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        深井礦山井下熱負(fù)荷計(jì)算研究

        2018-05-04 05:12:00馬俊生張愛民
        中國礦山工程 2018年2期
        關(guān)鍵詞:干球溫度柴油梯度

        馬俊生,張愛民,葉 勇

        (中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

        1 前言

        隨著礦山開采規(guī)模的加大,礦井深度的不斷延深,井下熱害問題越來越突顯[1~2]。當(dāng)?shù)V體埋藏深度達(dá)到1 500m時(shí),溫度將達(dá)到36℃~50℃,甚至更高。深井熱害控制技術(shù)成為深井開采的重要內(nèi)容。要進(jìn)行深井熱害控制技術(shù)研究,首先需要計(jì)算影響井下內(nèi)熱環(huán)境各個(gè)因素的熱負(fù)荷大小。

        影響礦井內(nèi)熱環(huán)境的因素較多,主要包括圍巖放熱、空氣壓縮放熱、機(jī)電設(shè)備放熱、柴油設(shè)備放熱、地下水熱、爆破熱、氧化熱等[3~4];各因素之間相互影響,如圍巖放熱、柴油設(shè)備放熱、地下水放熱等,在其他參數(shù)不變的情況下與始端和終端風(fēng)流溫差有關(guān),而終端風(fēng)溫又受井下所有內(nèi)熱因素的影響,即終端風(fēng)溫本身就是一個(gè)未知數(shù),故若想準(zhǔn)確計(jì)算井下熱負(fù)荷較為困難。

        2 熱負(fù)荷計(jì)算相關(guān)公式[5~7]

        國內(nèi)外各相關(guān)書籍或文獻(xiàn)關(guān)于深井熱負(fù)荷的計(jì)算方法不盡相同,為了找出適應(yīng)國內(nèi)深井礦山應(yīng)用的計(jì)算方法,收集的資料包括國內(nèi)常用的《采暖通風(fēng)設(shè)計(jì)參考資料》、《礦井熱環(huán)境及其控制》、《礦山地?zé)崤c熱害治理》、《采礦設(shè)計(jì)手冊(1989)》等,還有國外如美國《SME Mining Engineering Handbook》(即:SME采礦工程手冊)、美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會的《Ashrae Handbook》、澳大利亞的《Mine Ventilation Thermodynamics》(即:礦山通風(fēng)熱動力學(xué))等資料。

        其中,澳大利亞的《Mine Ventilation Thermodynamics》針對礦井的溫度梯度、干球溫度、空氣壓力梯度等作出了詳盡的分析,指出在完全干燥井筒內(nèi),干球溫度梯度為0.976℃/100m,然而現(xiàn)實(shí)井筒當(dāng)中并不可能完全干燥,故一般干球溫度梯度為0.82℃/100m,具體與相對濕度有一定關(guān)系。另外推導(dǎo)出濕球溫度梯度公式近似為:

        式中:a、b、c——回歸系數(shù),與空氣壓力有關(guān),計(jì)算公式分別為:a=-7.628 6×10-7P+1.759 3×10-4,b=-1.255 4×10-7P2+2.238×10-5P+1.101 2×10-2,c=-9.410 7×10-6P2+3.805 4×10-3P+0.333 27;

        P——井底空氣壓力,kPa;

        tw——井底空氣濕球溫度,℃。

        通過計(jì)算,當(dāng)空氣壓力梯度為1.22kPa/100m,濕球溫度梯度為0.44℃/100m。

        各文獻(xiàn)關(guān)于井下熱負(fù)荷的計(jì)算公式如表1和表2所示。

        表1 相關(guān)參考文獻(xiàn)關(guān)于圍巖放熱計(jì)算公式對比

        3 推薦熱負(fù)荷計(jì)算公式

        3.1 評價(jià)準(zhǔn)則

        結(jié)合表1和表2關(guān)于井下熱負(fù)荷的不同計(jì)算方法,為了選擇實(shí)用的計(jì)算公式,確定選擇公式的標(biāo)準(zhǔn)如下。

        3.1.1 公式本身的合理性

        計(jì)算公式本身若具有合理性,就能真實(shí)反映各參數(shù)的內(nèi)在關(guān)系,如通過《SME Mining Engineering Handbook》計(jì)算圍巖放熱量公式可知,圍巖放熱量取決于原巖溫度、巖石類型和形態(tài)、開采深度等,而忽略了巷道通風(fēng)時(shí)間的長短,與實(shí)際不符;《SME Mining Engineering Handbook》用焓值差來計(jì)算空氣壓縮熱,然而根據(jù)焓值i=(1.01+1.85d)t+2 501d可知,焓值與干球溫度有關(guān),而干球溫度t是井下內(nèi)環(huán)境各因素影響的綜合結(jié)果,難以區(qū)分壓縮空氣導(dǎo)致的溫升多少,故認(rèn)為其公式不適用。

