泉店煤矿14010 工作面高温热害防治研究及应用

尹站稳

（河南神火煤电有限公司泉店煤矿，河南 许昌 461000）

泉店煤矿14010 工作面位于矿井西翼14 采区东北部，东邻二1-12070 工作面，西邻14 采区三条上山，南邻二1-14030 综采工作面。工作面地面标高+118.1～ +120.5 m，井下标高-386.7～ -237.7 m，主采二1 煤层，平均倾角约27°，煤厚1.5～6.5 m。回采期间工作面温度过高，在31 ℃以上，严重影响工人作业环境和生产安全。

1 工作面热量来源分析

1.1 原始岩温的影响

随着地壳深度的增加，岩体温度逐渐升高，这主要是地心由内至外的热流造成的[1-2]。地热增加按一定地温梯度变化，泉店煤矿的平均地温梯度约为2.3 ℃/hm，14010 工作面埋深约500 m，工作面较地面温度高11.5 ℃。另外工作面裂隙水温度较高，约37 ℃。故埋深和高温的裂隙水是造成工作面地温较高的主要原因之一。

1.2 空气流动自压缩放热及人体发热

空气流动的自压缩放热，是由于地球重力场作用，空气沿井巷向下流动时，其位能转化为焓，致使温度升高。一般可知空气自压缩发热量与风量、风流高差均成正比[3-4]，如公式（1）。

式中：Q压为空气流动自压缩放出的热量，kJ；MB为风量，m³/min；ΔH为风流流动的高差，m。

当地面温度在25 ℃时，14010 工作面入风口所处位置的气体温度达27 ℃左右。也就是说，由于空气的自压缩效应，工作面的温度增加了2 ℃。

1.3 工作面风量偏小引起的温度升高

14010 工作面初采时的风量按照标准配风为1000 m³/min，综采工作面平均空间面积为9.3 m2，换算成平均风速为1.79 m/s，比较适合井下环境的适宜风速。

理论和实践证明：在其他条件相同时，流过巷道的风量增加，从岩体中及其他热源放出的热量分散到更多体积的空气中，风流温度会降低。在岩石温度较高时，提高回采工作面风量，可有效地改善工作面微气候条件，当工作面入风风流的温度低于围岩温度时，其降温效果比较明显。故风量偏小也是温度升高的原因之一。

1.4 工作面破落的煤体散热

14010 工作面煤壁斜长L=201 m，平均煤厚M=4.34 m，煤壁温度分地段不一致，高的地段可达30 ℃左右，而煤壁内实体煤的温度还会更高。工作面煤炭平均日产量为2800 t，大量破落的煤体散热是工作面高温的主要来源之一。

实测工作面检修班不出煤时的出风口的平均温度比入风口的平均温度高0.8 ℃，正常生产时出风口的平均温度比入风口的平均温度高2.3 ℃。也就是说，由于出煤时的散煤散热使工作面的温度增加了1.5 ℃。

1.5 井下机械设备散热

工作面及下顺槽的采煤机、刮板输送机、转载机、皮带机等大功率动力电机及照明设备等工作时都会产生热量[5-8]，使风流温度提升。井下实测显示工作面设备运行后周边温度升高1.3 ℃左右。工作面主要设备散热引起的周边空气温升数据见表1。

表1 井下设备运行时周围温升情况

2 工作面降温措施研究

通过对14010 工作面热量来源的分析，原始岩温和空气流动自压缩放热无法人为控制，其他热量可通过采取针对性措施实施有效降温[9-10]。

2.1 工作面风量调节

通常情况下，随着工作面的风量增大降温效果越好。风量的上限值一是考虑不能超过巷道最大风速，二是考虑降温效果及经济效益。基于风流通过井巷热交换的基本规律，得出工作面温度与风量变化的关系，找到最佳结合点是风量调节的关键。风流通过巷道热交换基本规律是基于风流为稳态稳流过程，风流沿巷道流动示意图如图1。假设质量流量为G通过巷道，在入口处能量为E1（kJ/s），在出口处能量为E2（kJ/s），在流动过程中热交换能量为Q（kJ/s），风流能量E可由风流内能（U=Gu）、位能（Ew=GgZ）、动能（Ed=Gv2/2）和流动功（Gpv）表示，则热力学第一定律可表示为：

