一种金属矿山深部开采掘进巷道热湿交换的模拟测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种金属矿山深部开采掘进巷道热湿交换模拟测试方法，它包括专用的模拟测试平台、操作实施步骤。所述的模拟测试平台是由模拟巷道、巷道热源模拟装置、巷道内湿度环境模拟装置、巷道内新风风质模拟装置、巷道降温制冷模拟装置及风流参数测控元器件组合构成。实施步骤为：已知掘进巷道内热源和送入新风的送风参数，确定制冷机组工况；验证理论推导的制冷机组的参数。本发明为研究独头巷道内空气的热-湿交换提供现场真实热湿交换环境，与理论计算形成相互补充的体系，能够较好的验证理论计算出的各项参数是否可靠，提高了理论计算的可靠度，对于解决目前深井开采面临的热害问题具有很好的现实意义推广应用价值。
【专利说明】一种金属矿山深部开采掘进巷道热湿交换的模拟测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种矿山深部开采热、湿交换模拟测试方法，特别适用于金属矿山深部开采所面临的热害治理技术研究，为研究独头巷道内空气的热-湿交换提供现场环境模拟，同时可对理论计算值进行实验室模拟验证。
【背景技术】
[0002]随着浅部资源的减少，开采能力不断提高，开采深度也不断增加，开采深部资源成为采矿的主要方式，而深部开采必然要面临深井高温热害的问题，地热增加，热害问题已经成为制约矿山安全生产、高产高效、和谐发展的瓶颈之一。高温高湿等热害问题越来越突出，在深部开采的条件下，随着开采深度的增加，地温的升高是工作条件恶化的重要原因，持续的高温将对人体的健康和工作能力造成极大的伤害，使劳动生产率大大下降，必须采取相应措施进行。
[0003]研究表明，独头巷道掘进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。因此，分析研究独头掘进巷道热害成因、建立深井热害预测方法，研究深部开采降温技术与装备，以便采取有效的降温措施，从而缓解井下高温热害状况，改善工人作业环境就显得极为重要，对金属矿山的安全生产和可持续发展具有及其重要的意义。
[0004]之前许多专家学者的研究大都停留在理论研究的层面，主要包括以下两个方向:
①关于井巷围岩与风流间的不稳定传热传质研究，具体体现在对井巷围岩与风流间不稳定换热系数、对流传热及传质系数方面的研究关于矿井空气热力状态参数的预测研究，主要是对井下风流温湿度参数的预测研究。
[0005]而随着经济建设的不断推进，原料需求持续旺盛，我国采矿深度快速增长，目前许多矿山已经面临热害影响生产的问题，因此深井热害问题研究已经开始从理论研究转变到现场应用研究，深部开采降温技术与装备研究迫在眉睫。
[0006]由于矿井采掘工作面通风的特殊性，工作面降温主要采用送入冷风的方法实现，冷风参数直接关系到工作面降温效果。但目前没有针对工作面热负荷大小确定所需送风参数和空冷器出风参数的方法，而是完全取决于所安装空冷器的处理能力。因此，有必要研究采掘工作面风流参数及空冷器出风参数的一种金属矿山深部开采掘进巷道热湿交换模拟测试方法，对理论推导的结果在应用于现场之前进行模拟验证，通过实验室研究，保证工作面降温效果、实现设计要求的温湿度参数。
