工作面热源分析与热环境预测

221 008 )
摘 要: 高温热害 是煤炭资源深部开采 面临的 重大工 程难题。文 章以某 矿 9309工作 面为例, 通过 分析 矿
井热源, 利用工作面风温预 测模型, 预测了工作面和两巷道的风温分 布, 并与 实测结果 进行了对比, 结果 表
明热源分析结合风温预测能对工作面的热害程 度进行 准确预 测, 这对于矿 井通风 设计及 局部降 温设计 具
4) 采面 过每个联络巷用机组在底板割 一道 顺水沟, 打木垛保护顺水沟和联络巷, 使工作面一大 部分水通过联络巷流走, 这样就相对减少胶带道内 的流水量, 也就减少了水流带来的煤货。
kg / s;
CB 为空
气的比热, J/ ( kg# e ); P 为大气压力, Pa; E QM 为
巷道中各种绝对热源的放热之和, W; C为水的汽化
潜热, J /kg; b、P m 是由风温确定的系数。 2. 2 采煤面热环境预测数学模型
考虑采下的煤或矸石在运输中的散热, 采煤面 热环境预测计算公式如下 [ 11, 12] :
的煤和矸石散热等; 绝对热源有机电设备散热、氧化 散热和人员散热等等 [ 7] 。
1. 1 围岩散热 巷道围岩对风流散热的热量可用下式计算 [ 8] :
Q s = KSUL( ts - t)
( 1)
式中: L、U 为巷道长度、周长, m; ts、t 为原始岩
温、巷道平均风温, e ; KS 为围岩与风流的不稳定换
9309工作面热源散热量计算结果tab1theresultheattransferfromheatsources9309coalminingface热源围岩氧化设备运输人员合计kw第一区段散热量kw365721881255384第二区段散热量kw81214703711485224第三区段散热量kw7424470312127第四区段散热量kw1230231766230217314193815第五区段散热量kw134312091135881714第六区段散热量kw346542842090701合计kw211137755081125694628458391比例4606164724431242061100围岩4606人员061氧化1647机电设备2443运输1242围岩氧化机电设备运输人员9309工作面热源散热量比例图fig1heattransferfromheatsources9309coalminingface可以看出工作面作为热源的集中区域散热量远大于其两侧运输顺槽与轨道顺槽对风流温度变化具有重要影响
相对误差 /%
0. 000 0. 293 0. 179 0. 516 0. 453 0. 048 0. 108 0. 137 0. 357 0. 173 0. 018 0. 577 0. 132 1. 112 1. 644 1. 080 2. 585 1. 594
预测风流温度与实测风温对比如图 1所示, 从 图中可以看出, 风流温度计算结果与实测值的变化 规律基本一致, 沿巷道长度方向风流温度逐渐升高, 两者结果很好吻合。
( 3)
式中: MK 为煤炭或矸石 的运输量, kg/ s; CK 为
煤炭或矸石的比热, kJ/ ( kg# e ); $ tK 为巷道始、末
点煤炭或矸石温差, e 。
2 工作面热环境预测的数学模型
2. 1 工作面通风平巷热环境预测数学模型
收稿日期: 2010O02O07 作者简介: 刘星光 ( 1988- ), 男, 山东菏泽人, 在读硕士研究生, 主要从事矿井通风 降温理论与数值仿真研究工作。
国内外众多学者对矿井热源分布及热环境预测 进行了大量研究。前苏联 学者舍尔巴尼 [ 2] 提出了 确定围岩不稳定换热系数的多种计算方法及风温预 测的简化模型; 德国学者约阿希姆 # 福斯等 [ 3] 成功 提出了一种新的能将风流温度及湿度进行综合计算 的数学方法, 并为这种新方法编制了计算机程序; 日 本学者平松良雄 [ 4] 以潮湿巷道为基础 建立了风流 温度预测方法; 我国学者岑 衍强、侯祺 棕等 [ 5] 通过 对矿井风流温度与湿度间变化相互关系的分析, 建 立了风流温湿预测模型。但由于矿井条件的复杂多 变性, 这些模型多数没有在我国煤矿的应用中得到 验证。
