高溫礦井采煤工作面進風巷空冷器有效位置的確定

苗德俊,程衛(wèi)民，隋秀華

(1．山東科技大學礦山災害預防控制教育部重點實驗室，山東 青島 266510；2．清華大學建筑學院，北京 100084；3.山東科技大學機械電子工程學院，山東 青島 266510)

近年來的統(tǒng)計資料表明，我國已有140余對礦井出現(xiàn)了不同程度的高溫問題，其中國有重點煤礦中有70多處礦井采掘工作面溫度超26℃，其中30多處礦井采掘工作面溫度超30℃，最高達37℃。[1]如新汶礦業(yè)集團孫村礦采深900～1100m，原巖溫度47.2℃，掘進面氣溫34.5℃，回采面氣溫32.5℃；唐口煤礦夏季井下采掘工作面溫度大部分已超過31℃，最高達34℃。隨礦井開采深度的增加，機械化程度不斷提高，工作面內(nèi)裝機容量也不斷加大，工作面內(nèi)機電設備散熱和采落煤的散熱將增加，如果再加上一些地質(zhì)因素，高溫礦井數(shù)目還會不斷增加，高溫熱害問題會更突出，高溫熱害已成為繼水、火、瓦斯、煤塵、頂板五大自然災害之后煤礦的第六大自然災害。

為了降低工作面的溫度，改善礦工的工作環(huán)境，我國已有不少煤礦采取了機械降溫的方式進行礦井降溫，如潘西礦、孫村礦、唐口礦等，雖然通過機械降溫，取得了一定的降溫效果，但是還存在一定的問題，即降溫效果與預期還有一定的差距，降溫效率總體不高。為了提高冷量的利用率，需要對采煤工作面的冷量進行優(yōu)化研究，[2-3]特別是進風巷空冷器的安裝位置對采煤工作面的降溫效果和效率影響較大，因為受進風巷條件的限制及空冷器移動方便考慮，不可能將空冷器布置在進風巷的盡頭，當空冷器的安裝位置距工作面入風口超過一定距離時，入風溫度將超過其允許的進風溫度，達不到降溫的效果?，F(xiàn)有的研究對進風巷空冷器的位置研究很少，沒有明確的確定方法，[4-6]因此需要對進風巷空冷器的有效位置進行研究，確定其有效位置，從而提高降溫效果，保證礦井的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。

1 空冷長度的提出與進風巷道空冷器有效位置的確定方法

當將空冷器放置在巷道中冷卻進風風流時，空冷器只能冷卻一部分的風量，而另一部分則不流經(jīng)空冷器，這樣在空冷器的后方將存在一個兩股風流相互混合達到某一溫度并逐漸升溫的過程。

空冷長度是指當采用空冷器降溫時，空冷器與進風、圍巖等進行傳熱、傳質(zhì)交換，達到一定空氣狀態(tài)的長度。

(1)

由式(1)可得:

(2)

因此，用空冷器冷卻后，干球溫度和濕球溫度可表示為：[10]

式中：ts為混合后的濕球溫度，℃；ts1為混合前的濕球溫度，℃；ts2為空冷器出口的濕球溫度，℃；t1為混合前的干球溫度，℃；t2為混合后的干球溫度，℃。

根據(jù)工作面允許的進風溫度和空冷長度可以確定其有效的位置，進風巷道空冷器離工作面的有效距離為：

(4)

式中：tda—工作面降溫進風允許的濕球溫度，℃；ta—工作面降溫進風允許的干球溫度，℃。

2 采煤面進風巷空冷器有效位置的確定和數(shù)值模擬

某礦2304綜采工作面的相關(guān)參數(shù)：工作面長度L=200m，斷面積F=14.0m2，周長U=15.5m，大氣壓力114.53KPa，圍巖比熱C=806J/kgk，導熱系數(shù)λ=2.833w/mk，導溫系數(shù)a=4.5×103m2/h，原始巖溫tgu=37℃，風流的干球溫度29 ℃，濕球溫度28 ℃，面內(nèi)裝機容量2330kW，日產(chǎn)量1000t，每班工作人數(shù)25人。

根據(jù)公式(4)，對其空冷器的有效位置進行了計算，確定其位置為距工作面入口距離不超過68m效果較好，能夠滿足降溫的要求。

為了從理論上分析其降溫效果，針對某煤礦的具體情況，采用ANSYS 的APDL語言建立了三維立體模型。[11]

為了簡化計算，并盡量與實際條件相符，建立的高溫綜采工作面溫度場模型基于以下假設：[12-13]

①不考慮煤壁不規(guī)則形狀對風流的影響，不考慮液壓支架和輸送機占用工作空間對流場的影響；②對工作面圍巖和采煤機散熱通過定義壁面溫度來考慮，除采煤機外的機電設備散熱則通過定義熱流密度來考慮，其熱流密度施加在壁面上；③不考慮重力加速度和煤層傾角對工作面流場的影響，則工作面流場在豎直方向均勻分布。

