深井礦區(qū)溫度場特征及熱濕交換研究

李廣龍

【摘? 要】論文主要研究深井礦區(qū)工作面溫度場的特征和熱濕交換問題，綜合考慮礦井安全性和人體舒適度2個(gè)方面，通過對工作面各個(gè)熱源及井下地溫特征的具體分析，運(yùn)用熱工基礎(chǔ)、工程熱力學(xué)的理論知識，推導(dǎo)出具體的熱載荷計(jì)算公式，利用反分析法進(jìn)一步分析處理得到的結(jié)果。建立深井礦區(qū)工作面熱濕交換模型，依據(jù)驗(yàn)算比對，算出礦井內(nèi)巷道的各種熱源的傳熱值，致力于總結(jié)一種實(shí)用、可靠、簡潔的驗(yàn)算辦法。這不僅可以預(yù)測礦內(nèi)風(fēng)流狀態(tài)，還可以為確定礦井溫降措施提供科學(xué)理論依據(jù)和必要的基礎(chǔ)信息。

【Abstract】This paper mainly studies the characteristics of the temperature field of the working face and the heat and moisture exchange in the deep mine area， comprehensively considers the safety of the mine and the comfort of the human body， and through the specific analysis of the various heat sources of the working face and the characteristics of the underground ground temperature， the specific thermal load calculation formula is derived by using the theoretical knowledge of thermal engineering and engineering thermodynamics， and the results are further analyzed and processed by the reverse analysis method. The heat and moisture exchange model of working face in deep mine area is established， and the heat transfer value of various heat sources in roadway in mine is calculated based on checking calculation and comparison， and a practical， reliable and simple checking method is summarized. This can not only predict the airflow state in the mine， but also provide scientific theoretical basis and necessary basic information for determining the mine temperature drop measures.

【關(guān)鍵詞】高溫礦井;地溫特征;熱濕交換;熱荷載

【Keywords】high temperature mine; geothermal features; heat and moisture exchange; thermal load

【中圖分類號】TD722? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）09-0194-03

1 引言

伴隨著人們不斷對礦產(chǎn)資源的深度開發(fā)，國內(nèi)的露天地表礦產(chǎn)、淺層礦產(chǎn)、開采技術(shù)相對簡單單一的礦產(chǎn)儲(chǔ)量已基本消耗殆盡，為繼續(xù)滿足國內(nèi)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展需要，使得國內(nèi)大部分礦山進(jìn)入深部或復(fù)雜礦產(chǎn)的采掘階段，深部開采將面臨著巖層控制、井下工作環(huán)境、深部回采工藝等一系列突出問題。由此可以看出，井下工作環(huán)境的熱害問題對礦井和工人的安全影響越來越突出，以通風(fēng)、降溫、制冷等方式來解決熱害問題變成礦山重要的研究方向。要科學(xué)分析各種數(shù)據(jù)，確定個(gè)性化制冷裝置，主要是確定礦山巷道的低溫特征和各個(gè)熱源情況，而弄清礦井內(nèi)的熱濕交換機(jī)理就顯得尤為重要，這是進(jìn)行一切降溫除濕技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

2 深井礦區(qū)地溫場特征

礦井的溫度場變化因素主要有井上環(huán)境溫度、井下溫度場和礦井深度3個(gè)方面，研究清楚它們之間的關(guān)系，將有利于我們弄清楚深井礦區(qū)地溫場特征。一般情況下，礦井下溫場和礦井上環(huán)境溫度的同步作用時(shí)，原始圍巖溫度順著深度這個(gè)參數(shù)一般定義為3個(gè)溫場變化區(qū)域。礦井表面淺部在井上環(huán)境溫度的影響下，圍巖的原始溫度跟隨井上環(huán)境溫度將呈現(xiàn)周期性變化，這一區(qū)域叫變溫帶。圍巖原始溫度會(huì)伴隨著礦井深度的提高受大氣溫度持續(xù)減小，受礦井溫度場的影響持續(xù)增大，二者會(huì)在某一深度位置趨于平衡，一般情況下圍巖溫度常年保持恒定溫度范圍，這一區(qū)域叫恒溫帶，它的溫度數(shù)值一般高于礦山年均氣溫1～2℃。在恒溫帶以下，由于受礦區(qū)地溫場的影響，在一定的區(qū)域范圍內(nèi)，巖層原始溫度隨深度的增加而增加，一般呈線性的變化規(guī)律，也有非線性或異常變化的，這一層帶稱為增溫帶。在該區(qū)域內(nèi)，巖層溫度的變動(dòng)規(guī)律一般用與深度密切相關(guān)的地溫梯度或用地溫率來表達(dá)。