        表2 相關(guān)參考文獻(xiàn)關(guān)于井下熱負(fù)荷計(jì)算公式對比表

        3.1.2 參數(shù)的可獲取性

        《采礦設(shè)計(jì)手冊》和《Ashrae Handbook》關(guān)于空氣自壓縮熱計(jì)算公式實(shí)質(zhì)上相同,僅單位不同,考慮到《Ashrae Handbook》公式在風(fēng)量已知情況下,僅需要測量井口空氣密度就可以計(jì)算出給定深度的空氣自壓縮熱,便于計(jì)算,故認(rèn)為較合適;另外,《采礦設(shè)計(jì)手冊》在計(jì)算熱水對空氣的放熱時(shí),熱水對空氣的散熱系數(shù)αw難以獲取,而《SME Mining Engineering Handbook》計(jì)算熱水放熱量公式較合適。

        此外,在計(jì)算柴油設(shè)備放熱量時(shí),《采礦設(shè)計(jì)手冊》給出的公式較復(fù)雜,其中柴油機(jī)散熱量百分比ηd、柴油機(jī)的有效功率等參數(shù)受設(shè)備使用工況影響較大,無法精確計(jì)算,而《SME Mining Engineering Handbook》給出的雖為經(jīng)驗(yàn)公式,但容易操作計(jì)算,故認(rèn)為較合適。

        3.2 最終推薦公式

        3.2.1 圍巖放熱量

        井巷圍巖放熱(或吸熱)量,可按下式計(jì)算:

        Qgu=kτLU(VRT-tB)

        (1)

        式中:Qgu——圍巖放熱(或吸熱)量,kW;

        L、U——巷道的長度和周長,m;

        VRT——井巷圍巖的初始溫度,℃;

        tB——巷道中風(fēng)流的平均溫度,℃;

        kτ——單位時(shí)間從單位壁面上向風(fēng)流放出的熱量單位,W/(m2·℃)。

        f——巷道斷面積,m2;

        a——巖石導(dǎo)溫系數(shù),m2/s;

        λ——巖體熱導(dǎo)率,W/(m·℃);

        3.2.2 空氣自壓縮放熱量

        大多數(shù)情況下,定壓比熱容為一個(gè)常數(shù),對于每壓縮1kg空氣102m,定壓比熱容僅變化1kJ。即干球溫度的變化規(guī)律為:1/(1.004×102×1)=0.009 77K/m,或者1K/102m。干球溫度每100m溫度梯度為:

        式中:w——含濕量,每千克干空氣中水蒸汽的含量,kg/kg。

        濕球溫度的變化,取決于豎井進(jìn)口空氣的溫度和濕度,以及豎井中壓力的變化。大約每300m變化1.4K,則計(jì)算出0.467℃/100m。

        空氣絕熱壓縮的理論熱負(fù)荷為:

        q=QρEΔd

        (2)

        式中:q——自壓縮的理論熱負(fù)荷,kW;

        Q——豎井中的空氣流量,m3/s;

        ρ——空氣密度,kg/m3;

        E——海拔每增高102m,能量的增量(1/102),kW;

        Δd——海拔變化,m。

        3.2.3 機(jī)電設(shè)備放熱量

        井下機(jī)電設(shè)備包含鑿巖設(shè)備、電動鏟運(yùn)機(jī)、膠帶運(yùn)輸機(jī)、破碎機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)、振動放礦機(jī)等,由于井下輔扇主要采用抽出式布置,風(fēng)機(jī)對風(fēng)流作功,使得風(fēng)流內(nèi)能增加主要發(fā)生在無人作業(yè)的回風(fēng)側(cè),而研究通風(fēng)熱負(fù)荷的目的主要是針對有人作業(yè)環(huán)境,故此處未計(jì)算風(fēng)機(jī)熱負(fù)荷。

        q=PE-mgh

        (3)

        式中:P——輸入功率,kW;

        E——設(shè)備總效率,%;

        m——物料質(zhì)量,kg;

        h——增加高度,m。

        3.2.4 柴油設(shè)備放熱量

        柴油設(shè)備放熱量是同功率電動設(shè)備的2.8倍,其熱量的1/3以輻射的形式散發(fā),1/3以煙的形式排出,1/3作為有用功,但最終也轉(zhuǎn)化成熱量。

        q=FEC

        式中:F——油耗,L;

        E——燃燒效率,%;

        C——柴油熱值,34 000kJ/L。

        根據(jù)換算,上式可轉(zhuǎn)換為:

        q=2.8PE

        (4)

        式中:P——柴油設(shè)備功率,kW。

        3.2.5 爆破放熱

        被爆的巖石溫度一般低于原巖溫度,被爆巖石對空氣放熱量可按下式計(jì)算:

        q=mCp(VRT-Td)

        (5)

        式中:m——單位時(shí)間爆破的巖石量,kg/s;

        Cp——巖石比熱,kJ/kg℃;

        td——爆破后礦堆溫度,℃;

