苗德俊,程衛(wèi)民，隋秀華

(1．山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266510；2．清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京 100084；3.山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266510)

近年來的統(tǒng)計(jì)資料表明，我國已有140余對(duì)礦井出現(xiàn)了不同程度的高溫問題，其中國有重點(diǎn)煤礦中有70多處礦井采掘工作面溫度超26℃，其中30多處礦井采掘工作面溫度超30℃，最高達(dá)37℃。[1]如新汶礦業(yè)集團(tuán)孫村礦采深900～1100m，原巖溫度47.2℃，掘進(jìn)面氣溫34.5℃，回采面氣溫32.5℃；唐口煤礦夏季井下采掘工作面溫度大部分已超過31℃，最高達(dá)34℃。隨礦井開采深度的增加，機(jī)械化程度不斷提高，工作面內(nèi)裝機(jī)容量也不斷加大，工作面內(nèi)機(jī)電設(shè)備散熱和采落煤的散熱將增加，如果再加上一些地質(zhì)因素，高溫礦井?dāng)?shù)目還會(huì)不斷增加，高溫?zé)岷栴}會(huì)更突出，高溫?zé)岷σ殉蔀槔^水、火、瓦斯、煤塵、頂板五大自然災(zāi)害之后煤礦的第六大自然災(zāi)害。

為了降低工作面的溫度，改善礦工的工作環(huán)境，我國已有不少煤礦采取了機(jī)械降溫的方式進(jìn)行礦井降溫，如潘西礦、孫村礦、唐口礦等，雖然通過機(jī)械降溫，取得了一定的降溫效果，但是還存在一定的問題，即降溫效果與預(yù)期還有一定的差距，降溫效率總體不高。為了提高冷量的利用率，需要對(duì)采煤工作面的冷量進(jìn)行優(yōu)化研究，[2-3]特別是進(jìn)風(fēng)巷空冷器的安裝位置對(duì)采煤工作面的降溫效果和效率影響較大，因?yàn)槭苓M(jìn)風(fēng)巷條件的限制及空冷器移動(dòng)方便考慮，不可能將空冷器布置在進(jìn)風(fēng)巷的盡頭，當(dāng)空冷器的安裝位置距工作面入風(fēng)口超過一定距離時(shí)，入風(fēng)溫度將超過其允許的進(jìn)風(fēng)溫度，達(dá)不到降溫的效果?，F(xiàn)有的研究對(duì)進(jìn)風(fēng)巷空冷器的位置研究很少，沒有明確的確定方法，[4-6]因此需要對(duì)進(jìn)風(fēng)巷空冷器的有效位置進(jìn)行研究，確定其有效位置，從而提高降溫效果，保證礦井的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。

1 空冷長度的提出與進(jìn)風(fēng)巷道空冷器有效位置的確定方法

當(dāng)將空冷器放置在巷道中冷卻進(jìn)風(fēng)風(fēng)流時(shí)，空冷器只能冷卻一部分的風(fēng)量，而另一部分則不流經(jīng)空冷器，這樣在空冷器的后方將存在一個(gè)兩股風(fēng)流相互混合達(dá)到某一溫度并逐漸升溫的過程。

空冷長度是指當(dāng)采用空冷器降溫時(shí)，空冷器與進(jìn)風(fēng)、圍巖等進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)交換，達(dá)到一定空氣狀態(tài)的長度。

(1)

由式(1)可得:

(2)

因此，用空冷器冷卻后，干球溫度和濕球溫度可表示為：[10]

式中：ts為混合后的濕球溫度，℃；ts1為混合前的濕球溫度，℃；ts2為空冷器出口的濕球溫度，℃；t1為混合前的干球溫度，℃；t2為混合后的干球溫度，℃。

根據(jù)工作面允許的進(jìn)風(fēng)溫度和空冷長度可以確定其有效的位置，進(jìn)風(fēng)巷道空冷器離工作面的有效距離為：

(4)

