热环境对局部通风系统影响研究

陈 伟

（山西高河能源有限公司, 山西 长治 047100)

1672-5050（2017)05-0053-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.10.015

2017-07-07

陈伟（1987-),男,山西长治人,大学本科,助理工程师,从事煤矿通风技术管理工作。

热环境对局部通风系统影响研究

陈 伟

（山西高河能源有限公司, 山西 长治 047100)

基于局部通风管理是煤矿通风安全管理的重要内容之一,且不同地点热环境会对局部通风系统造成不同的影响,针对矿井水平巷道和倾斜巷道,研究两巷道热环境与风压的关系。根据矿井通风理论,水平巷道里的热环境会在巷道里形成热阻力,对风流产生节流效应;倾斜巷道的热环境产生的热风压会对巷道里的风流造成不同的影响,分析不同热风压引起的所有可能的结果。根据热环境影响结果的相关因素合理优化局部通风系统并结合矿山实际生产状况提出合理的建议。

矿井热环境;局部通风系统;巷道风压

作为经济发展与社会进步的重要物质基础,矿产资源的深部开采当前成为矿产资源开发的主要内容,由于采矿技术的发展,矿井深度继续向深部延伸[1-2],所面临的开采环境也比较恶劣,必然出现矿井高温的问题。矿井高温不仅影响矿井的安全生产以及矿工的人身安全与劳动质量,还影响矿山工作效率[3]。近年来,由于矿山对于制定防高温措施缺乏有效的技术指导,现阶段矿山制定相关的防治措施不能够满足矿山实际生产的需要,未来的井下高温对局部通风系统的影响是矿山必须解决的一大难题。因此,通过分析井下热环境对局部通风系统的影响,能够加强矿山生产效率以及为矿山机械化发展提供重要的数据。

1 水平巷道里的热环境对局部通风系统的影响

水平巷道中的围岩、热涌水等热环境在巷道中形成热阻力,对风流产生节流疚[4],形成节流效应。利用FLAC3D模拟软件建立水平巷道模型,对模型中相关参数进行动量守恒及压力差计算。水平巷道模型,见图1。

图1 水平巷道模型Fig.1 Horizontal roadway model

连续方程:ρAvA=ρBvB.

（1)

（2)

式中:ρA,ρB为截面A、B上的风流密度,kg/m3;vA,vB为截面A、B上的风流速度,m/s;PA,PB为截面A、B上的风流压力,Pa。

求得两截面之间的压力差:

PA-PB=ρAvA（vB-vA) .

（3)

在等截面巷道中,当高温气流通过时,气流速度由于沿层的吸热而增大,即B截面速度大于A截面速度。由压力差公式可知,进口压力PA大于出口压力PB,巷道在流动方向上形成压力降,即热阻力。

综上原理,经过水平巷道的风流由于热环境的影响会产生节流效应。

2 倾斜巷道里的热环境对局部通风系统的影响

气流流经高温倾斜巷道时,产生的自然风压与摩擦风阻联合作用形成热风压[5-6]。热风压的方向沿着巷道倾斜的方向向上,影响井巷的风流状况。

倾斜巷道热风压其表达式如下:

Hr=Hz+ΔRQ3.

（4)

Hz=gZ（ρ1-ρ2) .

（5)

（6)

式中:Hr为巷道里形成的热风压,Pa;Hz为自然风压,Pa;ΔR为摩擦风阻在热风压形成前后差值,kg/m3;Z为A、B之间的高差,m;ρ1为风流刚进入巷道时的密度kg/m3;ρ2为风流沿程吸热后的平均密度,kg/m3;Q为巷道里的风量,m3/s。

2.1热风压对上行通风系统的影响

倾斜巷道为上行通风时,气流通过时产生的热风压等效图见图2,分析等效图,通风风路2更符合倾斜巷道实际风况。

图2 热风压等效图Fig.2 Equivalent figure of thermal air pressure

根据风路2的有关参数做出风压特性曲线见图3。由于热环境的存在,巷道温度较高,导致其风压增大,摩擦风阻变小、风量增大[7]。

图3 风压特性曲线Fig.3 Characteristic curve of air pressure

巷道风量增加,即风路上B点处的风量增大,风路2与没有形成热风压的风路1的风压差H1AB减小,由H1AB=R1Q2R可知,R1的变化可忽略,则风路1上的风量Q1减小。

随着热风压的增加,风路1上风量越来越小,当热风压增加到一定值时,两风路风量减小为0。一旦风量超过该值,风路1会发生风流逆转。

2.2热风压对下行通风系统的影响

当倾斜巷道采用下行通风时,AB两点间的不同压力差HAB影响热风压Hz的大小,分析不同结果对巷道风流造成的不同影响,具体如表1所示。

表1 与HAB的Hz大小在不同情况下的巷道风流情况Table 1 Air flow in the different relationship between Hz and HAB

由表1可知,随着Hz的增加,风路风量逐渐减少,当Hz=HAB时,巷道风量为0,此数值为风路阈值,当Hz超过此数值时,发生风流逆转现象,对局部通风系统造成极大的破坏,影响矿山正常生产状况,且存在安全隐患,易造成人员伤害。

利用临界温度TL与巷道实际风流温度T2对比分析所有的情况,使对比更加直观、方便。

1)临界温度TL的计算。临界温度即为Hr=HAB时风流通过巷道的温度。

（7)

2)热风压形成后巷道风流温度T2的计算。随着时间的变化,巷道内温度也相应变化,在一定时间内,根据文献[8-12],采用合理公示计算相关风流温度:

（8)

（9)

D=（K2-K1)Ts+K3+K4+K5+K6.

