基于不同潮濕模型的礦井熱環(huán)境數(shù)值模擬

摘 要：礦井熱環(huán)境的監(jiān)控對(duì)礦井下作業(yè)具有重要幫助。在本文當(dāng)中，作者基于均勻潮濕及局部潮濕兩種模型，針對(duì)礦井下巷道內(nèi)部的特點(diǎn)環(huán)境開展研究。為了便于使結(jié)果更具說服力，作者采用數(shù)值模擬方式，以高精度為方向，對(duì)巷道內(nèi)部的環(huán)境溫度進(jìn)行了模擬，并將數(shù)據(jù)結(jié)果與實(shí)際環(huán)境進(jìn)行了比較，有效預(yù)測(cè)出了礦井下作業(yè)圍巖的溫度及其分布，為井下作業(yè)環(huán)境監(jiān)控領(lǐng)域研究做出了自身貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：潮濕模型；礦井；熱環(huán)境

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.077

1 引言

隨著我國社會(huì)主義現(xiàn)代化的飛速發(fā)展，我國各行各業(yè)均得到了極大進(jìn)步。在這一時(shí)代背景之下，國內(nèi)城市化建設(shè)及運(yùn)營(yíng)所需要的能源愈發(fā)龐大。煤礦、鋼鐵礦、石油與天然氣資源等物質(zhì)資源的開發(fā)與利用愈發(fā)引起社會(huì)各界關(guān)注。然而，由于井下作業(yè)所特有的環(huán)境，使一線施工作業(yè)人員容易由于環(huán)境的因素遇到危險(xiǎn)，并可由于環(huán)境因素致使井下作業(yè)出現(xiàn)停工風(fēng)險(xiǎn)。因此，不斷加強(qiáng)井下作業(yè)環(huán)境的監(jiān)控，并利用現(xiàn)代化技術(shù)與手段對(duì)井下作業(yè)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行科學(xué)與高效采集，就變得十分重要。井下作業(yè)環(huán)境中，巷道內(nèi)部通常由于地質(zhì)原因，會(huì)處于一種非均勻的潮濕狀態(tài)。這種潮濕狀態(tài)會(huì)跟隨著周圍圍巖及地質(zhì)環(huán)境的不同，呈現(xiàn)不規(guī)則的分布，從而致使井下出現(xiàn)風(fēng)流，或者是井下開挖巷道墻壁的溫度出現(xiàn)差異，致使井下熱環(huán)境的多變。這一多變的環(huán)境因素，將會(huì)對(duì)井下作業(yè)的機(jī)械產(chǎn)生不同程度影響，如不加以預(yù)測(cè)與控制，將會(huì)給井下作業(yè)中可能出現(xiàn)問題的解決帶來困難。為此，作者在本文中將針對(duì)礦井下的熱環(huán)境開展模型研究，試圖以較為科學(xué)與精確的數(shù)據(jù)結(jié)果比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下作業(yè)實(shí)際熱環(huán)境的有效預(yù)測(cè)與分析。

2 研究方法

在本實(shí)證數(shù)據(jù)探究研究中，主要采用的模型為均勻潮濕模型與局部潮濕模型，主要采用的計(jì)算方法為二維計(jì)算方法與三維計(jì)算方法。另外，研究過程主要包括：方程建立、模型建立、數(shù)據(jù)模擬。

第一，方程建立。在此過程當(dāng)中，作者主要選擇了三個(gè)方程用于熱環(huán)境的研究。首先建立的是圍巖中的熱流動(dòng)方程。雖然巖石層及圍巖中的熱量會(huì)隨著周圍環(huán)境的不同而不同，但是其之間的熱量交換及其自身的溫度變化時(shí)非常緩慢的，基本處于一種均衡的狀態(tài)。也就是說，在不考慮不同環(huán)境及地質(zhì)環(huán)境因素情況下，局部圍巖其所具有的溫度是基本恒定的。

接下來，還可建立流動(dòng)空氣溫度的方程。鑒于礦井下環(huán)境的特殊環(huán)境，會(huì)在其中形成較多的水蒸氣，或者是由于地下水的緣故等，使礦井下環(huán)境出現(xiàn)較為潮濕的狀況。在此環(huán)境中，空氣中所帶有水氣會(huì)作為一種媒介傳遞空氣與圍巖之間的溫度。而空氣又會(huì)由于井下作業(yè)機(jī)械工作產(chǎn)生較大規(guī)模的流動(dòng)及與地表空氣的交換，從而致使井下作業(yè)環(huán)境所具有的濕熱程度變得并沒有理想中的均衡，進(jìn)而使圍巖所具有的溫度產(chǎn)生變化。根據(jù)上述理論，可以設(shè)計(jì)如下方程，以計(jì)算圍巖對(duì)熱量的吸收程度。