高 - 810 ~ - 820 m, 原岩温 度 35. 6 e , 风 量约为 650 m3 /m in。巷道为煤巷, 长 600 m, 断面宽 4. 2 m, 高 2. 8 m, 锚网支护; 工作面长 130 m, 断面宽 6 m, 高 2. 8 m。轨道巷内机电设备包括电绞车、水泵、变压 器、液压机等, 总功率约为 710 kW; 采煤面内总装机 功率 约 为 300 kW; 转 载 机 及 破 碎 机 功 率 约 为 110 kW。从轨巷道入口开始, 每隔 100 m 布一个测 点, 直至机械设备前, 然后每隔 20 m 布一个测点直 到进风隅角; 工作面测点间距为 26 m; 在运输巷, 从 回风隅角到转载机后每隔 10 m 布一个测点, 然后每 隔 100 m 布一个测点, 直到运输巷出口。 3. 2 工作面散热量计算
46. 06% 和 24. 43% , 是工 作面 温度升 高的 主要 原 因。 3. 3 工作面热环境的预测
应用前面所给的工作面热环境预测方法, 按照 9309工作面实测参数, 对该工作面内热环境进行预 测, 结果见表 2。
表 2 工作面风流温度预测及误差
距轨道巷 预测风温 入口距离 /m /e
0 100 200 300 400 500 600 626 652 678 704 730 830 930 1030 1130 1230 1330
问题探讨
总 第 128期
do:i 10. 3969/ .j issn. 1005- 2798. 2010. 06. 013
工作面热源分析与热环境预测
刘星光 1, 2, 高 峰 1, 2, 刘冠男1, 2
( 1. 中国矿业大学 力学与建筑工程学院, 江苏 徐州 221008; 2. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室, 江苏 徐州
U)
+
M+ N
F
[
1-
exp( -
N 1+ E
U)
]
( 4)
式中: t1、t2 分别为计 算巷道始、终 两点的风流 温度, e ; U为计算巷道的平均风流相对湿度;
E=
0.
622
P
-
b Pm
CCB; N = MKSBUCLB; M = N ts; F =
E M
BQCMB;
M
B
为
巷
道中空
气
的质
量
流
量,
2) 巷道转载机每个循环伸缩一次, 尾缩回后 及时把工作面刮板机头下水沟挖好, 从转载机尾后 顺出, 并作泥袋码好。
3) 通过以上的治理还有大量的煤货被水冲
出来, 这时在胶带道胶带下码墙挡货, 每隔 20多 m 码一道挡货墙, 经过沉淀后, 人工捞出直接装胶带运 走, 把一大部分煤货消灭在工作面胶带道内。
36
角, 约 100 m; 第四区段为采煤面, 约 130 m; 第五区 段由回风隅角到转载机后端, 约 20 m; 第六区段由
转载机后到运输巷出口, 约 580 m。按热 源计算公
式计算, 结果见表 1。
表 1 9309工作面热源散热量计算结果 kW
热源 第一区段散热量 第二区段散热量 第三区段散热量 第四区段散热量 第五区段散热量 第六区段散热量
9309工作面各热物理参数如下: 围岩的导热系 数为 2. 05 W / ( m# e ), 比热为 1 185 J/ ( kg# e ), 密度为 2 650 kg /m3。将工作面划分为六个区段, 分 段计算各热源散热量。第一区段由轨道巷入口到机 电设备前, 约为 400 m; 第二 区段为机电 设备放置 区, 约 100 m; 第三 区段由 机电设 备后端 到进 风隅
热系数, W / (m2 # e )。
1. 2 机电设备散热
机电设备的散热量可按下式计算 [ 6 ] :
n
Qe
=
E 0.