（10)

查阅《采矿工程设计手册》,随着温度的变化,各计算因子及常数取值相同。取值如下:

（11)

式中:TS,TZ为巷道始、终端的风流温度,℃;B1,B2为巷道始、终端的大气压力,kPa;A为岩石的生热率,J/（cm3·s);KT为水管的传热系数,W/（m2·℃);KW为水沟盖板传热系数,W/（m2·℃);Kτ为围岩传热系数,W/（m2·℃);巷道中的热环境对流经风流进行升温,对风流温度取平均值:

（12)

TL与Tj的大小在不同情况下的巷道风流状况如表2所示。

表2 TL与Tj的 大小在不同情况下的巷道风流状况Table 2 Air flow in the different relationship between TL and Tj

由表2可知,Tj为阈值,超过该值,巷道风流逆转。

3 热环境对局部通风系统影响的处理对策

通过分析热环境对水平以及倾斜巷道的影响,决定就巷道降温以及对巷道热环境本身的控制两方面制定合理有效的应对策略。对于降温措施,可应用国内外先进的人工或非人工降温技术;对于热环境本身的控制,通过改进矿山应用材料及机械设备来降低对通风系统的影响。

1)热环境对水平巷道应对策略:巷道围岩、热涌水对流经巷道的风流产生节流效应,在热环境位置安装空冷器,达到冷却风流的目的;支护巷道时采用隔热喷浆材料,实现对管道热、机械热以及爆破热的合理控制,隔离热环境;对高温矿井进行风量计算并评估热害影响,制定合理防治措施。

2)热环境对倾斜巷道应对策略:流进倾斜巷道的风流产生的热风压影响局部通风系统,与应对水平巷道高温策略相同,从隔离热环境与巷道风流降温入手,针对不同风流方向采取合理的措施。倾斜巷道采用上行通风方式时,通过调节通风机来增加通风阻力,降低热环境对巷道带来的不利影响,提高矿山生产效率;当采用下行通风时,在提高矿山机械化程度的同时增大巷道通风量,观测局部通风状况,积极促进通风工作的进行。

[1] 田向红,刘星乐.兴隆庄煤矿通风系统管理平台研究[J].山东工业技术,2017（11):68.

[2] 张志荣.下沟矿通风系统阻力测定及仿真模拟研究[J].煤炭工程,2017,49（6):56-59.

ZHANG Zhirong.Resistance Measurement and Analogue Simulation of Ventilation System in Xiagou Coal Mine[J].Coal Engineering,2017,49（6):56-59.

[3] 邵长宏.热风压对矿井通风系统的影响及其处理对策[J].矿业安全与环保,1990 （4):12-14

[4] 王德明.矿井火灾学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2008.

[5] 史永德,黄明秀,苏广福,等.热风压影响矿井通风系统的调整[J].煤炭技术,2005,24 （2):70-71.

SHI Yongde,HUANG Mingxiu,SU Guangfu,etal.Adjustment of Heat Wind Pressure in Mine Ventilation System [J].Coal Technology,2005,24（2):70-71.

[6] 辛嵩.矿井通风技术与空调[M].北京:煤炭工业出版社,2014.

[7] 张小康,何富连,马恒.矿井通风系统环境温度实时计算与应用[J].煤炭学报,2012,37 （5):863-867.

ZHANG Xiaokang,HE Fulian,MA Heng.Real-time Calculation and Application of Mine Ventilation System Environmental Temperature[J].Journal of China Coal Society,2012,37（5):863-867.

[8] 杨德源.矿井热环境及其控制[M].北京:冶金工业出版社,2009.

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[10] 胡汉华.深热矿井环境控制[M].长沙:中南大学出版社,2009.

[11] 张国枢.通风安全学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2007.

EffectsofThermalEnvironmentonLocalVentilationSystem

CHENWei

（ShanxiGaoheEnergyCo.,Ltd.,Changzhi047100,China)

Local ventilation management is indispensable in the ventilation safety management in mines. Thermal environment of various locations affects the local ventilation differently. The paper studies the relationship between the thermal environment and wind pressure in horizontal and inclined roadways. According to ventilation theory, in the horizontal roadways, the thermal environment will form thermal resistance and throttle effects on the wind flow; in the inclined roadways, the thermal wind pressure caused by the thermal environment will exert different effects on the wind flow. All possible results caused by the thermal wind pressure are analyzed. Based on the influential factors of the thermal environment and the actual production of the mine, the local ventilation system is optimized and reasonable suggestions are proposed.

thermal environment in mines; local ventilation system; wind pressure in tunnels

TD724

A

（编辑:薄小玲)