深井高温工作面的围岩散热效应研究

孙建　胡志刚　于先德

摘 要：深井工作面高温热害严重影响着煤矿的安全生产，而围岩散热是高温热害的主要热源体。为了探索高温围岩散热对巷道内通风风流温度的影响规律，以淮南矿业集团某高温工作面为工程背景，采用理论分析和数值模拟方法对工作面及两侧巷道内风流的温度场分布规律进行了研究，并与现场实测结果进行了对比分析。结果表明：1）随着巷道走向的延伸，巷道内风流的温度以e指数的形式呈增高趋势，巷道越长，在其末端风流温度越接近巷道围岩温度；2）在工作面与运输巷和轨道巷相交区域，由于风流涡旋效应，该区域风流热量不易散出，形成风流温度场与速度场的异常区域，也是回采工作面高温热害治理的关键区域。

关键词：深井；高温工作面；围岩散热

中图分类号：TD727.5 文献标志码：A 文章编号：1672-1098（2014）03-0045-05

随着煤矿开采深度的增大，高温矿井逐渐增多，矿井的高温热害问题严重影响着煤矿的安全生产[1-2]。矿井高温热害主要来自井巷围岩的放热和散热、机械设备运转放热、风流沿井巷向下流动的自压缩热以及运输煤矸石放热等，是造成矿井内风流高温的基本热源，其中尤以井巷围岩的放热和散热最为显著[3]。井巷围岩几乎是一个汲之不尽的热源，当风流流经井巷，由于岩温要比风温高，因而热流往往是从围岩传给风流。井巷越深，这种热流越大，甚至于超过其它热源的热流量之和。

为了探索高温围岩散热对巷道内通风风流温度的影响规律，本文以淮南某高温工作面为工程背景，采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法手段，对高温工作面及两侧巷道内风流的温度场分布规律进行了研究，以揭示深井工作面高温热害的形成机理，为高温工作面降温措施的制定提供可靠的依据。

1 巷道内风流温度的演化规律

井巷围岩与风流间的传热是一个不稳定的传热过程[4]，围岩与风流间的传热计算非常复杂，为简单起见，通常假定井巷开掘在均质、各向同性的岩体里，其断面为圆形；在井巷初揭开时，岩温等于该处的初始岩温；经通风后，巷壁温度发生了变化，继后便稳定在某一确定值上，且在整个井巷的周长上，传热的条件是一样的。井巷围岩传热产生的热流量q又与围岩自身的导热率λ及温度梯度dt/dn成正比。在已知围岩导热率及通风巷道围岩温度梯度的前提下，就可以计算出巷道围岩散出的热量。巷道围岩温度梯度dt/dn在圆形巷道中等于钻孔测出的岩石温度在其径向的变梯度dt/dr，其值随时间的变化而变化，即通风过程会对围岩产生冷却作用。刚开始时，温度梯度dt/dr的值很大，巷道表面温度升高较快，经过一段时间后dt/dr的值会变小。假设经过一段时间通风后，dt/dr的值恰好为（tr-tf）/r0，则井巷围岩传递给风流的热流量可以表示为

式中：λ为围岩导热率；tr为初始围岩温度；tf为巷道中风流温度；r0为巷道有效半径；K（α）为通风时间影响系数（与通风时间长短有关）。

对于潮气较大的巷道，dL长度范围内的巷道围岩传递给风流的热流量Qr为

由于干燥风流的影响，巷道内风流的热流增量Qω又与通风量mω、风流比热cp以及巷道内风流温度的增量dtf成正比[5]，即

对于巷道内风流温度预测计算公式（7）而言，在初始围岩温度tr=37 ℃，巷道进风口处（L=0）风流温度t0=24 ℃以及λrUK（α）/mωcpr0=0.004 5 m-1的情况下，巷道内风流温度t随巷道长度L的演化规律如图1所示，随着巷道长度的增大，巷道内风流的温度以e指数的形式呈增高趋势，随着巷道长度的无限延伸，巷道末端风流的温度将接近巷道围岩的温度。

