（安全技术及工程专业论文）壁面水分蒸发情况下围岩散热及温度分布规律研究.pdf

溯南联l 。：大学硬士学位论文摘要 s 专u d yo n 薯e m p e r a t 甜r e 羚i s t “b u t i o no fs u r r o u n d i n gr o e ka n d 挂e 8 tt l - a n s f e rw i 伽t a 醛n gc o n s i d e ro ft h ew a t e r e v a p o r a t o n o nt h ea i r w a ys u r f a c e a b s 重瀚e t ：辩e 舔镪赡s f 。r 垂 。嫩氇es 珏瀚髓娃主毪g c 款i s 鑫m 菇ns o u r c e 也鑫 i n 娃u e e d | 】嚣 t e 蕊p 。r a 钕辖矗s eo fm i n e 援o w w 采e re v 译。 武i o 程泌攮ea i r w a yh a s 铲e a ti n 蠡u e n c co n t e i 芏l p 黜r e 矗i s 畦b 畦t i o no f 氆es u r r o 醢n d i n g e k ，h e a tq u a n t i t y 台a n s f e r 端d 螽o mm e s u 瀚妣d 赫gr o c k ，艟dh e e 斑eh u m i d i t ya n dt e i n p e r 积1 r eo f 删o w 王nt h i sp a p e r jh e a t a n dm a s st r a n s f e rp r o c e s sb e t w e e n 由ea i r f l o wa n dt h es u 踯u n d i n gr o c ka r es t u d i e d ， h e a tt r a n s f e rm o d e ii se s t a b l i s h c dw i t ht a k i n gc o n s i d e ro ft h cw a t e re v 印o r a t i o no nt 1 1 e a i n v a ys u r f a c e b yn 啪e r i c a ls i m u l a t i o n ，协et e m p e r a t u r ed i s 踊b u t i o no fs u r r o u n d i n g r o c ka 1 1 di t sv a r i a t i o n 帕t 1 1v e n t i l a t i o nt i m e s ，t e m p e r a t u r ec o n d u c t i v i t y ，h e a tc o n v e c t i o n c o e 搦c i e n lw o 伽e 8 sf a c t o r s ，a n dr e j 枷v eh u m j d 毋o fa i 棚o wi so b t a i n e d d t l 】t a k i n g c o n s i d e ro f t h ew a t e re v a p o r a 廿o no nt h ea i r w a ys 曲c e s c n s 晒l eh e 贰蠡e t o ri so n eo f 像ei m p o f t a n tp a r 8 | n e 衙sw 嫩c hi so 矗e nu s e di n 也e e a l c u l a t i o no f 轴a te x c h a n 辨t oi l l i 哪a i r f l o w - ht h i sp 印e r ，证ev 撕a t i o no f s e n s i b l eh e a t 诹c t o ri sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y i ti ss h o w nt h 越m es e n s i b l eh e a tf 撕t o rf o rac e r t a i n a i n v a yi sn o tac o n s t a