1、 实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 2 期 2023 年 2 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.2 Feb.2023 收稿日期:2022-08-24 修改日期:2022-09-13 基金项目:国家自然科学基金项目（52074266）；中国矿业大学教学研究项目（2021YB03）作者简介:张源（1985），男，安徽阜阳，博士，副教授，主要研究方向为矿山灾害防治及资源化利用，。引文格式:张源，万志军，覃述兵，等.大尺寸巷道/隧道热环境模拟试验系统研制J.实验技术与管理,2023,40(2):127-133.Cite t
2、his article:ZHANG Y,WAN Z J,QIN S B,et al.Development of large-size experimental system for thermal environment simulation in entries and tunnelsJ.Experimental Technology and Management,2023,40(2):127-133.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.02.021 大尺寸巷道/隧道热环境模拟试验系统研制 张 源1
3、,2，万志军1,2，覃述兵2，周嘉乐2（1.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116）摘 要：该文研制的大尺寸巷道/隧道热环境模拟试验系统的模拟段有效长度 6000 mm、围岩直径 800 mm、最高稳定岩温 70、风温 545、湿度 20%90%RH、最大风量 5000 m3/h、最大模拟倾角 45，与已有试验装置相比，该模拟巷道/隧道尺寸大、试验参数范围大、试验误差减少，系统采用低电压、高电流的电加热方式控制系统边界温度，试验过程更安全、操作更简便。通过高地温巷道通风过程中围岩温度场模拟试验，证实了系
4、统与现场测试结果具有较好的一致性，该系统可用于探索深部巷道、隧道等地下工程中的岩体传热问题，为高地温巷道/隧道的热害防治提供试验平台。关键词：高地温；热环境；热害；温度场；相似试验 中图分类号：TD727 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)02-0127-07 Development of large-size experimental system for thermal environment simulation in entries and tunnels ZHANG Yuan1,2,WAN Zhijun1,2,QIN Shubing2,ZHOU Jiale2(1
5、.State Key Laboratory of Coal Resource and Safe Mining,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China;2.School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)Abstract:An large-size experimental system for thermal environment simulation in entries and tunnels is
6、 introduced in the paper.The simulative length of this system is 6000 mm,the diameter is 800mm,the highest rock temperature is 70,the air temperature is 545,the humidity 20%90%RH,the highest ventilation rate is 5000 m3/h,and the biggest dip angle is 45.Compared with existing apparatuses,this new sys
7、tem has many advantages,the size of the simulative entry and the experimental parameter scale are larger,and the experimental error is reduced.The system uses a low-voltage,high-current electric heating method to control the boundary temperature of the system,the test process is safer and easier to
8、operate.Through the simulation test of surrounding rock temperature field in the ventilation process of high geothermal temperature entries,it is proved that the system has good consistency with the field test results.The system can be used to explore the heat transfer problems of rock mass in deep
