趙樓煤礦7302工作面熱源分布特征

陳 虎，簡(jiǎn)俊常，張 震，劉 順

（1.兗礦菏澤能化有限公司，山東 菏澤 274705；2.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

0 引言

受深部開(kāi)采影響，礦井高溫?zé)岷?wèn)題愈加嚴(yán)重[1]。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)存近150對(duì)高溫礦井，其中大約40%的礦井中采掘工作面受到了不同程度的熱害威脅，山東、江蘇等東部部分礦井開(kāi)采深度大于800 m，是現(xiàn)階段熱害影響最為嚴(yán)重的礦井[2,3]。井下熱源散熱是導(dǎo)致熱害產(chǎn)生的重要因素，目前，已有許多學(xué)者對(duì)高溫礦井的熱源分布特征展開(kāi)了研究。易欣等[4]通過(guò)對(duì)工作面通風(fēng)路線的熱環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，分析了濟(jì)三煤礦的熱源分布特征。王長(zhǎng)彬[5]通過(guò)理論分析對(duì)高家堡煤礦的熱源散熱量進(jìn)行計(jì)算，建立了風(fēng)溫預(yù)測(cè)模型。胡金鐘等[6]通過(guò)建立熱交換數(shù)學(xué)模型分析了梁北礦采煤工作面的熱源分布特征。李學(xué)杰[7]運(yùn)用熱量計(jì)算理論對(duì)布爾臺(tái)煤礦主要熱源散熱量進(jìn)行了分析，確定了各熱源所占的比例。聶鳳祥等[8]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)潘西礦采煤工作面高溫?zé)嵩醇帮L(fēng)溫變化規(guī)律進(jìn)行了分析。

位于巨野礦區(qū)的趙樓煤礦處于正常地溫梯度為背景的高溫區(qū)。隨著開(kāi)采加深，趙樓煤礦綜放工作面溫度夏季高溫?zé)岷?wèn)題嚴(yán)重[9]。高溫高濕的熱環(huán)境不僅制約礦井生產(chǎn)效率，還嚴(yán)重威脅井下工人的身心健康。本文以趙樓煤礦7302工作面為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及理論計(jì)算，對(duì)風(fēng)流焓值變化規(guī)律及熱源分布特征進(jìn)行研究，為7302工作面制定合理的降溫方案提供理論依據(jù)。

1 7302工作面熱害現(xiàn)狀

趙樓煤礦7302工作面南鄰7304工作面，東距七采區(qū)輔運(yùn)巷220 m，西部及北部鄰近五采區(qū)與七采區(qū)邊界。7302工作面開(kāi)采煤層為3煤層，屬Ⅱ類自燃煤層，煤層構(gòu)造發(fā)育區(qū)應(yīng)力集中，原始巖溫在37°～42℃之間，處于二級(jí)熱害區(qū)域。7302工作面長(zhǎng)為295 m，采高平均為3.5 m，軌道與運(yùn)輸順槽斷面均為梯形，底板寬為5.8 m，頂板寬為4.8 m，平均高度為3.9 m。工作面采用“U”型通風(fēng)，有效平均通風(fēng)斷面積為17.5 m2，配風(fēng)量為2 200 m3/min。目前7302工作面處于正?；夭蓵r(shí)期，工作面熱害程度嚴(yán)重，夏季高溫時(shí)回風(fēng)流溫度最高已超過(guò)37℃，極大影響工人的熱舒適度。

2 7302工作面熱源分析

趙樓煤礦7302工作面的熱環(huán)境受工作面各熱源的放熱作用影響，主要有相對(duì)熱源與絕對(duì)熱源。其中，相對(duì)熱源包括圍巖散熱、煤與矸石運(yùn)輸散熱、熱水涌出散熱、采空區(qū)漏風(fēng)散熱等；絕對(duì)熱源包括機(jī)電設(shè)備散熱、氧化散熱和人員散熱等。各熱源的計(jì)算方法如下。

2.1 相對(duì)熱源

2.1.1 圍巖散熱

高溫礦井地溫梯度大，原始巖溫較高，圍巖內(nèi)部的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式傳遞給壁面。當(dāng)風(fēng)流流經(jīng)巷道時(shí)，由于圍巖壁與風(fēng)流之間存在溫差，所以熱量通過(guò)對(duì)流的方式又傳遞給風(fēng)流，風(fēng)流將熱量帶到工作面。采煤工作面開(kāi)采時(shí)間久，順槽距離長(zhǎng)，圍巖散熱面積大，因此圍巖與風(fēng)流換熱成為影響采煤工作面熱環(huán)境的主要因素。圍巖散熱量可由下式計(jì)算：

