基建礦井熱害分析及風(fēng)溫需冷量預(yù)測(cè)

尹萬才

(山東能源集團(tuán)有限公司,山東省濟(jì)南市,250014)

基建礦井熱害分析及風(fēng)溫需冷量預(yù)測(cè)

尹萬才

(山東能源集團(tuán)有限公司,山東省濟(jì)南市,250014)

根據(jù)礦井熱害發(fā)展特點(diǎn),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,將基本建設(shè)礦井存在的熱害劃分為井筒掘進(jìn)到通風(fēng)系統(tǒng)形成階段、大巷掘進(jìn)至生產(chǎn)系統(tǒng)形成階段、正常生產(chǎn)階段3個(gè)階段。對(duì)礦井熱害熱源進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,對(duì)不同施工階段風(fēng)溫進(jìn)行預(yù)測(cè),在此基礎(chǔ)上對(duì)陳蠻莊礦井不同階段降溫需冷量進(jìn)行計(jì)算。測(cè)算結(jié)果經(jīng)陳蠻莊礦井現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證與實(shí)際基本相符合。通過分階段預(yù)測(cè)風(fēng)溫并據(jù)此測(cè)算各階段需冷量,對(duì)于基建礦井的熱害治理具有一定的借鑒意義。

基建礦井 井筒掘進(jìn) 大巷掘進(jìn) 熱害 風(fēng)溫 需冷量 預(yù)測(cè)

隨著淺部煤炭資源的日益枯竭,開采水平的不斷延伸,我國(guó)東部許多基建礦井第一水平埋深已達(dá)到800～950 m,受地?zé)嵊绊?礦井熱害問題比較突出。井下溫度高,施工環(huán)境差,不僅降低勞動(dòng)效率,還將直接影響作業(yè)人員的身體健康,威脅礦井安全,高溫?zé)岷σ殉蔀橥{深井安全生產(chǎn)的自然災(zāi)害之一。目前,我國(guó)礦井熱害問題研究治理大多針對(duì)深部開采的生產(chǎn)礦井,對(duì)基建礦井熱害相關(guān)問題的分析研究較少。本文對(duì)基建礦井熱害有關(guān)問題進(jìn)行了初步分析探討,并結(jié)合實(shí)例對(duì)基建礦井不同階段的風(fēng)溫、需冷量進(jìn)行預(yù)測(cè),對(duì)類似條件礦井的熱害治理具有借鑒意義。

1 基建礦井熱害發(fā)展階段劃分

根據(jù)不同施工階段熱害特點(diǎn)將基建礦井熱害發(fā)展分為3個(gè)階段。

1.1 井筒、井底車場(chǎng)掘進(jìn)至通風(fēng)系統(tǒng)形成階段

礦井建設(shè)過程中,因井筒初期在淺部掘進(jìn),基本不存在熱害問題。隨著井筒深度的增加,地?zé)嵊绊懺絹碓矫黠@,當(dāng)掘進(jìn)深度大于800 m時(shí),井筒掘進(jìn)便遇到地溫明顯升高的問題,如趙樓煤礦井筒掘進(jìn)至820 m時(shí)掘進(jìn)頭平均風(fēng)溫29.4℃,陳蠻莊煤礦井筒掘進(jìn)至800 m時(shí)平均風(fēng)溫在28.8℃,對(duì)安全生產(chǎn)造成了影響。

井筒掘進(jìn)到底后施工井底車場(chǎng),因通風(fēng)系統(tǒng)未形成,供風(fēng)量相對(duì)較少,風(fēng)流對(duì)圍巖的降溫作用小,巖壁溫度基本處于原始巖溫狀態(tài),熱害問題明顯。通風(fēng)系統(tǒng)形成之后,風(fēng)量加大,圍巖與風(fēng)流熱交換作用加強(qiáng),圍巖表面溫度降低,熱害狀況會(huì)得到一定程度的緩解。

1.2 大巷掘進(jìn)至生產(chǎn)系統(tǒng)形成階段

隨著生產(chǎn)水平大巷和采區(qū)巷道的不斷延伸,巷道圍巖大面積揭露,圍巖散熱面積范圍增加,對(duì)礦井風(fēng)流加熱作用明顯;同時(shí)掘進(jìn)、運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備大規(guī)模使用過程中散熱明顯,也使巷道溫度升高;最后礦井涌水帶來部分熱量也增加了礦井溫度,礦井涌水一般體現(xiàn)原始巖溫,而且水與空氣的熱交換系數(shù)遠(yuǎn)大于巖石與空氣的熱交換系數(shù),進(jìn)一步加劇了巷道熱害。這一階段,熱害問題經(jīng)常出現(xiàn)在長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面回風(fēng)流中。

