高温采煤工作面热源分析与研究

聂凤祥 穆德玉

（莱芜市万祥矿业有限公司，山东 莱芜 271107）

随着采场延深，潘西煤矿深部综采工作面温度常年高于29℃，夏季最热回风为33℃，湿度高达95%以上，高温高湿的环境对井下职工的身心健康带来严重影响，对现场工作效率带来严重制约，甚至构成安全隐患，而要想改善以上情况，就必须对现场温度变化规律进行研究，只有找准热量来源，对症施策，才能解决高温热害问题。

1 井下热源分析

影响矿井气温变化的热源很多，也相对比较复杂，综合分析潘西煤矿实际情况，大体可分为井巷围岩放热、机电设备运转放热、产出煤矸放热以及奥灰水散热等。

通过对潘西煤矿实地调查，主要热源有：

（1）井巷围岩放热。潘西煤矿开采深度达到-1100m水平，受地热影响，井巷围岩放热量大。

（2）机电设备放热。潘西煤矿矿井机械化、生产集中化程度较高，日平均产量在2400t左右，机电设备容量较大，相应散热量较大，也可能是空气温度升高的主要热源之一。

（3）产出煤矸放热。矿井开采深度达到-1100m水平，地温为31℃～37℃的I级高温层段，初始岩温较高，开采出的煤岩矿物温度也较高，运输过程中散热，致使巷道温度升高。

（4）煤层氧化影响。井下风流经过煤巷，空气中的氧气与煤分子不断进行着氧化反应，吸热并释放出热量，十九层煤含硫夹矸，具有自然发火倾向，更容易引起氧化生热，释放到井下空气中，也使得井下空气温度升高。

（5）地面气候条件的影响。井口上下温差在3℃～10℃，但随着采场延深，深部采区受气候影响较小。

（6）变电站、送风机、人员、灯具放热。

（7）奥灰水散热。深部工作面回采受奥灰水威胁，需提前施工疏水钻孔，疏水降压，经测定矿井奥灰水的涌水量为1513m3/h，水温在35℃～38℃之间，散热导致井下空气温度不断升高。

（8）空气向下流动压缩放热及摩擦生热。

2 采煤工作面热源分析

2.1 热力参数测定

采用“五定”观测法，即定观测人员、定观测仪器、定观测路线、定观测点、定观测参数，对矿井进行全面的气象观测，获得观测数据资料。

表1 6198工作面风流参数测定表

2.2 6198工作面散热量计算

根据测得数据，对工作面热源分布情况进行计算分析，计算所得焓值变化及相对湿度变化情况见下图1。

图1 焓值、相对湿度变化曲线图

分析：工作面焓值整体呈递增曲线，受测定因素的影响（测量数据时测定人员位于支架内）工作面出口处焓值大于转载机处焓值，主要是由于工作面接近回风隅角处，有部分热量来自采空区，且风流没有均匀混合的原因。

将工作面划分为区段，分段计算各热源散热量。

（1）第一区段：上平巷乳化泵站至进风隅角

① 主要热源：围岩、变电所、乳化泵站；

② 计算参数：风量1500m3/min，空气密度取值1.15kg/m3；

③ 热量计算：

围岩散热

式中：

Kτ-围岩与风流间的不稳定换热系数，取2.984W/(m2·℃ )；

U-巷道周长，取值14m；

L-巷道长度，取值500m；

tz-原始平均岩温，取38℃；

t-平均风温，取值31.7℃。

带入相关数据计算得围岩散热为131.594kW。

机电设备散热qN=3600ηn·N，乳化泵站功率200kW，得出结果为50kW。

（2）第二区段：工作面

① 主要热源：围岩、煤矸氧化、原煤运输、机电设备、人员；

② 计算参数：煤的导热系数2.984W/(m2·℃)，比热为730J/（kg·℃），密度为2950kg/m3；风量1500m3/min，空气密度取值1.15kg/m3；

运输中煤炭散热：QK=mkckΔtK

式中：

QK-运输中煤炭及矸石的放热量，kW；

mk-煤炭及矸石的运输量，取值为28.9kg/s；

ck-煤炭或矸石的比热容，对煤炭来说，ck≈ 1.25kJ/(kg·K)；

式中：

L-运输距离，本计算取值为280m；

tk-运输中煤炭或矸石起点的平均温度，计算中取值32℃；

tfm-运输巷道中风流的平均湿球温度，计算中取值30.2℃。

将有关参数代入并计算得运输中煤炭散热为14.16kW。

机电设备散热qN=3600ηn·N，采煤机功率700kW，刮板输送机2×315kW，得出结果为332.5kW。

人员散热QWO=nq=25×0.275=6.875kW。(中等体力劳动q取值0.275)。

围岩散热

式中：

Kτ-围岩与风流间的不稳定换热系数，计算中取 2.984W/(m2·℃ )；

U-巷道周长，取值为14m；

L-巷道长度，取值为200m；

tz-原始平均岩温，计算取38℃；

t-平均风温，计算取值31.7℃。

计算得围岩散热为52.63kW。

第二区段总热量

=14.16+332.5+6.875+52.63=406.165kW。

（3）第三区段：回风隅角至转载机头口

① 主要热源：围岩、机电设备、原煤运输；

② 计算参数：煤的导热系数2.984W/(m2·℃)，比热为730J/（kg·℃），密度为2950kg/m3；风量1500m3/min，空气密度取值1.15kg/m3；

③ 热量计算：

运输中煤炭散热QK=mkckΔtK

式中：

QK-运输中煤炭及矸石的放热量，kW；mk-煤炭及矸石的运输量，取值为28.9kg/s；ck-煤炭或矸石的比热容，对煤炭来说，ck≈ 1.25kJ/(kg·K)

式中：

L-运输距离，本计算取值为250m；

tk-运输中煤炭或矸石起点的平均温度，计算中取值35.5℃；

tfm-运输巷道中风流的平均湿球温度，计算中取值28.5℃。

代入相关数据，结果为50.29kW。

其中转载机散热qN=3600ηn·N=50kW，破碎机散热40kW。

第三区段总热量=50.29+50+40=140.29kW。

由以上计算结果可以看出，工作面、运输顺槽作为热源的集中区域，散热量远大于轨道顺槽，对风流温度变化具有重要作用。

单个采煤工作面总的热负荷为326.31+406.165+140.29=872.765kW。

2.3 6198工作面热源分布分析

根据各区段热源计算结果，绘制工作面热源分布示意图、各热源散热比例图和工作面热源散热量分布情况表，具体情况如下图2。

图2 工作面热源分布示意图

由图2可以看出，工作面作为热源的集中区域，散热量远大于其两侧运输顺槽与轨道顺槽，对风流温度变化具有重要作用。

工作面热源散热量分布情况表如下表2。

表2 工作面热源散热量分布情况表

3 结论

根据所测定的热环境资料，进一步明确了高温工作面热源情况，围岩和机电设备是工作面的主要热源，机电设备散热占全部热源的70.72%，围岩散热占21.11%；采煤面热源散热量最多，达到406.165kW。同时，根据工作面降温所需冷负荷的计算，为下一步降温主要设备的选型提供了重要依据。