[0007]而要实施以上的研究工作，之前的单纯依靠理论计算所确定的参数很难满足现场的实际应用。仅以高温矿井空调冷负荷计算为例，《工业安全与防尘》2001年第27卷第3期披露了 “高温矿井空调冷负荷计算”，并给出了几种计算公式，但正如该文指出:由于影响因素十分复杂，主要有矿物性质、地质条件、矿内气流组织形式、矿井岩表面温度及矿井深度等因素，因此需对现场进行大量调查、测试，以便取得必要的原始资料，才能比较准确计算出空调冷负荷。因此，关于矿山深部开采热、湿交换的实际情况，理论推导的结论可能在现场应用中存在较大差异，因此必须对理论推导的结果在应用于现场之前进行模拟验 证。
【发明内容】
[0008]本发明的目的就是针对现有技术存在的上述问题而提供一种金属矿山深部开采掘进巷道热湿交换模拟测试方法，该系统可以针对理论计算的结果实现实验室的现场模拟验证，在实验室提供一个矿山现场的独头掘进巷道的真实热湿交换环境。
[0009]为实现本发明的上述目的，本发明一种金属矿山深部开采掘进巷道热湿交换模拟测试方法通过以下技术方案来实现:
本发明一种金属矿山深部开采掘进巷道热湿交换模拟测试方法，它包括专用的模拟测试平台、操作实施步骤。所述的模拟测试平台是由模拟巷道、巷道热源模拟装置、巷道内湿度环境模拟装置、巷道内新风风质模拟装置、巷道降温制冷模拟装置及风流参数测控元器件组合构成:
所述的模拟巷道为现场实际独头掘进巷道进行等比例缩小的上、下、左、右和一端封闭的长方体洞室，自外向内分别为保温层、加热层、岩石层。
[0010]所述的巷道热源模拟装置由设置在加热层上的电加热膜、与电加热膜相连的加热控制装置构成，设计巷道热源模拟装置是为了模拟井下实际热源。
[0011 ] 所述的巷道内湿度环境模拟装置由安装在模拟巷道内的加湿器管、与加湿器管相连接的加湿器共同构成，加湿器管上设有多个喷头。湿空气从加湿器管上的喷头中喷向模拟巷道内，对模拟巷道内空气进行湿度调节和控制。
[0012]考虑到井下送入掘进巷道内的新鲜风流的风质与实验室内空气的风质存在较大差异，设计了巷道内新风风质模拟装置，所述的巷道内新风风质模拟装置由送风风机、加湿器、电加热器、新风风管顺序连接构成，新风风管的出气端插入到模拟巷道内。
[0013]为了实现工作面热环境控制的目的，需同时向巷道内输入冷风，对空气进行制冷降温，最后送入掘进巷道内，因此设计了巷道降温制冷模拟装置，所述的巷道降温制冷模拟装置由制冷机组、冷风风机、空冷器、循环管路、冷风风管构成，冷风风管的进气端与空冷器相通，冷风风管的出气端插入到模拟巷道内，在制冷机组与空冷器之间的循环管路上分别设有阀门、冷冻水泵。
[0014]所述的风流参数测控元器件为冷风风管上安装的压力传感器、在新风风管内安装的风流温湿度传感器、风流速度传感器，以及在模拟巷道内部每隔一段距离设置的风流温湿度传感器和风流速度传感器组合构成，将采集出的数据传送至计算机系统进行分析；在巷道降温制冷模拟装置的循环管路上还分别安装空冷器进口侧温度传感器、流量计，在冷风风管上安装空冷器出口测温度传感器。
[0015]为更好地调控新鲜风流，在送风风机与电加热器之间的管路上还设有风机挡板。
[0016]此外，它还设有对送风风机、冷风风机的风量、制冷机组的制冷量进行远程集中控制的计算机远程控制装置、变频调控装置。利用计算机远程控制装置和变频调控技术，对风机的风量、制冷机组的制冷量进行远程集中控制，通过调节冷风参数和巷道热源放热量，拟合制冷量与热源之间的匹配关系，寻找系统运行工况。
[0017]所述的操作实施步骤为:
O已知掘进巷道内热源和送入新风的送风参数，确定制冷机组工况: ①调节该模拟测试平台中的加热控制装置和加湿器的控制装置，模拟出巷道内的原始热环境，并保持相关参数不变；
