深井高溫工作面的圍巖如何散熱

　　深井工作面的高溫和高溫破壞嚴重影響了煤礦的安全生產(chǎn)，圍巖熱耗散是高溫熱損傷的主要熱源。為了探討高溫圍巖散熱對巷道通風氣流溫度的影響，接下來小編簡單介紹一篇優(yōu)秀煤礦論文。

　　以淮南礦業(yè)集團某高溫工作面為工程背景，采用理論分析和數(shù)值模擬方法對工作面及兩側(cè)巷道內(nèi)風流的溫度場分布規(guī)律進行了研究，并與現(xiàn)場實測結(jié)果進行了對比分析。結(jié)果表明：1)隨著巷道走向的延伸，巷道內(nèi)風流的溫度以e指數(shù)的形式呈增高趨勢，巷道越長，在其末端風流溫度越接近巷道圍巖溫度;2)在工作面與運輸巷和軌道巷相交區(qū)域，由于風流渦旋效應，該區(qū)域風流熱量不易散出，形成風流溫度場與速度場的異常區(qū)域，也是回采工作面高溫熱害治理的關(guān)鍵區(qū)域。

　　隨著煤礦開采深度的增大，高溫礦井逐漸增多，礦井的高溫熱害問題嚴重影響著煤礦的安全生產(chǎn)[1-2]。礦井高溫熱害主要來自井巷圍巖的放熱和散熱、機械設備運轉(zhuǎn)放熱、風流沿井巷向下流動的自壓縮熱以及運輸煤矸石放熱等，是造成礦井內(nèi)風流高溫的基本熱源，其中尤以井巷圍巖的放熱和散熱最為顯著[3]。井巷圍巖幾乎是一個汲之不盡的熱源，當風流流經(jīng)井巷，由于巖溫要比風溫高，因而熱流往往是從圍巖傳給風流。井巷越深，這種熱流越大，甚至于超過其它熱源的熱流量之和。

　　為了探索高溫圍巖散熱對巷道內(nèi)通風風流溫度的影響規(guī)律，本文以淮南某高溫工作面為工程背景，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等方法手段，對高溫工作面及兩側(cè)巷道內(nèi)風流的溫度場分布規(guī)律進行了研究，以揭示深井工作面高溫熱害的形成機理，為高溫工作面降溫措施的制定提供可靠的依據(jù)。

　　1 巷道內(nèi)風流溫度的演化規(guī)律

　　井巷圍巖與風流間的傳熱是一個不穩(wěn)定的傳熱過程[4]，圍巖與風流間的傳熱計算非常復雜，為簡單起見，通常假定井巷開掘在均質(zhì)、各向同性的巖體里，其斷面為圓形;在井巷初揭開時，巖溫等于該處的初始巖溫;經(jīng)通風后，巷壁溫度發(fā)生了變化，繼后便穩(wěn)定在某一確定值上，且在整個井巷的周長上，傳熱的條件是一樣的。井巷圍巖傳熱產(chǎn)生的熱流量q又與圍巖自身的導熱率λ及溫度梯度dt/dn成正比。在已知圍巖導熱率及通風巷道圍巖溫度梯度的前提下，就可以計算出巷道圍巖散出的熱量。巷道圍巖溫度梯度dt/dn在圓形巷道中等于鉆孔測出的巖石溫度在其徑向的變梯度dt/dr，其值隨時間的變化而變化，即通風過程會對圍巖產(chǎn)生冷卻作用。剛開始時，溫度梯度dt/dr的值很大，巷道表面溫度升高較快，經(jīng)過一段時間后dt/dr的值會變小。假設經(jīng)過一段時間通風后，dt/dr的值恰好為(tr-tf)/r0，則井巷圍巖傳遞給風流的熱流量可以表示為

　　式中：λ為圍巖導熱率;tr為初始圍巖溫度;tf為巷道中風流溫度;r0為巷道有效半徑;K(α)為通風時間影響系數(shù)(與通風時間長短有關(guān))。

　　對于潮氣較大的巷道，dL長度范圍內(nèi)的巷道圍巖傳遞給風流的熱流量Qr為

　　由于干燥風流的影響，巷道內(nèi)風流的熱流增量Qω又與通風量mω、風流比熱cp以及巷道內(nèi)風流溫度的增量dtf成正比[5]，即

　　對于巷道內(nèi)風流溫度預測計算公式(7)而言，在初始圍巖溫度tr=37 ℃，巷道進風口處(L=0)風流溫度t0=24 ℃以及λrUK(α)/mωcpr0=0.004 5 m-1的情況下，巷道內(nèi)風流溫度t隨巷道長度L的演化規(guī)律如圖1所示，隨著巷道長度的增大，巷道內(nèi)風流的溫度以e指數(shù)的形式呈增高趨勢，隨著巷道長度的無限延伸，巷道末端風流的溫度將接近巷道圍巖的溫度。