L/m

2.1 工程背景

淮南某高温工作面位于西二采区-810 m水平， 煤层平均厚度为3.6 m， 煤层平均倾角为6°， 工作面走向长度为1 200 m， 倾向长度为120 m（见图2）。 该高温工作面采用滚筒采煤机落煤， 平均采煤高度3.5m。 工作面两侧巷道宽4 m， 高3 m， 皮带运输机布置在进风运输巷内， 工作面供电设备布置在回风轨道巷内， 随工作面推进向外整体挪移。 工作面所在采区地温梯度为3.2 ℃/m（钻孔资料）， 巷道围岩温度为36 ℃， 湿度为96.0%。 安装和试回采期间的实测表明，风流自进风巷道起点至末端的温度逐渐从24.2 ℃升高到26.4 ℃，工作面中央的温度为27.2 ℃，工作面末端的温度达到28.5 ℃，局部湿度增大为100%。工作面高温，给矿工身体健康和矿井安全生产带来极大危害。

2.2 风流温度场分布规律的数值模拟

1） 数值计算模型。本文采用COMSOL Multiphysics数值计算软件对该高温工作面进行模拟仿真，分析工作面巷道围岩散热演化规律及巷道内风流温度、速度场分布规律，探索深井工作面高温热害形成机理。为了能对工作面巷道围岩与风流间的传热计算得以进行，假设巷道是开凿在均质、各向同性的岩层内，在巷道初掘进时，岩温等于该处的初始岩温；巷道通风后，巷壁温度发生了变化，继后便稳定在某一定值上。为了实现工作面温度场和速度场的宏观预测，采用稳态平面模型，并引入标准计算方程、标准壁面函数、能量方程[6]。考虑到模型的几何形状比较规则，采用结构化网格对其网格化，并进行局部网格加密。模拟设定入口风流温度为24 ℃，风速为1.8 m/s，风流出口边界为压力边界条件，围岩及煤层初始温度为36 ℃。同时，为了便于计算，将电机设备、风机、水泵看作一个整体热源，它们和风流之间进行对流换热，采空区看作固定热边界条件。

2） 数值模拟结果。 工作面与运输巷相交处温度场与速度场的分布如图3所示， 由于巷道围岩温度较高， 当风流进入运输巷后， 风流与巷壁发生对流换热， 但此时风流温度变化幅度不大；随着进风巷道的延伸，风流不断的被加热，在运输巷与工作面隅角处风流温度达到26.2 ℃，温度从巷壁处向外呈梯度变化。 由于采空区冒落矸石的散热，在采空区附近，温度变化比较明显。同时，该处风流变化比较复杂，在工作面内侧出现回流，且该区域的紊流强度相对较大，内侧风流速度范围为0～0.5 m/s，外侧风流速度为1.9～2.1 m/s（大于入口处1.8 m/s的风流速度），而在采空区隅角区域，平均风流速度为0.2 m/s（局部风流速度为0），此区域平均风流速度为1.0 m/s。

由于几何形状类似， 轨道巷与工作面隅角处的风流变化趋势同运输巷与工作面隅角处的变化趋势相同， 仅位置的差异和大小的不同， 该处温度达到28.1 ℃（见图4）。 经过工作面后， 风流温度增加了1.9 ℃； 在轨道巷出口处， 风流平均温度为30.3 ℃。 这是由于随着风流沿着巷道走向的不断延伸， 风流温度到达运输巷隅角前端的平均温度值为26.2 ℃，在轨道巷回风隅角处产生局部大涡流区，涡流风速变化在0～0.25 m/s之间，在隅角大涡流区内，靠近巷壁处的风速方向与巷道主风流方向相反，气流在涡流区内循环运动，由于风速相对较低和涡流内循环运动，使得热量不能很快地从涡流区迁移出来，使得风流温度相应成上升趋势，同时由于采空区矸石散热的影响，采空区附近的风流又被加热。因此，在轨道巷回风隅角处温度值急剧升高。同时，由于工作面布局的特殊原因，在工作面推进处，呈现较大范围的回流区，紊流强度较大，回流范围大约为15 m左右，涡流最大宽度为3.0 m，涡流中心大约在距轨道巷10 m处，平均温度为28.1 ℃。与此回流区相对应处平均风速为0.8 m/s，与入口处1.8 m/s的速度相比较小，该隅角区域有大量的热流量滞留，使得风流温度升高；轨道巷内的风流在其出口处，速度为1.54 m/s，远小于入口处1.8 m/s的速度。