        VRT——原巖溫度,℃。

        在原巖溫度已知的情況下,巖石爆破放熱量跟爆破后礦堆溫度有關(guān),而爆破后礦堆溫度跟通風(fēng)條件、礦石在井下停留時(shí)間、淋水等因素有關(guān)。

        3.2.6 地下水放熱

        地下水包含井下涌水和生產(chǎn)水,生產(chǎn)水溫度一般比原巖溫度低,起到冷卻的作用。地下裂隙涌水對井下放熱量,可按下式計(jì)算:

        q=mC0(VRT-td)

        (6)

        式中:m——涌水量,kg/s;

        C0——水比熱,取C0=4.19kJ/kg℃;

        td——進(jìn)入排水系統(tǒng)后水溫,℃;

        VRT——裂隙水溫度(近似原巖溫度),℃。

        3.2.7 其他熱源放熱

        其他熱源包含礦石氧化、木材氧化、照明等,由于放熱量小,一般情況下可忽略不計(jì)。

        4 國內(nèi)某深井礦山熱負(fù)荷計(jì)算實(shí)例

        4.1 礦山概況

        礦山位于遼寧本溪東南郊16km,礦體屬隱伏盲礦床,礦體埋藏深度404~1 934m,賦礦標(biāo)高-134~-1 713m。礦床賦存于太古界鞍山群茨溝組第三含鐵巖段中,巖性較簡單,巖石較完整。礦區(qū)揭露的主要地層為泥灰?guī)r、石英巖、綠泥石英片巖、閃長玢巖、綠泥石英片巖、磁鐵石英巖、赤鐵石英巖。

        礦區(qū)屬中溫帶濕潤氣候區(qū),年均氣溫7.2℃~8.4℃,最高氣溫37.5℃,最低氣溫-34.5℃,年均相對濕度65%左右。

        礦區(qū)每百米地溫梯度最大2.0℃,無地?zé)岙惓?。地?zé)嵩鰷靥荻鹊陀谡V?每百米3.0℃)。其主要是深部地下水貧乏,徑流緩慢。豎井地質(zhì)鉆地溫測量顯示:1號回風(fēng)井100~1 470m平均地溫梯度為1.77℃/100m,1 470m地下溫度為35.8℃;措施井100~1 240m平均地溫梯度為1.69℃/100m,1 240m地下溫度為30.60℃;副井50~700m地溫梯度為1.35℃/100m,725~1 500m地溫梯度為1.81℃/100m,全孔平均地溫梯度為1.66℃/100m,1 510m地下溫度為36.5℃。

        4.2 計(jì)算工況

        按照氣象和鉆孔地溫資料,考慮兩種工況(冬季和夏季),如表3所示。其中干球溫度梯度根據(jù)相關(guān)資料暫按0.8℃/100m計(jì)算。

        4.3 結(jié)果分析

        根據(jù)公式(1)至(6)分別計(jì)算,井下各熱源熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果見表4。

        通過分析:工況一(冬季),井下各熱源放熱量為55 970.8kW,其中圍巖放熱量占11.8%,空氣自壓縮放熱量占37.9%,柴油設(shè)備放熱量占22.5%,空氣壓縮對總放熱量的貢獻(xiàn)率最大,其次為柴油設(shè)備。

        工況二(夏季),井下各熱源放熱量為42 123.6kW,其中圍巖對空氣表現(xiàn)為吸熱,其吸熱量為1 799.1kW,空氣自壓縮放熱量占46.3%,柴油設(shè)備放熱量占29.8%,機(jī)電設(shè)備放熱量占21.3%,空氣壓縮對總放熱量的貢獻(xiàn)率最大,其次為柴油設(shè)備。

        表3 熱負(fù)荷驗(yàn)算的兩種工況

        表4 兩種工況下熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果 kW

        另外,需要注意的是以上部分是從整體上考慮井下熱負(fù)荷計(jì)算,若要評價(jià)局部作業(yè)環(huán)境,則柴油設(shè)備放熱量和巖石爆破散熱量對局部環(huán)境影響較大,需要重點(diǎn)考慮。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1] 郝秀強(qiáng).深井礦山熱源分析及降溫技術(shù)探討[J].中國礦山工程,2010,39(3):52-55.

        [2] 劉何清,吳 超,等.礦井降溫技術(shù)研究述評[J].金屬礦山,2005,(348):43-46.

        [3] 胡漢華.深熱礦井環(huán)境控制[M].長沙:中南大學(xué)出版社,2009.

        [4] 吳 超.礦井通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)[M].長沙:中南大學(xué)出版社,2008.

        [5] 楊德源,楊天鴻.礦業(yè)熱環(huán)境及其控制[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2009.

        [6] Felipe Calizaya,John Marks.Mining Engineering Handbook(SME)(Ⅲ)[M].2012.1611-1621.

        [7] American Society of Heating,Refrigerating and Air-conditioning Engineers.Ashrae Handbook[M].2011,Chapter 29.1-29,13.

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