王文林;廉王龙;陈烨
【摘 要】In this paper, combine with the example of the project of the underground mobile local temperature-reducing system. The produce factor of the source heat of the high-temperature mine and the
temperature-reducing measures of the artesian well have been analysised. The temperature calculation model of the Shaft ,tunnel ,stoping
face ,tunnelling working surface and the working face＇s need of chilling have been elaborated either. In addition, the arranging characteristics and the detailed design process of the temperature-reducing system have been introduced.%结合山西晋城无烟煤集团寺河煤矿的井下移动式局部降温系统设计工程实例，分析了高温矿井热源产生因素和深井降温措施；阐述了井筒、巷道、回采工作面、掘进工作面气温计算模型和工作面需、配冷量计算；介绍了降温系统布置的特点及其具体设计过程。 【期刊名称】《煤矿现代化》 【年(卷),期】2012(000)002 【总页数】4页(P37-40)
【关键词】煤矿;降温;计算模型;工业设计 【作 者】王文林;廉王龙;陈烨
【作者单位】晋煤集团寺河矿,山西晋城048205;晋煤集团寺河矿,山西晋城048205;中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏徐州221008
【正文语种】中 文 【中图分类】TD727.5
现代化煤矿开采伴随的是矿井机械化程度的提高，同时国内矿井采掘面不断深入，采掘面中地热和各类机电设备所发热量聚集速度同时也不断升高，形成的高温、高湿环境也严重影响井下作业人员的健康和生产效率，已经造成灾害，矿井热害最终将成为制约开采深度的决定性因素。过高温度对人体生理会产生较大影响，破坏人体热平衡，使生理紊乱，破坏身体电解质平衡，导致中暑，从而降低劳动生产率，增大事故率。同时，人体本身只有体温保证在正常范围内才能使身体各项生理指标保持相互平衡。而国内大多数煤矿采煤工作面温度通常在30°左右，施工人员在此高温下工作，身体疲乏，长时间工作引起头晕、容易造成昏厥，已严重影响了矿井正常的安全生产。因此，对采煤工作面实施局部降温措施对改善劳动环境、降低事故率、提高劳动效率和安全效益具有重要的现实意义。[1] 1.1 空气自压缩放热
自压缩放热是空气在地球重力场作用下，沿井巷向下流动，温度的升高是由于位能转换为焓的结果，对深井来说，自压缩引起风流的温升在通风系统中所占的比例很大，属于矿井一大热源。 1.2 围岩散热
由于自地心径向外的热流成因，温度将随着围岩与地表的距离加大而上升，该地温梯度主要取决于岩石的导热系数与大地热流值，其具体数值决定于温度梯度与围岩埋藏深度。围岩向井巷传热的途径主要表现为借热传导自岩体深处向井巷传热和经裂隙水借对流将热量传给井巷两种方式。 1.3 机电设备散热
井下典型的采掘机械、提升运输设备、扇风机、电机车、变压器、水泵、照明设备
等机电设备几乎全部采用电源，因此机电设备所消耗的能量除了部份用以做有用功处，其余全部转换为热能并散发到采煤工作面。 1.4 氧化热和炸药爆破热
煤矿主要的矿物煤、硫化矿等都会氧化发热，是矿内氧化发热的主要热源。在放顶法开采的长壁采煤工作面中，采空区煤炭的氧化所产生的热量，国内矿井中平均会占到工作面总热量的30%以上，有时达到55%。
炸药爆炸产生的热量全部传给了空气。常用的2#岩石销铵炸药爆破热为3639kJ/kg，其产生的热量是相当可观的，因此应当考虑炸药的爆破热。 2.1 增加风量
在矿井热害较轻的环境中，可增加风量以降低矿井温度。通常采取的措施为：减少风阻；防止漏风；加大扇风机能力；采用合理分风与辅助风路通风法；加强通风管理等。要注意的是加强通风由于受规定的风速和降温成本的制约，随着风量的加大降温作用会逐渐减小直至消失。 2.2 改革通风方式
将上行风改为下行风，对降低风温是有益的。这是因为风流是从岩温较低的、已被冷却的较高水平流进工作面去的。在一般情况下，采用下行通风可使工作面的风温降低1～2℃。 2.3 避开局部热源