2.3 风流温度场分布规律的现场实测

采用干湿球温度计（最小刻度0.2 ℃）及多功能矿用数字测试仪（测量风速、湿度等），在工作面安装及试回采期间对工作面（每隔20 m布置一个测点）及两侧巷道（每隔150 m布置一个测点）内通风风流的温度、速度等物理量进行了现场实测，监测点布置情况如图2所示。

工作面及两侧巷道内风流的温度分布情况如图5所示，在运输巷风流入口处，风流温度为24.2 ℃，随着巷道的不断延伸，风流与围岩、机械设备等热源体交换热量，在运输巷与工作面相交处温度升高到26.4 ℃；风流到达工作面中央处温度升高到27.2 ℃，在工作面末端温度达到28.5 ℃（轨道巷与工作面相交处），湿度明显增大，局部湿度达到100%；由于受轨道巷内高功率机电设备的传热，当风流到达轨道巷出口时，风流温度为30.4 ℃，其间温度升高6.2 ℃。巷道内风流的温度随通风巷道的延伸整体呈增高趋势，实际测量结果与数值模拟结果基本一致，且在工作面与运输巷和轨道巷相交处出现温度的急剧增高，其主要原因是风流在这一区域产生回流，风流受阻以及采空区和围岩共同作用的原因使得隅角区域有大量的热流量滞留。

工作面及两侧巷道内风流的速度分布情况如图6所示，风流自运输巷入口以1.87 m/s的速度进入巷道后，由于受风阻的因素使得风流速度呈缓慢下降趋势，特别是在运输巷与工作面相交处，由于隅角回流区域效应，使得该处风流速度很小，平均为1.3 m/s；风流自进入工作面后，由于受工作面支架的影响，使得工作面局部风流速度异常，最大高达1.96 m/s；当风流到达工作面末端（轨道巷与工作面相交处）时，同样由于隅角区域回流效应，使得该处风流速度降低，平均为0.9 m/s；风流自工作面进入轨道巷时，由于机电设备等局部障碍物的影响因素，使得该区域风流速度值异常，迅速升高为2.12 m/s，远远大于入口处1.87 m/s的速度；轨道巷内的风流在经过机电设备等障碍物后，其风流速度呈平缓下降趋势，在轨道巷出口处为1.62 m/s，远小于入口处1.87 m/s的速度；风流速度在工作面及两侧的实际测量结果与数值模拟结果基本一致。

3 结论

1） 随着巷道走向的延伸， 巷道内风流的温度整体以e指数的形式增高， 在运输巷入口处风流温度为24.2 ℃， 随着巷道的不断延伸， 风流与围岩、 机械设备等热源体交换热量， 在运输巷与工作面相交处温度升高到26.4 ℃；在工作面中央处风流温度升高到27.2 ℃，在工作面末端温度达到28.5 ℃，局部湿度明显达到100%；在轨道巷出口处风流温度为30.4 ℃，其间温度升高6.2 ℃。

2） 在工作面与运输巷和轨道巷相交处出现温度的急剧增高，其主要原因是风流在这一区域产生回流，风流受阻以及采空区和围岩共同作用的原因，使得隅角区域有大量的热流量滞留而不易散出，形成风流温度场与速度场的异常区域，是回采工作面高温热害治理的关键区域。

参考文献：

[1] 袁亮. 淮南矿区矿井降温研究与实践[J]. 采矿与安全工程学报， 2007， 24（3）： 298-301.

[2] 亓玉栋，程卫民，于岩斌，等. 我国煤矿高温热害防治技术现状综述与进展[J].煤矿安全， 2014，45（3）：167-170.

[3] 杨晓杰， 韩巧云， 田弋弘， 等. 徐州三河尖矿深井高温热害机制研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2013， 32（12）： 2447-2454.

[4] 罗威， 宋选民， 刘成. 千米深井热害防治技术[J]. 煤矿安全， 2014， 45（8）： 88-91.

[5] 苏昭桂. 巷道围岩与风流热交换量的反演算法及其应用[D]. 青岛：山东科技大学， 2004.

[6] 刘冠男. 高温采煤工作面热害机制及风流特性的热流理论研究与数值模拟[D]. 徐州：中国矿业大学， 2010.

（责任编辑：何学华 吴晓红）