王長彬

（1．煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

隨著礦井向深部開采，原始圍巖溫度對井下熱環(huán)境造成了惡劣的影響，危害了井下作業(yè)人員的身體健康。深部礦井熱源中，圍巖放熱占總熱源的比例約為55%，因此從圍巖放熱的熱源治理礦井熱害顯得尤為重要[1-2]。圍巖傳熱屬于井下相對熱源[3-4]，其換熱量主要取決于以下因素：圍巖不穩(wěn)定換熱系數(shù)。深部圍巖的原始溫度、巷道進(jìn)出口風(fēng)流溫度、巷道的進(jìn)風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)速和換熱面積[5-6]。從以上因素出發(fā)，探討圍巖不穩(wěn)定換熱的定性與定量的屬性，為礦井風(fēng)流預(yù)測與熱害治理提供支撐。

1 實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用理論研究結(jié)合模型對比分析的方法，來闡述不同圍巖溫度及風(fēng)量下模擬巷道進(jìn)出口溫度的變化特性?；诓煌L(fēng)量、不同模擬圍巖溫度下來研究模擬巷道圍巖傳熱的特性。基于相同的圍巖溫度的情況下，研究不同模擬巷道風(fēng)量下的進(jìn)出口溫度變化特性及圍巖傳熱系數(shù)變化特性；基于相同的圍巖溫度的情況下，研究不同模擬巷道風(fēng)量下的進(jìn)出口溫度變化特性圍巖傳熱系數(shù)變化特性。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圍巖不穩(wěn)定換熱特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1。

1）模擬巷道通風(fēng)系統(tǒng)。模擬巷道實(shí)驗(yàn)臺(tái)主體采用“沙子+水泥+石子”按照一定比例澆筑而成混凝土，為半圓拱形，模擬巷道長度為600 mm；為了延長風(fēng)流和試件的換熱時(shí)間，使進(jìn)、出口風(fēng)流的溫差更為明顯，在實(shí)驗(yàn)?zāi)M巷道一側(cè)設(shè)有風(fēng)機(jī)，與進(jìn)風(fēng)口相連，基于變頻風(fēng)機(jī)調(diào)整通入模擬巷道的風(fēng)量，風(fēng)量擬定為200、400、600、800 m3/h。

圖1 圍巖不穩(wěn)定換熱特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2）圍巖溫度模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。圍巖溫度模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由保持恒定溫度的加熱水箱、水泵、管路及相關(guān)測試儀器儀表組成；加熱水箱中的熱水溫度可實(shí)現(xiàn)在固定時(shí)間的恒定，為固定圍巖溫度提供實(shí)驗(yàn)條件的支撐；熱水溫度與數(shù)據(jù)采集器相連接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。①熱電阻：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立后，首先要對混凝土試件內(nèi)部溫度進(jìn)行監(jiān)測，保證混凝土試件達(dá)到一定溫度場的情況下，再啟動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)；實(shí)時(shí)監(jiān)測通風(fēng)系統(tǒng)中進(jìn)出口溫濕度、混凝土試件內(nèi)部壁溫的變化，本系統(tǒng)采用能埋在混凝土試件內(nèi)部的PT100 測溫元件，測溫元件共布置3 層（進(jìn)風(fēng)端、中間端、出風(fēng)端），實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，混凝土試件的溫度加熱是通過水箱內(nèi)的熱水進(jìn)行傳熱，因此水溫的變化在一定程度上也反映了混凝土試件的外表面溫度，水溫的變化采用熱電阻進(jìn)行實(shí)施測試，并通過測定的數(shù)據(jù)控制加熱水箱中加熱裝置的運(yùn)行，保證模擬圍巖溫度的穩(wěn)定性；②通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)測試儀：在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，為了準(zhǔn)確測試模擬巷道進(jìn)出口風(fēng)流的風(fēng)量、風(fēng)速、溫度、濕度等參數(shù)，除了在巷道進(jìn)出口斷面按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均勻布置PT100 熱電阻（精確度為±0.05℃），以測量空氣冷卻器進(jìn)出口的風(fēng)流溫度外，還采用FLUKE 便攜式風(fēng)速測試儀和testo635 專業(yè)型溫濕度儀進(jìn)行在線測試。

1.2.2 測試系統(tǒng)的假定

1）假定熱水溫度達(dá)到一定溫度下（30、35、40℃），即為固定時(shí)間的圍巖溫度。

2）水箱內(nèi)的水溫應(yīng)在固定圍巖溫度下在一定時(shí)間內(nèi)（10 min）保持在恒定狀態(tài)。

3）模擬巷道、加熱熱水的熱電阻及模擬巷道進(jìn)出口的熱電阻測試頻率為10 s/次，連續(xù)監(jiān)測。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)方案