各种热源位置对矿井设计成本有着重要的影响，因此需考虑避开热源及改变可变热源位置。因此需研究井下固定热源热水散热、矿物氧化放热的计算和可变热源机电设备散热、采空区的漏风的计算。有针对性地减少热量的排放，设计新风流以避开这些热源，减少热源对风流的加热，以降低风流温度和湿度的上升。 2.4 预冷进风风流
目前通常采用的方法为安装一段有喷淋水雾的巷道，当热风流通过时可将其冷却，
由于水雾的作用该方法还可达到降温和降尘的目的，缺点就是可能会导致高湿的作业环境。
另外还可采用大量的恒温层废弃坑道对入风风流进行预冷降温。利用废弃坑道低岩温巷道冷却风流。采用此项技术的矿井经过低温岩层预冷的入风流温度要比由入风井直接进入井下的入风流温度低 3～5℃。 2.5 隔绝高温围岩
当围岩温度很高时，就要采用某些隔热材料喷涂岩壁，防止围岩通过岩壁向巷道中的空气散热。可采用适合高温地段使用的特殊矿用隔热材料。该材料可采用硅酸盐水泥和生石灰作为基本水硬性材料.以硅灰石、粉煤灰作为辅助水硬性材料及填料，以珍珠岩作为填充材料，以石膏等作为增强剂，以铝粉作为发泡剂，做成具有一定形状的多孔状块料。采用这种材料可使巷道内的温度最大降低3～4.5℃，采煤工作面温度可降低 2～3℃。 2.6 热水防治
由于热水热量大，对风流的加热作用很显著。因此是重点治理方向，对于主要因素的热水热量和防止热蒸气进入风流的主要办法为：首先疏干地下水源，疏干的热水经有隔热盖板的水沟导入水仓，再用隔热管路排至地面或进行工业或居民供热。也可打专用的立井、斜井和平硐疏排热水。 2.7 采取个体防护
个体防护就是在矿内某些气候条件恶劣的地点，让矿工穿上冷却服，实现个体保护。研究表明，穿着冷却服是保护个体免受恶劣气候环境危害的有效措施。它的作用是：当环境的温度较高时，可以防止其对身体的对流和辐射传热，使人体在体力劳动中所产生的新陈代谢热能，较容易地传给冷却服中的冷媒。冷却服的适用范围很广，即可以是独头高温工作面，又可以是井下各种大型设备操作人员和未采用中央制冷空调时的井下游动工作人员和生产管理者。
2.8 人工制冷降温
当采用隔绝热源、加强通风等非制冷措施不足以消除井下热害，或技术经济效果不佳的情况下，才考虑采取人工制冷降温。按制冷机的容量和设置位置可大致分为：①独立移动式制冷机，即在各工作而实施局部制冷的方式；②大型制冷机安装在地表或井下的集中固定式制冷方式，即制冷机在竖井井口或井底冷却全部进风的直接制冷方式和制冷机的冷水用送水管送往工作面附近与移动式热交换器配套，组成局部冷却的分散制冷方式。
冰冷水冷却方法最早应用在80年代南非金矿，目前在深井降温中是一个研究重点，冰冷却系统的主要原理是利用冰的溶解热，通过冰的溶解把水冷却到接近0℃，然后利用输送系统将冰冷水送到各工作面。通常系统采用冰的制备、冰的输送和冰的溶解三个主要部分组成。作为一种新型深井制冷方式，相比水冷却系统，该技术具有无静水压力、低电能消耗、井下高低压换热设备、需水量少、增容能力大及制冷效率高等突出优点。
比较准确地预测出井下风流的气象参数是矿井热害防治设计的关键。另外矿井降温措施选择的是否合理有效，在很大程度上取决于矿井气温预测计算采用的计算方法及计算过程是否准确。
根据目前国内矿井气温预测的现状，针对我国大多数矿井通风线路较长、影响气温变化的因素较多而且多变的具体特点，采用风量、温度和湿度联合解算的方法，对采掘工作面的气象参数进行单风路预计，并按照井筒、巷道、回采工作面和掘进工作面，分别建立不同的计算模型来设计相对应的计算公式。主要内容如下： 3.1 井筒计算模型
以井底车场由淋水大小产生的温度变化因素、在井筒内风流的压缩热设计的计算方法：
式中：FH、YC为井筒深度函数；HC为换热因子；E、M1、M2为计算系数；tA、
tB为井筒始、末端温度，℃；ZD为井筒氧化放热量，kW；G为井筒质量风量，kg/h。
3.2 巷道计算模型
影响巷道风流温度变化的主要因素是围岩的散热，并考虑到水分蒸发对壁面温度的影响，引用了无因次系数Kt。
式中 Kt—无限岩体与巷道壁面间的不稳定热交换系数。W/（m·k）； αd·αs—干燥、潮湿壁面的放热系数，W/（m·K）； FO—巷道壁面潮湿系数。 3.3 回采工作面
回采工作面热交换因数比较多，且很复杂，其末端气温按照下式确定： 式中 Ct·Fj—工作面温度系数； Zm—煤体运输时的放热量，kW； G—工作面质量风量，kg/h。 3.4 压入式掘进工作面通风计算
在独头通风巷道，风筒出口和新掘巷道岩壁由于空气对流的影响存在热交换现象；同时掘进巷道存在的进风流和返回风流使风筒也参与到了热交换系统中。计算模型： 式中 Ck、Nn、M—计算系数； Pf—局扇工作压力，mmH2O； Kt—壁面不稳定换热系数，W/(m·K)； F3—工作面近区表面面积，m2。 4.1 井下气象标准的确定
