深井綜采面風(fēng)流溫度變化規(guī)律研究

韓明超 葉 飛 高要昌

（平煤股份十礦，河南 平頂山 467000）

隨著采礦技術(shù)的提高，我國礦井開采的深度受地?zé)嵩龈叩挠绊懼饾u加大，井下風(fēng)流溫度隨深度增加而越來越高。熱環(huán)境不僅降低企業(yè)的工作效率，影響了整體的經(jīng)濟效益，也給礦井工作人員的生產(chǎn)安全和人身安全帶來了一定的隱患。

1 熱交換時間對風(fēng)流溫度的影響

井下巷道中的風(fēng)流溫度受到多種因素的影響，如圍巖溫度、圍巖導(dǎo)熱性能、風(fēng)流與圍巖的熱交換時間、巷道長度、高度差、入風(fēng)流溫度、水分蒸發(fā)及濕度等，本文結(jié)合己17-24110 采面的具體情況，就以上幾方面進行探討。

井下巷道中的風(fēng)流溫度受到多種因素的影響，其中圍巖傳熱起著主要作用。風(fēng)流的流動變化都是與熱交換系數(shù)息息相關(guān)的，甚至在很多情況下對其有著直接的影響。對流熱的交換也是一個比較復(fù)雜的過程，這個過程受到了多重因素的影響，圍巖熱物理性質(zhì)則是其中的一個重要因素。在研究的過程中，憑借圍巖與風(fēng)流熱的交換規(guī)律，對其熱交換系數(shù)做出詳細的測量與計算，可以促進我們了解圍巖熱對風(fēng)流溫度變化的影響。

以干燥巷道為例，根據(jù)巷道圍巖與風(fēng)流熱交換規(guī)律，分析水平巷道圍巖與風(fēng)流熱交換對風(fēng)溫變化的基本影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)圍巖所傳遞出來的熱量是與圍巖與風(fēng)流間的溫差呈正相關(guān)的，即溫差降低其熱量也隨之降低。與此同時，在巷道的長度、原巖以及入風(fēng)流的溫度一定的條件下，平巷終端風(fēng)流溫度也隨著圍巖導(dǎo)熱系數(shù)的不同而呈現(xiàn)指數(shù)性質(zhì)變化。圍巖的導(dǎo)熱系數(shù)體現(xiàn)了物體導(dǎo)熱能力，受到巖體中的結(jié)構(gòu)面、 孔隙度和含水率的影響，變化范圍較大。導(dǎo)熱系數(shù)越大，導(dǎo)熱能力越大，圍巖越容易向風(fēng)流傳遞熱量。圍巖導(dǎo)熱系數(shù)的變化將會影響水平巷道終端的風(fēng)流溫度，在別的條件一定的情況下，圍巖導(dǎo)熱系數(shù)增大會造成巷道的風(fēng)流溫度顯著提高。而且，圍巖散熱是引起水平巷道風(fēng)流溫度增加的主要因素，圍巖與風(fēng)流間的換熱與二者間的溫度差、圍巖導(dǎo)熱率是呈正相關(guān)的，同時二者間的換熱也與風(fēng)速及通風(fēng)巷道的表面積成正比，即原巖表層的溫度高時、其導(dǎo)熱率也會提高，從而圍巖向風(fēng)流中散發(fā)的熱量也會相應(yīng)提高。

2 入風(fēng)流溫度、地面氣溫對風(fēng)流溫度的影響

入風(fēng)流初始溫度是影響井下熱環(huán)境的又一因素。由于入風(fēng)風(fēng)道聯(lián)通地面，因此巷道入風(fēng)口風(fēng)溫也會受到地面氣溫的影響，隨著地面氣溫的變化而變化。己17-24110 工作面地面標(biāo)高+275～+390m，工作面標(biāo)高-618～-683m，地面相對位置為馬棚山南坡，易受地面氣溫的影響。地面大氣參數(shù)的周期性季節(jié)變化直接影響到礦井微氣候的變化，夏季地面氣溫高，因此井下氣溫也較高；反之，冬季地面氣溫較低，井下氣溫也低。煤體在開采過程中釋放的熱量大大增加入風(fēng)流溫度。