式中：tda—工作面降溫進(jìn)風(fēng)允許的濕球溫度，℃；ta—工作面降溫進(jìn)風(fēng)允許的干球溫度，℃。

2 采煤面進(jìn)風(fēng)巷空冷器有效位置的確定和數(shù)值模擬

某礦2304綜采工作面的相關(guān)參數(shù)：工作面長度L=200m，斷面積F=14.0m2，周長U=15.5m，大氣壓力114.53KPa，圍巖比熱C=806J/kgk，導(dǎo)熱系數(shù)λ=2.833w/mk，導(dǎo)溫系數(shù)a=4.5×103m2/h，原始巖溫tgu=37℃，風(fēng)流的干球溫度29 ℃，濕球溫度28 ℃，面內(nèi)裝機(jī)容量2330kW，日產(chǎn)量1000t，每班工作人數(shù)25人。

根據(jù)公式(4)，對(duì)其空冷器的有效位置進(jìn)行了計(jì)算，確定其位置為距工作面入口距離不超過68m效果較好，能夠滿足降溫的要求。

為了從理論上分析其降溫效果，針對(duì)某煤礦的具體情況，采用ANSYS 的APDL語言建立了三維立體模型。[11]

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，并盡量與實(shí)際條件相符，建立的高溫綜采工作面溫度場(chǎng)模型基于以下假設(shè)：[12-13]

①不考慮煤壁不規(guī)則形狀對(duì)風(fēng)流的影響，不考慮液壓支架和輸送機(jī)占用工作空間對(duì)流場(chǎng)的影響；②對(duì)工作面圍巖和采煤機(jī)散熱通過定義壁面溫度來考慮，除采煤機(jī)外的機(jī)電設(shè)備散熱則通過定義熱流密度來考慮，其熱流密度施加在壁面上；③不考慮重力加速度和煤層傾角對(duì)工作面流場(chǎng)的影響，則工作面流場(chǎng)在豎直方向均勻分布。

當(dāng)空冷器距離工作面進(jìn)口68m時(shí)，ANSYS模擬的結(jié)果如圖1所示，當(dāng)空冷器距離工作面進(jìn)口168m時(shí)，ANSYS模擬的結(jié)果如圖2所示。

空冷器的位置不同(離工作面入口為68m、168m)，其降溫效果也不一樣，當(dāng)空冷器離工作面入口過遠(yuǎn)，降溫效果不理想，只有在離進(jìn)風(fēng)口小于68m的位置，降溫效果才理想。

3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)定分析

為了了解空冷器在距工作面入口68m、168m處時(shí)的降溫效果，對(duì)2304綜采工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定：沿風(fēng)流方向，從工作面進(jìn)風(fēng)到工作面出風(fēng)布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，在空冷器前布置測(cè)點(diǎn)1，在空冷器后布置測(cè)點(diǎn)2，在進(jìn)風(fēng)巷及采煤面入風(fēng)口布置測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4，在工作面均勻布置5、測(cè)點(diǎn)6、測(cè)點(diǎn)7、測(cè)點(diǎn)8、測(cè)點(diǎn)9五個(gè)測(cè)點(diǎn)，在回風(fēng)隅角布置測(cè)點(diǎn)10，在回風(fēng)巷布置測(cè)點(diǎn)11、測(cè)點(diǎn)12。

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，空冷器位置距離工作面進(jìn)口68m和168m各測(cè)點(diǎn)的溫度濕度如圖1所示，空冷器位置距離工作面進(jìn)風(fēng)口68m和168m各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)濕度如圖2所示。

圖2 空冷器距離工作面進(jìn)風(fēng)口68m和168m各測(cè)點(diǎn)的溫度濕度圖

圖2 空冷器距離工作面進(jìn)風(fēng)口68m和168m各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)濕度圖