式中：U為巷道周長(zhǎng)，m；L為巷道長(zhǎng)度，m；tw為圍巖原始巖溫，℃；tf為風(fēng)流平均溫度，℃；Kτ為圍巖與風(fēng)流的不穩(wěn)定換熱系數(shù)，W/（m2·℃），表示當(dāng)巷道圍巖與風(fēng)流相差1℃時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)每平方米壁面與風(fēng)流的換熱量，可由下式求出：

式中：λ為煤巖導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；α為熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；τ為通風(fēng)時(shí)間，s；b為通風(fēng)時(shí)間系數(shù)，當(dāng)τ＜1 a時(shí)，b=0.27，當(dāng)τ＞1 a時(shí)，b=4；hc為對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；Fo為傅里葉準(zhǔn)則數(shù)，反映了非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程的無(wú)因次時(shí)間，F(xiàn)o=ατ/r2，其中r為巷道水力半徑，m。

2.1.2 煤與矸石運(yùn)輸散熱

在采煤工作面的連續(xù)生產(chǎn)期間，煤與矸石產(chǎn)量大，開(kāi)采后呈破碎狀態(tài)且溫度較高，對(duì)經(jīng)過(guò)的風(fēng)流起到加熱作用。在工作面和運(yùn)輸巷道長(zhǎng)距離的運(yùn)輸過(guò)程中，煤與矸石表面與風(fēng)流不斷進(jìn)行熱交換，對(duì)當(dāng)前熱環(huán)境也有一定影響。其散熱量可由下式求出：

式中：m為煤與矸石的運(yùn)輸量，kg/s；cm為涌水平均比熱，kJ/（kg·℃）；Δt為煤與矸石在運(yùn)輸中被冷卻的溫度，℃，在運(yùn)輸量較大時(shí)可由下式近似計(jì)算：

式中：L為運(yùn)輸距離，m；tr為運(yùn)輸過(guò)程中煤與矸石的平均溫度，℃；tf為運(yùn)輸巷中風(fēng)流的平均濕球溫度，℃。

2.1.3 熱水涌出散熱

礦井地層中存在高于空氣溫度的地下水，在巷道或工作面地表涌出后溫度較高，熱水在流動(dòng)過(guò)程中不斷蒸發(fā)釋放大量熱量，與風(fēng)流進(jìn)行熱濕交換。當(dāng)涌水任意流淌時(shí)，其散熱量計(jì)算公式如下：

式中：Mw為涌水量，kg/s；c為平均比熱，kJ/（kg·℃）；ts為平均水溫，℃；th為巷道出口水溫，℃。

2.1.4 采空區(qū)漏風(fēng)散熱

漏入采空區(qū)的風(fēng)流與冒落的高溫巖石和遺煤氧化不斷進(jìn)行熱交換，攜帶大量熱量形成采空區(qū)熱風(fēng)，經(jīng)漏風(fēng)通道又流出到工作面上，使得工作面溫度升高。采空區(qū)漏風(fēng)散熱是一個(gè)不穩(wěn)定的熱源，采空區(qū)熱風(fēng)涌出的熱量可通過(guò)單元法測(cè)得[10]。將工作面劃分為若干個(gè)單元，圖1為其中一個(gè)單元，對(duì)每個(gè)單元中的漏風(fēng)量、風(fēng)流狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)，并通過(guò)平衡方程組進(jìn)行解算。

圖1 工作面單元?jiǎng)澐謭D

式中：Vin、Vout為流入和流出單元的風(fēng)量，kg/s；Vc為采空區(qū)的漏風(fēng)量，kg/s；Qc為流入和流出采空區(qū)風(fēng)流的熱量，kW；ic為漏入采空區(qū)風(fēng)流的焓值，kJ/kg。

2.2 絕對(duì)熱源

2.2.1 機(jī)電設(shè)備散熱

隨著礦井機(jī)械化、智能化程度的提高，采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)等機(jī)電設(shè)備數(shù)量增加，這些機(jī)電設(shè)備額定功率高，散熱面積大，在工作面運(yùn)行時(shí)會(huì)將部分電能轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)到當(dāng)前熱環(huán)境中，使得工作地點(diǎn)溫度升高。其散熱量計(jì)算公式如下：