n t t h ev a i u eo fs e n s i b l eh e a tf a c t o rd e p e n d so nt h et e m p e r a t u r eo f t 1 1 es u r r o u n d i l 唱r o c kw a l l ，t e m p e r a t u r eo fa i r n o 、v ，w e t n e s sf a c t o r s ，r e l 砒i v eh u m i d i l yo f a i r n o wa n de t c t h ev a r i a t i o no fs e n s i b l eh e a tf a c t o rw i 山v e n t i l a t i o nt i m e s w e t r l e s s f a c t o r sa 芏1 dr c l a t i v eh u m i d i t yo fa i r f l o wi sd i s c u s s e da c c o r d i n gt on u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s u l t s t h es e n s i b l eh e a tf 址t o rd e c r e a s e sw i t hm ei n c r e a s eo ft h ev e n t i l 撕o nt i r n ea r e r t h er o c ks u r f a c ei se x p o s e d ，b e c a u s eo fm ed e c r e a s i n go ft h es u r 如c et o m p e r a t u r eo ft h e r o c k 。t h e8 e n s i b l eh e a tf 搬o ri n 鼹e a s e s 州t hm ee n h a n c e m e n to f 啦er e l a t i v e 她瞄i d i t y o fa i r n o wa n dc i e e f e a s e s 、访搬t l l ei n c 始a s e 吣f t h ew e 锰l o s sf a c t o ro f 幽e e ks u 妊沁e 1 ( e y w o r d s ：w a t e fe v a p 。r a 蛀o n ，h e a 圭幽n s 岛 ，t e 鸡o r a 主擞ef l 嚣l d 疆。l e d 粉n e ， s e n s i b l eh e a lf h c t o r l l 河南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地 方外，不包含任何其他个人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名： z 口- f 年j 月2 f 曰 河南理工大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于河南理工大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论 文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：抱蚂指导教师签名：! i ! z 墨垦 2o b 歹年j 月2 多日y 咕年r 月才日 河南理一人学硕+ 学位论文1 绪论 1 1 引言 1 1 1 研究矿内热环境的必要性 1 绪论 人类在舒适环境中工作，其环境不会对身体产生不良影响，而且有助于提高 劳动效率。如果工作环境恶劣，就会影响人体散热，使人感到不适，降低劳动生 产率。当工作环境的热负荷超过人体的适应限度时，人的肌体将受到损伤，自身 热平衡被破坏，影响人体的健康和安全。 感觉温度e r ( z 劲珞c 打v p 乃，印e r 口r “理) 是衡量热环境的指标之一，它以风流静 止不动而相对湿度为1 0 0 的条件下使人产生某种热感觉的空气温度，与不同风 速、不同相对湿度、不同气温条件下，使被测者产生与上述空气温度相同感觉作 为一个指标，用统计的方法划分这些指标，得出综合表示环境条件的示标温度， 即感觉温度。