3 深井熱害控制標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)階段，我國礦井內(nèi)氣候環(huán)境的評價(jià)指標(biāo)通常會(huì)用干球溫度表示?！睹旱V安全規(guī)程規(guī)定》，比較適宜的溫度一般不大于26℃，嚴(yán)禁在高于30℃時(shí)開采作業(yè)?！兜叵碌V通風(fēng)規(guī)范》中，比較適宜的干球溫度值為28℃，表1就是開采作業(yè)面的氣候條件。

開展礦井熱環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)和熱害產(chǎn)生機(jī)理的研究，討論梳理各個(gè)國家礦井熱環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)的前提下，全面分析濕度、溫度和風(fēng)速的礦井環(huán)境評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系，全面分析總結(jié)溫、濕和風(fēng)速去確定礦井熱環(huán)境管控標(biāo)準(zhǔn)，可以得出結(jié)論：相對濕度≤90%，溫度≤30℃，風(fēng)速區(qū)間在2～4m/s。

4 深井熱荷載的計(jì)算

深井工作面熱源一般可以按照相對熱源與絕對熱源2種類型計(jì)算。相對熱源主要指圍巖、涌水等。絕對熱源主要指風(fēng)流的壓縮與膨脹、機(jī)電設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)、煤和其他氧化物質(zhì)的氧化以及人體散熱等。我們主要考慮計(jì)算圍巖、熱水、空氣壓縮、氧化、采落礦巖冷卻和人體等散熱。

4.1 圍巖散熱分析

一般的深井礦山里，圍巖初始溫度過高是造成礦山內(nèi)高溫的第一因素。圍巖傳遞給井內(nèi)空氣的熱量可按照下式計(jì)算：

Qn=KτUL（tn-tf）? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，Qn為圍巖傳遞給井下空氣的熱量，W;Kτ為巖石與巷道風(fēng)的不穩(wěn)定換熱系數(shù)，W/m2·℃，它通常是指圍巖和巷道空氣的溫差是1℃，單位時(shí)間里1m2圍巖壁面對空氣釋放的熱量值;U為井道的周長，m;L為長度，m;tn為井道始末端處原始巖平均溫度，℃;tf為通過井道始末兩端空氣的平均溫度，℃。

4.2 水的散熱分析

按照傳熱學(xué)原理表達(dá)，加入已知井下涌水量、水的溫度及水離開這一段井道的溫度，通?？梢钥焖俚赜?jì)算出水在這一段井道內(nèi)所釋放的熱量，即：

Qw=mwc（tw1-tw2）? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，Qw為涌水所釋放的傳熱量，W;mw為涌水量，kg/s;c為水的比熱容，c=4.187kJ/（kg·℃）;tw1為涌水出口溫度，℃;tw2為涌水離開所計(jì)算井道時(shí)的溫度，℃。

4.3 壓縮放熱分析

按照能量守恒定律的原理，通常情況下風(fēng)流前后狀態(tài)的高度差與風(fēng)在壓縮過程中的焓增成正比，故空氣自壓縮釋放熱量公式為：

QZ=Gg（Z1-Z2）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中，QZ為空氣自壓縮放熱量，W;G為風(fēng)流質(zhì)量，kg/s;Z1、Z2為風(fēng)流從1點(diǎn)到2點(diǎn)的位置坐標(biāo)，m;g為重力加速度，m/s2。

4.4 機(jī)電設(shè)備放熱分析

通常機(jī)電設(shè)備釋放到空氣的熱量用式（4）計(jì)算：

Qe=0.2N? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中，Qe為機(jī)電設(shè)備的散熱，kW;N為機(jī)電設(shè)備的功率，kW;n為機(jī)電設(shè)備的數(shù)量。

4.5 氧化放熱分析

綜合各種巷道、圍巖、礦石等因素，氧化放熱分析一般可用下式計(jì)算：

Qo=qoFV0.8? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

式中，Qo為氧化放熱量，W;qo為在每平方巷道壁面單位時(shí)間的氧化散熱量，W/m2;F為風(fēng)通過礦井的時(shí)間與巷道的長度乘積，m·s;V為巷道中的進(jìn)出風(fēng)速，m/s。

4.6 采落礦巖的冷卻散熱分析

開采跌落的礦石在作業(yè)面的散熱量一般用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

Qi=10.2T×10-3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

式中，Qi為采落礦巖的散熱量，kW;T為工作面24h采量，t/d。

4.7 人體散熱分析

開采的工作人員按重勞力計(jì)算，則：

Qr=470n×10-3? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式中，Qr為工作面人體的放熱量，kW;n為工作面作業(yè)人數(shù)。

