王依磊 王堅(jiān)志 郭隆昌

（山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272055）

1 引言

隨著礦井開采深度的不斷加深，高溫?zé)岷χ饾u凸顯[1]。由于深層礦井原始巖石溫度較高，加之機(jī)械設(shè)備散熱、巷道壁面散濕和礦井水蒸發(fā)等因素的影響，形成了一種高溫高濕的作業(yè)環(huán)境[2-3]。這種作業(yè)環(huán)境不僅會(huì)影響工人的工作效率，也會(huì)對(duì)身體產(chǎn)生損害[4]。目前多數(shù)煤礦采用機(jī)械降溫的方式對(duì)礦井進(jìn)行整體降溫，但是這種方式能耗較高，對(duì)局部位置的熱害控制效果不佳。因此本研究通過數(shù)值模擬對(duì)降溫室內(nèi)的溫度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行了研究并通過實(shí)測(cè)進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 不同進(jìn)風(fēng)條件下降溫室數(shù)值模擬

以唐口煤礦南翼運(yùn)輸大巷為研究對(duì)象，根據(jù)現(xiàn)有的降溫室建立模型，對(duì)不同進(jìn)風(fēng)條件下降溫室內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。

2.1 數(shù)學(xué)模型

降溫室內(nèi)風(fēng)流流動(dòng)要遵循三個(gè)最基本的守恒定律，即質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律與能量守恒定律。將礦井中的氣流視為不可壓縮流體，同時(shí)假設(shè)流動(dòng)是穩(wěn)態(tài)紊流，滿足Boussinesq假設(shè)。

（1）質(zhì)量守恒定律

所有流體流動(dòng)肯定滿足質(zhì)量守恒定律，與其相對(duì)應(yīng)的是流體連續(xù)性方程，可以表達(dá)為：一定時(shí)間流入或者流出某一控制體的質(zhì)量差，是該控制體內(nèi)部流體質(zhì)量的增量。本文中空氣被處理成不可壓縮流體，故空氣的密度ρ是常數(shù)，則有：

式中：

u-速度矢量；

u、v、w-速度u在x，y和z方向的分量。

（2）動(dòng)量守恒定律

該定律可描述成：微元體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于作用在該微元體上的所有力的和。根據(jù)這一定律，可導(dǎo)出x、y和z三個(gè)方向上的動(dòng)量守恒方程式。

式中：

ρ-密度；

t-時(shí)間；

p-微元體上的壓力；

一日傍晚，川矢隊(duì)長(zhǎng)帶著翻譯官莊槐來到百里香腸鋪。保安隊(duì)長(zhǎng)刁德恒領(lǐng)著一幫偽軍守在鋪?zhàn)娱T外，像是鬼子豢養(yǎng)的一群哈巴狗。

τxx、τxy、τxz-由于分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性力τ分量；

Fx、Fy、Fz-微元體上的體力。

動(dòng)量守恒方程也可稱為運(yùn)動(dòng)方程，或者Navier-Stokes方程。

（3）能量守恒定律

能量守恒定律是熱交換流動(dòng)系統(tǒng)都必須滿足的基本定律。通常被表述成：微元體中能量的增加率等于進(jìn)入微元體的凈熱流量加上體力與面力對(duì)微元體所做的功。根據(jù)此表述，可以得出能量守恒方程。

式中：

cp-比熱容；

T-溫度；

k-流體的傳熱系數(shù)；

2.2 不同進(jìn)風(fēng)速度下降溫室溫度場(chǎng)分布

對(duì)降溫室模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在一側(cè)上端，出風(fēng)口設(shè)置在另一側(cè)對(duì)角位置，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)傳熱邊界進(jìn)行局部加密。降溫室外溫度為35℃，人體熱源為37℃，熱流密度為20w/m2。對(duì)進(jìn)風(fēng)溫度為20℃，風(fēng)速分別為1m/s、1.5m/s、2m/s、2.5m/s四種通風(fēng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，z=1m平面作為觀測(cè)面，在平面中心位置自右至左布置一條觀測(cè)線，結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 不同風(fēng)速下z=1m截面溫度場(chǎng)分布云圖