根据国内外资料统计分析可知【2 【3 】，感觉温度e 丁与相对劳动效率 的关系如图1 一l 所示，可见随着温度的增高，工人的劳动效率将有很大的降低。 誊 糌 较 蒋 拈r 霞 罩 2 02 42 8 3 23 6 图1 - l 热环境与相对劳动效率的关系 f j g 1 1r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h e r m a le n v i m n m e n ta n dr e i a t i v e l a b o re f f i c i e n c y 矿井工人每天有八小时在井下作业，矿工的健康、自身感觉及工作效率在很 大程度上决定于所处热微气候的舒适状况。矿内热环境的好坏直接关系到矿工人 们 加 o 河南理工大学硕士学位论文 1 绪论 身安全和生产效率，因此国内外采矿工作者都十分关注矿内热环境的治理和改善 工作。 矿内热环境是指开采矿井井下的热微气候，常习惯把恶劣的热环境称为热害。 研究矿内热环境问题时，主要对与人体散热量有直接影响的环境因素进行研究和 分析。人体热量主要通过皮肤表面，以对流、辐射、热传导和汗液蒸发的方式散 发的。正常情况下2 4 小时内人体通过各种方式散发的热量及在总散热量中所占的 比例见表卜1 j 。 表卜1 人体散热方式及其比例 t a bl 1f o n n so f b o d yh e a tt r a n s f e ra n di t sr a t i o 在人体散热的三种主要形式中，对流散热与气温、皮肤温度及散热系数有关； 辐射散热与巷壁温度、皮肤温度、皮肤的热辐射系数和巷壁的热辐射系数有关； 汗液蒸发散热与空气绝对湿度及水的蒸发系数有关。分析和实验表明，在流体主 要物性( 比热、导热系数、密度、粘度等) 和几何尺寸不变的条件下，散热系数 和水的蒸发系数都是风速的函数。可以认为在热环境中作业的人体散热量主要与 气温、湿度、风速这三种因素有关，所以衡量矿内热环境的主要参数是温度、湿 度和风流速度i 4 j 。 随着采矿工业的发展，越来越多的矿井将向深部延伸。由于地壳内岩石的温 度随着深度的增加而增高，在不同的地质背景和岩石热物理特性下，不同的地区 和不同的深度有不同的地温率，如在火山地区、盐区和沉积岩地区，温度上升特 别高，当开采深度为1 0 0 0 m 时，温度可达8 0 。西德煤矿岩石层温升也较高，在 开采深度达1 0 0 0 1 2 0 0 埘时，温度就达5 0 一6 0 【5 】a 据统计表明 6 】- 【8 1 ，截止到1 9 8 8 河态理工大学硕士学位论文 l 缝论 年，我国的九龙爨、平顶山等6 个矿送井下避湿率在4 一1 8 l 辫，平均越瀑率 约为5 1 0 0 ；国外7 个矿隧井下地温率在1 3 3 5 7 1 0 0 圳，平均地温率为 2 。5 i o o 矾。瀚时由予巷遂凡旃空澜静窄小帮通风路线增长，馕透风疆力增大， 通风越发困难，导致井下风流滠度及滠度明思增加，越来越多的矿井犍不可避免 地出现高温问题 9 】【邶】。由于开采深度的增加，井下高温己造成了热害。 壁雾上矿井热害最严重静怒鸯# 念矿、德霄漂矿察嚣苏联淼矿。矿并开添最 深的是南非金矿，开采深度己超过3 0 0 0 耽最深达3 8 9 2 批原岩温度达3 6 5 8 ， 最高的普列登斯汀矿达6 3 【l l j 。德国煤矿是世界煤矿业开采最深的，1 9 9 3 年平均 采深必9 3 搬，爨深懿俄本毖舱矿采深邑达1 5 3 0 搬，矿势装遗乎均4 3 ，最褒达 6 0 。前苏联的煤矿平均采深为6 5 0 朋，许多矿井采深已达1 2 0 0 1 4 0 0 棚，彼德 罗夫煤矿采深达1 2 m ，岩温4 5 5 0 ，最商这5 2 。比和时莉5 对高温矿井平 均装澡1 4 0 0 俄，平均愿巍湿度s l 。法重畚j e 部鲍矿井乎均采深l o 1 3 珑，卷 温4 5 5 5 。英国近十多年来，有l l 对矿井采深超过1 0 0 0 脚，原崭温度超过4 0 。 渡兰煤矿平均采潦5 7 5 燃，原者滠度3 0 4 3 s 。