式中：Ψ為散熱量折算系數(shù)；Nm為設(shè)備額定功率，kW。

2.2.2 氧化散熱

采煤工作面中的煤炭、粉塵等其他有機(jī)物存在自身氧化放熱過(guò)程，這種散熱過(guò)程十分復(fù)雜，其散熱量可由下式近似求出：

式中：q0為當(dāng)量氧化散熱系數(shù)，即折算到風(fēng)速為1 m/s時(shí)的氧化放熱量，kW/m2，工作面內(nèi)一般取值0.007 5～0.008 5 kW/m2；F為煤壁氧化面積，m2；W為平均風(fēng)速，m/s。

2.2.3 人體散熱

井下工人在工作時(shí)自身也會(huì)釋放一些熱量，這部分熱量對(duì)熱環(huán)境影響較小，可由下式近似求出：

式中：k為工人同時(shí)工作時(shí)的系數(shù)，一般取0.5～0.7；n為當(dāng)前工作面的人數(shù)；q為人均散熱量，kW。

3 7302工作面熱力參數(shù)測(cè)定

在7302工作面通風(fēng)路線布置測(cè)點(diǎn)對(duì)其熱力參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)點(diǎn)布置路線如下：距工作面進(jìn)風(fēng)口800 m→距工作面進(jìn)風(fēng)口400 m→工作面進(jìn)風(fēng)口→工作130號(hào)支架→工作90號(hào)支架→工作50號(hào)支架→工作10號(hào)支架→工作面出風(fēng)口→距工作面出風(fēng)口500 m。測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1，根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制出各測(cè)點(diǎn)熱力參數(shù)的曲線變化圖，如圖3所示。

圖2 7302工作面測(cè)點(diǎn)布置圖

表1 7302工作面熱力參數(shù)測(cè)量表

圖3 各測(cè)點(diǎn)熱力參數(shù)變化曲線圖

由圖3（a）可知，沿測(cè)點(diǎn)布置路線上的空氣干球溫度和濕球溫度呈上升趨勢(shì)。在軌道順槽中，空氣溫度上升緩慢；進(jìn)入工作面后，溫度上升明顯，從進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口，溫度上升了8℃左右，回風(fēng)隅角的溫度上升到了36.5℃，這是由于工作面內(nèi)機(jī)械設(shè)備增多，煤壁裸露散熱面積大，采空區(qū)熱風(fēng)涌入等對(duì)風(fēng)流起到了加熱作用；在運(yùn)輸順槽中，溫度又有所下降。由圖3（b）可知，焓值的變化趨勢(shì)與溫度變化相近，風(fēng)流流經(jīng)工作面采區(qū)區(qū)段后焓值大幅增加，表明井下熱源主要集中在7302工作面采區(qū)區(qū)段，且熱源散熱量較大。

4 7302工作面熱源分布特征

將7302工作面劃分為3個(gè)區(qū)段，分段進(jìn)行熱源計(jì)算，研究熱源分布特征。

4.1 第一區(qū)段

軌順入口至工作面進(jìn)風(fēng)口。

1）主要熱源：圍巖散熱、熱水涌出散熱。

2）物理參數(shù)：第一區(qū)段巷道長(zhǎng)度1 617 m；巷道周長(zhǎng)18.66 m；圍巖原始巖溫為42℃；巷道內(nèi)平均風(fēng)溫為27.7℃；圍巖與風(fēng)流的不穩(wěn)定換熱系數(shù)為0.875 W/（m2·℃）。區(qū)段巷道內(nèi)涌水量為6.94 kg/s；涌水的比熱取4.187 kJ/（kg·℃），涌水平均水溫與巷道出口平均水溫的差值約為5℃。

3）熱量計(jì)算：

4.2 第二區(qū)段工作面

1）主要熱源：圍巖散熱、機(jī)電設(shè)備散熱、氧化散熱、人員散熱、采空區(qū)漏風(fēng)散熱。

2）物理參數(shù)：工作面長(zhǎng)度295 m；工作面周長(zhǎng)17 m；工作面平均風(fēng)溫32.2℃。工作面中機(jī)電設(shè)備的額定功率：采煤機(jī)為2 240 kW，刮板輸送機(jī)為2 400 kW。煤壁的氧化面積為1 620 m2；工作面內(nèi)的平均風(fēng)速為1.5 m/s。采面上工人數(shù)定為10人，人均散熱量為0.275 kW。

