高温矿井采煤工作面进风巷空冷器有效位置的确定

苗德俊,程卫民，隋秀华

(1．山东科技大学矿山灾害预防控制教育部重点实验室，山东 青岛 266510；2．清华大学建筑学院，北京 100084；3.山东科技大学机械电子工程学院，山东 青岛 266510)

近年来的统计资料表明，我国已有140余对矿井出现了不同程度的高温问题，其中国有重点煤矿中有70多处矿井采掘工作面温度超26℃，其中30多处矿井采掘工作面温度超30℃，最高达37℃。[1]如新汶矿业集团孙村矿采深900～1100m，原岩温度47.2℃，掘进面气温34.5℃，回采面气温32.5℃；唐口煤矿夏季井下采掘工作面温度大部分已超过31℃，最高达34℃。随矿井开采深度的增加，机械化程度不断提高，工作面内装机容量也不断加大，工作面内机电设备散热和采落煤的散热将增加，如果再加上一些地质因素，高温矿井数目还会不断增加，高温热害问题会更突出，高温热害已成为继水、火、瓦斯、煤尘、顶板五大自然灾害之后煤矿的第六大自然灾害。

为了降低工作面的温度，改善矿工的工作环境，我国已有不少煤矿采取了机械降温的方式进行矿井降温，如潘西矿、孙村矿、唐口矿等，虽然通过机械降温，取得了一定的降温效果，但是还存在一定的问题，即降温效果与预期还有一定的差距，降温效率总体不高。为了提高冷量的利用率，需要对采煤工作面的冷量进行优化研究，[2-3]特别是进风巷空冷器的安装位置对采煤工作面的降温效果和效率影响较大，因为受进风巷条件的限制及空冷器移动方便考虑，不可能将空冷器布置在进风巷的尽头，当空冷器的安装位置距工作面入风口超过一定距离时，入风温度将超过其允许的进风温度，达不到降温的效果。现有的研究对进风巷空冷器的位置研究很少，没有明确的确定方法，[4-6]因此需要对进风巷空冷器的有效位置进行研究，确定其有效位置，从而提高降温效果，保证矿井的稳产、高产。

1 空冷长度的提出与进风巷道空冷器有效位置的确定方法

当将空冷器放置在巷道中冷却进风风流时，空冷器只能冷却一部分的风量，而另一部分则不流经空冷器，这样在空冷器的后方将存在一个两股风流相互混合达到某一温度并逐渐升温的过程。

空冷长度是指当采用空冷器降温时，空冷器与进风、围岩等进行传热、传质交换，达到一定空气状态的长度。

(1)

由式(1)可得:

(2)

因此，用空冷器冷却后，干球温度和湿球温度可表示为：[10]

式中：ts为混合后的湿球温度，℃；ts1为混合前的湿球温度，℃；ts2为空冷器出口的湿球温度，℃；t1为混合前的干球温度，℃；t2为混合后的干球温度，℃。

根据工作面允许的进风温度和空冷长度可以确定其有效的位置，进风巷道空冷器离工作面的有效距离为：

(4)

式中：tda—工作面降温进风允许的湿球温度，℃；ta—工作面降温进风允许的干球温度，℃。

2 采煤面进风巷空冷器有效位置的确定和数值模拟

某矿2304综采工作面的相关参数：工作面长度L=200m，断面积F=14.0m2，周长U=15.5m，大气压力114.53KPa，围岩比热C=806J/kgk，导热系数λ=2.833w/mk，导温系数a=4.5×103m2/h，原始岩温tgu=37℃，风流的干球温度29 ℃，湿球温度28 ℃，面内装机容量2330kW，日产量1000t，每班工作人数25人。

根据公式(4)，对其空冷器的有效位置进行了计算，确定其位置为距工作面入口距离不超过68m效果较好，能够满足降温的要求。

为了从理论上分析其降温效果，针对某煤矿的具体情况，采用ANSYS 的APDL语言建立了三维立体模型。[11]

为了简化计算，并尽量与实际条件相符，建立的高温综采工作面温度场模型基于以下假设：[12-13]

①不考虑煤壁不规则形状对风流的影响，不考虑液压支架和输送机占用工作空间对流场的影响；②对工作面围岩和采煤机散热通过定义壁面温度来考虑，除采煤机外的机电设备散热则通过定义热流密度来考虑，其热流密度施加在壁面上；③不考虑重力加速度和煤层倾角对工作面流场的影响，则工作面流场在竖直方向均匀分布。

当空冷器距离工作面进口68m时，ANSYS模拟的结果如图1所示，当空冷器距离工作面进口168m时，ANSYS模拟的结果如图2所示。

空冷器的位置不同(离工作面入口为68m、168m)，其降温效果也不一样，当空冷器离工作面入口过远，降温效果不理想，只有在离进风口小于68m的位置，降温效果才理想。

3 现场数据测定分析

为了了解空冷器在距工作面入口68m、168m处时的降温效果，对2304综采工作面进行了现场测定：沿风流方向，从工作面进风到工作面出风布置12个测点，在空冷器前布置测点1，在空冷器后布置测点2，在进风巷及采煤面入风口布置测点3、测点4，在工作面均匀布置5、测点6、测点7、测点8、测点9五个测点，在回风隅角布置测点10，在回风巷布置测点11、测点12。

通过现场测定，空冷器位置距离工作面进口68m和168m各测点的温度湿度如图1所示，空冷器位置距离工作面进风口68m和168m各测点的相对湿度如图2所示。

图2 空冷器距离工作面进风口68m和168m各测点的温度湿度图

图2 空冷器距离工作面进风口68m和168m各测点的相对湿度图

从图1可以看出，当空冷器距离工作面168m时，各测点的干球温度和湿球温度比空冷器距离工作面68m时都高，最大温差为2℃。从图2可以看出，空冷器距工作面入口较远时，工作面的相对湿度都有所增大，最大增加了1.3%。主要原因是当空冷器距工作面较远时，空冷器冷却的空气被巷道和机械设备加热，使其进入工作面的温度升高，湿度增大。在工作面出口测点9处，空冷器距离工作面68m时，干球温度为27.5℃，相对湿度为90.4%，能满足工人的工作要求。

4 结论

(1)提出了空冷长度的概念，确定了空冷长度的计算方法，确定了采煤工作面进风巷空冷器的有效位置。

(2)建立ANSYS模型，并利用该模型对空冷器在68m、168m位置时的空冷效果进行了模拟，通过模拟可知，当空冷器位置距工作面入口小于68m时，能够满足降温效果的要求。

(3)通过对现场的实际测定结果和模拟结果表明，进风巷空冷器位置的确定方法合理，模型能够满足模拟要求，可以用来进行空冷器位置的设计。

[1] 国家安全监管总局关于印发煤矿安全生产“十一五”规划的通知[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] 周西华,单亚飞,王继仁.井巷围岩与风流的不稳定换热[J].辽宁工程技术大学学报,2002,(3),264-266.

[8] 秦跃平,秦凤华，徐国峰. 制冷降温掘进工作面的风温预测及需冷量计算[J].煤炭学报,1998,(6),25-29.

[9] 胡华军.高温深矿井风流热湿交换及配风量的计算[D].山东：山东科技大学,2004.

[10] 苗德俊.高温矿井采煤工作面热环境指标及冷量优化方法研究[D].山东：山东科技大学，2008.

[11] 龚曙光. ANSYS操作命令与参数化编程[M]. 北京：机械出版社,2003,1-3.

[12] 谭建国. 使用ansys6.0进行有限元分析[M]. 北京：北京大学出版社,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.