有關(guān)人員對圓形巷道導(dǎo)熱微分方程和周圍邊界條件的無因次化進行研究，著重探究了風(fēng)溫波動微分方程以及它的定解條件。結(jié)果顯示，井下各部位的風(fēng)流溫度會受到地面大氣溫度及采煤過程中煤體的溫度周期性變化的影響，但波動的振幅要小于地面溫度波動振幅。當(dāng)巷道煤體溫度、圍巖性質(zhì)、風(fēng)速、斷面等條件一定時，溫度波動的振幅呈負指數(shù)下降，相位角隨巷道長度線性滯后。還有研究發(fā)現(xiàn)，初始溫度越高，入風(fēng)流在淺處巷道內(nèi)預(yù)冷降溫效果越明顯；但入風(fēng)流到達增溫帶深層時，初始溫度對井下熱環(huán)境的影響就變小了。

3 巷道長度、高度差對風(fēng)流溫度的影響

巷道的幾何形狀如長度、半徑、形狀等會影響風(fēng)流，巷道水力半徑越大，同一深度的平巷內(nèi)入風(fēng)流溫度的變化也會越大。入風(fēng)流初始溫度對井下空氣流的影響隨著深度的增加逐漸減小，己17-24110 工作面埋深909～1 060m，地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，因此井下空氣流受入風(fēng)流初始溫度的影響較小。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)流流經(jīng)路線逐漸增長，風(fēng)流溫濕度會呈線性變化。己17-24110 工作面的有效走向長度是758.7m，傾斜寬度為197.3～203.6m，切眼斜長197.5m，回采實際面積為151 815.87m2，考察發(fā)現(xiàn)圍巖初始溫度和進風(fēng)流溫度的相差較大，通風(fēng)時間越短，圍巖初始溫度與風(fēng)流的換熱量越大，初期的風(fēng)流溫度上升較快。隨著巷道長度的不斷增加，風(fēng)流溫度與煤壁溫度慢慢接近，使得換熱量也逐漸減少，從而減緩了風(fēng)流溫度上升速度。

4 水分蒸發(fā)及濕度對風(fēng)流溫度的影響

在水分蒸發(fā)總量一定時，巷道中水分均勻蒸發(fā)、分散蒸發(fā)、集中蒸發(fā)等情況下，濕度與風(fēng)流溫度隨通風(fēng)時間的實際變化規(guī)律以及隨巷道距離的主要分布規(guī)律變化。結(jié)果表明，水分蒸發(fā)量會影響風(fēng)流溫度。當(dāng)流經(jīng)路線增長、通風(fēng)時間長、水分蒸發(fā)量大時，風(fēng)流溫度會隨之降低。另外，水分蒸發(fā)位置也會影響風(fēng)流溫濕度。通風(fēng)時間越短、水分蒸發(fā)量越小，風(fēng)流溫度幅度越大、巷道距離增長越高。當(dāng)通風(fēng)時間較長、水分蒸發(fā)量大時，隨巷道距離增長，風(fēng)流溫度降低。

5 小結(jié)

對環(huán)境有效控制的重要前提是井下熱環(huán)境預(yù)測，由于井下環(huán)境條件比較復(fù)雜，井下風(fēng)流狀態(tài)變化的影響因素較多。所以，分析圍巖導(dǎo)熱性能、圍巖溫度、巷道長度、風(fēng)流與圍巖的熱交換時間、水分蒸發(fā)及入風(fēng)流煤體溫度等因素對風(fēng)流溫度的影響，有助于預(yù)測井下熱環(huán)境。有效控制深井綜采面風(fēng)流熱環(huán)境對保障作業(yè)人員的健康、保障礦井安全生產(chǎn)具有非常重要的意義。

[1]侯祺棕，沈伯雄.井巷圍巖與風(fēng)流間熱濕交換的溫濕預(yù)測模型[J].武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1997，19(3):123-126.