尹站穩(wěn)

（河南神火煤電有限公司泉店煤礦，河南 許昌 461000）

泉店煤礦14010 工作面位于礦井西翼14 采區(qū)東北部，東鄰二1-12070 工作面，西鄰14 采區(qū)三條上山，南鄰二1-14030 綜采工作面。工作面地面標(biāo)高+118.1～ +120.5 m，井下標(biāo)高-386.7～ -237.7 m，主采二1 煤層，平均傾角約27°，煤厚1.5～6.5 m?；夭善陂g工作面溫度過高，在31 ℃以上，嚴(yán)重影響工人作業(yè)環(huán)境和生產(chǎn)安全。

1 工作面熱量來源分析

1.1 原始巖溫的影響

隨著地殼深度的增加，巖體溫度逐漸升高，這主要是地心由內(nèi)至外的熱流造成的[1-2]。地?zé)嵩黾影匆欢ǖ販靥荻茸兓昝旱V的平均地溫梯度約為2.3 ℃/hm，14010 工作面埋深約500 m，工作面較地面溫度高11.5 ℃。另外工作面裂隙水溫度較高，約37 ℃。故埋深和高溫的裂隙水是造成工作面地溫較高的主要原因之一。

1.2 空氣流動自壓縮放熱及人體發(fā)熱

空氣流動的自壓縮放熱，是由于地球重力場作用，空氣沿井巷向下流動時，其位能轉(zhuǎn)化為焓，致使溫度升高。一般可知空氣自壓縮發(fā)熱量與風(fēng)量、風(fēng)流高差均成正比[3-4]，如公式（1）。

式中：Q壓為空氣流動自壓縮放出的熱量，kJ；MB為風(fēng)量，m3/min；ΔH為風(fēng)流流動的高差，m。

當(dāng)?shù)孛鏈囟仍?5 ℃時，14010 工作面入風(fēng)口所處位置的氣體溫度達(dá)27 ℃左右。也就是說，由于空氣的自壓縮效應(yīng)，工作面的溫度增加了2 ℃。

1.3 工作面風(fēng)量偏小引起的溫度升高

14010 工作面初采時的風(fēng)量按照標(biāo)準(zhǔn)配風(fēng)為1000 m3/min，綜采工作面平均空間面積為9.3 m2，換算成平均風(fēng)速為1.79 m/s，比較適合井下環(huán)境的適宜風(fēng)速。

理論和實踐證明：在其他條件相同時，流過巷道的風(fēng)量增加，從巖體中及其他熱源放出的熱量分散到更多體積的空氣中，風(fēng)流溫度會降低。在巖石溫度較高時，提高回采工作面風(fēng)量，可有效地改善工作面微氣候條件，當(dāng)工作面入風(fēng)風(fēng)流的溫度低于圍巖溫度時，其降溫效果比較明顯。故風(fēng)量偏小也是溫度升高的原因之一。

1.4 工作面破落的煤體散熱

14010 工作面煤壁斜長L=201 m，平均煤厚M=4.34 m，煤壁溫度分地段不一致，高的地段可達(dá)30 ℃左右，而煤壁內(nèi)實體煤的溫度還會更高。工作面煤炭平均日產(chǎn)量為2800 t，大量破落的煤體散熱是工作面高溫的主要來源之一。

實測工作面檢修班不出煤時的出風(fēng)口的平均溫度比入風(fēng)口的平均溫度高0.8 ℃，正常生產(chǎn)時出風(fēng)口的平均溫度比入風(fēng)口的平均溫度高2.3 ℃。也就是說，由于出煤時的散煤散熱使工作面的溫度增加了1.5 ℃。

1.5 井下機(jī)械設(shè)備散熱

工作面及下順槽的采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、皮帶機(jī)等大功率動力電機(jī)及照明設(shè)備等工作時都會產(chǎn)生熱量[5-8]，使風(fēng)流溫度提升。井下實測顯示工作面設(shè)備運行后周邊溫度升高1.3 ℃左右。工作面主要設(shè)備散熱引起的周邊空氣溫升數(shù)據(jù)見表1。

表1 井下設(shè)備運行時周圍溫升情況

2 工作面降溫措施研究

通過對14010 工作面熱量來源的分析，原始巖溫和空氣流動自壓縮放熱無法人為控制，其他熱量可通過采取針對性措施實施有效降溫[9-10]。

2.1 工作面風(fēng)量調(diào)節(jié)

通常情況下，隨著工作面的風(fēng)量增大降溫效果越好。風(fēng)量的上限值一是考慮不能超過巷道最大風(fēng)速，二是考慮降溫效果及經(jīng)濟(jì)效益。基于風(fēng)流通過井巷熱交換的基本規(guī)律，得出工作面溫度與風(fēng)量變化的關(guān)系，找到最佳結(jié)合點是風(fēng)量調(diào)節(jié)的關(guān)鍵。風(fēng)流通過巷道熱交換基本規(guī)律是基于風(fēng)流為穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程，風(fēng)流沿巷道流動示意圖如圖1。假設(shè)質(zhì)量流量為G通過巷道，在入口處能量為E1（kJ/s），在出口處能量為E2（kJ/s），在流動過程中熱交換能量為Q（kJ/s），風(fēng)流能量E可由風(fēng)流內(nèi)能（U=Gu）、位能（Ew=GgZ）、動能（Ed=Gv2/2）和流動功（Gpv）表示，則熱力學(xué)第一定律可表示為：

