井下降温室温度场演化规律研究

王依磊 王坚志 郭隆昌

（山东唐口煤业有限公司，山东 济宁 272055）

1 引言

随着矿井开采深度的不断加深，高温热害逐渐凸显[1]。由于深层矿井原始岩石温度较高，加之机械设备散热、巷道壁面散湿和矿井水蒸发等因素的影响，形成了一种高温高湿的作业环境[2-3]。这种作业环境不仅会影响工人的工作效率，也会对身体产生损害[4]。目前多数煤矿采用机械降温的方式对矿井进行整体降温，但是这种方式能耗较高，对局部位置的热害控制效果不佳。因此本研究通过数值模拟对降温室内的温度场分布规律进行了研究并通过实测进行了验证。

2 不同进风条件下降温室数值模拟

以唐口煤矿南翼运输大巷为研究对象，根据现有的降温室建立模型，对不同进风条件下降温室内温度场进行了数值模拟。

2.1 数学模型

降温室内风流流动要遵循三个最基本的守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒定律与能量守恒定律。将矿井中的气流视为不可压缩流体，同时假设流动是稳态紊流，满足Boussinesq假设。

（1）质量守恒定律

所有流体流动肯定满足质量守恒定律，与其相对应的是流体连续性方程，可以表达为：一定时间流入或者流出某一控制体的质量差，是该控制体内部流体质量的增量。本文中空气被处理成不可压缩流体，故空气的密度ρ是常数，则有：

式中：

u-速度矢量；

u、v、w-速度u在x，y和z方向的分量。

（2）动量守恒定律

该定律可描述成：微元体中流体的动量对时间的变化率等于作用在该微元体上的所有力的和。根据这一定律，可导出x、y和z三个方向上的动量守恒方程式。

式中：

ρ-密度；

t-时间；

p-微元体上的压力；

一日傍晚，川矢队长带着翻译官庄槐来到百里香肠铺。保安队长刁德恒领着一帮伪军守在铺子门外，像是鬼子豢养的一群哈巴狗。

τxx、τxy、τxz-由于分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性力τ分量；

Fx、Fy、Fz-微元体上的体力。

动量守恒方程也可称为运动方程，或者Navier-Stokes方程。

（3）能量守恒定律

能量守恒定律是热交换流动系统都必须满足的基本定律。通常被表述成：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功。根据此表述，可以得出能量守恒方程。

式中：

cp-比热容；

T-温度；

k-流体的传热系数；

2.2 不同进风速度下降温室温度场分布

对降温室模型进行适当的简化，进风口设置在一侧上端，出风口设置在另一侧对角位置，对模型进行网格划分，并对传热边界进行局部加密。降温室外温度为35℃，人体热源为37℃，热流密度为20w/m2。对进风温度为20℃，风速分别为1m/s、1.5m/s、2m/s、2.5m/s四种通风情况进行了数值模拟，z=1m平面作为观测面，在平面中心位置自右至左布置一条观测线，结果如图1、图2所示。

图1 不同风速下z=1m截面温度场分布云图

图2 不同风速下温度分布图

从图中可以看出，降温室内中间人体热源位置温度较高，两侧温度较低，随着进风速度的升高，降温室内降温效果逐渐增强，风速为1.5m/s较1m/s时平均降温幅度最大，达到0.58℃，风速每提高0.5m/s，平均温度下降0.46℃。风速为1.5m/s、2m/s、2.5m/s时降温室内主要位置温度均低于26℃，符合煤矿安全规程。

2.3 不同进风温度下降温室温度场分布

对1m/s进风速度下，进风温度分别为16℃、18℃、20℃、22℃四种情况进行了数值模拟，结果如图3、图4所示。

图3 不同进风温度下z=1m截面温度场分布云图

图4 不同进风温度下温度分布图

如图所示，风速条件一定的情况下，改变进风温度引起的室内温度变化趋势较为稳定。室内平均温度下降，从而使工作环境舒适，进风温度每下降2℃室内平均温度下降1℃。进风温度低于20℃时室内主要位置温度均低于26℃，符合煤矿安全规程。

降低进风空气温度以及增加进风速度可以提高降温效果，但却需要增加额外的冷却成本。因此，为了在热舒适性和节能之间取得较好平衡，选择低于20℃的进风温度、1.5m/s左右的进风速度最为合适。

3 现场测试

唐口煤矿是一座典型的高温矿井，位于山东省济宁市。本矿井平均地温梯度为2.0℃/100m，属地温梯度正常区。由于开采深度已达-1000m左右，原始岩温35℃，再加上采掘工作面机械设备装机容量较大，使夏季7、8、9三个月，井下热害问题极为突出。2018年9月，在济宁唐口煤矿南翼皮带巷进行井下现场配置及测试。

调节控制阀使进风速度与进风温度分别为1m/s、18℃，1.5m/s、18℃，进行两组测试，测试结果如图5所示。风速为1m/s时实测温度与模拟温度整体走向趋势一致，但温度高1℃左右，这是由于巷道内湿度较高，部分冷量耗费在除湿过程中致使实测结果与模拟结果出现偏差。风速为1.5m/s时，室内除人体热源位置外均低于26℃，实测降温效果较好，可作为降温室的合理进风条件。

4 结语

（1）建立了矿井降温室温度场数学模型。

（2）通过数值模拟得出了进风速度、进风温度对降温室内温度场的影响规律，即风速每提高0.5m/s，室内平均温度下降0.46℃，风温每降低2℃，室内温度下降1℃。

（3）通过现场实测确定风速为1.5m/s、风温为18℃的通风条件能耗较少且热舒适度较好。

图5 实测温度分布图