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(yán)重影響了煤礦的安全生產(chǎn)，圍巖熱耗散是高溫?zé)釗p傷的主要熱源。為了探討高溫圍巖散熱對(duì)巷道通風(fēng)氣流溫度的影響，接下來(lái)小編簡(jiǎn)單介紹一篇優(yōu)秀煤礦論文。

　　以淮南礦業(yè)集團(tuán)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(duì)工作面及兩側(cè)巷道內(nèi)風(fēng)流的溫度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行了研究，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：1)隨著巷道走向的延伸，巷道內(nèi)風(fēng)流的溫度以e指數(shù)的形式呈增高趨勢(shì)，巷道越長(zhǎng)，在其末端風(fēng)流溫度越接近巷道圍巖溫度;2)在工作面與運(yùn)輸巷和軌道巷相交區(qū)域，由于風(fēng)流渦旋效應(yīng)，該區(qū)域風(fēng)流熱量不易散出，形成風(fēng)流溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)的異常區(qū)域，也是回采工作面高溫?zé)岷χ卫淼年P(guān)鍵區(qū)域。

　　隨著煤礦開(kāi)采深度的增大，高溫礦井逐漸增多，礦井的高溫?zé)岷��?wèn)題嚴(yán)重影響著煤礦的安全生產(chǎn)[1-2]。礦井高溫?zé)岷χ饕獊?lái)自井巷圍巖的放熱和散熱、機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)放熱、風(fēng)流沿井巷向下流動(dòng)的自壓縮熱以及運(yùn)輸煤矸石放熱等，是造成礦井內(nèi)風(fēng)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(gè)汲之不盡的熱源，當(dāng)風(fēng)流流經(jīng)井巷，由于巖溫要比風(fēng)溫高，因而熱流往往是從圍巖傳給風(fēng)流。井巷越深，這種熱流越大，甚至于超過(guò)其它熱源的熱流量之和。

　　為了探索高溫圍巖散熱對(duì)巷道內(nèi)通風(fēng)風(fēng)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(chǎng)實(shí)測(cè)等方法手段，對(duì)高溫工作面及兩側(cè)巷道內(nèi)風(fēng)流的溫度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行了研究，以揭示深井工作面高溫?zé)岷Φ男纬蓹C(jī)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(fēng)流溫度的演化規(guī)律

　　井巷圍巖與風(fēng)流間的傳熱是一個(gè)不穩(wěn)定的傳熱過(guò)程[4]，圍巖與風(fēng)流間的傳熱計(jì)算非常復(fù)雜，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，通常假定井巷開(kāi)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(kāi)時(shí)，巖溫等于該處的初始巖溫;經(jīng)通風(fēng)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(gè)井巷的周長(zhǎng)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(dǎo)熱率λ及溫度梯度dt/dn成正比。在已知圍巖導(dǎo)熱率及通風(fēng)巷道圍巖溫度梯度的前提下，就可以計(jì)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(cè)出的巖石溫度在其徑向的變梯度dt/dr，其值隨時(shí)間的變化而變化，即通風(fēng)過(guò)程會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生冷卻作用。剛開(kāi)始時(shí)，溫度梯度dt/dr的值很大，巷道表面溫度升高較快，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后dt/dr的值會(huì)變小。假設(shè)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間通風(fēng)后，dt/dr的值恰好為(tr-tf)/r0，則井巷圍巖傳遞給風(fēng)流的熱流量可以表示為

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

　　對(duì)于潮氣較大的巷道，dL長(zhǎng)度范圍內(nèi)的巷道圍巖傳遞給風(fēng)流的熱流量Qr為

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

　　對(duì)于巷道內(nèi)風(fēng)流溫度預(yù)測(cè)計(jì)算公式(7)而言，在初始圍巖溫度tr=37 ℃，巷道進(jìn)風(fēng)口處(L=0)風(fēng)流溫度t0=24 ℃以及λrUK(α)/mωcpr0=0.004 5 m-1的情況下，巷道內(nèi)風(fēng)流溫度t隨巷道長(zhǎng)度L的演化規(guī)律如圖1所示，隨著巷道長(zhǎng)度的增大，巷道內(nèi)風(fēng)流的溫度以e指數(shù)的形式呈增高趨勢(shì)，隨著巷道長(zhǎng)度的無(wú)限延伸，巷道末端風(fēng)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(zhǎng)度為1 200 m， 傾向長(zhǎng)度為120 m(見(jiàn)圖2)。 該高溫工作面采用滾筒采煤機(jī)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(yùn)輸機(jī)布置在進(jìn)風(fēng)運(yùn)輸巷內(nèi)， 工作面供電設(shè)備布置在回風(fēng)軌道巷內(nèi)，北大核心期刊 隨工作面推進(jìn)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(shí)測(cè)表明，風(fēng)流自進(jìn)風(fēng)巷道起點(diǎn)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(dá)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(lái)極大危害。

