基于可控循环通风与围岩预冷技术的高温深井风流调控机制研究

针对深部矿井高温环境加剧设备老化、危害人员健康的问题，中国研究人员创新性提出"可控循环通风结合围岩预冷技术"(controlled circulation ventilation including cooling technology)，通过1:190相似模拟实验与数值模拟，揭示了通风速度(7.1?m/s)、温度与围岩温度(最低11.51%降温效率)的耦合作用机制，验证了低温围岩对高温风流(120分钟降温4.86%)的持续调控潜力，为深部开采节能降温提供了新方案。

　　

随着矿产资源开采向千米以下深部延伸，矿井高温环境已成为制约安全生产的核心难题。据测算，深度每增加100米，岩温将上升3?°C，而深部矿井工作面的温度常超过40?°C。这种极端环境不仅加速液压支架等设备的橡胶密封件老化（Xu et al., 2023b），更导致矿工出现体温调节紊乱（Zheng et al., 2019）、认知能力下降（Zhao et al., 2022）等健康问题。传统解决方案如增大通风量虽简单直接，但能耗呈立方级增长——将风量从49.45?m³
/s提升至84.66?m³
/s时，能耗激增5倍（Jin-feng et al., 2013）。如何在有限能耗下实现有效降温，成为采矿工程领域的"哥德巴赫猜想"。

中南大学安全科学与工程团队独辟蹊径，将可控循环通风技术（controlled circulation ventilation）与围岩天然冷源相结合，在《Process Safety and Environmental Protection》发表突破性研究成果。研究通过微分方程分析法推导出包含努塞尔数(Nu)、雷诺数(Re)等6个无量纲数的热交换相似准则，搭建了全球首个1:190比例的矿井通风缩尺实验平台。实验采用PID温控系统精确模拟-5?°C至40?°C的围岩温度梯度，结合计算流体力学(CFD)仿真，首次量化了三大关键参数的影响规律：当通风速度从5?m/s增至9?m/s时，降温效率降低23.7%；而围岩温度每降低10?°C，风流冷却效果提升达18.2%，证实围岩温度是主导因素。更令人振奋的是，数值模拟显示低温围岩具有持续降温能力——120分钟内仍保持4.86%的温降，这为利用废弃巷道构建"天然空调"提供了理论支撑。

关键技术方法包括：1）基于方程分析法推导热交换相似准则；2）搭建缩尺比为1:190的物理模拟平台，采用热电偶阵列监测温度场；3）通过ANSYS Fluent建立三维非等温流固耦合模型，网格独立性验证后最大误差仅4.64%；4）采用单变量法分析通风速度(5-9?m/s)、风流温度(30-50?°C)和围岩温度(-5-25?°C)的交互影响。

Experimental design basis
研究指出深部金属矿通风系统存在"风量衰减效应"：由于管网延伸，工作面实际风量仅为设计值的60%-70%（Dingyi et al., 2019）。团队创新提出在循环风路上设置净化装置，使40%回风经低温巷道预冷后重新进入工作面，既解决风量不足又实现能量梯级利用。

Derivation of similarity criterion
通过量纲分析获得关键相似数群，其中傅里叶数(Fo)决定实验时间缩放比，普朗特数(Pr)确保流体热边界层相似。实验平台严格遵循毕欧数(Bi)<0.1，保证围岩内部热阻可忽略。

Dynamic variation of temperature
热电偶监测显示：当初始风流温度40?°C、围岩-5?°C时，1分钟内风流温度骤降4.6?°C，符合指数衰减规律。红外热成像揭示围岩表面会形成0.5-2?mm的动态冷凝水膜，增强相变换热。

Discussion
与传统通风相比，该技术在南非Loraine金矿的试验中使月产量从6000吨跃升至15000吨（Matthews et al., 1987）。本研究发现当围岩温度低于15?°C时，系统COP(能效比)可达3.7，较机械制冷节能41%。

Conclusions
1）建立的相似准则使实验与实况的努塞尔数偏差<5%；2）通风速度与降温效率呈负相关，而围岩温度是敏感性参数（P<0.01）；3）CFD模拟验证了低温围岩的"热惯性"效应，为深井降温开辟了"借自然之力"的新路径。这项研究不仅破解了"高能耗降温"的行业困局，更构建了涵盖流体力学、岩石热物理的多学科交叉理论框架，入选国家自然科学基金重点项目(No. 52274247)示范案例。正如通讯作者Yu Xu强调："该技术就像给矿井装上了‘地热电池’，未来结合AI风网调控，有望实现零碳降温。"