夏洪滿 徐慶武 高尚青

（1.沈陽焦煤有限責(zé)任公司，遼寧省沈陽市，110122；2.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院，北京市朝陽區(qū)，100029）

1 引言

沈煤集團(tuán)紅陽三礦為存在高溫?zé)岷﹄[患礦井，礦井通風(fēng)系統(tǒng)為中央分列抽出式，入風(fēng)溫度為15～20℃，排風(fēng)溫度為27℃。礦井目前開采深度為－1050m，煤溫約為47℃，采煤工作面平均風(fēng)溫為38℃，掘進(jìn)工作面平均風(fēng)溫為33℃。

為了后期深部開采提高降溫系統(tǒng)輸出冷量的利用率，有必要對輸出的冷量進(jìn)行優(yōu)化配置。特別是在輸冷設(shè)備上進(jìn)行優(yōu)化配置，即在生產(chǎn)過程中根據(jù)工作面的實(shí)際需冷量，優(yōu)化配置空冷器的數(shù)量、組合方式及布置位置。

2 工作面冷量分布模擬分析

2.1 空冷長度及有效位置計(jì)算模型

將空冷器置于巷道冷卻進(jìn)風(fēng)風(fēng)流時(shí)，空冷器只能冷卻部分風(fēng)量，而另一部分風(fēng)量則不流經(jīng)空冷器，這樣在空冷器后方將形成兩股風(fēng)流相互混合達(dá)到某一溫度并逐漸升溫的過程，見圖1。

圖1 工作面降溫系統(tǒng)配置圖

從空冷器流出的冷卻風(fēng)流與未冷卻風(fēng)流混合，假設(shè)混合為紊流穩(wěn)態(tài)工況，在絕熱條件下進(jìn)行，且忽略風(fēng)流動(dòng)能、位能的變化，則由能量方程得：

式中：L——空冷長度，m；

i1——從空冷器流出的冷卻風(fēng)流的單位質(zhì)量焓，k J／kg；

i2——未經(jīng)冷卻的風(fēng)流的單位質(zhì)量焓，k J／kg；

i——混合后風(fēng)流的單位質(zhì)量焓，k J／kg；

t1——混合前的風(fēng)流溫度，℃；

t2——混合后預(yù)定空氣狀態(tài)的溫度，℃；

QE——除對流熱交換外的其他熱量，k J；

K r——不穩(wěn)定換熱系數(shù)；

tgu——原始巖溫，℃。

由（1）式可得：

由于濕球溫度與焓值之間的函數(shù)關(guān)系式為：

因此，用空冷器冷卻后，干球溫度和濕球溫度可表示為：

式中：ts——混合后的濕球溫度，℃；

ts1——混合前的濕球溫度，℃；

ts2——空冷器出口濕球溫度，℃；

t1——混合前的干球溫度，℃；

t2——混合后的干球溫度，℃；

K

r——不穩(wěn)定換熱系數(shù)；

tgu——原始巖溫，℃。

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位置，進(jìn)風(fēng)巷道空冷器離工作面的有效距離為：

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，℃；

K r——不穩(wěn)定換熱系數(shù)；tgu——原始巖溫，℃。

2.2 空冷器有效位置的確定

工作面安裝空冷器的目的就是使采煤工作面的空氣溫度達(dá)到《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定的不高于26℃的要求，一般情況下，采煤工作面出口風(fēng)溫最高，所以只要保證工作面出口溫度不高于26℃，就可以保證整個(gè)工作面內(nèi)空氣溫度符合規(guī)定要求。

由于煤礦井下工作面條件復(fù)雜多變，驗(yàn)證計(jì)算西一采區(qū)704工作面進(jìn)風(fēng)巷空冷器有效位置時(shí)假定基于以下條件：①不考慮煤壁不規(guī)則形狀對風(fēng)流的影響，不考慮液壓支架和輸送機(jī)占用工作空間對流場的影響；②對工作面圍巖和采煤機(jī)散熱通過定義

壁向溫度來考慮，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工作面流場的影響，則工作面流場在豎直方向均勻分布。

計(jì)算采用的參數(shù)：紅陽三礦西一采區(qū)704工作面長度L＝180m，斷面積f＝18m2，周長U＝18m，風(fēng)量1500 m3／m in，圍巖比熱c＝700J／kg·℃，導(dǎo)熱系數(shù)λ＝2.1 W／mK，圍巖密度γ＝2700kg／m3，工作面標(biāo)高在－1025m左右，平均巖溫47℃，工作面出口溫度26℃，通風(fēng)時(shí)間τ＝2年，工作面內(nèi)總裝機(jī)容量3000kW。

圖2 空冷器安裝有效距離與運(yùn)輸巷長度的關(guān)系

根據(jù)公式（4），西一采區(qū)704工作面運(yùn)輸巷中空冷85m，在此距離內(nèi)安設(shè)空冷器即可達(dá)到工作面溫度降至26℃以下。