　　2.2 風(fēng)流溫度場(chǎng)分布規(guī)律的數(shù)值模擬

　　1) 數(shù)值計(jì)算模型。本文采用COMSOL Multiphysics數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)該高溫工作面進(jìn)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(fēng)流溫度、速度場(chǎng)分布規(guī)律，探索深井工作面高溫?zé)岷π纬蓹C(jī)理。為了能對(duì)工作面巷道圍巖與風(fēng)流間的傳熱計(jì)算得以進(jìn)行，假設(shè)巷道是開(kāi)鑿在均質(zhì)、各向同性的巖層內(nèi)，在巷道初掘進(jìn)時(shí)，巖溫等于該處的初始巖溫;巷道通風(fēng)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(shí)現(xiàn)工作面溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的宏觀預(yù)測(cè)，采用穩(wěn)態(tài)平面模型，并引入標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方程、標(biāo)準(zhǔn)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(duì)其網(wǎng)格化，并進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。模擬設(shè)定入口風(fēng)流溫度為24 ℃，風(fēng)速為1.8 m/s，風(fēng)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(shí)，為了便于計(jì)算，將電機(jī)設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵看作一個(gè)整體熱源，它們和風(fēng)流之間進(jìn)行對(duì)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(yùn)輸巷相交處溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)的分布如圖3所示， 由于巷道圍巖溫度較高， 當(dāng)風(fēng)流進(jìn)入運(yùn)輸巷后， 風(fēng)流與巷壁發(fā)生對(duì)流換熱， 但此時(shí)風(fēng)流溫度變化幅度不大;隨著進(jìn)風(fēng)巷道的延伸，風(fēng)流不斷的被加熱，在運(yùn)輸巷與工作面隅角處風(fēng)流溫度達(dá)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(shí)，該處風(fēng)流變化比較復(fù)雜，在工作面內(nèi)側(cè)出現(xiàn)回流，且該區(qū)域的紊流強(qiáng)度相對(duì)較大，內(nèi)側(cè)風(fēng)流速度范圍為0～0.5 m/s，外側(cè)風(fēng)流速度為1.9～2.1 m/s(大于入口處1.8 m/s的風(fēng)流速度)，而在采空區(qū)隅角區(qū)域，平均風(fēng)流速度為0.2 m/s(局部風(fēng)流速度為0)，此區(qū)域平均風(fēng)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(fēng)流變化趨勢(shì)同運(yùn)輸巷與工作面隅角處的變化趨勢(shì)相同， 僅位置的差異和大小的不同， 該處溫度達(dá)到28.1 ℃(見(jiàn)圖4)。 經(jīng)過(guò)工作面后， 風(fēng)流溫度增加了1.9 ℃; 在軌道巷出口處， 風(fēng)流平均溫度為30.3 ℃。 這是由于隨著風(fēng)流沿著巷道走向的不斷延伸， 風(fēng)流溫度到達(dá)運(yùn)輸巷隅角前端的平均溫度值為26.2 ℃，在軌道巷回風(fēng)隅角處產(chǎn)生局部大渦流區(qū)，渦流風(fēng)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(fēng)速方向與巷道主風(fēng)流方向相反，氣流在渦流區(qū)內(nèi)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，由于風(fēng)速相對(duì)較低和渦流內(nèi)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，使得熱量不能很快地從渦流區(qū)遷移出來(lái)，使得風(fēng)流溫度相應(yīng)成上升趨勢(shì)，同時(shí)由于采空區(qū)矸石散熱的影響，采空區(qū)附近的風(fēng)流又被加熱。因此，在軌道巷回風(fēng)隅角處溫度值急劇升高。同時(shí)，由于工作面布局的特殊原因，在工作面推進(jìn)處，呈現(xiàn)較大范圍的回流區(qū)，紊流強(qiáng)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(duì)應(yīng)處平均風(fēng)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(fēng)流溫度升高;軌道巷內(nèi)的風(fēng)流在其出口處，速度為1.54 m/s，遠(yuǎn)小于入口處1.8 m/s的速度。

