熱環(huán)境對局部通風(fēng)系統(tǒng)影響研究

陳 偉

（山西高河能源有限公司, 山西 長治 047100)

1672-5050（2017)05-0053-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.10.015

2017-07-07

陳偉（1987-),男,山西長治人,大學(xué)本科,助理工程師,從事煤礦通風(fēng)技術(shù)管理工作。

熱環(huán)境對局部通風(fēng)系統(tǒng)影響研究

陳 偉

（山西高河能源有限公司, 山西 長治 047100)

基于局部通風(fēng)管理是煤礦通風(fēng)安全管理的重要內(nèi)容之一,且不同地點(diǎn)熱環(huán)境會對局部通風(fēng)系統(tǒng)造成不同的影響,針對礦井水平巷道和傾斜巷道,研究兩巷道熱環(huán)境與風(fēng)壓的關(guān)系。根據(jù)礦井通風(fēng)理論,水平巷道里的熱環(huán)境會在巷道里形成熱阻力,對風(fēng)流產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng);傾斜巷道的熱環(huán)境產(chǎn)生的熱風(fēng)壓會對巷道里的風(fēng)流造成不同的影響,分析不同熱風(fēng)壓引起的所有可能的結(jié)果。根據(jù)熱環(huán)境影響結(jié)果的相關(guān)因素合理優(yōu)化局部通風(fēng)系統(tǒng)并結(jié)合礦山實際生產(chǎn)狀況提出合理的建議。

礦井熱環(huán)境;局部通風(fēng)系統(tǒng);巷道風(fēng)壓

作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會進(jìn)步的重要物質(zhì)基礎(chǔ),礦產(chǎn)資源的深部開采當(dāng)前成為礦產(chǎn)資源開發(fā)的主要內(nèi)容,由于采礦技術(shù)的發(fā)展,礦井深度繼續(xù)向深部延伸[1-2],所面臨的開采環(huán)境也比較惡劣,必然出現(xiàn)礦井高溫的問題。礦井高溫不僅影響礦井的安全生產(chǎn)以及礦工的人身安全與勞動質(zhì)量,還影響礦山工作效率[3]。近年來,由于礦山對于制定防高溫措施缺乏有效的技術(shù)指導(dǎo),現(xiàn)階段礦山制定相關(guān)的防治措施不能夠滿足礦山實際生產(chǎn)的需要,未來的井下高溫對局部通風(fēng)系統(tǒng)的影響是礦山必須解決的一大難題。因此,通過分析井下熱環(huán)境對局部通風(fēng)系統(tǒng)的影響,能夠加強(qiáng)礦山生產(chǎn)效率以及為礦山機(jī)械化發(fā)展提供重要的數(shù)據(jù)。

1 水平巷道里的熱環(huán)境對局部通風(fēng)系統(tǒng)的影響

水平巷道中的圍巖、熱涌水等熱環(huán)境在巷道中形成熱阻力,對風(fēng)流產(chǎn)生節(jié)流疚[4],形成節(jié)流效應(yīng)。利用FLAC3D模擬軟件建立水平巷道模型,對模型中相關(guān)參數(shù)進(jìn)行動量守恒及壓力差計算。水平巷道模型,見圖1。

圖1 水平巷道模型Fig.1 Horizontal roadway model

連續(xù)方程:ρAvA=ρBvB.

（1)

（2)

式中:ρA,ρB為截面A、B上的風(fēng)流密度,kg/m3;vA,vB為截面A、B上的風(fēng)流速度,m/s;PA,PB為截面A、B上的風(fēng)流壓力,Pa。

求得兩截面之間的壓力差:

PA-PB=ρAvA（vB-vA) .

（3)

在等截面巷道中,當(dāng)高溫氣流通過時,氣流速度由于沿層的吸熱而增大,即B截面速度大于A截面速度。由壓力差公式可知,進(jìn)口壓力PA大于出口壓力PB,巷道在流動方向上形成壓力降,即熱阻力。

綜上原理,經(jīng)過水平巷道的風(fēng)流由于熱環(huán)境的影響會產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)。

2 傾斜巷道里的熱環(huán)境對局部通風(fēng)系統(tǒng)的影響

氣流流經(jīng)高溫傾斜巷道時,產(chǎn)生的自然風(fēng)壓與摩擦風(fēng)阻聯(lián)合作用形成熱風(fēng)壓[5-6]。熱風(fēng)壓的方向沿著巷道傾斜的方向向上,影響井巷的風(fēng)流狀況。

傾斜巷道熱風(fēng)壓其表達(dá)式如下:

Hr=Hz+ΔRQ3.

（4)

Hz=gZ（ρ1-ρ2) .