圖1 風(fēng)流沿巷道流動示意圖

其中：u1、u2分別為風(fēng)流入口、出口的內(nèi)能，J/kg；p1、p2分別為風(fēng)流入口、出口的壓強(qiáng)，J/kg；ρ1、ρ2分別為風(fēng)流入口、出口的比容，m3/kg；Z1、Z2分別為風(fēng)流入口、出口的標(biāo)高，m；v1、v2分別為風(fēng)流入口、出口的風(fēng)速，m/s；g為重力加速度，m/s2。

又知Gg（Z1-Z2）為風(fēng)流高差的自壓縮熱，可歸入總熱量交換中，風(fēng)流流過巷道將熱量一部分轉(zhuǎn)化為顯熱，一部分轉(zhuǎn)化為潛熱，其和為焓，則可表示為：

式中：t1、t2分別為井巷風(fēng)流入口、出口的干球溫度，℃；Δt為干球溫度變化量，℃；Δd為巷道出入口的含濕量變化量，g/kg；cp為空氣的質(zhì)量定壓熱容，為常數(shù)，一般取1.005 kJ/（kg·℃）。

結(jié)合工作面放熱量來源，列出熱平衡方程，可得到工作面不同風(fēng)量和干球溫度的關(guān)系，如圖2，可知工作面干球溫度在27 ℃時，工作面最佳風(fēng)量約為22 m3/s。

圖2 工作面干球溫度與風(fēng)量關(guān)系曲線

2.2 工作面下行通風(fēng)

研究表明，煤層傾角較大時，工作面采用下行通風(fēng)方式可適當(dāng)降低工作面溫度。14010 工作面傾角為28 ℃，為大傾角工作面，實施上順槽進(jìn)風(fēng)、下順槽回風(fēng)，可在以下方面降低工作面風(fēng)流溫度：

（1）主要運煤設(shè)備工作時產(chǎn)生的熱量。由表1可知，主要運煤設(shè)備工作時產(chǎn)生熱量可提高周圍溫度1.3 ℃，其主要放置在下順槽，下行通風(fēng)時將該部分熱量直接帶入回風(fēng)大巷中，不再進(jìn)入工作面。

（2）采空區(qū)散熱。實測表明，采用下行風(fēng)時工作面后方采空區(qū)的漏風(fēng)量比采用上行風(fēng)時減少20%左右。由于漏風(fēng)量的降低，使得采空區(qū)由于漏風(fēng)而帶入工作面的熱量也同樣降低。

（3）散煤運輸產(chǎn)生的熱量。如公式（4）所示，工作面采落煤體散熱量計算得出136.88 kcal/h，當(dāng)上行通風(fēng)風(fēng)流逆煤流而行，將散發(fā)的熱量再次帶入工作面，下行通風(fēng)時將煤體散發(fā)熱量直接帶入回風(fēng)大巷。

式中：Qs為采落煤炭放熱量，kcal/h；Gy為工作面產(chǎn)煤量，取160 kg/h；CY為煤的比熱，取1.16 kcal/kg·℃；t0、tB分別為原煤溫度和風(fēng)流溫度，分別取31 ℃、29 ℃；J、J0為系數(shù)，分別可取0.8、0.45。

2.3 噴霧灑水降溫

灑水管道將地面的水流至工作面，沒有受到自壓縮放熱的影響，溫度較低。實測表明，地面空氣溫度25 ℃時，灑水池內(nèi)的水溫23 ℃，水流至工作面時溫度24 ℃，工作面入風(fēng)口處的氣溫要低3 ℃左右。在工作面進(jìn)風(fēng)巷中設(shè)置兩道水霧棚，利用水吸熱蒸發(fā)物理屬性，噴霧灑水可降低工作面0.5 ℃左右。

2.4 機(jī)械制冷降溫

當(dāng)夏季地面溫度到達(dá)28 ℃及以上時，采取機(jī)械降溫措施輔助降溫[9-10]。機(jī)械制冷是在主井附近建立制冰站用于制取冰片，通過輸送管路將冰片輸送至井底融冰池，融冰池的泵將低溫的水通過管路輸送至工作面的空冷器，將工作面的熱量吸收后重新返回融冰池，部分冷水用于冷卻工作面的機(jī)械設(shè)備和噴霧灑水等。泉店礦輸冰系統(tǒng)采用SL-400型螺旋輸冰裝置，井下輸冷散冷系統(tǒng)采用MD155-30X9 水泵，融冰池采用MD155-30*8 型水泵。

3 現(xiàn)場應(yīng)用及結(jié)論

根據(jù)研究的結(jié)果，14010 工作面采用將風(fēng)量調(diào)節(jié)為1380 m3/min，風(fēng)路采取上順槽進(jìn)風(fēng)、下順槽回風(fēng)的下行風(fēng)方案，在進(jìn)風(fēng)巷設(shè)置兩道噴霧灑水設(shè)施等措施后，當(dāng)?shù)孛鏈囟鹊陀?5 ℃時，14010 工作面的溫度可保持在28 ℃左右，夏季時，地面溫度超過28 ℃時，采用機(jī)械制冷輔助降溫，保障工作面溫度不超過30 ℃。工作面作業(yè)環(huán)境明顯改善，不僅保證了生產(chǎn)安全，同時保證了工人的作業(yè)環(huán)境和工作效率。