崧亚亳 ，目本和印度的矿并离温 也比较突出，b 本的赤平煤矿聚深3 5 0 一6 9 3 凇，原疑温度3 5 5 2 。印发的薅个高 温矿井平均采深2 5 0 0 3 0 0 0 m ，原岩温度5 7 6 6 1 1 3 】【i4 1 。 淹着采矿工潼翡发畿，我愆媒矿连程缝密凌了i 餐潺熬害。据统诗，五麓阕建 设矿井采深超过1 0 0 0 珊的有l o 多对，并以每年约1 0 辨的速度向深部延伸，矿井 围岩温度每年增加约o 5 左右，千米深井源岩温度都在3 5 姐上。由于开采深 度懿罐熬秘撬摄像程度瓣疆毫，经我嚣毫滠矿势翳数嚣越来越多，热密程度疆趋 严重。1 9 7 5 年，我国有2 4 对矿井出现了不同程度的热害。1 9 8 8 年全国普查结果 表明已有6 5 对矿并出现了高温热害问题，1 9 9 1 年增至6 7 对，其中采稍面气濑超 过3 的窍3 8 对。截止铡1 9 鳎年，我国蹇湿热密矿井数基基堙至邋8 0 怼，冤 温超过3 0 的约肖5 0 对。如新坟局的孙村矿采深5 7 6 7 7 6 m ，原岩温度2 5 3 5 ， 掘避筒气温3 4 5 ，回采面气滋3 2 s ；平颚山八矿采深6 7 3 册，原者澡度3 卜3 5 ，掘进霹气温3 3 ；湖南7 l l 矿采深仅1 8 0 磁，最毒岩温4 6 8 ，掇遴匿擐寒 气温3 8 3 9 1 6 】。随糟对煤炭这一斑要能源的需求的增加及浅部煤炭资源的桔 竭，开采深度会不断增绷，我潮离溢矿并数舀还会不断增加，嵩溢热害闯题会更 加突如。 矿井热害对人身安全和生产带来了很大的影响幂口危害f 5 】( 1 8 】l f 2 们，主要包括： ( 1 ) 蔫潺黯人俸豹影稳。在裹瀑环壤下俸监，久销静褒汗量可达零瀣 乍篷豹 河南理 ：大学硕十学位论定 1 绪论 5 一l o 倍，大量的氮化钠、水溶性维生索、矿物盐髓之摊出，人体的正常水盐代谢 旋穰环，扶两密瑗熬瘙零等癌变。入在湿熬蠡搴空气申鞍长时窝势礁，会发生中暑、 昏倒、呕吐和湿疹等疾瘸。由于湿热环境会引起人的某种机能障碍，如晕晕欲睡、 性情烦躁等，导致事故率增加，据同本7 个矿井的调查结果表明，3 0 3 7 工作面 较3 0 以下工 乍瑟憨事壤枣璞按l 。3 2 。3 蘩【2 ”。 ( 2 ) 黼温会使矿石飘化加剧，放热升温。其结果不仅使得井下气温不断升高， 而且使空气中的氧含量减少，有害气体成分增加。 ( 3 ) ，势下窆气漾瀑，会魉剿著下季耋辩及设懿褒烂、锈疆及电气线路缝缘程 度下降，缩短其使用寿错。并下高温使机器设备，特别是内燃设备和电气设铸的 工作条件恶化，排热困滩，致使设备效率降低，寿命缩短。用于常温工作的电缆、 毫瓿、电冀褒裹漫骂壤旗至会破窍终缘，爆破器楗谯鸯霹毙受热变壤，威胁安全。 ( 4 ) 弗下高温使劳动效率下降，采矿的经济效聚受到影响。另外，离溢作业 的工时要缩短，随着工效下降和劳动时间缩短，生产定额也相威降低，最终母致 采矿费用增热，成本上舞。戴终，褒赢漫矿井 乍数，需要付绘蕊瀑搀业费也姣残 本身高。 为了羧制矿井高温对人体的伤害，各个国家都制定了相应的规程及评价标准， 对温度气候摆栋及工作时闽等做出蘩求和规定。礴定矿井允许最高气温是保障矿 工身髂键潦帮提高生产效率的重要手段之一。矿并允许最高溢庭( 保安气潼轹准) 是根据备国矿井的地理位置、地质条件、岩石热物理特性、开采深度、降温技术 等自然的、人为的因素和条件确定下来的。西德从1 9 6 5 年开始娥定，感觉瀑度 伍费3 2 为正常王雩# 气滠上限。荷兰禁止在于球瀑度为3 5 良上的环境中劳渤， 在3 0 以上的环境中规定劳动时间不超过6 小时。新西兰规定湿球温度在 ? 44 f ( 2 3 3 ) 时，劳动不超过7 个小时，7 5 。f 以上时由劳资双方协商劳动条件。 琵羁霹蘩爱在3 i 土静条停下劳动。撬克蔑定漫覆大子9 0 锈薅气滋不超过2 8 蔽湿 度为8 0 一9 0 时，气温不超过3 0 作为正常工作环境标准。前苏联煤矿规定在湿度 大子g o 的博况下，矿井允许最高气濑为2 5 ，湿度小于或等于9 0 情况下，矿井 允许最毒气滋麓2 6 俸必歪誊工季挈骂浚稼准湖器2 】。