圖2 不同風(fēng)速下溫度分布圖

從圖中可以看出，降溫室內(nèi)中間人體熱源位置溫度較高，兩側(cè)溫度較低，隨著進(jìn)風(fēng)速度的升高，降溫室內(nèi)降溫效果逐漸增強(qiáng)，風(fēng)速為1.5m/s較1m/s時(shí)平均降溫幅度最大，達(dá)到0.58℃，風(fēng)速每提高0.5m/s，平均溫度下降0.46℃。風(fēng)速為1.5m/s、2m/s、2.5m/s時(shí)降溫室內(nèi)主要位置溫度均低于26℃，符合煤礦安全規(guī)程。

2.3 不同進(jìn)風(fēng)溫度下降溫室溫度場(chǎng)分布

對(duì)1m/s進(jìn)風(fēng)速度下，進(jìn)風(fēng)溫度分別為16℃、18℃、20℃、22℃四種情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 不同進(jìn)風(fēng)溫度下z=1m截面溫度場(chǎng)分布云圖

圖4 不同進(jìn)風(fēng)溫度下溫度分布圖

如圖所示，風(fēng)速條件一定的情況下，改變進(jìn)風(fēng)溫度引起的室內(nèi)溫度變化趨勢(shì)較為穩(wěn)定。室內(nèi)平均溫度下降，從而使工作環(huán)境舒適，進(jìn)風(fēng)溫度每下降2℃室內(nèi)平均溫度下降1℃。進(jìn)風(fēng)溫度低于20℃時(shí)室內(nèi)主要位置溫度均低于26℃，符合煤礦安全規(guī)程。

降低進(jìn)風(fēng)空氣溫度以及增加進(jìn)風(fēng)速度可以提高降溫效果，但卻需要增加額外的冷卻成本。因此，為了在熱舒適性和節(jié)能之間取得較好平衡，選擇低于20℃的進(jìn)風(fēng)溫度、1.5m/s左右的進(jìn)風(fēng)速度最為合適。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

唐口煤礦是一座典型的高溫礦井，位于山東省濟(jì)寧市。本礦井平均地溫梯度為2.0℃/100m，屬地溫梯度正常區(qū)。由于開采深度已達(dá)-1000m左右，原始巖溫35℃，再加上采掘工作面機(jī)械設(shè)備裝機(jī)容量較大，使夏季7、8、9三個(gè)月，井下熱害問題極為突出。2018年9月，在濟(jì)寧唐口煤礦南翼皮帶巷進(jìn)行井下現(xiàn)場(chǎng)配置及測(cè)試。

調(diào)節(jié)控制閥使進(jìn)風(fēng)速度與進(jìn)風(fēng)溫度分別為1m/s、18℃，1.5m/s、18℃，進(jìn)行兩組測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。風(fēng)速為1m/s時(shí)實(shí)測(cè)溫度與模擬溫度整體走向趨勢(shì)一致，但溫度高1℃左右，這是由于巷道內(nèi)濕度較高，部分冷量耗費(fèi)在除濕過程中致使實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果出現(xiàn)偏差。風(fēng)速為1.5m/s時(shí)，室內(nèi)除人體熱源位置外均低于26℃，實(shí)測(cè)降溫效果較好，可作為降溫室的合理進(jìn)風(fēng)條件。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）建立了礦井降溫室溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型。

（2）通過數(shù)值模擬得出了進(jìn)風(fēng)速度、進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)降溫室內(nèi)溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，即風(fēng)速每提高0.5m/s，室內(nèi)平均溫度下降0.46℃，風(fēng)溫每降低2℃，室內(nèi)溫度下降1℃。

（3）通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)確定風(fēng)速為1.5m/s、風(fēng)溫為18℃的通風(fēng)條件能耗較少且熱舒適度較好。

圖5 實(shí)測(cè)溫度分布圖