力学参数 空气动力学模拟为热力学模拟的基础 ， 主要巷 道的输入参数见表 １ 。 表 1 主要巷道输入数据一览表 巷道名称 摩擦阻力系数／ （Ns２／m４） 直径／ m 断面／ m２ | 周长／ m 主井０ ． ０３５６ ． ３３１． １７２１９ ． ７９２ 副井０ ． ０３５７ ． ５４４． １５６２３ ． ５６２ 进风井０． ０２６ ． ５３３． １６６２０ ． ４１ 回风井０． ０２７ ． ５４４． １５６２３ ． ５５ 副井石门０ ． ０１２１３． ６９２１４． ５ 风井石门０ ． ０１２２７7． ４７１９ ． ６７８ 分段巷道０ ． ０１２１３． ６９２１４． ５ 有轨运输巷道０ ． ０１２８ ． ５３４１１ ． １６４ 胶带斜井０． ０２１１． ９６３１３ ． １４１ 辅助斜坡道０ ． ０１２１３． ６９２１４． ５ 表 2 围岩热物理参数表 岩石热导率／ （W／（m K）） 比热／ （J／（kg ℃ ）） 密度／ （kg／m３） 上盘围岩７． ９９０９ ２ ６５０ 下盘围岩７． ９９０９ ２ ６５０ 矿体８． １９０９ ２ ７９０ 表 3 主要巷道热力学参数表 巷道名称揭露时间／a湿润程度支护形式 主井６ Very wet砼／钢筋砼 副井６ Very wet砼／钢筋砼 进风井６ Very wet砼／钢筋砼 进风盲斜井６ Very wet喷砼／不支护 回风井６ Very wet砼／钢筋砼 倒段回风井５ Very wet砼 － １ ０６０ m 副井石门５ wet／damp喷砼／不支护 进风井石门５ wet／damp喷砼／不支护 回风井石门５ wet／damp喷砼／不支护 分段巷道４ wet／damp喷砼／不支护 有轨运输巷道４ wet／damp喷砼／不支护 胶带斜井４ wet／damp砼／钢筋砼 １ ＃斜坡道 ４ ～ ５ wet／damp喷砼／不支护 ２ ＃斜坡道 ４ wet／damp喷砼／不支护 ３ ． ２ ． ２ 围岩散热参数 根据详查报告提供的矿区 ５ 个钻孔井温测量结 果 ， 该区地温梯度在 １ ． ４５ ℃ ／１００ m ～ １ ． ９４ ℃ ／１００ m 之间 ， １ ４１２ m 深度温度为４１ ． ７ ℃ 。 在软件模拟中 ， 设定地表原岩温度 ２０ ℃ ， 地温梯度 ０ ． ０１５ ℃ ／m 。 围岩热物理参数见表 ２ ， 主要巷道热力学参数见 表 ３ 。 ３ ． ２ ． ３ 设备参数 各柴油设备根据其使用地点情况（表 ４） ， 将其 散热量分配至相应巷道中 。 此外 ， 还包括采区变电 所 、 牵引变电所中的变压器等设备（表 ５） ， 水泵房中 的水泵及排泥泵等设备 。 表 4 柴油设备输入参数表 设备 数量／ 台 单台功率／ kW 负载情况 工作环境 潮湿程度 柴油铲运机４１８６ Typical Mainly wet／ Intermediate 铲运机（掘进）７１０２ Typical Mainly wet／ Intermediate 服务车１４ ９６Typical Mainly wet／ Intermediate 坑内卡车５１３０ Typical Mainly wet／ Intermediate 撬毛台车２１２０ Typical Mainly wet／ Intermediate 表 5 电动设备输入参数表 设备 数量／ 台 单台功率／ kW 负载情况 工作环境 潮湿程度 凿岩台车１４ ６３Typical Mainly wet／ Intermediate 电动铲运机６１３２ Typical Mainly wet／ Intermediate 锚杆台车４１１５ Typical Mainly wet／ Intermediate 电移动空压机６１３２ Typical Mainly wet／ Intermediate 电机车１０ ３０Typical Mainly wet／ Intermediate 风机４２ ４５０ATypical Mainly wet／ Intermediate 无轨维修设备１ 套５０Typical Mainly wet／ Intermediate ３ ． ２ ． ４ 采场输入参数 VUMA-３D 系统针对不同的采场方法设置了 不同的计算参数 ， 支持的采矿方法包括 进路法 、分 层充填法 、 分段空场法 、房柱法 、分段崩落法等 。 所 ６３２ 万方数据 增刊 ２朱瑞军 ，等 基于 VUMA-３D 的深井矿山热环境模拟研究 需的计算参数包括采场结构参数 、 工作面推进速度 、 设备运行情况 、 涌水情况 、 围岩情况 、 支护情况等 。 本案例中矿山采用上向水平分层充填采矿法 ， 以盘区为回采单元组织生产 。 盘区垂直走向布置 ， 长 １００ m ， 宽度为矿体厚度 ， 中段高度 ６０ m 。 每个 中段设 ３ 个分段 ， 分段高度 ２０ m ， 每条分段巷道承 担 ６ ～ ７ 个分层的回采工作 。 每个盘区内划分矿房 、 矿柱进行两步骤回采 。 矿房 、矿柱均垂直矿体走向 布置 ， 宽度均为 １０ m ， 长度为矿体厚度 。 盘区生产 能力为 １ ２００ t／d ， １０ 个盘区同时生产 。 ３ ． ２ ． ５ 水沟 、 水管参数 按照井下正常涌水量 ６ ０００ t／d 设置涌水参数 。 坑内凿岩 、 防尘用水点分布于回采和掘进工作面 ， 总 用水量为 ２ ０００ m ３ ／d 。 主供水管敷设于副井井筒 内 ， 由地表到达各中段 ， 坑内供水管沿各中段或分段 敷设 ， 接至各生产用水点 ， 供水支管选用φ１５９ mm ８ mm无缝钢管 。 3 ． 3 模拟结果 在 VUMA-３D 软件系统中建立通风网络三维 模型 ， 并输入空气动力学及热力学参数后进行热环 境模拟 ， 图 １ 所示为井下温度分布情况 。 在进风空气的干球温度为 １２ ． ５ ℃ ， 相对湿度为 ８０％ 的条件下 ， 井下热负荷计算结果见表 ６ ， 从模拟 结果中看出 ， 井下放热量主要来自于空气压缩 、 围岩 散热 、 设备散热 、 采场爆破散热及地下水散热 。 局部 通风不畅地段会由于热量集中而导致温度较高 ， 如 图 ２ 所示 。 在模拟结果中 ， 可查看每段巷道的风速 、 风量 、 进风温度 、 出风温度 、 空气湿度 、 散热量等 。 图 1 井下温度分布情况图 图 2 温度较高地段示意图 表 6 井下热负荷计算结果 热源散热量／kW 围岩８ ９６０ 设备３ ４２４ 空气压缩９ ７１１ 裂隙水２ １９９ 采场爆破等２ ７３０ 生产用水等吸热－ ４７５˙ 其他２９５ 合计２６ ８４４ 在不同的进风温度情况下 ， 井下发热量也不相 同 ， 模拟了在大气压强 １０１ kPa 条件下 ， 不同进风温 度和湿度情况下井下总散热量 ， 结果见表 ７ 。 表 7 不同环境温度下的井下总散热量 地表进风参数模拟结果 干球温度／ ℃ 相对湿度／ ％ 湿球温度／ ℃ 焓值／ （kJ／kg） 含湿量／ （g／kg） 总散热量／ kW 工作面平均 干球温度／℃ 工作面平均 湿球温度／℃ １２ ． ５８０１０． ６３３０E． ８７７o． ２６２６ ８４４J２８p． ３２６f． ３ １２ ． ５９０１１． ５８３３E． １９８o． １７２６ ３３０J２８p． ７２６f． ７ １５ ６７ ． ４１１． ６３３３E． ２６７o． １９２６ ３３１J２８p． ７２６f． ７ １５ ８０１２． ９８３６Z． ７８o． ５５２５ ６３２J２９p． ２２７f． ２ １５ ９０１４． ０１３９E． ４５９o． ６４２５ ０３４J２９p． ７２７f． ７ 根据模拟结果 ， 在进风空气的干球温度为１２ .５ ℃ ， 相对湿度 ８０％ ， 含湿量 ７ ． ２６ g／kg ， 焓值 ３０ ． ８７ kJ／kg 情况下 ， 井下总发热量为 ２６ ８４４ kW ， 此时采掘工作 面的平均干球温度约为 ２８ ℃ ， 达到安全规程所规定 的上限 。 因此 ， 当进风空气的焓值大于此情况时 ， 则 需要考虑采取制冷措施 。 从模拟结果中看出 ， 在不 同的地表气象参数下 ， 空气温度 、 湿度不同但焓值相 同时 ， 总散热量和工作面温度几乎相同 。 4 结 语 利用 VUMA-３D 系统可有效地对深井矿山热 环境进行模拟 ， 可掌握井下整体或局部地区的温度 、 湿度分布情况 ， 并进行热源分析 ， 方便对模拟矿井采 取针对性的制冷降温措施 。利用VUMA-３D系统 （下转第 ２６２ 页） ７３２ 万方数据 中 国 矿 业第 ２７ 卷 区内地下水补给 、 径流及排泄条件 ， 严格受地形 地貌及岩性构造因素控制 ， 具有典型的山地丘陵及 滨海平原区的特点 。 区内地下水化学动态及特征受 气象 、 水文 、 地形地貌 、 径流 、 排泄条件及人为因素的 控制 ， 地下水水化学类型主要取决于其所处地理位 置 、 水文地质单元 、 补 、 径 、 排条件及补给区含水层岩 性 、 污染状况等多种因素 ［５］ 。 5 矿山地质条件 烟台市主要矿种矿床有金 、 煤 、铁 、铜 、钼钨 、水 泥用灰岩 、 水泥用大理岩 、滑石 、 菱美矿 、 长石 、 饰面 用花岗岩 ， 以金矿最富盛名 ， 黄金储量占全国的四分 之一 ， 位居第一 ［６］ 。 矿产资源分布图见图 ３ 。 6 结 语 烟台市矿产资源丰富 ， 多种矿产资源储量在全 国占有重要地位 ， 其中金矿为优势矿产 ， 储量位列全 国第一 。 由于成矿地质条件不同 ， 全市矿种分布呈 现出明显的地域差异 。 龙口具有煤炭和油页岩资源 特色 ； 莱州拥有菱镁矿 、高岭土 、长石 、饰面花岗岩 、 天然卤水等资源优势 ； 金矿分布范围广而相对集中 ， 查明的储量主要分布于招远 、 莱州 、 牟平三地 ； 有色 金属矿主要分布于栖霞 、福山 ；查明储量的铁矿 ８５％ 分布于莱州 ； 查明储量的滑石 ７５％ 分布于栖 霞 ； 查明的水泥用灰岩与大理岩主要分布于栖霞 、 福 山 、 蓬莱 ； 建筑用大理岩 、 花岗岩多分布于莱州 、 牟平 等地 ； 膨润土 、 沸石 、 珍珠岩分布于莱阳市 。 参考文献 ［１ ］ 高琴 ， 于波 ． 数字烟台地理空间基础框架建设初探［J］ ． 电脑知 识与技术 ， ２００７ 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