1.3 生產(chǎn)階段

生產(chǎn)階段,礦井各大生產(chǎn)系統(tǒng)已形成,采煤工作面正式投產(chǎn)。因回采工作面采空區(qū)大面積圍巖暴露,散熱面積擴(kuò)大,而且工作面布置了大功率的采煤機(jī)電運(yùn)輸設(shè)備,造成回采工作面熱害比較集中;另外,因通風(fēng)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)一步延長(zhǎng),也加劇了熱害形成。此階段,熱害在回采工作面與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)較長(zhǎng)的掘進(jìn)巷道中比較明顯。礦井生產(chǎn)后期,隨著采區(qū)布置向礦井深部延伸,通風(fēng)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)越來越長(zhǎng),礦井熱害問題日益嚴(yán)峻?；ǖV井熱害發(fā)展曲線如圖1所示。

圖1 基建礦井需冷量變化規(guī)律示意圖

2 礦井熱害熱源分析

2.1 圍巖散熱

恒溫帶以下地層隨埋藏深度的增加其溫度也相應(yīng)增加,形成一定的地溫梯度。地層巖層溫度與地層埋深、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造(褶皺、斷裂)發(fā)育程度、巖漿活動(dòng)、巖層的導(dǎo)熱能力等因素有關(guān)。不同地質(zhì)區(qū)域地溫梯度和地層溫度是不一樣的。

埋深較大的礦井井巷工程揭露巖層后,周圍巖體與空氣風(fēng)流介質(zhì)進(jìn)行熱交換并向工作面散熱,風(fēng)流與圍巖的熱交換過程是一個(gè)很不穩(wěn)定的熱、濕交換過程,因風(fēng)流與圍巖的熱交換導(dǎo)致工作面氣溫升高,因此井巷工程圍巖巖體散熱是礦井熱害的主要熱源。

2.2 地表大氣溫度

地表大氣溫度與濕度的季節(jié)性變化對(duì)礦井井下氣候有一定影響。地面空氣溫度變化直接影響礦井內(nèi)空氣溫度,尤其對(duì)淺井影響更為顯著;地面空氣溫度的季節(jié)變化和晝夜變化也會(huì)導(dǎo)致礦井通風(fēng)路線氣溫相應(yīng)地發(fā)生變化,這種變化隨風(fēng)流在井下運(yùn)移距離的增加而減弱。

2.3 機(jī)電設(shè)備散熱

井巷工程的挖掘設(shè)備,各類巷道的帶式輸送機(jī)、絞車等運(yùn)輸設(shè)備,泵房變電所的水泵、供配電設(shè)備,采煤工作面的采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等設(shè)備除了維持正常生產(chǎn)所做的大部分有用功之外,還有部分電能轉(zhuǎn)換為熱能;另外設(shè)備磨損也造成部分熱能。這些熱能散發(fā)到井巷風(fēng)流中造成礦井溫度升高。其中回采機(jī)械設(shè)備放熱是采煤工作面氣溫變熱的重要因素,可使風(fēng)流溫度上升2～5℃。

2.4 風(fēng)流的自壓縮(或膨脹)熱

礦井深度變化會(huì)使空氣受到的壓力狀態(tài)發(fā)生變化,當(dāng)風(fēng)流沿井巷向下(或向上)流動(dòng)時(shí),空氣的壓力值增大(或減小),空氣的壓縮(或膨脹)會(huì)出現(xiàn)放熱(或吸熱),從而使礦井溫度升高(或降低)。

3 礦井風(fēng)溫及降溫需冷量預(yù)測(cè)實(shí)例分析

由于受地層構(gòu)造條件、礦井熱源條件、礦井埋深、井巷通風(fēng)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等眾多因素的影響,基建礦井風(fēng)溫預(yù)測(cè)十分復(fù)雜。目前風(fēng)溫預(yù)測(cè)的方法包括理論研究、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試統(tǒng)計(jì)等。因礦井熱害環(huán)境條件的復(fù)雜性,風(fēng)溫預(yù)測(cè)往往存在一定誤差。本文結(jié)合以上分析,根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式,以陳蠻莊煤礦為例,對(duì)該礦建井各階段風(fēng)溫及降溫需冷量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.1 煤礦概況