4.8 反分析法的應(yīng)用

礦井通風(fēng)的加熱和冷卻通常都是在常壓下進(jìn)行，所以一般用始、末狀態(tài)的焓差來計(jì)算空氣的吸收或放出的熱量。則有：

Q=G（ iC-iA）=G×Cp （ tC-tA）+G×0.001×622×2501×（8）

式中，G為風(fēng)流的質(zhì)量流速，kg/s;B為深井工作面空氣壓力，一般大于1個(gè)大氣壓，但在空調(diào)工程中視為常壓，依然取B值為101.325kPa;Cp為空氣定壓比熱，J（kg·℃）;iA、iC為降溫工作面在進(jìn)風(fēng)時(shí)和到達(dá)控制點(diǎn)時(shí)的焓值，kJ/kg;tA、tC為巷道入口和出口的溫度，℃;φA、φC為巷道入口和出口的濕度。

5 實(shí)例分析

本文以國內(nèi)某礦山為例，該礦山礦層埋藏深，主采礦層初期開采部分埋藏在1000m以下，地溫梯度一般平均值3.0℃/100m，認(rèn)為初始采區(qū)原巖地溫為37～45℃，圍巖不穩(wěn)定換熱系數(shù)6.4097×10-3kW/（m2·℃），涌水溫度在37～45℃。

該礦區(qū)，一年四季氣候比較適宜，春季干旱，東南風(fēng)多，夏季潮濕多雨，秋冬干旱北風(fēng)多，常年主力風(fēng)為東南風(fēng)，年均氣溫15.8℃，月均最高氣溫28.8℃，日最高氣溫42.5℃。

本次計(jì)算以它的27#工作面為例，面內(nèi)裝機(jī)容量300kW，每班工作人數(shù)20人，工作面長度170m，工作面日產(chǎn)量1000t，巖石密度2650kg/m3，導(dǎo)溫系數(shù)2.31m2/s，煤巖比熱0.84kJ/kg·℃。工作面熱害現(xiàn)象嚴(yán)重，夏季溫度高達(dá)36～40℃。本次計(jì)算模擬27#軌道內(nèi)進(jìn)風(fēng)溫度到達(dá)20℃時(shí)，工人作業(yè)面的降溫幅度。

巷道的長度Y為1600m，寬度X為5m，高度Z為5m;作業(yè)面長度X為170m，寬度Y為5m，高度Z為5m。如圖1物理模型所示。

模型的邊界及初始條件。入口邊界條件：隧道內(nèi)壓力低于大氣壓力，空氣幾乎無可壓縮性，按不可壓縮性流體來對待，給定進(jìn)口氣流的流量和空氣溫度。出口邊界條件：按照實(shí)際情況直接設(shè)定。巖壁邊界條件：為了簡化問題，方便計(jì)算，假設(shè)巖壁溫度等于原巖溫度46.8℃，軸向?yàn)槎ㄖ?，厚度設(shè)lm，巖壁的恒定內(nèi)熱源為大地?zé)崃髦?，?5.9mW/m2。

我們對進(jìn)風(fēng)巷和工作面進(jìn)行分段，即L取不同的值，進(jìn)行計(jì)算，可以得到在不同點(diǎn)Q的值（見表2和表3）。

利用反分析法的優(yōu)點(diǎn)把得到的巷道各段的Q值帶到公式計(jì)算，分別得到進(jìn)風(fēng)巷道和工作面不同點(diǎn)的溫濕值（見表4和表5）。

6 結(jié)論

①通過計(jì)算得來的數(shù)據(jù)與實(shí)際測量的數(shù)據(jù)十分接近，證明我們的計(jì)算方案合理可行。

②空氣溫度低于隧道表面時(shí)，風(fēng)流的流動(dòng)主要為吸熱，盡管風(fēng)速的增加可以增強(qiáng)對流換熱的強(qiáng)度，但吸熱量的增加小于流量的熱量，單位體積氣流的吸熱量減少。因此，這種現(xiàn)象反映在氣流速度的增加和井底氣流溫度的降低上。換句話說，隨著氣流速度的增加，表面溫度對井底氣流溫度的影響增加，切合實(shí)際。

③當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度為20℃時(shí)，風(fēng)速為2.4m/s時(shí)，通過上面計(jì)算可以得到入風(fēng)巷道、作業(yè)面溫度濕度變化。巷道溫度從20℃開始逐漸升高，工作面入口溫度為26～27℃，工作面末端溫度為30.1℃。入口處的相對濕度為85.3%，而末端的相對濕度為91.2%，基本達(dá)到了預(yù)期。

④一般想通過降溫方法使得礦井工作面的環(huán)境達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，就需要溫度小于20℃，速度大于2.4m/s，濕度低于80%的空氣輸入，能提供這樣的通風(fēng)設(shè)施也符合現(xiàn)實(shí)條件，以上表明該計(jì)算方法合理有效。

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