②调节该模拟测试平台中的巷道内新风风质模拟装置，包括送风风机风量、电加热器和加湿器的控制装置，模拟出巷道实际的送风参数，并保持相关参数不变；
③调节制冷机组的参数，包括冷风风机风量和制冷机组制冷量，同时采集巷道内的温湿度和风速；
④通过不断调整制冷机组的参数来实现巷道内温湿度和湿度达到预定的目的，最终确定制冷机组的具体工况；
2)验证理论推导的制冷机组的参数:
①调节该模拟测试平台中的加热控制装置和加湿器的控制装置，模拟出巷道内的原始热环境，并保持相关参数不变；
②调节该模拟测试平台中的巷道内新风风质模拟装置，包括送风风机风量、电加热器和加湿器的控制装置，模拟出巷道实际的送风参数，并保持相关参数不变；
③按照理论推导的制冷机组的参数调节制冷机组，包括冷风风机风量和制冷机组制冷
量;
④采集巷道内空气的温、湿度和风速，验证推导的理论是否正确。
[0018]本发明一种金属矿山深部开采掘进巷道热湿交换模拟测试方法采用以上技术方案后具有以下积极的效果:
⑴与理论计算形成相互补充的体系，能够较好的验证理论计算出的各项参数是否可靠，提高了理论计算的可靠度；
(2)相对于计算机模拟参数更为准确，提高的模拟模型的准确性和精确性；
(3)为制冷装备的研制在实验室的试验提供了平台，使设备的各项参数能够更好的满足现场实际需要，保证了设备在现场应用的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明一种金属矿山深部开采掘进巷道热湿交换模拟测试方法采用的专用的模拟测试平台组装简图。
[0020]图2为本发明采用的专用的模拟测试平台中模拟巷道断面图。
[0021]附图标记为:A—压力传感器；B—风流温湿度传感器；C一风流速度传感器；D—空冷器进口侧温度传感器；E—空冷器出口测温度传感器；G—流量计。
[0022]I一制冷机组；2—阀门；3—冷冻水泵；4一空冷器；5—电加热膜；6—加湿器管；7—岩石层；8—加热层；9—保温层；10—加热控制装置；11—加湿器；11'—加湿器；12—送风风机；12'—冷风风机；13—风机挡板；14一电加热器；15—冷风风管；16—新风风管。
【具体实施方式】
[0023]为描述本发明，下面结合附图和实施例对本发明一种金属矿山深部开采掘进巷道热湿交换模拟测试方法做进一步详细说明。
[0024]由图1所示的本发明一种金属矿山深部开采掘进巷道热湿交换模拟测试方法采用的专用的模拟测试平台组装简图并结合图2看出，本发明一种金属矿山深部开采掘进巷道热湿交换模拟测试方法采用的专用的模拟测试平台是由模拟巷道、巷道热源模拟装置、巷道内湿度环境模拟装置、巷道内新风风质模拟装置、巷道降温制冷模拟装置及风流参数测控元器件组合构成。
[0025]模拟巷道的结构:实验室内依据试验相似理论，对现场实际独头掘进巷道进行等比例缩小，利用角钢搭建巷道骨架，在角钢内镶嵌一定厚度的大理石板材，建立起独头掘进巷道的实验室基本模型；建立的模拟巷道为现场实际独头掘进巷道进行等比例缩小的上、下、左、右和一端封闭的长方形洞室，自外向内分别为保温层9、加热层8、岩石层7。
[0026]巷道热源模拟装置结构:在模拟巷道的上、下、左、右和端部等五个面覆盖温度和功率可调节的电加热装置，对大理石进行加热，模拟井下实际热源；所述的巷道热源模拟装置由设置在加热层8上的电加热膜5、与电加热膜5相连的加热控制装置10构成。[0027]巷道内湿度环境模拟装置结构:在巷道尾部设置两个超声波加湿器11，通过PVC加湿器管6导入模拟巷道内部，对模拟巷道内空气进行湿度调节和控制；所述的加湿器管6上设有多个喷头，加湿器管6与加湿器11连接构成巷道内湿度环境模拟装置。