　　L/m

　　2.1 工程背景

　　淮南某高溫工作面位于西二采區(qū)-810 m水平， 煤層平均厚度為3.6 m， 煤層平均傾角為6°， 工作面走向長度為1 200 m， 傾向長度為120 m(見圖2)。 該高溫工作面采用滾筒采煤機落煤， 平均采煤高度3.5m。 工作面兩側(cè)巷道寬4 m， 高3 m， 皮帶運輸機布置在進風運輸巷內(nèi)， 工作面供電設備布置在回風軌道巷內(nèi)，北大核心期刊 隨工作面推進向外整體挪移。 工作面所在采區(qū)地溫梯度為3.2 ℃/m(鉆孔資料)， 巷道圍巖溫度為36 ℃， 濕度為96.0%。 安裝和試回采期間的實測表明，風流自進風巷道起點至末端的溫度逐漸從24.2 ℃升高到26.4 ℃，工作面中央的溫度為27.2 ℃，工作面末端的溫度達到28.5 ℃，局部濕度增大為100%。工作面高溫，給礦工身體健康和礦井安全生產(chǎn)帶來極大危害。

　　2.2 風流溫度場分布規(guī)律的數(shù)值模擬

　　1) 數(shù)值計算模型。本文采用COMSOL Multiphysics數(shù)值計算軟件對該高溫工作面進行模擬仿真，分析工作面巷道圍巖散熱演化規(guī)律及巷道內(nèi)風流溫度、速度場分布規(guī)律，探索深井工作面高溫熱害形成機理。為了能對工作面巷道圍巖與風流間的傳熱計算得以進行，假設巷道是開鑿在均質(zhì)、各向同性的巖層內(nèi)，在巷道初掘進時，巖溫等于該處的初始巖溫;巷道通風后，巷壁溫度發(fā)生了變化，繼后便穩(wěn)定在某一定值上。為了實現(xiàn)工作面溫度場和速度場的宏觀預測，采用穩(wěn)態(tài)平面模型，并引入標準計算方程、標準壁面函數(shù)、能量方程[6]�？紤]到模型的幾何形狀比較規(guī)則，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對其網(wǎng)格化，并進行局部網(wǎng)格加密。模擬設定入口風流溫度為24 ℃，風速為1.8 m/s，風流出口邊界為壓力邊界條件，圍巖及煤層初始溫度為36 ℃。同時，為了便于計算，將電機設備、風機、水泵看作一個整體熱源，它們和風流之間進行對流換熱，采空區(qū)看作固定熱邊界條件。

　　2) 數(shù)值模擬結(jié)果。 工作面與運輸巷相交處溫度場與速度場的分布如圖3所示， 由于巷道圍巖溫度較高， 當風流進入運輸巷后， 風流與巷壁發(fā)生對流換熱， 但此時風流溫度變化幅度不大;隨著進風巷道的延伸，風流不斷的被加熱，在運輸巷與工作面隅角處風流溫度達到26.2 ℃，溫度從巷壁處向外呈梯度變化。 由于采空區(qū)冒落矸石的散熱，在采空區(qū)附近，溫度變化比較明顯。同時，該處風流變化比較復雜，在工作面內(nèi)側(cè)出現(xiàn)回流，且該區(qū)域的紊流強度相對較大，內(nèi)側(cè)風流速度范圍為0～0.5 m/s，外側(cè)風流速度為1.9～2.1 m/s(大于入口處1.8 m/s的風流速度)，而在采空區(qū)隅角區(qū)域，平均風流速度為0.2 m/s(局部風流速度為0)，此區(qū)域平均風流速度為1.0 m/s。