图1 风流沿巷道流动示意图

其中：u1、u2分别为风流入口、出口的内能，J/kg；p1、p2分别为风流入口、出口的压强，J/kg；ρ1、ρ2分别为风流入口、出口的比容，m3/kg；Z1、Z2分别为风流入口、出口的标高，m；v1、v2分别为风流入口、出口的风速，m/s；g为重力加速度，m/s2。

又知Gg（Z1-Z2）为风流高差的自压缩热，可归入总热量交换中，风流流过巷道将热量一部分转化为显热，一部分转化为潜热，其和为焓，则可表示为：

式中：t1、t2分别为井巷风流入口、出口的干球温度，℃；Δt为干球温度变化量，℃；Δd为巷道出入口的含湿量变化量，g/kg；cp为空气的质量定压热容，为常数，一般取1.005 kJ/（kg·℃）。

结合工作面放热量来源，列出热平衡方程，可得到工作面不同风量和干球温度的关系，如图2，可知工作面干球温度在27 ℃时，工作面最佳风量约为22 m³/s。

图2 工作面干球温度与风量关系曲线

2.2 工作面下行通风

研究表明，煤层倾角较大时，工作面采用下行通风方式可适当降低工作面温度。14010 工作面倾角为28 ℃，为大倾角工作面，实施上顺槽进风、下顺槽回风，可在以下方面降低工作面风流温度：

（1）主要运煤设备工作时产生的热量。由表1可知，主要运煤设备工作时产生热量可提高周围温度1.3 ℃，其主要放置在下顺槽，下行通风时将该部分热量直接带入回风大巷中，不再进入工作面。

（2）采空区散热。实测表明，采用下行风时工作面后方采空区的漏风量比采用上行风时减少20%左右。由于漏风量的降低，使得采空区由于漏风而带入工作面的热量也同样降低。

（3）散煤运输产生的热量。如公式（4）所示，工作面采落煤体散热量计算得出136.88 kcal/h，当上行通风风流逆煤流而行，将散发的热量再次带入工作面，下行通风时将煤体散发热量直接带入回风大巷。

式中：Qs为采落煤炭放热量，kcal/h；Gy为工作面产煤量，取160 kg/h；CY为煤的比热，取1.16 kcal/kg·℃；t0、tB分别为原煤温度和风流温度，分别取31 ℃、29 ℃；J、J0为系数，分别可取0.8、0.45。

2.3 喷雾洒水降温

洒水管道将地面的水流至工作面，没有受到自压缩放热的影响，温度较低。实测表明，地面空气温度25 ℃时，洒水池内的水温23 ℃，水流至工作面时温度24 ℃，工作面入风口处的气温要低3 ℃左右。在工作面进风巷中设置两道水雾棚，利用水吸热蒸发物理属性，喷雾洒水可降低工作面0.5 ℃左右。

2.4 机械制冷降温

当夏季地面温度到达28 ℃及以上时，采取机械降温措施辅助降温[9-10]。机械制冷是在主井附近建立制冰站用于制取冰片，通过输送管路将冰片输送至井底融冰池，融冰池的泵将低温的水通过管路输送至工作面的空冷器，将工作面的热量吸收后重新返回融冰池，部分冷水用于冷却工作面的机械设备和喷雾洒水等。泉店矿输冰系统采用SL-400型螺旋输冰装置，井下输冷散冷系统采用MD155-30X9 水泵，融冰池采用MD155-30*8 型水泵。

3 现场应用及结论

根据研究的结果，14010 工作面采用将风量调节为1380 m³/min，风路采取上顺槽进风、下顺槽回风的下行风方案，在进风巷设置两道喷雾洒水设施等措施后，当地面温度低于25 ℃时，14010 工作面的温度可保持在28 ℃左右，夏季时，地面温度超过28 ℃时，采用机械制冷辅助降温，保障工作面温度不超过30 ℃。工作面作业环境明显改善，不仅保证了生产安全，同时保证了工人的作业环境和工作效率。