張 爍

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河煤礦二號(hào)井，山西 晉城 048019)

0 引言

隨著礦井的采掘深度加深，井下熱害問題已成為礦井開采不可忽視的問題。20世紀(jì)50年代煤礦的開采深度大約為200～300 m，而20世紀(jì)90年代已達(dá)到700～800 m，深度的增加速度為每年加深10 m左右。依據(jù)我國(guó)地下溫度梯度0.035 ℃/m計(jì)算[1-3]，千米以下的巖層溫度比恒溫巖層溫度高出35 ℃或更高。所以，要想有效地防止井下升溫就必須掌握風(fēng)流溫度變化和熱源特性。寺河煤礦二號(hào)井目前開采9#和15#煤，雖然開采深度較淺，但是在部分作業(yè)地點(diǎn)也存在溫度過高現(xiàn)象，特別是在某些機(jī)電設(shè)備硐室，溫度已超過30 ℃。熱害治理成為煤礦必須解決的問題。

1 礦井熱害分析

1.1 井下熱源

使井下發(fā)生熱害的熱源有多種形式，它們大致可分為相對(duì)熱源、絕對(duì)熱源2大類[4]。井下屬于相對(duì)熱源的有熱水的散熱等；而基本不受井下空氣溫度影響的，像機(jī)械設(shè)備和物質(zhì)氧化散熱等的熱源屬于絕對(duì)熱源。

1.2 礦井事故樹的建立

熱害事故樹：以井下發(fā)生熱害的主要原因?yàn)榛A(chǔ)，根據(jù)有關(guān)的理論分析得出井下熱害事故樹，如圖1所示。

X1—機(jī)電設(shè)備功率過大；X2—電器線路出現(xiàn)偏差；X3—散熱效果差；X4—圍巖與風(fēng)流熱交換；X5—風(fēng)流壓縮熱；X6—熱水浸流；X7—高溫?zé)崴茉O(shè)計(jì)不當(dāng)；X8—引導(dǎo)熱水方法錯(cuò)誤；X9—人體散熱；X10—氧化放熱圖1 熱害事故樹

各熱源分析：通過對(duì)寺河煤礦二號(hào)井的統(tǒng)計(jì)分析，礦井熱源所占的比例如圖2所示。從圖2看出，機(jī)電散熱這一熱源占寺河煤礦采區(qū)總熱源的25%，根據(jù)事故樹的分析，機(jī)電散熱有3個(gè)主要原因分別為X1、X2、X3，對(duì)這3個(gè)因素采取降低散熱量的措施可使井下溫度降低。在寺河煤礦二號(hào)井的2大類熱源中，熱水散熱占26%，根據(jù)事故樹的分析，熱水散熱的主要原因有X6、X7、X8，解決X6可利用提前疏干熱水的方式；X7需要將管路安設(shè)在風(fēng)速小的位置；X8可以在相關(guān)位置挖掘水溝并加上蓋板。由于一般的井下存在的熱水量較少，所以可以不做分析。另外人體散熱、物質(zhì)氧化散熱等熱源占總比例都相對(duì)偏少。在寺河煤礦二號(hào)井熱源中占最大比例的熱源是圍巖與風(fēng)流進(jìn)行熱交換的熱量和風(fēng)流壓縮所產(chǎn)生的熱量，它的比重是38%，同時(shí)它也存在固定性，使得這一熱源不能被除去。所以，井下熱害的研究應(yīng)該更多地放在這里。

圖2 寺河煤礦二號(hào)井采區(qū)熱源分析

2 礦井巷道巖石內(nèi)部溫度場(chǎng)分析

2.1 圍巖的熱傳導(dǎo)方程

由傅里葉定律[5]，得熱傳導(dǎo)微分方程公式

(1)

式中：θ—圍巖溫度，℃；t—時(shí)間，s ；a—熱擴(kuò)散率，m2/s；a=λ/ρc；λ—熱導(dǎo)率，w/m℃；ρ—密度，kg/m3;c—比熱，J/kg·℃。

根據(jù)公式(1)通過化簡(jiǎn)可知三維的計(jì)算模型為

(2)

以上公式運(yùn)用解析法來求解較為困難。文章中巷道圍巖的溫度差的具體計(jì)算可用異步長(zhǎng)有限差分法[6-7]來解出，計(jì)算的模型如圖3，圖4所示。

圖3 巷道模型示意圖

圖4 巷道中風(fēng)溫和巖石溫度解算示意圖

2.2 模型無(wú)量綱化

礦井的巷道被模型化時(shí)需體現(xiàn)出其實(shí)際特征。量綱對(duì)于模型變量來說只是一種相關(guān)的度量方式，量綱的準(zhǔn)確性是靠基本量維持的，為使巷道模型的準(zhǔn)確性符合客觀規(guī)律，文中將變量進(jìn)行無(wú)量綱[8]。