（5)

（6)

式中:Hr為巷道里形成的熱風(fēng)壓,Pa;Hz為自然風(fēng)壓,Pa;ΔR為摩擦風(fēng)阻在熱風(fēng)壓形成前后差值,kg/m3;Z為A、B之間的高差,m;ρ1為風(fēng)流剛進(jìn)入巷道時的密度kg/m3;ρ2為風(fēng)流沿程吸熱后的平均密度,kg/m3;Q為巷道里的風(fēng)量,m3/s。

2.1熱風(fēng)壓對上行通風(fēng)系統(tǒng)的影響

傾斜巷道為上行通風(fēng)時,氣流通過時產(chǎn)生的熱風(fēng)壓等效圖見圖2,分析等效圖,通風(fēng)風(fēng)路2更符合傾斜巷道實際風(fēng)況。

圖2 熱風(fēng)壓等效圖Fig.2 Equivalent figure of thermal air pressure

根據(jù)風(fēng)路2的有關(guān)參數(shù)做出風(fēng)壓特性曲線見圖3。由于熱環(huán)境的存在,巷道溫度較高,導(dǎo)致其風(fēng)壓增大,摩擦風(fēng)阻變小、風(fēng)量增大[7]。

圖3 風(fēng)壓特性曲線Fig.3 Characteristic curve of air pressure

巷道風(fēng)量增加,即風(fēng)路上B點(diǎn)處的風(fēng)量增大,風(fēng)路2與沒有形成熱風(fēng)壓的風(fēng)路1的風(fēng)壓差H1AB減小,由H1AB=R1Q2R可知,R1的變化可忽略,則風(fēng)路1上的風(fēng)量Q1減小。

隨著熱風(fēng)壓的增加,風(fēng)路1上風(fēng)量越來越小,當(dāng)熱風(fēng)壓增加到一定值時,兩風(fēng)路風(fēng)量減小為0。一旦風(fēng)量超過該值,風(fēng)路1會發(fā)生風(fēng)流逆轉(zhuǎn)。

2.2熱風(fēng)壓對下行通風(fēng)系統(tǒng)的影響

當(dāng)傾斜巷道采用下行通風(fēng)時,AB兩點(diǎn)間的不同壓力差HAB影響熱風(fēng)壓Hz的大小,分析不同結(jié)果對巷道風(fēng)流造成的不同影響,具體如表1所示。

表1 與HAB的Hz大小在不同情況下的巷道風(fēng)流情況Table 1 Air flow in the different relationship between Hz and HAB

由表1可知,隨著Hz的增加,風(fēng)路風(fēng)量逐漸減少,當(dāng)Hz=HAB時,巷道風(fēng)量為0,此數(shù)值為風(fēng)路閾值,當(dāng)Hz超過此數(shù)值時,發(fā)生風(fēng)流逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象,對局部通風(fēng)系統(tǒng)造成極大的破壞,影響礦山正常生產(chǎn)狀況,且存在安全隱患,易造成人員傷害。

利用臨界溫度TL與巷道實際風(fēng)流溫度T2對比分析所有的情況,使對比更加直觀、方便。

1)臨界溫度TL的計算。臨界溫度即為Hr=HAB時風(fēng)流通過巷道的溫度。

（7)

2)熱風(fēng)壓形成后巷道風(fēng)流溫度T2的計算。隨著時間的變化,巷道內(nèi)溫度也相應(yīng)變化,在一定時間內(nèi),根據(jù)文獻(xiàn)[8-12],采用合理公示計算相關(guān)風(fēng)流溫度:

（8)

（9)

D=（K2-K1)Ts+K3+K4+K5+K6.

（10)

查閱《采礦工程設(shè)計手冊》,隨著溫度的變化,各計算因子及常數(shù)取值相同。取值如下:

（11)

式中:TS,TZ為巷道始、終端的風(fēng)流溫度,℃;B1,B2為巷道始、終端的大氣壓力,kPa;A為巖石的生熱率,J/（cm3·s);KT為水管的傳熱系數(shù),W/（m2·℃);KW為水溝蓋板傳熱系數(shù),W/（m2·℃);Kτ為圍巖傳熱系數(shù),W/（m2·℃);巷道中的熱環(huán)境對流經(jīng)風(fēng)流進(jìn)行升溫,對風(fēng)流溫度取平均值:

（12)

TL與Tj的大小在不同情況下的巷道風(fēng)流狀況如表2所示。

表2 TL與Tj的 大小在不同情況下的巷道風(fēng)流狀況Table 2 Air flow in the different relationship between TL and Tj