1）建立水箱熱水加熱循環(huán)系統(tǒng)，并保持水溫在一定溫度內(nèi)不變，實(shí)時(shí)調(diào)整水箱內(nèi)的加熱裝置。

2）通過熱水循環(huán)系統(tǒng)持續(xù)對混凝土試件進(jìn)行加熱和增濕，逐漸達(dá)到30、35、40℃。

3）在試件溫度達(dá)到一定溫度的情況下，啟動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)并改變不同的風(fēng)量，測定模擬巷道進(jìn)出口空氣的溫度、濕度、風(fēng)量、風(fēng)速等參數(shù)。

4）在啟動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)的同時(shí)，通過Agilent34970數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集混凝土試件內(nèi)部熱電阻的溫度變化，最終模擬出圍巖與風(fēng)流的熱濕交換過程。

5）在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，在達(dá)到每個(gè)設(shè)定值后，應(yīng)采用水箱加熱調(diào)節(jié)裝置，維持混凝土外壁面溫度為恒定值，基于這種狀態(tài)的條件下，實(shí)時(shí)監(jiān)測混凝土試件內(nèi)部熱電阻、內(nèi)表面的溫度變化，等到混凝土內(nèi)壁面溫度、滲水水溫及模擬巷道進(jìn)出口空氣狀態(tài)不再變化時(shí)，準(zhǔn)確記錄此時(shí)的數(shù)據(jù)，即完成1 種圍巖溫度下的實(shí)驗(yàn)過程。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

基于不同風(fēng)量（200、400、600、800 m3/h）、不同模擬巷道圍巖溫度的條件下，圍巖溫度設(shè)定為30、35、40℃，測試結(jié)果見表1～表4，模擬的巷道進(jìn)出溫度變化特性如圖2。

表1 通風(fēng)量200 m3/h 下的實(shí)驗(yàn)參數(shù)℃

從圖2 可以看出，結(jié)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬巷道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的圍巖溫度及模擬巷道進(jìn)出風(fēng)口的風(fēng)流進(jìn)行測試，同一風(fēng)量下出口溫度隨著圍巖溫度的上升而隨之升高；同一風(fēng)量下，隨著圍巖溫度的升高，進(jìn)出口溫差隨之增加，模擬圍巖溫度40℃相比30℃條件下，溫差升高僅1 倍左右；結(jié)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬巷道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的圍巖溫度及模擬巷道進(jìn)出風(fēng)口的風(fēng)流進(jìn)行測試，同一圍巖溫度下出口溫度隨著風(fēng)量的升高而隨之減少；同一模擬圍巖溫度下，隨著風(fēng)量的升高，進(jìn)出口溫差隨之減少，風(fēng)量800 m3/h 相比200 m3/h下，溫差降低僅8 倍左右，以此驗(yàn)證井下通風(fēng)降溫的可行性，在一定程度下，通風(fēng)降溫可以有效解決礦井高溫高濕環(huán)境的難題。

表2 通風(fēng)量400 m3/h 下的實(shí)驗(yàn)參數(shù)℃

表3 通風(fēng)量600 m3/h 下的實(shí)驗(yàn)參數(shù)℃

表4 通風(fēng)量800 m3/h 下的實(shí)驗(yàn)參數(shù)℃

圖2 不同圍巖、不同通風(fēng)量下進(jìn)出口溫度變化特性

結(jié)合表1～表4 測試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合理論分析與數(shù)值計(jì)算，圍巖不穩(wěn)定換熱系數(shù)的數(shù)據(jù)見表5，不穩(wěn)定換熱系數(shù)變化曲線圖如圖3。

表5 不穩(wěn)定換熱系數(shù)計(jì)算數(shù)據(jù)表

圖3 不穩(wěn)定換熱系數(shù)變化曲線圖

通過表5 及圖3 可以看出，圍巖傳熱系統(tǒng)不穩(wěn)定換熱系數(shù)隨著圍巖溫度的升高，基本維持在1 個(gè)相對動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)中，不隨通風(fēng)量及圍巖溫度的變化而變化。

3 結(jié) 語

結(jié)合圍巖傳熱的原理，構(gòu)建了井下圍巖不穩(wěn)定換熱系數(shù)，系統(tǒng)中包含了模擬巷道通風(fēng)系統(tǒng)、模擬巷道通風(fēng)系統(tǒng)、圍巖溫度模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為進(jìn)一步進(jìn)行更為詳細(xì)的圍巖傳熱及隔熱實(shí)驗(yàn)奠定了一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)；但也存在一定的問題，有待進(jìn)一步進(jìn)行解決：①深井圍巖外部為無限大的熱源體，模擬巷道能否全部體現(xiàn)；②后期試驗(yàn)過程中，內(nèi)壁面噴加保溫材料后，對圍巖傳熱的影響特性；③如何控制風(fēng)流的風(fēng)量、風(fēng)速在一定的溫度的穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。