i= 1
1N i
( 2)
式中: N i 为电机额定功率, kW; n 为机电设备台
数。
1. 3 运输中的煤或矸石散热
对于运输中的煤或矸石的放热量一般可用下式 计算 [ 3] :
QK = MKCK $ tK
有重要意义。
关键词: 高温矿井 ; 矿井热源; 热环境预测
中图分类号: TD727
文献标识码: B
文章编号: 1005O2798( 2010) 06O0035O02
随着煤炭资源转向深部开 采, 高地应 力、高地 温、复杂地质构造、高应力瓦斯积聚、地下水突出以 及岩爆等一系列问题成为制约煤炭生 产的技术难 题, 其中深井热害就是一个广泛面临并亟待解决的 工程难题。
合计 比例%
围岩 氧化 设备 运输 人员 合计
36. 572 18. 812 0
0
0 55. 384
8. 121 4. 703 71 0 1. 4 85. 224
7. 424 4. 703 0
0
0 12. 127
123. 023 17. 662 30 21. 73 1. 4 193. 815
1. 343 1. 209 11 3. 588 0 17. 14
34. 654 28. 420 0 31. 628 0 90. 701
211. 137 75. 508 112 56. 946 2. 8 458. 391
46. 06 16. 47 24. 43 12. 42 0. 61 100
由表 1可以看出, 工作面作为热源的集中区域, 散热量远大于其两侧运输巷与轨道巷, 对风流温度 变化具有重要影响。从表 1可以看出, 围岩散热量 和机 械 设 备 散 热 量 分 别 占 工 作 面 总 散 热 量 的
25. 4 25. 7 25. 8 26. 2 26. 4 27. 6 27. 8 28 28. 4 28. 6 28. 8 29. 2 28. 9 28. 8 28. 8 29. 1 28. 8 29. 2
实际误差 绝对值 /e
0. 000 0. 075 0. 046 0. 135 0. 120 0. 013 0. 030 0. 038 0. 101 0. 049 0. 005 0. 168 0. 038 0. 320 0. 474 0. 314 0. 744 0. 466
25. 400 25. 625 25. 846 26. 065 26. 280 27. 587 27. 770 28. 039 28. 299 28. 551 28. 795 29. 032 28. 938 29. 120 29. 274 29. 414 29. 544 29. 666
实测风温 /e
35
2010年 6月
刘星光等: 工作面热源分析与热环境预测
第 19卷第 6期
应用数学分析和数理统计相结合的方法, 由风
流经过巷道时的热交换微分方程推导出沿工作面热
环境预测的数学模型。解风流经过巷道时的热交换
微分方程, 得到预测点的风温计算公式 [ 9, 10] :
t2 = t1 #
exp( -
N 1+ E
3 优化采煤工艺, 解决开采难题
5117 右 二 片 回 采 是 在 工 作 面 涌 水 量 达 到 175 m3 /h的情况下, 虽然解决了两个采空区来水, 但 工作面 40 m3 /h的水也给回采带来很大的困难, 想 控制好工作面水的影响, 就要安排好回采工艺。
1) 综采在采煤机割煤后, 工作面下端头处由 于被煤堵塞, 造成水在工作面溜子上面流淌, 从而带 出大量的煤粉, 为了解决这个问题, 采煤工艺采用的 割煤方式为往返一次割两刀, 移架采用滞后式移架, 先移工作面溜子, 使工作面硬帮出现一流水通道。
据不完全统计, 目前国内受高温热害影响的煤 矿有 130多个, 而且这个数字在迅速扩大。国有重 点煤矿中有 70多处矿井采掘工作面温度接近或超 过 30 e , 有的高达 37 e 。在高温环境下工作, 矿工 劳动生产率下降, 身体健康受到损害, 同时严重威胁 井下生产安全 [ 1] 。
在采区布置、工作面开拓之前, 准确评估工作面 热环境状况、预测工作面热害程度, 对于合理制定采 区通风方案和工作面局部降温方案具有重要意义。
t2 =
t1 #
exp( -
1
N +E
U)
+
[ 1-
exp( -
1+NEU]
(
tS
+
F N
)
( 5)
N = (KI UL + 2. 4 @10- 3CKMK L0. 8 ) /MBCB, F = ( E QM
- 8. 4 @10- 3 CK MK L0. 8 ) /MB CB。
3实 例
3. 1 现场测试 测试地点为某矿南翼 9309综放回采工作面, 标
4结 论
1) 工作面作为热源的
(下转第 55页 )
2010年 6月
邵力胜: 集贤煤矿综采工作面水患治理
第 19卷第 6期
3) 补 掘 两 个 沉 淀 池, 一 个 沉 淀 池 长 度 为 78 m, 另一个长度为 52 m。
虽然在设计上把两个采空区水解决了, 但工作 面开采后顶板 40 m3 / h的涌水也给生产带来了很大 的困难, 工作面的涌水夹带着大量的煤货淤满临时 水仓, 随时有淹没采区的危险, 综采工作面随时面临 着被淹停产的危险。
本文通 过理 论分析 和实 测对 比, 预 测了 某矿 9309工作面的热害程度, 结果表明热源分析结合风 温预测能对工作面的风温分布进行有效预测, 这为
矿井通风设计及局部降温设计提供了可靠依据。
1 深部矿井工作面热源分析
恶劣的工作面热环境是由于工作面内各种热源
Байду номын сангаас
的放热作用所 引起 的, 主 要有 相对热 源与 绝对 热 源 [ 6] 。工作面内主要相对热源有围岩散热、运输中