3）熱量計(jì)算：

4.3 第三區(qū)段

回風(fēng)隅角至運(yùn)順出口。

1）主要熱源：圍巖散熱、機(jī)電設(shè)備散熱、煤與矸石運(yùn)輸散熱。

2）物理參數(shù)：第三區(qū)段巷道長(zhǎng)度1 570 m；巷道周長(zhǎng)18.66 m；巷道內(nèi)平均風(fēng)溫為34.5℃。運(yùn)輸巷道中機(jī)電設(shè)備的額定功率：轉(zhuǎn)載機(jī)350 kW，破碎機(jī)250 kW。運(yùn)輸巷中煤與矸石的運(yùn)輸量為53.83 kg/s；運(yùn)輸中煤與矸石的平均比熱為1.25 kJ/（kg·℃）；假設(shè)煤與矸石在巷道運(yùn)輸中冷卻了1.4℃。3）熱量計(jì)算：

根據(jù)各區(qū)段熱源計(jì)算結(jié)果，繪制7302工作面熱源散熱量分布情況表和工作面熱源分布示意圖，如表2和圖4所示。

表2 7302工作面熱源散熱量分布情況表

由表2可知，對(duì)7302工作面熱環(huán)境影響最大的2個(gè)熱源是圍巖散熱和采空區(qū)熱風(fēng)，散熱量分別約為612.80 kW和300 kW，約占總熱量的42.73%和20.92%；其次是機(jī)電設(shè)備散熱和熱水涌出散熱，約占總熱量的18.27%和10.13%，同時(shí)煤與矸石運(yùn)輸散熱、氧化散熱等也對(duì)工作面熱環(huán)境有一定影響。

圖4 7302工作面熱源分布示意圖

由圖4可知，工作面采區(qū)區(qū)段作為熱源的集中區(qū)域，散熱量大于兩側(cè)順槽。在軌道順槽中，圍巖散熱和熱水涌出散熱是主要的熱源，對(duì)進(jìn)風(fēng)流溫度影響較大，進(jìn)風(fēng)風(fēng)流與高溫圍巖及熱水進(jìn)行熱濕交換，攜帶大量熱量，風(fēng)流將熱量帶到工作面上，使工作面溫度升高。在工作面區(qū)段，機(jī)電設(shè)備散熱和采空區(qū)熱風(fēng)涌出是主要的熱源，機(jī)電設(shè)備由于額定功率大，運(yùn)行時(shí)表面溫度高，對(duì)流經(jīng)的風(fēng)流起到了一定加熱作用；而采空區(qū)熱風(fēng)涌出主要集中在工作面三分之二之后到回風(fēng)隅角的區(qū)段，在此區(qū)段內(nèi)工作面漏風(fēng)通道增加，熱風(fēng)從通道流出將熱量帶到工作面，并隨工作面風(fēng)流流動(dòng)的方向積聚到回風(fēng)隅角處，使回風(fēng)隅角溫度大大增加。在運(yùn)輸順槽中，圍巖散熱和煤與矸石運(yùn)輸散熱是主要的熱源，對(duì)順槽內(nèi)的風(fēng)流溫度變化起到重要作用。

5 結(jié)論

趙樓煤礦7302工作面熱害程度嚴(yán)重，對(duì)工作面的熱力參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，研究了其熱源分布特征，主要研究結(jié)論如下：

1）從7302工作面進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口，溫度上升了8℃左右，回風(fēng)隅角的溫度上升到了36.5℃，風(fēng)流流經(jīng)工作面采區(qū)區(qū)段后焓值大幅增加。

2）對(duì)7302工作面熱環(huán)境影響最大的2個(gè)熱源是圍巖散熱和采空區(qū)熱風(fēng)，散熱量分別約為612.80 kW和300 kW，約占總熱量的42.73%和20.92%；其次是機(jī)電設(shè)備散熱和熱水涌出散熱，約占總熱量的18.27%和10.13%。

3）7302工作面采區(qū)區(qū)段是熱源的集中區(qū)域，散熱量大于兩側(cè)順槽；在工作面區(qū)段，機(jī)電設(shè)備散熱和采空區(qū)熱風(fēng)涌出是主要的熱源，熱源總散熱量約為594.86 kW。