陳蠻莊礦位于魯西南單縣煤田,為立井開拓,井底水平標(biāo)高為－895 m,設(shè)計(jì)開采煤層深度為－600～－1200 m,原始巖溫為36～42℃,地溫梯度平均2.59℃/100 m(地?zé)嵩鰷芈?℃/38.6 m)。大巷掘進(jìn)時(shí)期主要有西翼回風(fēng)大巷、西翼帶式輸送機(jī)大巷、西翼軌道大巷、東翼集中軌道上山、東翼集中帶式輸送機(jī)上山5條大巷。礦井生產(chǎn)前期布置了4個(gè)掘進(jìn)工作面、一個(gè)綜采工作面。目前礦井開采3＃煤層,煤層底板標(biāo)高在－750 m以下,采掘工作面溫度超過37℃,屬于37℃以上的二級(jí)高溫區(qū)。

3.2 井筒風(fēng)溫預(yù)測(cè)

在井筒通風(fēng)量較大的情況下,井筒圍巖對(duì)風(fēng)流的熱狀態(tài)影響較小,決定井筒風(fēng)流熱狀態(tài)的主要因素是地表大氣條件和風(fēng)流在井筒內(nèi)的加濕壓縮過程。根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)對(duì)陳蠻莊礦主井井筒風(fēng)溫進(jìn)行預(yù)測(cè)。該井筒深度900 m,地面入風(fēng)溫度25℃,地面相對(duì)濕度80%,井底相對(duì)濕度85%,地面大氣壓力101.325 k Pa,井底大氣壓力108 k Pa。預(yù)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 風(fēng)流溫度預(yù)測(cè)

3.3 掘進(jìn)工作面風(fēng)溫預(yù)測(cè)

風(fēng)流通過巷道的熱交換過程是相當(dāng)復(fù)雜的,以壓入式通風(fēng)條件下的掘進(jìn)工作面為例,風(fēng)流在掘進(jìn)工作面的熱交換主要是通過風(fēng)筒進(jìn)行的,其熱交換過程一般可視為等濕加熱過程。風(fēng)流從風(fēng)筒口射出后,又與掘進(jìn)頭附近區(qū)的圍巖發(fā)生熱交換,如圖2所示。

圖2 掘進(jìn)工作面風(fēng)溫預(yù)測(cè)示意圖

根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)該礦掘進(jìn)工作面風(fēng)溫進(jìn)行預(yù)測(cè)。風(fēng)溫預(yù)測(cè)地點(diǎn)為陳蠻莊東翼集中帶式輸送機(jī)上山掘進(jìn)工作面,東翼集中帶式輸送機(jī)上山全長(zhǎng)564 m,起始點(diǎn)風(fēng)溫27.3℃,濕度0.85,大氣壓力108.5 k Pa,局部通風(fēng)機(jī)最大吸風(fēng)量320 m3/min,掘進(jìn)頭有效風(fēng)量260 m3/min,風(fēng)筒直徑800 mm,通風(fēng)機(jī)功率2×18.5 k W,圍巖散熱系數(shù)取0.002 k W/(m2·k－1),局部散熱量之和取20 k W。預(yù)測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 掘進(jìn)工作面風(fēng)溫預(yù)測(cè)值與實(shí)際值比較

3.4 采煤工作面風(fēng)溫預(yù)測(cè)

風(fēng)流通過采煤工作面為增溫加濕過程,工作面環(huán)境與風(fēng)流間的熱、濕交換是同時(shí)進(jìn)行的。根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)回采工作面風(fēng)溫進(jìn)行預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)地點(diǎn)為陳蠻莊煤礦3101工作面,該工作面設(shè)計(jì)運(yùn)輸巷長(zhǎng)673 m,工作面長(zhǎng)120 m,工作面產(chǎn)量3500 t/d,該面內(nèi)裝機(jī)容量1205 k W,大氣壓力107.3 kPa,圍巖原始巖溫42℃,圍巖不穩(wěn)定換熱系數(shù)取3.025 W/(m2·k－1),機(jī)電設(shè)備系數(shù)取0.8,氧化放熱系數(shù)為5.187 W/m2,氧化面積520 m2,預(yù)測(cè)風(fēng)流溫度如表3所示。

表3 采煤面風(fēng)流溫度預(yù)測(cè)值

3.5 礦井降溫需冷量計(jì)算

根據(jù)風(fēng)溫預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算采掘工作面的需冷量,如表4所示。