當空冷器距離工作面進口68m時，ANSYS模擬的結(jié)果如圖1所示，當空冷器距離工作面進口168m時，ANSYS模擬的結(jié)果如圖2所示。

空冷器的位置不同(離工作面入口為68m、168m)，其降溫效果也不一樣，當空冷器離工作面入口過遠，降溫效果不理想，只有在離進風口小于68m的位置，降溫效果才理想。

3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)測定分析

為了了解空冷器在距工作面入口68m、168m處時的降溫效果，對2304綜采工作面進行了現(xiàn)場測定：沿風流方向，從工作面進風到工作面出風布置12個測點，在空冷器前布置測點1，在空冷器后布置測點2，在進風巷及采煤面入風口布置測點3、測點4，在工作面均勻布置5、測點6、測點7、測點8、測點9五個測點，在回風隅角布置測點10，在回風巷布置測點11、測點12。

通過現(xiàn)場測定，空冷器位置距離工作面進口68m和168m各測點的溫度濕度如圖1所示，空冷器位置距離工作面進風口68m和168m各測點的相對濕度如圖2所示。

圖2 空冷器距離工作面進風口68m和168m各測點的溫度濕度圖

圖2 空冷器距離工作面進風口68m和168m各測點的相對濕度圖

從圖1可以看出，當空冷器距離工作面168m時，各測點的干球溫度和濕球溫度比空冷器距離工作面68m時都高，最大溫差為2℃。從圖2可以看出，空冷器距工作面入口較遠時，工作面的相對濕度都有所增大，最大增加了1.3%。主要原因是當空冷器距工作面較遠時，空冷器冷卻的空氣被巷道和機械設備加熱，使其進入工作面的溫度升高，濕度增大。在工作面出口測點9處，空冷器距離工作面68m時，干球溫度為27.5℃，相對濕度為90.4%，能滿足工人的工作要求。

4 結(jié)論

(1)提出了空冷長度的概念，確定了空冷長度的計算方法，確定了采煤工作面進風巷空冷器的有效位置。

(2)建立ANSYS模型，并利用該模型對空冷器在68m、168m位置時的空冷效果進行了模擬，通過模擬可知，當空冷器位置距工作面入口小于68m時，能夠滿足降溫效果的要求。

(3)通過對現(xiàn)場的實際測定結(jié)果和模擬結(jié)果表明，進風巷空冷器位置的確定方法合理，模型能夠滿足模擬要求，可以用來進行空冷器位置的設計。

[1] 國家安全監(jiān)管總局關(guān)于印發(fā)煤礦安全生產(chǎn)“十一五”規(guī)劃的通知[EB/OL].http://www.chinasafety.gov.cn/2007-02/28/content_220502.htm.

[2] Funnell, R.C. and Sheer, T.J.. Optimisation of cooling resources in deep stopes, Proceedings, Seventh International Mine Ventilation Congress, Cracow, Poland,2001.

[3] McDaniel, K., Wallace, K.G., and Shahcheraghi, N.. The application of Mining Industry Ventilation Survey Techniques to a Complex Computational Fluid Dynamics Analysis, Proceedings of the Tenth US/International Mine Ventilation Symposium, Anchorage,Alaska, 2004.

[4] Wu, H.W.. Mine ventilation recirculation and cooling strategies in deep Australian mines[D]. Australia: The University of Queensland,1994.

[5] Gupta, M.L., Panigrahi, D.C., Banerjee, S.P.. Heat flow studies in longwall faces in India. In: R. Bhaskar, ed., Proceedings of 6th U.S. Mine Ventilation Symposium, SME, Littleton, CO, 1993, 421-427.

[6] Schlotte, W. Control of heat and humidity in German mines. In Proceedings of 8th US Mine Ventilation Symposium (Ed. J. C. Tien), University of Rolla, Missouri, 1999, 349-356.

[7] 周西華,單亞飛,王繼仁.井巷圍巖與風流的不穩(wěn)定換熱[J].遼寧工程技術(shù)大學學報,2002,(3),264-266.

[8] 秦躍平,秦鳳華，徐國峰. 制冷降溫掘進工作面的風溫預測及需冷量計算[J].煤炭學報,1998,(6),25-29.

[9] 胡華軍.高溫深礦井風流熱濕交換及配風量的計算[D].山東：山東科技大學,2004.

[10] 苗德俊.高溫礦井采煤工作面熱環(huán)境指標及冷量優(yōu)化方法研究[D].山東：山東科技大學，2008.

[11] 龔曙光. ANSYS操作命令與參數(shù)化編程[M]. 北京：機械出版社,2003,1-3.

[12] 譚建國. 使用ansys6.0進行有限元分析[M]. 北京：北京大學出版社,2002,1-13.

[13] McPherson, M.J.. The analysis and simulation of heat flow into underground airways. Int. J.Min. Geol. Eng. 4, 1986,165-196.