9、mine entries,tunnels and other underground projects,and provide a test platform for the prevention and control of heat hazard in high temperature entries/tunnels.Key words:high geothermal temperature;thermal environment;heat hazard;temperature field;similarity experiment 深井巷道和深埋长隧道等地下工程中的高温现象，不仅影响地下
10、工程施工效率、围护结构的使用性能和建设投资，还会损害工人的身心健康，甚至诱发顶板、火灾、瓦斯爆炸等安全事故1-2。据估算，目前我国高温矿井约 200 对，如：江苏徐矿三河尖矿岩温46.8，气温 36 3；山东新汶孙村矿岩温 42，128 实 验 技 术 与 管 理 气温高达 3940 4；安徽淮南潘三矿和丁集矿岩温43，气温 40 5；新疆喀什布仑口公格尔水电站引水隧洞岩温 90，气温超过 70 6；云南大柱山隧道环境温度常年维持在 40 以上7。可见，高温已成为深部地下岩体工程亟待研究解决的问题。深部巷道/隧道围岩和环境温度场的研究方法有理论计算、物理模拟、数值模拟和现场试验等。现场试验过程
11、最真实、试验数据最可靠，但限于巷道/隧道复杂的现场生产条件和高昂的试验成本，系统性地开展巷道/隧道围岩和环境温度场的现场试验难以实现8。理论计算和数值模拟都是基于控制方程和单值性条件进行的解算，具有成本低、速度快、重复性好等特点，是目前巷道/隧道围岩和环境温度场研究最常用的方法。相对于理论计算和数值模拟，物理模拟虽然试验工作量大、成本相对较高，但具有实验过程直观真实、可重复性好、数据可靠等优势9-10。物理模拟试验也称模化试验，是流体力学和传热学研究的常用方法。把模化试验方法引入巷道/隧道温度场的研究中，不仅可以对环境中传热过程有比较直观、真实的认识，而且可以获得较为可靠的数据资料。由于试验的
12、模型与原型具有相似关系，试验结果容易向原型推广，此外，模化试验还可以针对性地控制影响巷道/隧道温度分布的因素，如风流速度、湿度、温度、围岩热物性等。然而，限于几何、时间、物理和边界等相似条件，以及试验场地和试验误差，模化试验装置所需条件苛刻，研制和使用成本较高，因此能够开展大尺寸巷道/隧道热环境模化试验的实验装置较少，如天津大学的“矿井巷道与风流热湿交换模拟系统”11和中国矿业大学的“巷道风流非稳态传热试验系统”12，由于试验装置的尺寸小，模拟巷道的最大长度为 1200 mm、最大直径为 200 mm，导致边界条件复杂，增大试验误差。另外，现有模拟装置均采用恒温水浴循环加热系统，水温分布不均，
13、温度调节较慢。北京科技大学的“金属矿山深部开采热交换模拟测试平台”采用了电加热方式，系统尺寸较大（长13 m、巷道断面 1.71 m2），但是限于镶嵌花岗岩板的厚度无法模拟围岩温度场，主要是用来模拟巷道内风流温度场13。为了开展高地温巷道/隧道热害防治的研究工作，本文研制了“大尺寸巷道/隧道热环境模拟试验系统”。1 主要功能及技术参数 系统主要用于模拟深部高地温井巷、深埋高地温隧道等地下工程的温度场，为高地温巷道/隧道通风参数设计、隔热及降温设计提供试验平台。系统主要功能包括巷道/隧道通风及空调降温模拟、围岩原岩温度场模拟、围岩隔热降温模拟、开挖过程中围岩和风流温度场模拟，以及倾斜巷道/隧道温
14、度场模拟。主要技术参数如下：（1）模拟巷道/隧道的筒体有效长度为 6000 mm，有效直径为 800 mm；（2）模拟巷道/隧道围岩的温度范围为室温至70；（3）最大通风量 5000 m3/h、温度 545、湿度20%90%RH；（4）模拟巷道/隧道的倾角范围为 045；（5）围岩温度，风流的温度、湿度、速度，气压等试验数据自动化采集。2 主要构成及关键技术 系统主要由主体装置、围岩温度加载与控制子系统、通风子系统、数据监控与采集子系统 4 部分组成，如图 1 所示。主体装置的功能是模拟巷道/隧道围岩，围岩温度加载及控制子系统为模拟巷道/隧道围岩加热，通风子系统向模拟巷道/隧道中通风，数据监控
15、与采集子系统实时监控和采集围岩中的温度及风流的速度、温度、湿度和气压等数据。图 1 试验系统组成示意图 张 源，等：大尺寸巷道/隧道热环境模拟试验系统研制 129 2.1 主体装置 系统主体装置主要由模拟筒体、底座和液压系统三部分构成（图 2）。模拟筒体是该系统最主要的组成部分，用于模拟巷道/隧道及其围岩；底座用于支撑模拟筒体；液压系统则用于调节底座的倾角，模拟倾斜的巷道/隧道。模拟筒体采取分段式结构，共6段，每段长1000 mm，筒体间通过六角法兰连接，筒体内径 800 mm、外径1000 mm。从筒体内壁到外壳依次为筒体内壁、绝缘材料、电热合金网、绝缘材料、保温材料和波纹钢板外壳，如图 3
16、 所示。在筒体两端用紫铜带箍紧电热合金网作为电极，6 个筒体间通过紫铜电极串联。在模拟筒体的进风段和出风段分别安装进风和出风导流装 置，降低两端的湍流影响。筒体内填充相似材料来模拟巷道/隧道围岩。图 2 试验系统主体装置 图 3 模拟筒体内部结构（单位：mm）2.2 温度加载与控制子系统 围岩温度加载与控制子系统通过整流器电源把380 V 交流电转变成低压直流电，通过缠绕在模拟筒体上的电热合金网加热模拟围岩。系统最大输出电压为 30 V，最大输出电流为 1000 A，可根据试验要求选择自动稳压稳流、手动调节、自动保温等加热模式。稳压精度1%，稳流精度1%，电流/电压在 0 100%额定值内连续调节。系统稳定加热温度可达 70，能够覆盖现有大部分高温巷道/隧道原岩温度范围。2.3 通风子系统 通风子系统通过恒温恒湿机向模拟巷道/隧道筒体内输送新风，当恒温恒湿机风量不足或风压不够时，采用辅助轴流风机补充风量。在模拟巷道/隧道掘进通风时，采用小型鼓风机配合恒温恒湿机使用。通风子系统总风量可达 5000 m3/h；温度范围 545，波动范围1；湿度范围 20%90%RH，控制精度1%RH；机组