從圖1可以看出，當(dāng)空冷器距離工作面168m時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的干球溫度和濕球溫度比空冷器距離工作面68m時(shí)都高，最大溫差為2℃。從圖2可以看出，空冷器距工作面入口較遠(yuǎn)時(shí)，工作面的相對(duì)濕度都有所增大，最大增加了1.3%。主要原因是當(dāng)空冷器距工作面較遠(yuǎn)時(shí)，空冷器冷卻的空氣被巷道和機(jī)械設(shè)備加熱，使其進(jìn)入工作面的溫度升高，濕度增大。在工作面出口測(cè)點(diǎn)9處，空冷器距離工作面68m時(shí)，干球溫度為27.5℃，相對(duì)濕度為90.4%，能滿足工人的工作要求。

4 結(jié)論

(1)提出了空冷長度的概念，確定了空冷長度的計(jì)算方法，確定了采煤工作面進(jìn)風(fēng)巷空冷器的有效位置。

(2)建立ANSYS模型，并利用該模型對(duì)空冷器在68m、168m位置時(shí)的空冷效果進(jìn)行了模擬，通過模擬可知，當(dāng)空冷器位置距工作面入口小于68m時(shí)，能夠滿足降溫效果的要求。

(3)通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際測(cè)定結(jié)果和模擬結(jié)果表明，進(jìn)風(fēng)巷空冷器位置的確定方法合理，模型能夠滿足模擬要求，可以用來進(jìn)行空冷器位置的設(shè)計(jì)。

[1] 國家安全監(jiān)管總局關(guān)于印發(fā)煤礦安全生產(chǎn)“十一五”規(guī)劃的通知[EB/OL].http://www.chinasafety.gov.cn/2007-02/28/content_220502.htm.

[2] Funnell, R.C. and Sheer, T.J.. Optimisation of cooling resources in deep stopes, Proceedings, Seventh International Mine Ventilation Congress, Cracow, Poland,2001.

[3] McDaniel, K., Wallace, K.G., and Shahcheraghi, N.. The application of Mining Industry Ventilation Survey Techniques to a Complex Computational Fluid Dynamics Analysis, Proceedings of the Tenth US/International Mine Ventilation Symposium, Anchorage,Alaska, 2004.

[4] Wu, H.W.. Mine ventilation recirculation and cooling strategies in deep Australian mines[D]. Australia: The University of Queensland,1994.

[5] Gupta, M.L., Panigrahi, D.C., Banerjee, S.P.. Heat flow studies in longwall faces in India. In: R. Bhaskar, ed., Proceedings of 6th U.S. Mine Ventilation Symposium, SME, Littleton, CO, 1993, 421-427.

[6] Schlotte, W. Control of heat and humidity in German mines. In Proceedings of 8th US Mine Ventilation Symposium (Ed. J. C. Tien), University of Rolla, Missouri, 1999, 349-356.

[7] 周西華,單亞飛,王繼仁.井巷圍巖與風(fēng)流的不穩(wěn)定換熱[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,(3),264-266.

[8] 秦躍平,秦鳳華，徐國峰. 制冷降溫掘進(jìn)工作面的風(fēng)溫預(yù)測(cè)及需冷量計(jì)算[J].煤炭學(xué)報(bào),1998,(6),25-29.

[9] 胡華軍.高溫深礦井風(fēng)流熱濕交換及配風(fēng)量的計(jì)算[D].山東：山東科技大學(xué),2004.

[10] 苗德俊.高溫礦井采煤工作面熱環(huán)境指標(biāo)及冷量優(yōu)化方法研究[D].山東：山東科技大學(xué)，2008.

[11] 龔曙光. ANSYS操作命令與參數(shù)化編程[M]. 北京：機(jī)械出版社,2003,1-3.

[12] 譚建國. 使用ansys6.0進(jìn)行有限元分析[M]. 北京：北京大學(xué)出版社,2002,1-13.

[13] McPherson, M.J.. The analysis and simulation of heat flow into underground airways. Int. J.Min. Geol. Eng. 4, 1986,165-196.