最后，還應(yīng)當(dāng)建立流動(dòng)空氣濕度的計(jì)算方程。由于礦井下環(huán)境中空氣會(huì)帶來井下流動(dòng)性及熱交換程度增強(qiáng)。因此，可以利用流動(dòng)性較高空氣中所含有的濕度來測(cè)算空氣流經(jīng)圍巖所具有的濕度。

第二，模型建立。根據(jù)井下作業(yè)的實(shí)際環(huán)境，作者基于方程建立中的理論研究，為本數(shù)據(jù)測(cè)算設(shè)計(jì)兩種模型：均勻潮濕模型、局部潮濕模型。

根據(jù)圖1可以看出：針對(duì)均勻潮濕模型而言，其主要是在假設(shè)井下巷道周圍墻壁表面所具有的潮濕度是相同的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。也就是基于圍巖熱流動(dòng)方程所假設(shè)的局部范圍內(nèi)圍巖潮濕度基本恒定的假設(shè)所建立的。在此過程中，可假定恒定潮濕度為?。當(dāng)該百分比為0時(shí)，證明巷道內(nèi)部圍巖是非常干燥的。當(dāng)該百分比為1時(shí)，證明巷道內(nèi)圍巖是極度潮濕的。針對(duì)局部潮濕模型而言，其假設(shè)巷道內(nèi)不同區(qū)域之間所具有的潮濕度是具有差異的，可以從圖中看出黑色區(qū)域被假設(shè)為完全潮濕區(qū)域，其?值為100%；其中白色區(qū)域表示完全干燥區(qū)域，其?值為0。上述假設(shè)模型是基于空氣流動(dòng)潮濕方程理論所建立的，并將整個(gè)巷道區(qū)域劃分為若干個(gè)，對(duì)每個(gè)區(qū)域的潮濕程度給予極限賦值。

第三，數(shù)據(jù)模擬。基于上述的方程設(shè)計(jì)與模型設(shè)計(jì)，在兩者建立基礎(chǔ)上就可以收集經(jīng)過篩選過后的礦井下參數(shù)及數(shù)據(jù)開展模擬數(shù)值的測(cè)試研究。首先，利用第一種模式，即均勻潮濕模型對(duì)巷道內(nèi)環(huán)境的潮濕程度進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬?？梢约僭O(shè)整個(gè)巷道內(nèi)空氣及圍巖的潮濕度?為10%。通過利用電子計(jì)算機(jī)所模擬出的條形潮濕分布圖，可以發(fā)現(xiàn)，不同條帶區(qū)域當(dāng)中所具有的溫度，通常會(huì)隨著該條帶所具有的寬度而呈現(xiàn)出正比例變化，從而可以得出如下結(jié)論：當(dāng)井下環(huán)境當(dāng)中所具有潮濕度呈現(xiàn)局部分布特征時(shí)，不同區(qū)域當(dāng)中所具有的潮濕程度會(huì)根據(jù)其空氣溫度、圍巖溫度等明顯不同，從而在一定程度上驗(yàn)證了第二部分當(dāng)中方程組的設(shè)計(jì)。另外，為了更進(jìn)一步探討本實(shí)驗(yàn)當(dāng)中所設(shè)計(jì)方程的準(zhǔn)確性，可針對(duì)兩種模型分別進(jìn)行二維計(jì)算方法與三維計(jì)算方法，最終得出的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)趨同及一致性。還可在不同條件及環(huán)境因素情況下，針對(duì)巷道內(nèi)空氣流動(dòng)及濕度比例開展研究，也可驗(yàn)證方程三的設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

經(jīng)過本文的研究，可以發(fā)現(xiàn)，礦井下巷道中不同的潮濕環(huán)境會(huì)使井下出現(xiàn)局部之間明顯的熱環(huán)境差異。利用本文所設(shè)計(jì)的三個(gè)方程，將有利于熱環(huán)境的研究，并為井下環(huán)境的控制與監(jiān)控提供科學(xué)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]茍新宇，張曉明，李麗峰，曹勇，佐佐木久郎.礦井風(fēng)流溫濕度預(yù)測(cè)方法及應(yīng)用[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015（03）.

作者簡(jiǎn)介：程麗紅（1982-），女，碩士研究生，講師，主要研究方向：制冷。