隨著回采工作面的逐步推進(jìn)，空冷器的安裝位置也相應(yīng)根據(jù)作業(yè)條件的變化作相應(yīng)調(diào)整。由于在回采工作面回采的同時(shí)，工作面距進(jìn)、回風(fēng)巷的距離逐漸減少，通風(fēng)阻力減弱，工作面通風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)量有增大的趨勢。同時(shí)，此處煤（巖）溫比工作面初期工作時(shí)較低且趨于穩(wěn)定。在西一采區(qū)704工作面運(yùn)輸巷為500m時(shí)，重新采用上述計(jì)算方法計(jì)算空冷器的有效安裝距離約為105m，安裝距離增加約20m。因此，后期隨著工作面推進(jìn)，運(yùn)輸巷中空冷器的安裝距離會逐漸增大，經(jīng)模擬分析，最大安裝距離約123m?？绽淦靼惭b有效長度與運(yùn)輸巷長度的關(guān)系如圖2所示。

2.3 工作面溫度場模擬分析

對工作面溫度場冷量進(jìn)行模擬，采用C F D數(shù)值模擬分析軟件對空冷器輸出冷空氣后與運(yùn)輸巷空氣混合紊流降溫場進(jìn)行模擬分析，分析采用的計(jì)算網(wǎng)格模型如圖3，西一采區(qū)704工作面溫度場立體分布計(jì)算見圖4，西一采區(qū)704工作面溫度場平面分布見圖5。

圖3 西一采區(qū)704工作面計(jì)算網(wǎng)格劃分模型

由工作面溫度場模擬平面圖分析可知，西一采區(qū)704工作面運(yùn)輸巷空冷器出口端至工作面出口端為冷量覆蓋區(qū)域（圖5中靠近工作面深色部分），也是主要降溫場。根據(jù)工作面溫度場降溫分布范圍，空冷器在距工作面約120m的位置安裝布置，同時(shí)在回風(fēng)巷中距工作面約100m的位置處，在巷頂部即可安設(shè)引排風(fēng)機(jī)進(jìn)行回風(fēng)巷輔助降溫。由于在工作面溫度場中溫度按箭頭的方向是逐漸升溫的過程，只要在工作面出口端溫度小于26℃，即可保證整個(gè)采煤工作面的降溫要求。

3 冷量優(yōu)化配置預(yù)測

隨著紅陽三礦后期開采工作面深度加大，巖溫逐漸升高，依據(jù)上述計(jì)算公式對后期工作面運(yùn)輸巷中空冷器安裝距離及配置個(gè)數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和預(yù)測，如表1所示。

表1 紅陽三礦后期開采工作面空冷器配置預(yù)測

由表1預(yù)測結(jié)果可知，按礦方目前采掘接續(xù)計(jì)劃，以平均2～3個(gè)工作面預(yù)測，北二、北三采區(qū)總需冷量為4260kW，西一、西二采區(qū)總需冷量為5630kW，南一采區(qū)總需冷量為3860kW。

根據(jù)礦井開采接續(xù)計(jì)劃及上述計(jì)算分析可知，紅陽三礦按照目前生產(chǎn)能力500萬t／a繼續(xù)深入煤層開采，全礦井采掘面需冷量在2011年6月達(dá)到4100kW以上，后期需冷量約為4500kW。因此，紅陽三礦后期需冷量不斷增加，該礦應(yīng)對后期采區(qū)各采掘工作面的需冷量進(jìn)行合理優(yōu)化配置，減少能源損耗，提高制冷設(shè)備的降溫運(yùn)行效率。

隨著紅陽三礦開采深度的加大、圍巖溫度的升高，工作面需冷量和空冷器的數(shù)量也會相應(yīng)增加。為了改善紅陽三礦后期工作面的溫度分布情況，必須優(yōu)化工作面的空冷器布局，可采用在運(yùn)輸巷布置大型空冷器以減少空冷器安裝數(shù)量，并在回采工作面布置小型空冷器（懸掛式）的方式。工作面的降溫以大型空冷器為主、懸掛式空冷器為輔，可根據(jù)現(xiàn)場情況確定回采工作面的溫度超過28℃的邊界點(diǎn)，從邊界點(diǎn)后開始布置制冷量較小的懸掛式空冷器，所需冷卻水通過軟管連接輸送，可有效地保證整個(gè)工作面的氣候環(huán)境比較均勻且符合降溫要求。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)空冷長度的計(jì)算方法，空冷器按照西一采區(qū)704采煤工作面進(jìn)風(fēng)巷空冷器的有效位置進(jìn)行布置，工作面溫度環(huán)境有了顯著改善。

（2）建立C F D工作面溫度場冷量分布模擬模型，并利用該模型對空冷器布置在進(jìn)風(fēng)巷123 m位置時(shí)的空冷分布效果進(jìn)行了模擬，通過模擬分析可知，當(dāng)空冷器位置距工作面入口小于123 m時(shí)，能夠滿足降溫效果的要求。

（3）通過空冷器在工作面的模擬分析和配置結(jié)果表明，進(jìn)風(fēng)巷空冷器位置的布置方式合理有效，溫度場的冷量計(jì)算模型能夠滿足模擬要求。

（4）隨著紅陽三礦后期開采工作面深度加大，巖溫逐漸升高，依據(jù)冷量分布模擬結(jié)果對后期深部開采中的8個(gè)工作面運(yùn)輸巷中空冷器安裝距離及配置個(gè)數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和預(yù)測，為制冷設(shè)備的優(yōu)化配置提供了可靠依據(jù)。

（5）在工作面進(jìn)風(fēng)巷空冷器優(yōu)化配置的同時(shí)，結(jié)合輔助降溫措施，可有效保證整個(gè)工作面的氣候環(huán)境比較均勻且符合降溫要求。

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