深井矿区温度场特征及热湿交换研究

李广龙

【摘  要】论文主要研究深井矿区工作面温度场的特征和热湿交换问题，综合考虑矿井安全性和人体舒适度2个方面，通过对工作面各个热源及井下地温特征的具体分析，运用热工基础、工程热力学的理论知识，推导出具体的热载荷计算公式，利用反分析法进一步分析处理得到的结果。建立深井矿区工作面热湿交换模型，依据验算比对，算出矿井内巷道的各种热源的传热值，致力于总结一种实用、可靠、简洁的验算办法。这不仅可以预测矿内风流状态，还可以为确定矿井温降措施提供科学理论依据和必要的基础信息。

【Abstract】This paper mainly studies the characteristics of the temperature field of the working face and the heat and moisture exchange in the deep mine area， comprehensively considers the safety of the mine and the comfort of the human body， and through the specific analysis of the various heat sources of the working face and the characteristics of the underground ground temperature， the specific thermal load calculation formula is derived by using the theoretical knowledge of thermal engineering and engineering thermodynamics， and the results are further analyzed and processed by the reverse analysis method. The heat and moisture exchange model of working face in deep mine area is established， and the heat transfer value of various heat sources in roadway in mine is calculated based on checking calculation and comparison， and a practical， reliable and simple checking method is summarized. This can not only predict the airflow state in the mine， but also provide scientific theoretical basis and necessary basic information for determining the mine temperature drop measures.

【关键词】高温矿井;地温特征;热湿交换;热荷载

【Keywords】high temperature mine; geothermal features; heat and moisture exchange; thermal load

【中图分类号】TD722                                             【文獻标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）09-0194-03

1 引言

伴随着人们不断对矿产资源的深度开发，国内的露天地表矿产、浅层矿产、开采技术相对简单单一的矿产储量已基本消耗殆尽，为继续满足国内经济和社会发展需要，使得国内大部分矿山进入深部或复杂矿产的采掘阶段，深部开采将面临着岩层控制、井下工作环境、深部回采工艺等一系列突出问题。由此可以看出，井下工作环境的热害问题对矿井和工人的安全影响越来越突出，以通风、降温、制冷等方式来解决热害问题变成矿山重要的研究方向。要科学分析各种数据，确定个性化制冷装置，主要是确定矿山巷道的低温特征和各个热源情况，而弄清矿井内的热湿交换机理就显得尤为重要，这是进行一切降温除湿技术的理论基础。

2 深井矿区地温场特征

矿井的温度场变化因素主要有井上环境温度、井下温度场和矿井深度3个方面，研究清楚它们之间的关系，将有利于我们弄清楚深井矿区地温场特征。一般情况下，矿井下温场和矿井上环境温度的同步作用时，原始围岩温度顺着深度这个参数一般定义为3个温场变化区域。矿井表面浅部在井上环境温度的影响下，围岩的原始温度跟随井上环境温度将呈现周期性变化，这一区域叫变温带。围岩原始温度会伴随着矿井深度的提高受大气温度持续减小，受矿井温度场的影响持续增大，二者会在某一深度位置趋于平衡，一般情况下围岩温度常年保持恒定温度范围，这一区域叫恒温带，它的温度数值一般高于矿山年均气温1～2℃。在恒温带以下，由于受矿区地温场的影响，在一定的区域范围内，岩层原始温度随深度的增加而增加，一般呈线性的变化规律，也有非线性或异常变化的，这一层带称为增温带。在该区域内，岩层温度的变动规律一般用与深度密切相关的地温梯度或用地温率来表达。

3 深井热害控制标准

现阶段，我国矿井内气候环境的评价指标通常会用干球温度表示。《煤矿安全规程规定》，比较适宜的温度一般不大于26℃，严禁在高于30℃时开采作业。《地下矿通风规范》中，比较适宜的干球温度值为28℃，表1就是开采作业面的气候条件。

开展矿井热环境控制标准和热害产生机理的研究，讨论梳理各个国家矿井热环境控制标准的前提下，全面分析湿度、温度和风速的矿井环境评价标准体系，全面分析总结温、湿和风速去确定矿井热环境管控标准，可以得出结论：相对湿度≤90%，温度≤30℃，风速区间在2～4m/s。

4 深井热荷载的计算

深井工作面热源一般可以按照相对热源与绝对热源2种类型计算。相对热源主要指围岩、涌水等。绝对热源主要指风流的压缩与膨胀、机电设备的运转、煤和其他氧化物质的氧化以及人体散热等。我们主要考虑计算围岩、热水、空气压缩、氧化、采落矿岩冷却和人体等散热。

4.1 围岩散热分析

一般的深井矿山里，围岩初始温度过高是造成矿山内高温的第一因素。围岩传递给井内空气的热量可按照下式计算：

Qn=KτUL（tn-tf）                 （1）

式中，Qn为围岩传递给井下空气的热量，W;Kτ为岩石与巷道风的不稳定换热系数，W/m2·℃，它通常是指围岩和巷道空气的温差是1℃，单位时间里1m2围岩壁面对空气释放的热量值;U为井道的周长，m;L为长度，m;tn为井道始末端处原始岩平均温度，℃;tf为通过井道始末两端空气的平均温度，℃。

4.2 水的散热分析

按照传热学原理表达，加入已知井下涌水量、水的温度及水离开这一段井道的温度，通常可以快速地计算出水在这一段井道内所释放的热量，即：

Qw=mwc（tw1-tw2）                （2）

式中，Qw为涌水所释放的传热量，W;mw为涌水量，kg/s;c为水的比热容，c=4.187kJ/（kg·℃）;tw1为涌水出口温度，℃;tw2为涌水离开所计算井道时的温度，℃。