我国寿魏众溪矿由皇产技术 规程规定：井下作业地点的空气温度不得超过2 8 ；煤矿安全规程规定“采 掘工作面的空气温度不得超过2 6 ：机电硐室的空气温度不得越过3 0 。一般认 为：著下空气瀑度超遗3 帮为裹漫矿劳粒”。 高温高温的井下气假环境，严重地威胁矿工的身体健康和煤矿安全生产，直 毒 溺南理王大学礤士学位论文l 缝论 接影响矿工的生产效率，并易引发灾害和事故，生产实践淡明：怼热害的防治， 已经成为矿山安全中急待解决的蓬大课题之一。热害己与瓦斯，矿尘，顶板，火， 东，成为矿并重大灾害之一。可戮理释，未采矿并焱大允诲开采深度，虢菜静意 义来说，将取决于对热环境的控制技术水平及其经济性。因此矿井高温赢湿治理 的相关理论与技术的研究，是矿井深部开采的关键技术之，也是摆在矿业科技 王 乍磐瑟羲兹一顼羹要任务，壁器各藿都在遴孝亍瀑入熬臻究与探索。 。 。2 矿肉热环境霹炎鳇主要内客 矿痰热繇壤磺究是以繇壤叟理学、工程熬力学、传熬学、制冷学等为薹礁， 与采矿工程相结台，分析在矿山开采过程中热环境的变化规律及调节方法的一门 系统学科2 】【3 j 。其研究内容包括：矿山魄热、矿内热溉交换规律、风流温湿度的预 测计冀、岩褥与最滚热甥壤参数瓣测试按术以及强人王铡冷隽主懿冬魏改善热嚣 境技术和设备的研究。具体的研究内容如下： ( 1 ) 矿并魄温静研究：矿井鲍温研究着重分析产艇矿并离温的原因，确定矿井 恒湿带深度、湿度，地湛梯度，评价矿井地瀑条传，预测她温趋势，划分矿井她 温类型，提供地热资料，绘制各种地温图件，测定原岩温度和岩石的热物理性质 等参数。 ( 2 ) 围岩与风流热湿交换的研究：程矿山热源中，围岩散热是一个巨大的热源， 对矿内热环境有很大的影响。该研究主要包攒矿内围岩与风流热滠交换的物理及 数学模型；溪岩与风滚之润熬、滠筵递囊戆诗算及变住援簿分辑；基岩谰热嚣半 径的计算及变化规律等。这些研究将为矿内风流热激状态预测、台理确定矿井降 温措施及空调技术等提供必要的旗础数据。 ( 3 ) 矿悫风浚热瀑拔态磅究及预测：主要磷究起臻熙淀豹速度分蠢鬟撵、鼹滚 的温度变化懑势及风流空气的湿度分布等。其主要饭务是在新建矿井或新水平生 产之前确定备作、韭地点的风流温度及瀛度，确定矿井备通风地点的热环境恶劣程 度、不采用制冷设务的矿井开采深度，为矿井空调及蹲渥慰慕等掇拱基戳数摆。 ( 4 ) 矿井空调技术研究：矿井空调主要研究矿内空气的温度、湿度及风速对矿 工身体健康及劳动熊力静影确等，劳提供矿并降温、降温豹技术措施。蔟主要任 务是将矿内空气的濑度、滠度和风速控制在煤矿安全规稷趣定的范嬲内，毒 效地改瞢矿井闽热环境条件。 ( 5 ) 矿肉煞繇境漆瑾技寒：针对矿并热添及不蔺鹃燕害耩度，辑究合遗豹熬密 河南理1 火学硕t 学位论文 接影响矿工的生产效率，并易引发灾害和事故，生产实践表明：对热害的防治， 己经成为矿山安全中急待解决的重大课题之一；热害已与瓦斯，矿尘，项板，火， 水，成为矿井重大灾害之一。_ j 以理解，未来矿井最大允许开采深度，从某种意 义来说将取决于对热环境的控制技术水平及其经济性。因此矿井高温高湿治理 的相关理论与技术的研究，是矿井深部开采的关键技术之一，也是摆在矿业科技 工作者面前的一项重要任务，世界各国都在进行深入的研究与探索。 1 1 2 矿内热环境研究的主要内容 矿内热环境研究是以环境生理学、工程热力学、传热学、制冷学等为基础。 与采矿工程相结合，分析在矿山开采过程中热环境的变化规律及调节方法的一门 系统学科”。其研究内容包括：矿山地热、矿内热湿交换规律，风流湿湿度的预 测计算、岩石与风流热物理参数的测试技术以及以人工制冷为主的各种改善热环 境技术和设备的研究。具体的研究内容如下： ( 】) 矿井地温的研究：矿井地温研究着重分析产生矿井高温的原因，确定矿井 恒温带深度、温度，地温梯度，评价矿井地温条件，预测地温趋势，划分矿井地 温类型，提供地热资料，绘制各种地温图件，测定原岩温度和岩石的热物理r 陛质 等参数。 ( 2 ) 围岩与风流热湿交换的研究：在矿山热源中，围岩散热是一个巨大的熟源， 对矿内热环境有很大的影响。该研究主要包括矿内围岩与风流热湿交换的物理及 数学模型；围岩与风流之间热、湿传递量的计算及变化规律分析；围岩调热圈半 径的计算及变化规律等。