矿井热害事故树的建立及风温预测

张 烁

(山西晋城煤业集团寺河煤矿二号井，山西 晋城 048019)

0 引言

随着矿井的采掘深度加深，井下热害问题已成为矿井开采不可忽视的问题。20世纪50年代煤矿的开采深度大约为200～300 m，而20世纪90年代已达到700～800 m，深度的增加速度为每年加深10 m左右。依据我国地下温度梯度0.035 ℃/m计算[1-3]，千米以下的岩层温度比恒温岩层温度高出35 ℃或更高。所以，要想有效地防止井下升温就必须掌握风流温度变化和热源特性。寺河煤矿二号井目前开采9#和15#煤，虽然开采深度较浅，但是在部分作业地点也存在温度过高现象，特别是在某些机电设备硐室，温度已超过30 ℃。热害治理成为煤矿必须解决的问题。

1 矿井热害分析

1.1 井下热源

使井下发生热害的热源有多种形式，它们大致可分为相对热源、绝对热源2大类[4]。井下属于相对热源的有热水的散热等；而基本不受井下空气温度影响的，像机械设备和物质氧化散热等的热源属于绝对热源。

1.2 矿井事故树的建立

热害事故树：以井下发生热害的主要原因为基础，根据有关的理论分析得出井下热害事故树，如图1所示。

X1—机电设备功率过大；X2—电器线路出现偏差；X3—散热效果差；X4—围岩与风流热交换；X5—风流压缩热；X6—热水浸流；X7—高温热水管设计不当；X8—引导热水方法错误；X9—人体散热；X10—氧化放热图1 热害事故树

各热源分析：通过对寺河煤矿二号井的统计分析，矿井热源所占的比例如图2所示。从图2看出，机电散热这一热源占寺河煤矿采区总热源的25%，根据事故树的分析，机电散热有3个主要原因分别为X1、X2、X3，对这3个因素采取降低散热量的措施可使井下温度降低。在寺河煤矿二号井的2大类热源中，热水散热占26%，根据事故树的分析，热水散热的主要原因有X6、X7、X8，解决X6可利用提前疏干热水的方式；X7需要将管路安设在风速小的位置；X8可以在相关位置挖掘水沟并加上盖板。由于一般的井下存在的热水量较少，所以可以不做分析。另外人体散热、物质氧化散热等热源占总比例都相对偏少。在寺河煤矿二号井热源中占最大比例的热源是围岩与风流进行热交换的热量和风流压缩所产生的热量，它的比重是38%，同时它也存在固定性，使得这一热源不能被除去。所以，井下热害的研究应该更多地放在这里。

图2 寺河煤矿二号井采区热源分析

2 矿井巷道岩石内部温度场分析

2.1 围岩的热传导方程

由傅里叶定律[5]，得热传导微分方程公式

(1)

式中：θ—围岩温度，℃；t—时间，s ；a—热扩散率，m2/s；a=λ/ρc；λ—热导率，w/m℃；ρ—密度，kg/m3;c—比热，J/kg·℃。

根据公式(1)通过化简可知三维的计算模型为

(2)

以上公式运用解析法来求解较为困难。文章中巷道围岩的温度差的具体计算可用异步长有限差分法[6-7]来解出，计算的模型如图3，图4所示。

图3 巷道模型示意图

图4 巷道中风温和岩石温度解算示意图

2.2 模型无量纲化

矿井的巷道被模型化时需体现出其实际特征。量纲对于模型变量来说只是一种相关的度量方式，量纲的准确性是靠基本量维持的，为使巷道模型的准确性符合客观规律，文中将变量进行无量纲[8]。

当井巷边界的条件τ为0时：

式中：Bi—毕渥数，毕渥数的数值表示在非稳态导热情况下，物体的内部温度场分布情况及规律。

2.3 围岩温度的求解

在需要了解井下巷道围岩内部温度分布情况时，使用异步长有限差分法对其进行数值模拟可求出数值。井下风流与巷道围岩的热对流交换形式有围岩自身的内部导热和巷道壁面与风流的热对流换热。在进行围岩温度计算之前，要掌握巷道壁面、井下风流等的温度。矿井巷道方向的选取，以及风流温度计算的无量纲表达式：

式中：Γ—温度上升系数；Ω—温度上升梯度。

3 矿井干燥巷道风流温度的预测

3.1 矿井风温预测式

矿井内部干巷道的风流温度预测数学模型是由风流温度计算的方程式积分且修正过的Starfield时间系数得出的。

矿井干燥井下巷道风温预测式：

Θ′=θ0-(θ0-ΘIN)·exp(-Ξ)

矿井倾斜干燥巷道风温预测式：

Θ=Θ′+Ω·Z*[1-exp(-Ξ′)]/Ξ′

3.2 井下风流温度的模拟

模拟基本参数如下所示：

r0=2 m，α=14 w/m2℃，λ=2.5 w/m℃，a=1.12×10-6m2/s，Q=26.2 m3/s，θ0=30 ℃Cpa=1 003 J/kg℃，ρa=1.2 kg/m3，ΘIN=20 ℃。

根据上述公式求得风流在3 000 m的通风巷道中一个月、1年和3年时间里进风井、回风井风流温度的模拟分布情况。

根据上述模拟内容和风流温度分布情况进行分析，得出进风风流的温度和井下巷道围岩的温度存在较大的温差，井下通风的时间与井下巷道围岩和风流的换热量成反比，风流进入井下最初时温度起伏大，进入井下的风流经过较长的时间后，围岩与风流两者的换热变少且温度趋于相等，矿井风流的温度上升速率缓慢。图5分析了水平干燥巷道的风流温度情况，在进风风流与巷道围岩进行热交换时，矿井风流的温度上升幅度较大；图6是进风立井的情况，新风不断地从立井进入井下的同时，导致矿井风压增大、体积缩小和释放热量，所以进风立井风流的温度一般要高于井下水平巷道的温度；图7中的回风立井的污风向上排出地面，此时风压降低、体积增大和吸收热能，但是风流在这一时期所获得的热量却低于风流与巷道围岩井下热交换时散发的热量，所以，风流在回风立井中上升的时候风流的温度没有发生明显变化，但是此时的风流温度远比干燥巷道的风流温度低。

图5 矿井水平巷道风流温度变化情况

图6 矿井进风立井风流温度变化情况

图7 矿井回风立井风流温度变化情况

4 结论

(1)风流压缩、巷道围岩与风流进行热交换是导致矿井温度升高的主要原因。

(2)以引发矿井温度升高为出发点，基于引起热害的主要原因，建立了矿井事故树。

(3)对巷道围岩的温度场进行了分析，提出了矿井干燥巷道风流温度的预测式，并对巷道中风流温度的变化规律进行了模拟分析，从而为矿井降温奠定相应的理论基础。