表4 礦井作業(yè)地點(diǎn)需冷量

3.5.1 井筒、井底車場(chǎng)掘進(jìn)至通風(fēng)系統(tǒng)形成階段

礦井熱害治理區(qū)域主要集中在深部井筒掘進(jìn)面與井底車場(chǎng)。井筒、井底車場(chǎng)共3個(gè)掘進(jìn)工作面,冷負(fù)荷取1.2的附加系數(shù),則礦井降溫總需冷量為:125.6572 k W×3×1.2＝452.4k W。

3.5.2 大巷掘進(jìn)至生產(chǎn)系統(tǒng)形成階段

大巷掘進(jìn)時(shí)期主要有西翼回風(fēng)大巷、西翼帶式輸送機(jī)大巷、西翼軌道大巷、東翼集中軌道上山、東翼集中帶式輸送機(jī)上山5條大巷,西翼大巷掘進(jìn)面3個(gè)需冷量取1.3附加系數(shù),東翼巷道掘進(jìn)工作面2個(gè)取1.2附加系數(shù),則礦井降溫總需冷量為187.776 k W×3×1.3＋187.776 k W×2×1.2＝1183 k W。

3.5.3 生產(chǎn)階段

礦井生產(chǎn)前期布置4個(gè)掘進(jìn)工作面、1個(gè)綜采工作面,每個(gè)掘進(jìn)工作面及綜采工作面制冷量取1.2的附加系數(shù),礦井降溫需冷量為:187.776 k W×4×1.2＋809.5474 k W×1.2＝1872.78 k W。

礦井生產(chǎn)后期布置8個(gè)掘進(jìn)工作面、2兩個(gè)綜采工作面,每個(gè)掘進(jìn)工作面及綜采工作面制冷量取1.3的附加系數(shù),礦井的總降溫需冷量為: 187.776 k W×8×1.3＋809.5474 k W×2×1.3＝4057.69 k W。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)礦井熱害發(fā)展特點(diǎn),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,將基本建設(shè)礦井存在的熱害劃分為井筒掘進(jìn)到通風(fēng)系統(tǒng)形成階段、大巷掘進(jìn)至生產(chǎn)系統(tǒng)形成階段、正常生產(chǎn)階段3個(gè)階段;對(duì)礦井熱害熱源進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。該分析意見對(duì)基本建設(shè)礦井的熱害分階段治理提供了參考依據(jù)。

(2)結(jié)合基建礦井實(shí)例,根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式,對(duì)不同施工階段風(fēng)溫進(jìn)行預(yù)測(cè),在此基礎(chǔ)上對(duì)陳蠻莊礦井不同階段降溫需冷量進(jìn)行計(jì)算。測(cè)算結(jié)果經(jīng)陳蠻莊礦井現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證與實(shí)際基本相符合。通過分階段預(yù)測(cè)風(fēng)溫并據(jù)此測(cè)算各階段需冷量,對(duì)于基建礦井的熱害治理具有一定的借鑒意義。

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[3] 謝和平.礦山建設(shè)工程技術(shù)新進(jìn)展——2009全國(guó)礦山建設(shè)學(xué)術(shù)會(huì)議文集[C].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)出版社,2009

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Analysis of heat harm and prediction of cold requirement of air cooling in the capital construction coal mine

Yin Wangcai
(Shandong Energy Group Co.,Ltd.,Jinan,Shandong 250014,China)

According to development characteristics of coal mine heat harm,combined with the actual field,the heat harm which existed in the capital construction coal mine can be divided into the stage of shaft sinking into the ventilation system forming,the stage of main gate driving into production system forming and the stage of normal production.A brief analysis of the heat source of heat harm was made,and then the air temperature of different construction stages was predicted according to the concerning empirical formulae.cold requirement of air cooling of different stages in the Chenmangzhuang coal mine was calculated on the basis of air temperature prediction,and the prediction results by coal mine onsite verifying were basically in keeping with the actual,It was significant for heat harm treatment of the capital construction coal mine by predicting the air temperature and calculating the cold requirement of different stages.

capital construction mine,shaft sinking,main gate driving,heat harm,air temperature,cold requirement,prediction

TD727

A

尹萬才(1966－),山東昌樂人,研究生學(xué)歷,1988年畢業(yè)于山東礦院地質(zhì)專業(yè),現(xiàn)在山東能源集團(tuán)工作。