4.3 压缩放热分析

按照能量守恒定律的原理，通常情况下风流前后状态的高度差与风在压缩过程中的焓增成正比，故空气自压缩释放热量公式为：

QZ=Gg（Z1-Z2）                     （3）

式中，QZ为空气自压缩放热量，W;G为风流质量，kg/s;Z1、Z2为风流从1点到2点的位置坐标，m;g为重力加速度，m/s2。

4.4 机电设备放热分析

通常机电设备释放到空气的热量用式（4）计算：

Qe=0.2N                     （4）

式中，Qe为机电设备的散热，kW;N为机电设备的功率，kW;n为机电设备的数量。

4.5 氧化放热分析

综合各种巷道、围岩、矿石等因素，氧化放热分析一般可用下式计算：

Qo=qoFV0.8                   （5）

式中，Qo为氧化放热量，W;qo为在每平方巷道壁面单位时间的氧化散热量，W/m2;F为风通过矿井的时间与巷道的长度乘积，m·s;V为巷道中的进出风速，m/s。

4.6 采落矿岩的冷却散热分析

开采跌落的矿石在作业面的散热量一般用经验公式计算：

Qi=10.2T×10-3                    （6）

式中，Qi为采落矿岩的散热量，kW;T为工作面24h采量，t/d。

4.7 人体散热分析

开采的工作人员按重劳力计算，则：

Qr=470n×10-3                  （7）

式中，Qr為工作面人体的放热量，kW;n为工作面作业人数。

4.8 反分析法的应用

矿井通风的加热和冷却通常都是在常压下进行，所以一般用始、末状态的焓差来计算空气的吸收或放出的热量。则有：

Q=G（ iC-iA）=G×Cp （ tC-tA）+G×0.001×622×2501×（8）

式中，G为风流的质量流速，kg/s;B为深井工作面空气压力，一般大于1个大气压，但在空调工程中视为常压，依然取B值为101.325kPa;Cp为空气定压比热，J（kg·℃）;iA、iC为降温工作面在进风时和到达控制点时的焓值，kJ/kg;tA、tC为巷道入口和出口的温度，℃;φA、φC为巷道入口和出口的湿度。

5 实例分析

本文以国内某矿山为例，该矿山矿层埋藏深，主采矿层初期开采部分埋藏在1000m以下，地温梯度一般平均值3.0℃/100m，认为初始采区原岩地温为37～45℃，围岩不稳定换热系数6.4097×10-3kW/（m2·℃），涌水温度在37～45℃。

该矿区，一年四季气候比较适宜，春季干旱，东南风多，夏季潮湿多雨，秋冬干旱北风多，常年主力风为东南风，年均气温15.8℃，月均最高气温28.8℃，日最高气温42.5℃。

本次计算以它的27#工作面为例，面内装机容量300kW，每班工作人数20人，工作面长度170m，工作面日产量1000t，岩石密度2650kg/m3，导温系数2.31m2/s，煤岩比热0.84kJ/kg·℃。工作面热害现象严重，夏季温度高达36～40℃。本次计算模拟27#轨道内进风温度到达20℃时，工人作业面的降温幅度。

巷道的长度Y为1600m，宽度X为5m，高度Z为5m;作业面长度X为170m，宽度Y为5m，高度Z为5m。如图1物理模型所示。

模型的边界及初始条件。入口边界条件：隧道内压力低于大气压力，空气几乎无可压缩性，按不可压缩性流体来对待，给定进口气流的流量和空气温度。出口边界条件：按照实际情况直接设定。岩壁边界条件：为了简化问题，方便计算，假设岩壁温度等于原岩温度46.8℃，轴向为定值，厚度设lm，岩壁的恒定内热源为大地热流值，即75.9mW/m2。

我们对进风巷和工作面进行分段，即L取不同的值，进行计算，可以得到在不同点Q的值（见表2和表3）。

利用反分析法的優点把得到的巷道各段的Q值带到公式计算，分别得到进风巷道和工作面不同点的温湿值（见表4和表5）。

6 结论

①通过计算得来的数据与实际测量的数据十分接近，证明我们的计算方案合理可行。

②空气温度低于隧道表面时，风流的流动主要为吸热，尽管风速的增加可以增强对流换热的强度，但吸热量的增加小于流量的热量，单位体积气流的吸热量减少。因此，这种现象反映在气流速度的增加和井底气流温度的降低上。换句话说，随着气流速度的增加，表面温度对井底气流温度的影响增加，切合实际。

③当进风温度为20℃时，风速为2.4m/s时，通过上面计算可以得到入风巷道、作业面温度湿度变化。巷道温度从20℃开始逐渐升高，工作面入口温度为26～27℃，工作面末端温度为30.1℃。入口处的相对湿度为85.3%，而末端的相对湿度为91.2%，基本达到了预期。

④一般想通过降温方法使得矿井工作面的环境达到标准要求，就需要温度小于20℃，速度大于2.4m/s，湿度低于80%的空气输入，能提供这样的通风设施也符合现实条件，以上表明该计算方法合理有效。

【参考文献】

【1】胡汉华.通深热矿井环境控制[M].长沙：中南大学出版社，2009.

【2】何满潮.中国中低焓地热工程技术[M].北京：科学出版社，2004.

【3】张学学，李桂馥.热工基础[M].北京：高等教育出版社，2000.

【4】舒孝国，肖福坤.深部矿井内热源分析[J].煤炭技术，2006（07）：105-107.

【5】陆海燕.夹河矿深井工程地质条件及热害控制技术[M].北京：中国地质大学，2007.