井下气象标准是煤矿安全生产的重要保障，国家早在1982年便颁布实施了《矿山安全条列》，其中第53条规定：“井下工人作业地点的空气温度不得超过28℃，超过时应当采取降温或其它防护措施。”[2]
在1989卫生部发布的《煤矿井下采掘作业地点气象条件卫生标准》规定了作业面风度和干度标准：\"井下采掘作业地点在风速为0.5～1.0m/s时，干球温度不高于28℃；风速为0.3～0.5m/s时，干球温度不高于26℃。\"[3]
在2009年制定了《煤矿安全规程》，其中第102条规定：\"生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26℃，机电设备硐室的空气温度不得超过30℃；当空气温度超过时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇。\"[4] 基于以上规定和我国矿井开采特点，一般设计的采煤工作面降温设计温度平均为28℃。
4.2 工作面需冷量计算
根据《热害防治规范》中采掘工作面需冷量计算公式：Q=G（i1-i2） 式中 Q—采掘面需冷量；kW
G—采掘面的质量风量；kg/s i1—采掘面进风流焓值；kJ/kg i2—采掘面进风流焓值；kJ/kg
热湿源的单元测定法的目的是为了为热害治理提供可靠的理论依据和科学数据，它是将工作面分成若干个单元，通过测定各单元的进风量、出风量和进、出断面风流的焓值和含湿量值，并累加合成分析最终计算出工作面风流的得热量、得湿量和工作面的热湿源分布。 5.1 测量依据
将工作面按行进方向进行划分为若干单元，图1所示为一个测量单元，所示的测点布置测定进出断面的风流焓值、单元中Qin，Qout表示为风流含湿量和单元的进出风量。
图1 工作面单元划分图
根据风量平衡方程，热量平衡方程和湿量平衡方程建立方程组：
式中:Vin、Vout为分别为单元的风量，kg/s；±Vl为采空区的漏风量，kg/s；
Qgoaf为采空区风流的热量，KW；il为采空区风流的焓值，kJ/kg；Vin、iout为单元风流焓值，kJ/kg；Dgoaf为采空区的风流湿量，kg/s；Dface为煤壁的散湿量，kg/s；dl为采空区风流的含湿量，kg/kg；din、dout为分别为流入和流出单元风流的含湿量，kg/kg。
利用公式，将参数代入可计算出各工作面单元中的漏风量、煤壁的散热量和散湿量、漏风带入或带出巷道的热量和湿量，进而得出工作面不同热源分布及散热量[2]。 5.2 方法步骤与数据记录 测量过程分为4步，分别为：
（1）将采煤工作面按行进方向每隔200m划分为若干单元。
（2）选择各单元作为测点的进风断面和回风断面位置，测定进风量和出风量。 （3）在各测点测量静压、干球温度、湿球温度和风速，并计算出各测点的焓、含湿量。
（4）将测得的漏风量带入风量平衡方程、热量平衡方程和湿量平衡方程计算出巷道的热量和湿量、煤壁的散热量和散湿量。
对上述所得相关数据分析后可得出工作面热湿源分布及其变化发展趋势。 5.3 工作面冷负荷计算
对需冷量的计算，就是为保证工作面回风口温度维持在28℃，需要计算工作面供给冷量。可按下式计算：
式中：LQ为工作面需冷量，kW；MB—风流的质量流量，kg/s；i2为降温前采掘工作面回风口焓值，kJ/kg；i’2为降温后采掘工作面回风口允许焓值，kJ/kg；Kτ为围岩的不稳定换热系数，kW/（m2·℃）；Δt为降温前后工作面风流的平均温差，按下式确定，为降温前工作面进、回风流的温度，℃；t1'、t2'为降温后工作面进、回风流的温度，℃。
以寺河矿集中运输巷掘进头工作面为例计算如下：
G＝掘进头工作面风量（14m3/s）×风流密度（取1.2kg/m3）＝16.8kg/s Δi=焓差（102－78.5）kJ/kg=23.5kJ/kg（从空气焓湿图中读取） Q＝16.8×23.5＝395kW
从计算结果得到该煤矿矿集中运输巷掘进头工作面需冷量为395kW，考虑10%左右的备用系数，设计配冷量为434kW。
矿井温度影响是煤矿安全生产的重要保证，降温工作需要各部门有效的联合工作才能完成降温工作，由于牵涉到机电、采矿、通风与安全等多工种,需要各工种紧密配合，对数据进行有效测定并科学计算，有效合作才能完成矿井降温系统设计。
【相关文献】
[1]杨胜强,汪峰等,单元法测定工作面的热湿源分布状态[J],煤矿安全，2005.04. [2]李德忠等.两淮矿区深井高温热害防治技术初探[J].中国煤炭,2008.04. [3]煤炭工业矿井设计范[S]GB50215-2005. [4]煤矿安全规程[S]2009.
[5]煤矿井下热害防治设计规范[S](MT5019-96).
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容