　　由于幾何形狀類似， 軌道巷與工作面隅角處的風流變化趨勢同運輸巷與工作面隅角處的變化趨勢相同， 僅位置的差異和大小的不同， 該處溫度達到28.1 ℃(見圖4)。 經(jīng)過工作面后， 風流溫度增加了1.9 ℃; 在軌道巷出口處， 風流平均溫度為30.3 ℃。 這是由于隨著風流沿著巷道走向的不斷延伸， 風流溫度到達運輸巷隅角前端的平均溫度值為26.2 ℃，在軌道巷回風隅角處產(chǎn)生局部大渦流區(qū)，渦流風速變化在0～0.25 m/s之間，在隅角大渦流區(qū)內(nèi)，靠近巷壁處的風速方向與巷道主風流方向相反，氣流在渦流區(qū)內(nèi)循環(huán)運動，由于風速相對較低和渦流內(nèi)循環(huán)運動，使得熱量不能很快地從渦流區(qū)遷移出來，使得風流溫度相應成上升趨勢，同時由于采空區(qū)矸石散熱的影響，采空區(qū)附近的風流又被加熱。因此，在軌道巷回風隅角處溫度值急劇升高。同時，由于工作面布局的特殊原因，在工作面推進處，呈現(xiàn)較大范圍的回流區(qū)，紊流強度較大，回流范圍大約為15 m左右，渦流最大寬度為3.0 m，渦流中心大約在距軌道巷10 m處，平均溫度為28.1 ℃。與此回流區(qū)相對應處平均風速為0.8 m/s，與入口處1.8 m/s的速度相比較小，該隅角區(qū)域有大量的熱流量滯留，使得風流溫度升高;軌道巷內(nèi)的風流在其出口處，速度為1.54 m/s，遠小于入口處1.8 m/s的速度。

　　2.3 風流溫度場分布規(guī)律的現(xiàn)場實測

　　采用干濕球溫度計(最小刻度0.2 ℃)及多功能礦用數(shù)字測試儀(測量風速、濕度等)，在工作面安裝及試回采期間對工作面(每隔20 m布置一個測點)及兩側(cè)巷道(每隔150 m布置一個測點)內(nèi)通風風流的溫度、速度等物理量進行了現(xiàn)場實測，監(jiān)測點布置情況如圖2所示。

　　工作面及兩側(cè)巷道內(nèi)風流的溫度分布情況如圖5所示，在運輸巷風流入口處，風流溫度為24.2 ℃，隨著巷道的不斷延伸，風流與圍巖、機械設備等熱源體交換熱量，在運輸巷與工作面相交處溫度升高到26.4 ℃;風流到達工作面中央處溫度升高到27.2 ℃，在工作面末端溫度達到28.5 ℃(軌道巷與工作面相交處)，濕度明顯增大，局部濕度達到100%;由于受軌道巷內(nèi)高功率機電設備的傳熱，當風流到達軌道巷出口時，風流溫度為30.4 ℃，其間溫度升高6.2 ℃。巷道內(nèi)風流的溫度隨通風巷道的延伸整體呈增高趨勢，實際測量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，且在工作面與運輸巷和軌道巷相交處出現(xiàn)溫度的急劇增高，其主要原因是風流在這一區(qū)域產(chǎn)生回流，風流受阻以及采空區(qū)和圍巖共同作用的原因使得隅角區(qū)域有大量的熱流量滯留。

　　工作面及兩側(cè)巷道內(nèi)風流的速度分布情況如圖6所示，風流自運輸巷入口以1.87 m/s的速度進入巷道后，由于受風阻的因素使得風流速度呈緩慢下降趨勢，特別是在運輸巷與工作面相交處，由于隅角回流區(qū)域效應，使得該處風流速度很小，平均為1.3 m/s;風流自進入工作面后，由于受工作面支架的影響，使得工作面局部風流速度異常，最大高達1.96 m/s;當風流到達工作面末端(軌道巷與工作面相交處)時，同樣由于隅角區(qū)域回流效應，使得該處風流速度降低，平均為0.9 m/s;風流自工作面進入軌道巷時，由于機電設備等局部障礙物的影響因素，使得該區(qū)域風流速度值異常，迅速升高為2.12 m/s，遠遠大于入口處1.87 m/s的速度;軌道巷內(nèi)的風流在經(jīng)過機電設備等障礙物后，其風流速度呈平緩下降趨勢，在軌道巷出口處為1.62 m/s，遠小于入口處1.87 m/s的速度;風流速度在工作面及兩側(cè)的實際測量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。

　　閱讀期刊：煤礦機電

　　《煤礦機電》Colliery Mechanical & Electrical Technology(雙月刊)曾用刊名：煤礦機械與電氣，1980年創(chuàng)刊，是全國性的專業(yè)技術(shù)刊物，內(nèi)容涉及采煤、掘進、運輸、支護、提升、通風、排水、液壓、供電、照明、環(huán)保等煤礦機械與電氣方面的使用技術(shù)，并及時介紹國內(nèi)外煤礦機電產(chǎn)品的新動向�？�物系國內(nèi)外公開發(fā)行，國內(nèi)發(fā)行面覆蓋整個煤炭系統(tǒng)以及相關(guān)行業(yè)。