基于不同潮湿模型的矿井热环境数值模拟

摘 要：矿井热环境的监控对矿井下作业具有重要帮助。在本文当中，作者基于均匀潮湿及局部潮湿两种模型，针对矿井下巷道内部的特点环境开展研究。为了便于使结果更具说服力，作者采用数值模拟方式，以高精度为方向，对巷道内部的环境温度进行了模拟，并将数据结果与实际环境进行了比较，有效预测出了矿井下作业围岩的温度及其分布，为井下作业环境监控领域研究做出了自身贡献。

关键词：潮湿模型；矿井；热环境

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.077

1 引言

随着我国社会主义现代化的飞速发展，我国各行各业均得到了极大进步。在这一时代背景之下，国内城市化建设及运营所需要的能源愈发庞大。煤矿、钢铁矿、石油与天然气资源等物质资源的开发与利用愈发引起社会各界关注。然而，由于井下作业所特有的环境，使一线施工作业人员容易由于环境的因素遇到危险，并可由于环境因素致使井下作业出现停工风险。因此，不断加强井下作业环境的监控，并利用现代化技术与手段对井下作业环境参数进行科学与高效采集，就变得十分重要。井下作业环境中，巷道内部通常由于地质原因，会处于一种非均匀的潮湿状态。这种潮湿状态会跟随着周围围岩及地质环境的不同，呈现不规则的分布，从而致使井下出现风流，或者是井下开挖巷道墙壁的温度出现差异，致使井下热环境的多变。这一多变的环境因素，将会对井下作业的机械产生不同程度影响，如不加以预测与控制，将会给井下作业中可能出现问题的解决带来困难。为此，作者在本文中将针对矿井下的热环境开展模型研究，试图以较为科学与精确的数据结果比较，实现对井下作业实际热环境的有效预测与分析。

2 研究方法

在本实证数据探究研究中，主要采用的模型为均匀潮湿模型与局部潮湿模型，主要采用的计算方法为二维计算方法与三维计算方法。另外，研究过程主要包括：方程建立、模型建立、数据模拟。

第一，方程建立。在此过程当中，作者主要选择了三个方程用于热环境的研究。首先建立的是围岩中的热流动方程。虽然岩石层及围岩中的热量会随着周围环境的不同而不同，但是其之间的热量交换及其自身的温度变化时非常缓慢的，基本处于一种均衡的状态。也就是说，在不考虑不同环境及地质环境因素情况下，局部围岩其所具有的温度是基本恒定的。

接下来，还可建立流动空气温度的方程。鉴于矿井下环境的特殊环境，会在其中形成较多的水蒸气，或者是由于地下水的缘故等，使矿井下环境出现较为潮湿的状况。在此环境中，空气中所带有水气会作为一种媒介传递空气与围岩之间的温度。而空气又会由于井下作业机械工作产生较大规模的流动及与地表空气的交换，从而致使井下作业环境所具有的湿热程度变得并没有理想中的均衡，进而使围岩所具有的温度产生变化。根据上述理论，可以设计如下方程，以计算围岩对热量的吸收程度。

最后，还应当建立流动空气湿度的计算方程。由于矿井下环境中空气会带来井下流动性及热交换程度增强。因此，可以利用流动性较高空气中所含有的湿度来测算空气流经围岩所具有的湿度。

第二，模型建立。根据井下作业的实际环境，作者基于方程建立中的理论研究，为本数据测算设计两种模型：均匀潮湿模型、局部潮湿模型。

根据图1可以看出：针对均匀潮湿模型而言，其主要是在假设井下巷道周围墙壁表面所具有的潮湿度是相同的基础上设计的。也就是基于围岩热流动方程所假设的局部范围内围岩潮湿度基本恒定的假设所建立的。在此过程中，可假定恒定潮湿度为?。当该百分比为0时，证明巷道内部围岩是非常干燥的。当该百分比为1时，证明巷道内围岩是极度潮湿的。针对局部潮湿模型而言，其假设巷道内不同区域之间所具有的潮湿度是具有差异的，可以从图中看出黑色区域被假设为完全潮湿区域，其?值为100%；其中白色区域表示完全干燥区域，其?值为0。上述假设模型是基于空气流动潮湿方程理论所建立的，并将整个巷道区域划分为若干个，对每个区域的潮湿程度给予极限赋值。

第三，数据模拟。基于上述的方程设计与模型设计，在两者建立基础上就可以收集经过筛选过后的矿井下参数及数据开展模拟数值的测试研究。首先，利用第一种模式，即均匀潮湿模型对巷道内环境的潮湿程度进行数据模拟。可以假设整个巷道内空气及围岩的潮湿度?为10%。通过利用电子计算机所模拟出的条形潮湿分布图，可以发现，不同条带区域当中所具有的温度，通常会随着该条带所具有的宽度而呈现出正比例变化，从而可以得出如下结论：当井下环境当中所具有潮湿度呈现局部分布特征时，不同区域当中所具有的潮湿程度会根据其空气温度、围岩温度等明显不同，从而在一定程度上验证了第二部分当中方程组的设计。另外，为了更进一步探讨本实验当中所设计方程的准确性，可针对两种模型分别进行二维计算方法与三维计算方法，最终得出的数据呈现趋同及一致性。还可在不同条件及环境因素情况下，针对巷道内空气流动及湿度比例开展研究，也可验证方程三的设计。

3 结论

经过本文的研究，可以发现，矿井下巷道中不同的潮湿环境会使井下出现局部之间明显的热环境差异。利用本文所设计的三个方程，将有利于热环境的研究，并为井下环境的控制与监控提供科学支撑。

参考文献：

[1]苟新宇，张晓明，李丽峰，曹勇，佐佐木久郎.矿井风流温湿度预测方法及应用[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2015（03）.

作者简介：程丽红（1982-），女，硕士研究生，讲师，主要研究方向：制冷。