由表2可知,Tj為閾值,超過該值,巷道風(fēng)流逆轉(zhuǎn)。

3 熱環(huán)境對局部通風(fēng)系統(tǒng)影響的處理對策

通過分析熱環(huán)境對水平以及傾斜巷道的影響,決定就巷道降溫以及對巷道熱環(huán)境本身的控制兩方面制定合理有效的應(yīng)對策略。對于降溫措施,可應(yīng)用國內(nèi)外先進(jìn)的人工或非人工降溫技術(shù);對于熱環(huán)境本身的控制,通過改進(jìn)礦山應(yīng)用材料及機(jī)械設(shè)備來降低對通風(fēng)系統(tǒng)的影響。

1)熱環(huán)境對水平巷道應(yīng)對策略:巷道圍巖、熱涌水對流經(jīng)巷道的風(fēng)流產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng),在熱環(huán)境位置安裝空冷器,達(dá)到冷卻風(fēng)流的目的;支護(hù)巷道時采用隔熱噴漿材料,實現(xiàn)對管道熱、機(jī)械熱以及爆破熱的合理控制,隔離熱環(huán)境;對高溫礦井進(jìn)行風(fēng)量計算并評估熱害影響,制定合理防治措施。

2)熱環(huán)境對傾斜巷道應(yīng)對策略:流進(jìn)傾斜巷道的風(fēng)流產(chǎn)生的熱風(fēng)壓影響局部通風(fēng)系統(tǒng),與應(yīng)對水平巷道高溫策略相同,從隔離熱環(huán)境與巷道風(fēng)流降溫入手,針對不同風(fēng)流方向采取合理的措施。傾斜巷道采用上行通風(fēng)方式時,通過調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)來增加通風(fēng)阻力,降低熱環(huán)境對巷道帶來的不利影響,提高礦山生產(chǎn)效率;當(dāng)采用下行通風(fēng)時,在提高礦山機(jī)械化程度的同時增大巷道通風(fēng)量,觀測局部通風(fēng)狀況,積極促進(jìn)通風(fēng)工作的進(jìn)行。

[1] 田向紅,劉星樂.興隆莊煤礦通風(fēng)系統(tǒng)管理平臺研究[J].山東工業(yè)技術(shù),2017（11):68.

[2] 張志榮.下溝礦通風(fēng)系統(tǒng)阻力測定及仿真模擬研究[J].煤炭工程,2017,49（6):56-59.

ZHANG Zhirong.Resistance Measurement and Analogue Simulation of Ventilation System in Xiagou Coal Mine[J].Coal Engineering,2017,49（6):56-59.

[3] 邵長宏.熱風(fēng)壓對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響及其處理對策[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,1990 （4):12-14

[4] 王德明.礦井火災(zāi)學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2008.

[5] 史永德,黃明秀,蘇廣福,等.熱風(fēng)壓影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)整[J].煤炭技術(shù),2005,24 （2):70-71.

SHI Yongde,HUANG Mingxiu,SU Guangfu,etal.Adjustment of Heat Wind Pressure in Mine Ventilation System [J].Coal Technology,2005,24（2):70-71.

[6] 辛嵩.礦井通風(fēng)技術(shù)與空調(diào)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2014.

[7] 張小康,何富連,馬恒.礦井通風(fēng)系統(tǒng)環(huán)境溫度實時計算與應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報,2012,37 （5):863-867.

ZHANG Xiaokang,HE Fulian,MA Heng.Real-time Calculation and Application of Mine Ventilation System Environmental Temperature[J].Journal of China Coal Society,2012,37（5):863-867.

[8] 楊德源.礦井熱環(huán)境及其控制[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2009.

[9] 衛(wèi)修君,胡春勝.礦井降溫理論與工程設(shè)計[M]. 北京: 煤炭工業(yè)出版社,2007.

[10] 胡漢華.深熱礦井環(huán)境控制[M].長沙:中南大學(xué)出版社,2009.

[11] 張國樞.通風(fēng)安全學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2007.

EffectsofThermalEnvironmentonLocalVentilationSystem

CHENWei

（ShanxiGaoheEnergyCo.,Ltd.,Changzhi047100,China)

Local ventilation management is indispensable in the ventilation safety management in mines. Thermal environment of various locations affects the local ventilation differently. The paper studies the relationship between the thermal environment and wind pressure in horizontal and inclined roadways. According to ventilation theory, in the horizontal roadways, the thermal environment will form thermal resistance and throttle effects on the wind flow; in the inclined roadways, the thermal wind pressure caused by the thermal environment will exert different effects on the wind flow. All possible results caused by the thermal wind pressure are analyzed. Based on the influential factors of the thermal environment and the actual production of the mine, the local ventilation system is optimized and reasonable suggestions are proposed.

thermal environment in mines; local ventilation system; wind pressure in tunnels

TD724

A

（編輯:薄小玲)