不同风量及围岩温度下围岩传热的实验研究

王长彬

（1．煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

随着矿井向深部开采，原始围岩温度对井下热环境造成了恶劣的影响，危害了井下作业人员的身体健康。深部矿井热源中，围岩放热占总热源的比例约为55%，因此从围岩放热的热源治理矿井热害显得尤为重要[1-2]。围岩传热属于井下相对热源[3-4]，其换热量主要取决于以下因素：围岩不稳定换热系数。深部围岩的原始温度、巷道进出口风流温度、巷道的进风风量、风速和换热面积[5-6]。从以上因素出发，探讨围岩不稳定换热的定性与定量的属性，为矿井风流预测与热害治理提供支撑。

1 实验方法及实验过程

1.1 实验方法

实验采用理论研究结合模型对比分析的方法，来阐述不同围岩温度及风量下模拟巷道进出口温度的变化特性。基于不同风量、不同模拟围岩温度下来研究模拟巷道围岩传热的特性。基于相同的围岩温度的情况下，研究不同模拟巷道风量下的进出口温度变化特性及围岩传热系数变化特性；基于相同的围岩温度的情况下，研究不同模拟巷道风量下的进出口温度变化特性围岩传热系数变化特性。

1.2 实验过程

1.2.1 实验系统

围岩不稳定换热特性实验系统如图1。

1）模拟巷道通风系统。模拟巷道实验台主体采用“沙子+水泥+石子”按照一定比例浇筑而成混凝土，为半圆拱形，模拟巷道长度为600 mm；为了延长风流和试件的换热时间，使进、出口风流的温差更为明显，在实验模拟巷道一侧设有风机，与进风口相连，基于变频风机调整通入模拟巷道的风量，风量拟定为200、400、600、800 m3/h。

图1 围岩不稳定换热特性实验系统

2）围岩温度模拟实验系统。围岩温度模拟实验系统由保持恒定温度的加热水箱、水泵、管路及相关测试仪器仪表组成；加热水箱中的热水温度可实现在固定时间的恒定，为固定围岩温度提供实验条件的支撑；热水温度与数据采集器相连接，实现自动化控制。

3）数据采集系统。①热电阻：实验系统建立后，首先要对混凝土试件内部温度进行监测，保证混凝土试件达到一定温度场的情况下，再启动通风系统；实时监测通风系统中进出口温湿度、混凝土试件内部壁温的变化，本系统采用能埋在混凝土试件内部的PT100 测温元件，测温元件共布置3 层（进风端、中间端、出风端），实验系统中，混凝土试件的温度加热是通过水箱内的热水进行传热，因此水温的变化在一定程度上也反映了混凝土试件的外表面温度，水温的变化采用热电阻进行实施测试，并通过测定的数据控制加热水箱中加热装置的运行，保证模拟围岩温度的稳定性；②通风系统参数测试仪：在实验系统中，为了准确测试模拟巷道进出口风流的风量、风速、温度、湿度等参数，除了在巷道进出口断面按照相关标准均匀布置PT100 热电阻（精确度为±0.05℃），以测量空气冷却器进出口的风流温度外，还采用FLUKE 便携式风速测试仪和testo635 专业型温湿度仪进行在线测试。

1.2.2 测试系统的假定

1）假定热水温度达到一定温度下（30、35、40℃），即为固定时间的围岩温度。

2）水箱内的水温应在固定围岩温度下在一定时间内（10 min）保持在恒定状态。

3）模拟巷道、加热热水的热电阻及模拟巷道进出口的热电阻测试频率为10 s/次，连续监测。

1.2.3 实验方案

1）建立水箱热水加热循环系统，并保持水温在一定温度内不变，实时调整水箱内的加热装置。

2）通过热水循环系统持续对混凝土试件进行加热和增湿，逐渐达到30、35、40℃。

3）在试件温度达到一定温度的情况下，启动通风系统并改变不同的风量，测定模拟巷道进出口空气的温度、湿度、风量、风速等参数。

4）在启动通风系统的同时，通过Agilent34970数据采集器进行实时采集混凝土试件内部热电阻的温度变化，最终模拟出围岩与风流的热湿交换过程。

5）在实验系统中，在达到每个设定值后，应采用水箱加热调节装置，维持混凝土外壁面温度为恒定值，基于这种状态的条件下，实时监测混凝土试件内部热电阻、内表面的温度变化，等到混凝土内壁面温度、渗水水温及模拟巷道进出口空气状态不再变化时，准确记录此时的数据，即完成1 种围岩温度下的实验过程。

2 实验结果分析

基于不同风量（200、400、600、800 m3/h）、不同模拟巷道围岩温度的条件下，围岩温度设定为30、35、40℃，测试结果见表1～表4，模拟的巷道进出温度变化特性如图2。

表1 通风量200 m3/h 下的实验参数℃

从图2 可以看出，结合实验系统模拟巷道实验系统的围岩温度及模拟巷道进出风口的风流进行测试，同一风量下出口温度随着围岩温度的上升而随之升高；同一风量下，随着围岩温度的升高，进出口温差随之增加，模拟围岩温度40℃相比30℃条件下，温差升高仅1 倍左右；结合实验系统模拟巷道实验系统的围岩温度及模拟巷道进出风口的风流进行测试，同一围岩温度下出口温度随着风量的升高而随之减少；同一模拟围岩温度下，随着风量的升高，进出口温差随之减少，风量800 m3/h 相比200 m3/h下，温差降低仅8 倍左右，以此验证井下通风降温的可行性，在一定程度下，通风降温可以有效解决矿井高温高湿环境的难题。

表2 通风量400 m3/h 下的实验参数℃

表3 通风量600 m3/h 下的实验参数℃

表4 通风量800 m3/h 下的实验参数℃

图2 不同围岩、不同通风量下进出口温度变化特性

结合表1～表4 测试的实验数据，结合理论分析与数值计算，围岩不稳定换热系数的数据见表5，不稳定换热系数变化曲线图如图3。

表5 不稳定换热系数计算数据表

图3 不稳定换热系数变化曲线图

通过表5 及图3 可以看出，围岩传热系统不稳定换热系数随着围岩温度的升高，基本维持在1 个相对动态稳定的状态中，不随通风量及围岩温度的变化而变化。

3 结 语

结合围岩传热的原理，构建了井下围岩不稳定换热系数，系统中包含了模拟巷道通风系统、模拟巷道通风系统、围岩温度模拟实验系统及数据采集系统，为进一步进行更为详细的围岩传热及隔热实验奠定了一定的实验基础；但也存在一定的问题，有待进一步进行解决：①深井围岩外部为无限大的热源体，模拟巷道能否全部体现；②后期试验过程中，内壁面喷加保温材料后，对围岩传热的影响特性；③如何控制风流的风量、风速在一定的温度的稳定性仍需进一步加强。