[0028]巷道内新风风质模拟装置结构:考虑到井下送入掘进巷道内的新鲜风流的风质与实验室内空气的风质存在较大差异，因此在送风风机12将新风送入模拟巷道前在风筒内安装智能型的电加热器14和超声波类加湿器11'对进入模拟巷道内的空气进行调温调湿，保证实验室试验不受实验室内环境温度和湿度的影响。所述的巷道内新风风质模拟装置由送风风机12、超声波类加湿器11'、智能型的电加热器14、新风风管16顺序连接构成，新风风管16的出气端插入到模拟巷道内；在送风风机12与电加热器14之间的管路上还设有风机挡板13。
[0029]巷道降温制冷模拟装置结构:向巷道内送入工作所需风量的同时，为了实现工作面热环境控制的目的，需同时向巷道内输入冷风，在实验室设置制冷机组I和空冷器4对空气进行制冷降温，最后送入模拟巷道内。所述的巷道降温制冷模拟装置由制冷机组1、冷风风机12'、空冷器4、循环管路、冷风风管15构成，冷风风管15的进气端与空冷器4相通，冷风风管16的出气端插入到模拟巷道内，在制冷机组I与空冷器4之间的循环管路上分别设有阀门2、冷冻水泵3。
[0030]所述的风流参数测控元器件为为冷风风管15上安装的压力传感器A、在新风风管16内安装的风流温湿度传感器B、风流速度传感器C，以及在模拟巷道内部每隔一段距离设置的风流温湿度传感器B和风流速度传感器C组合构成，将采集出的数据传送至计算机系统进行分析；在巷道降温制冷模拟装置的循环管路上还分别安装空冷器进口侧温度传感器
D、流量计G，在冷风风管15上安装空冷器出口测温度传感器E。利用计算机远程控制装置和变频调控技术，对送风风机12、冷风风机12'的风量、制冷机组I的制冷量进行远程集中控制，通过调节冷风参数和巷道热源放热量，拟合制冷量与热源之间的匹配关系，寻找系统运行工况。
[0031]具体操作实施步骤为:
O已知掘进巷道内热源和送入新风的送风参数，确定制冷机组工况:
①调节该模拟测试平台中的加热控制装置10和加湿器11的控制装置，模拟出巷道内的原始热环境，并保持相关参数不变；
②调节该模拟测试平台中的巷道内新风风质模拟装置，包括送风风机12风量、电加热器14和加湿器1 的控制装置，模拟出巷道实际的送风参数，并保持相关参数不变；
③调节制冷机组的参数，包括冷风风机风量和制冷机组制冷量，同时采集巷道内的温湿度和风速；
④通过不断调整制冷机组的参数来实现巷道内温湿度和湿度达到预定的目的，最终确定制冷机组的具体工况；
2)验证理论推导的制冷机组的参数:
①调节该模拟测试平台中的加热控制装置10和加湿器11的控制装置，模拟出巷道内的原始热环境，并保持相关参数不变；
②调节该模拟测试平台中的巷道内新风风质模拟装置，包括送风风机12风量、电加热器14和加湿器1 的控制装置，模拟出巷道实际的送风参数，并保持相关参数不变；` ③按照理论推导的制冷机组的参数调节制冷机组，包括冷风风机风量和制冷机组制冷
量;
④采集巷道内空气的温、湿``度`和风速，验证推导的理论是否正确。
【权利要求】
