張正開

（1、西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710054 2、西安科技大學(xué) 西部礦井開采與災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710054）

隨著煤炭資源的開發(fā)，我國(guó)的淺部煤炭資源越來越少，大中型礦井平均開采深度超過500m，并且正以每年8～12m 的速度向下延伸，其中東部礦區(qū)以每年10～25m 的速度進(jìn)入深部開采階段[1-3]。礦井熱害問題會(huì)隨著煤礦開采深度的增加而加劇，據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)[4，5]，全球平均地溫梯度約為3℃/100m，我國(guó)煤田百米地溫梯度為2～4℃/100m。

當(dāng)?shù)V井開采到一定深度時(shí)，礦井高溫?zé)岷栴}難以避免。熱害問題嚴(yán)重威脅到井下工人的生命健康和安全[6，7]，長(zhǎng)期在高溫環(huán)境中勞動(dòng)的職工發(fā)病率高。采煤工作面熱害是高溫礦井熱害最為嚴(yán)重的區(qū)域之一，亟待解決。通過模擬采煤工作面風(fēng)溫，可為工作面工程降溫提供依據(jù)，對(duì)改善工作面熱環(huán)境保障煤礦安全高效生產(chǎn)有重要意義。

1 需冷量計(jì)算公式

在采煤工作面采取制冷降溫前，首先要選取合適的降溫設(shè)備和降溫方案，降溫方案的選取需綜合考慮采面降溫條件，降溫設(shè)備要與降溫方案匹配，最主要的是降溫設(shè)備制冷量需達(dá)到工作面需冷要求，因此采面需冷量是選擇制冷設(shè)備的重要參數(shù)。對(duì)于生產(chǎn)礦井，一般采用（1）～（4）式所示的焓差法來計(jì)算采煤工作面需冷量：

式中，Q 為需冷量，kW；G 為風(fēng)流的質(zhì)量流量，kg/s；k 為考慮冷量損失和制冷系統(tǒng)安全性的富裕系數(shù)，取1.2；i1、i2分別為降溫前后高溫地點(diǎn)空氣的焓值，kJ/kg；t 為空氣的溫度，℃；d 為空氣的含濕量，kg/kg；φ 為空氣的相對(duì)濕度，%；P 為空氣的壓力Pa；Ps為空氣溫度為t 時(shí)對(duì)應(yīng)的飽和水蒸氣分壓，Pa。

2 采煤工作面風(fēng)溫模擬與應(yīng)用

2.1 采煤不同進(jìn)風(fēng)溫度下風(fēng)溫預(yù)測(cè)

采煤工作面的進(jìn)風(fēng)溫度是影響采煤風(fēng)溫的主要因素。采面的制冷降溫，一般是在進(jìn)風(fēng)巷布置降溫設(shè)備，用風(fēng)筒將冷風(fēng)送到采面。因此，選取某高溫礦井采煤工作面為原型，對(duì)不同進(jìn)風(fēng)溫度下的采面風(fēng)溫模擬，預(yù)測(cè)采面降溫后的熱環(huán)境改善效果，工作面參數(shù)如表1 所示。

表1 采煤工作面技術(shù)參數(shù)

取采煤工作面熱害最為嚴(yán)重時(shí)期的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，采面進(jìn)風(fēng)溫度為28℃。對(duì)進(jìn)風(fēng)溫度為28℃進(jìn)行模擬，圖1 為模擬和實(shí)測(cè)風(fēng)溫曲線圖，模擬溫度與實(shí)測(cè)溫度基本吻合。圖2～3 是采煤工作面溫度場(chǎng)的分布，可以得出，工作面前半段溫度較低，風(fēng)流對(duì)工作面降溫效果較好；工作面后半段溫度偏高，尤其在回風(fēng)隅角處溫度近31℃，熱害問題嚴(yán)重。

圖1 工作面沿線溫度場(chǎng)分布

圖2 工作面沿線溫度場(chǎng)分布

圖3 工作面進(jìn)、回風(fēng)側(cè)溫度場(chǎng)分布

模擬進(jìn)風(fēng)溫度為20℃、24℃、26℃、28℃和30℃時(shí)工作面熱環(huán)境改善情況。從圖4 可以看出，工作面進(jìn)風(fēng)段降溫效果明顯，到距進(jìn)風(fēng)巷50m 左右時(shí)工作面風(fēng)溫開始急劇上升，到距進(jìn)風(fēng)巷120 左右工作面溫度升高開始放緩降溫效果不顯著。當(dāng)工作面進(jìn)風(fēng)溫度達(dá)到30℃時(shí)工作面沿線風(fēng)溫整體略高于30℃，進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)測(cè)溫度相差不大，這是因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)溫度與工作面煤巖溫度已十分接近，風(fēng)流幾乎沒有降溫冷卻能力。進(jìn)風(fēng)溫度為26℃時(shí)，工作面平均溫度為26.7℃；進(jìn)風(fēng)溫度為24℃時(shí)，工作面平均溫度能降低至25.5℃，已能有效改善工作面熱害問題；進(jìn)風(fēng)溫度為20℃時(shí)，工作面平均溫度能降低至23.8℃。

圖4 不同進(jìn)風(fēng)溫度下工作面風(fēng)溫預(yù)測(cè)結(jié)果

2.2 應(yīng)用

由上述分析可得，當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度為24℃時(shí)，可以有效改善工作面熱害問題。進(jìn)風(fēng)溫度為20℃時(shí)可以完全解決熱害問題，但是成本高負(fù)擔(dān)大難以實(shí)現(xiàn)。所以，采取進(jìn)風(fēng)為24℃，對(duì)工作面進(jìn)行需冷量計(jì)算。采煤工作面的通風(fēng)量為1900m3/min，取制冷降溫前工作面進(jìn)風(fēng)溫度為28℃、相對(duì)濕度85%；制冷降溫后工作面進(jìn)風(fēng)溫度24℃、相對(duì)濕度95%?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)得工作面空氣平均絕對(duì)靜壓為96635Pa，平均密度為1.09kg/m3。根據(jù)式（1）～（4）可得工作面需冷量為440kW，計(jì)算中求得的降溫前后風(fēng)流狀態(tài)參數(shù)如

表2 所示。

3 結(jié)論

3.1 模擬了采面進(jìn)風(fēng)溫度為28℃時(shí)的工作面溫度場(chǎng)分布，模擬溫度與實(shí)測(cè)溫度基本吻合。

3.2 研究了采煤工作面不同進(jìn)風(fēng)溫度下的采面溫度分布，當(dāng)工作面進(jìn)風(fēng)溫度達(dá)到30℃時(shí)，進(jìn)風(fēng)溫度與工作面煤巖溫度已十分接近，風(fēng)流幾乎沒有降溫冷卻能力。進(jìn)風(fēng)溫度為24℃時(shí)，工作面平均溫度能降低至25.5℃，已能有效改善工作面熱害問題。

3.3 以采煤工作面進(jìn)風(fēng)溫度24℃為該采煤制冷要求，利用需冷量計(jì)算公式，得出采面需冷量為440kW。