　　2.3 風(fēng)流溫度場(chǎng)分布規(guī)律的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

　　采用干濕球溫度計(jì)(最小刻度0.2 ℃)及多功能礦用數(shù)字測(cè)試儀(測(cè)量風(fēng)速、濕度等)，在工作面安裝及試回采期間對(duì)工作面(每隔20 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn))及兩側(cè)巷道(每隔150 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn))內(nèi)通風(fēng)風(fēng)流的溫度、速度等物理量進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況如圖2所示。

　　工作面及兩側(cè)巷道內(nèi)風(fēng)流的溫度分布情況如圖5所示，在運(yùn)輸巷風(fēng)流入口處，風(fēng)流溫度為24.2 ℃，隨著巷道的不斷延伸，風(fēng)流與圍巖、機(jī)械設(shè)備等熱源體交換熱量，在運(yùn)輸巷與工作面相交處溫度升高到26.4 ℃;風(fēng)流到達(dá)工作面中央處溫度升高到27.2 ℃，在工作面末端溫度達(dá)到28.5 ℃(軌道巷與工作面相交處)，濕度明顯增大，局部濕度達(dá)到100%;由于受軌道巷內(nèi)高功率機(jī)電設(shè)備的傳熱，當(dāng)風(fēng)流到達(dá)軌道巷出口時(shí)，風(fēng)流溫度為30.4 ℃，其間溫度升高6.2 ℃。巷道內(nèi)風(fēng)流的溫度隨通風(fēng)巷道的延伸整體呈增高趨勢(shì)，實(shí)際測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，且在工作面與運(yùn)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(fēng)流在這一區(qū)域產(chǎn)生回流，風(fēng)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(fēng)流的速度分布情況如圖6所示，風(fēng)流自運(yùn)輸巷入口以1.87 m/s的速度進(jìn)入巷道后，由于受風(fēng)阻的因素使得風(fēng)流速度呈緩慢下降趨勢(shì)，特別是在運(yùn)輸巷與工作面相交處，由于隅角回流區(qū)域效應(yīng)，使得該處風(fēng)流速度很小，平均為1.3 m/s;風(fēng)流自進(jìn)入工作面后，由于受工作面支架的影響，使得工作面局部風(fēng)流速度異常，最大高達(dá)1.96 m/s;當(dāng)風(fēng)流到達(dá)工作面末端(軌道巷與工作面相交處)時(shí)，同樣由于隅角區(qū)域回流效應(yīng)，使得該處風(fēng)流速度降低，平均為0.9 m/s;風(fēng)流自工作面進(jìn)入軌道巷時(shí)，由于機(jī)電設(shè)備等局部障礙物的影響因素，使得該區(qū)域風(fēng)流速度值異常，迅速升高為2.12 m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入口處1.87 m/s的速度;軌道巷內(nèi)的風(fēng)流在經(jīng)過(guò)機(jī)電設(shè)備等障礙物后，其風(fēng)流速度呈平緩下降趨勢(shì)，在軌道巷出口處為1.62 m/s，遠(yuǎn)小于入口處1.87 m/s的速度;風(fēng)流速度在工作面及兩側(cè)的實(shí)際測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。

　　閱讀期刊：煤礦機(jī)電

　　《煤礦機(jī)電》Colliery Mechanical & Electrical Technology(雙月刊)曾用刊名：煤礦機(jī)械與電氣，1980年創(chuàng)刊，是全國(guó)性的專業(yè)技術(shù)刊物，內(nèi)容涉及采煤、掘進(jìn)、運(yùn)輸、支護(hù)、提升、通風(fēng)、排水、液壓、供電、照明、環(huán)保等煤礦機(jī)械與電氣方面的使用技術(shù)，并及時(shí)介紹國(guó)內(nèi)外煤礦機(jī)電產(chǎn)品的新動(dòng)向�？�物系國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行，國(guó)內(nèi)發(fā)行面覆蓋整個(gè)煤炭系統(tǒng)以及相關(guān)行業(yè)。