當(dāng)井巷邊界的條件τ為0時(shí)：

式中：Bi—畢渥數(shù)，畢渥數(shù)的數(shù)值表示在非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱情況下，物體的內(nèi)部溫度場(chǎng)分布情況及規(guī)律。

2.3 圍巖溫度的求解

在需要了解井下巷道圍巖內(nèi)部溫度分布情況時(shí)，使用異步長(zhǎng)有限差分法對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬可求出數(shù)值。井下風(fēng)流與巷道圍巖的熱對(duì)流交換形式有圍巖自身的內(nèi)部導(dǎo)熱和巷道壁面與風(fēng)流的熱對(duì)流換熱。在進(jìn)行圍巖溫度計(jì)算之前，要掌握巷道壁面、井下風(fēng)流等的溫度。礦井巷道方向的選取，以及風(fēng)流溫度計(jì)算的無(wú)量綱表達(dá)式：

式中：?！獪囟壬仙禂?shù)；Ω—溫度上升梯度。

3 礦井干燥巷道風(fēng)流溫度的預(yù)測(cè)

3.1 礦井風(fēng)溫預(yù)測(cè)式

礦井內(nèi)部干巷道的風(fēng)流溫度預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型是由風(fēng)流溫度計(jì)算的方程式積分且修正過的Starfield時(shí)間系數(shù)得出的。

礦井干燥井下巷道風(fēng)溫預(yù)測(cè)式：

Θ′=θ0-(θ0-ΘIN)·exp(-Ξ)

礦井傾斜干燥巷道風(fēng)溫預(yù)測(cè)式：

Θ=Θ′+Ω·Z*[1-exp(-Ξ′)]/Ξ′

3.2 井下風(fēng)流溫度的模擬

模擬基本參數(shù)如下所示：

r0=2 m，α=14 w/m2℃，λ=2.5 w/m℃，a=1.12×10-6m2/s，Q=26.2 m3/s，θ0=30 ℃Cpa=1 003 J/kg℃，ρa(bǔ)=1.2 kg/m3，ΘIN=20 ℃。

根據(jù)上述公式求得風(fēng)流在3 000 m的通風(fēng)巷道中一個(gè)月、1年和3年時(shí)間里進(jìn)風(fēng)井、回風(fēng)井風(fēng)流溫度的模擬分布情況。

根據(jù)上述模擬內(nèi)容和風(fēng)流溫度分布情況進(jìn)行分析，得出進(jìn)風(fēng)風(fēng)流的溫度和井下巷道圍巖的溫度存在較大的溫差，井下通風(fēng)的時(shí)間與井下巷道圍巖和風(fēng)流的換熱量成反比，風(fēng)流進(jìn)入井下最初時(shí)溫度起伏大，進(jìn)入井下的風(fēng)流經(jīng)過較長(zhǎng)的時(shí)間后，圍巖與風(fēng)流兩者的換熱變少且溫度趨于相等，礦井風(fēng)流的溫度上升速率緩慢。圖5分析了水平干燥巷道的風(fēng)流溫度情況，在進(jìn)風(fēng)風(fēng)流與巷道圍巖進(jìn)行熱交換時(shí)，礦井風(fēng)流的溫度上升幅度較大；圖6是進(jìn)風(fēng)立井的情況，新風(fēng)不斷地從立井進(jìn)入井下的同時(shí)，導(dǎo)致礦井風(fēng)壓增大、體積縮小和釋放熱量，所以進(jìn)風(fēng)立井風(fēng)流的溫度一般要高于井下水平巷道的溫度；圖7中的回風(fēng)立井的污風(fēng)向上排出地面，此時(shí)風(fēng)壓降低、體積增大和吸收熱能，但是風(fēng)流在這一時(shí)期所獲得的熱量卻低于風(fēng)流與巷道圍巖井下熱交換時(shí)散發(fā)的熱量，所以，風(fēng)流在回風(fēng)立井中上升的時(shí)候風(fēng)流的溫度沒有發(fā)生明顯變化，但是此時(shí)的風(fēng)流溫度遠(yuǎn)比干燥巷道的風(fēng)流溫度低。

圖5 礦井水平巷道風(fēng)流溫度變化情況

圖6 礦井進(jìn)風(fēng)立井風(fēng)流溫度變化情況

圖7 礦井回風(fēng)立井風(fēng)流溫度變化情況

4 結(jié)論

(1)風(fēng)流壓縮、巷道圍巖與風(fēng)流進(jìn)行熱交換是導(dǎo)致礦井溫度升高的主要原因。

(2)以引發(fā)礦井溫度升高為出發(fā)點(diǎn)，基于引起熱害的主要原因，建立了礦井事故樹。

(3)對(duì)巷道圍巖的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析，提出了礦井干燥巷道風(fēng)流溫度的預(yù)測(cè)式，并對(duì)巷道中風(fēng)流溫度的變化規(guī)律進(jìn)行了模擬分析，從而為礦井降溫奠定相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。