1.一种金属矿山深部开采掘进巷道热湿交换模拟测试方法，其特征在于它包括专用的模拟测试平台、操作实施步骤；所述的模拟测试平台是由模拟巷道、巷道热源模拟装置、巷道内湿度环境模拟装置、巷道内新风风质模拟装置、巷道降温制冷模拟装置及风流参数测控元器件组合构成: 所述的模拟巷道为现场实际独头掘进巷道进行等比例缩小的上、下、左、右和一端封闭的长方体洞室，自外向内分别为保温层(9)、加热层(8)、岩石层(7);所述的巷道热源模拟装置由设置在加热层(8)上的电加热膜(5)、与电加热膜(5)相连的加热控制装置(10)构成；所述的巷道内湿度环境模拟装置由安装在模拟巷道内的加湿器管(6)、与加湿器管(6)相连接的加湿器(11)共同构成，加湿器管(6)上设有多个喷头；所述的巷道内新风风质模拟装置由送风风机(12)、加湿器(11')、电加热器(14)、新风风管(16)顺序连接构成，新风风管(16)的出气端插入到模拟巷道内；所述的巷道降温制冷模拟装置由制冷机组(I)、冷风风机(123、空冷器(4)、循环管路、冷风风管(15)构成，冷风风管(15)的进气端与空冷器(4)相通，冷风风管(15)的出气端插入到模拟巷道内，在制冷机组(I)与空冷器(4)之间的循环管路上分别设有阀门(2)、冷冻水泵(3);所述的风流参数测控元器件为冷风风管(15)上安装的压力传感器(A)、在新风风管(16)内安装的风流温湿度传感器(B)、风流速度传感器(C)，以及在模拟巷道内部每隔一段距离设置的风流温湿度传感器(B)和风流速度传感器(C)组合构成； 所述的操作实施步骤为: 1)已知掘进巷道内热源和送入新风的送风参数，确定制冷机组工况: ①调节该模拟测试平台中的加热控制装置(10)和加湿器(11)的控制装置，模拟出巷道内的原始热环境，并保持相关参数不变； ②调节该模拟测试平台中的巷道内新风风质模拟装置，包括送风风机(12)风量、电加热器(14)和加湿器(11')的控制装置，模拟出巷道实际的送风参数，并保持相关参数不变； ③调节制冷机组的参数，包括冷风风机风量和制冷机组制冷量，同时采集巷道内的温湿度和风速； ④通过不断调整制冷机组的参数来实现巷道内温湿度和湿度达到预定的目的，最终确定制冷机组的具体工况； 2)验证理论推导的制冷机组的参数: ①调节该模拟测试平台中的加热控制装置(10)和加湿器(11)的控制装置，模拟出巷道内的原始热环境，并保持相关参数不变； ②调节该模拟测试平台中的巷道内新风风质模拟装置，包括送风风机(12)风量、电加热器(14)和加湿器(11')的控制装置，模拟出巷道实际的送风参数，并保持相关参数不变； ③按照理论推导的制冷机组的参数调节制冷机组，包括冷风风机风量和制冷机组制冷量; ④采集巷道内空气的温、湿度和风速，验证推导的理论是否正确。
2.如权利要求1所述的一种金属矿山深部开采掘进巷道热湿交换模拟测试方法，其特征在于:在巷道降温制冷模拟装置的循环管路上还分别安装空冷器进口侧温度传感器(D)、流量计(G)，在冷风风管(15)上安装空冷器出口测温度传感器(E)。
3.如权利要求1或2所述的一种金属矿山深部开采掘进巷道热湿交换模拟测试方法，其特征在于:在送风风机(12)与电加热器(14)之间的管路上还设有风机挡板(13)。
4.如权利要求3所述的一种金属矿山深部开采掘进巷道热湿交换模拟测试方法，其特征在于:它还设有对送风风机(12)、冷风风机(12')的风量、制冷机组(I)的制冷量进行远程集中控制的计算机远程控制装置、变频调控装置。
【文档编号】G01M99/00GK103528838SQ201310463594
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月8日 优先权日:2013年10月8日
【发明者】陈宜华, 贾安民, 周伟, 黄寿元, 贾敏涛, 吴冷峻, 居伟伟, 王爽 申请人:中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司