这些研究将为矿内风流热湿状态预测、合理确定矿井降 温措施及空调技术等提供必要的基础数据。 ( 3 ) 矿内风流热湿状态研究及预测：主要研究包括风流的速度分布规律、风流 的温度变化趋势及风流空气的湿度分布等。其主要任务是在新建矿井或新水平生 产之前确定各作业地点的风流温度及湿度，确定矿井各通风地点的热环境恶劣程 度、不采用制冷设备的矿井开采深度，为矿井空调及降温对策等提供基础数据。 ( 4 ) 矿井空调技术研究：矿井空调主要研究矿内空气的温度、湿度及风速对矿 工身体健康及劳动能力的影响等，并提供矿井降温、降湿的技术措施。其主要任 务是将矿内空气的温度、湿度和风速控制在煤矿安全规程规定的范围内，有 效地改善矿井刚热环境条件。 ( 5 ) 矿内热环境治理技术：针对矿井热源及不同的热害程度，研究合适的热害 ( 5 ) 矿内热环境治理技术：针对矿井热源及不同的热害程度，研究合适的热害 河南理l 大学硕七学位论文1 绪论 治理技术及防护措施等。 1 2 国内外研究历史及现状 1 2 1 相关理论研究的发展及现状 据文献记载，国外对矿井热环境的研究始于1 8 世纪中期，1 7 4 0 年法国最早在 b e l f o r t 附近的金属矿山进行了地温测试观测1 2 4 j 。十八世纪末，英国开始系统地进 行井巷围岩温度的测量，认识到地温随着深度的增加而升高的规律。1 9 1 5 年巴西 m o n dv c l n o 金矿首次把空调器应用于井下：1 9 2 4 年西德在r a d l o d 煤矿井下9 5 8 聊 深处建立了集中制冷站，南非也在2 0 世纪2 0 年代开始了矿井风流热力学规律的 研究，并开展了矿井降温工作。1 9 2 3 年西德h e i s ed r e k o p t 假定巷道壁面温度为稳 定周期变化时，分析了围岩内部温度的周期变化，提出了调热圈等概念，这些研 究构成了矿内热环境问题的最初理论。同时期，风温预测计算理论也得到了相应 的发展，1 9 3 9 1 9 4 1 年间，南非b i c c a r dj a p p e 发表了题为“深井风温预测”等四篇 论文，提出了风温计算的基本思想，这是近代风温预测计算的雏形1 2 引。1 9 5 1 年英 国、h e e r d e n 【2 6 1 、日本的平松良雄【2 7 1 、1 9 5 2 年西德k o n i g 【2 8 】、日本天野【2 9 】等人结 合平巷围岩与风流热交换，提出了在理想条件下围岩调热圈温度场的理论解，这 个理论解与传热学领域中1 9 3 9 年英国的c a r s l a w 等人用数学的方法求得的理论解 是一致的。1 9 5 3 年前苏联学者e p 6 a h r b 提出较精确的不稳定换热系数计算方法 【3 0 】。1 9 5 5 年平松良雄提出围岩与风流的传热模型，并分析了风流温度随时间变化 时的分布规律1 3 “。 六十年代，逐步应用计算机进行风温预测计算。1 9 6 1 年苏联的 b o p o a e b f 3 2 】，1 9 6 6 年德国的n o 拊o t 等f 33 用数值计算法描述调热圈温度场。矿内热环 境测试技术也进入实用阶段，如1 9 6 4 年德国的m u c k c 用圆板状试块测定稳态导热的 岩石导热系数 3 4 ；1 9 6 7 年s h e r r a t 在现场对一段巷道强制加热，实测围岩中的温度 分布，并从实测值与理论计算值对比中求出两者之间的当量常数 3 5 1 。 七十年代，是矿内热环境研究形成完整学科体系的时代，一些有关矿内热环 境研究的系统专著逐渐问世，如1 9 7 4 年平松良雄的通风学| ：3 6 】，1 9 7 7 年e 口6 a h b 等的矿井热环境调节指南。1 9 7 1 年德国的j v 0 s s 等相继提出一整套采掘工作面 风温计算的方法【 7 j ：1 9 7 5 年美国的j m c g u a i d 系统地提出了控制矿内热环境的各种 技术对策：1 9 7 7 年保加利亚的s h c h e r b a n 等对掘进工作面的风温计算作了较详尽 溺南瑗1 ：大学礤士学位论文 懿论述【矧。 八十年代，许多国家如美国、苏联、德国、南非、日本、捷克、匈牙利、波 兰和保加利亚等国，都进行了大量的矿内热环境研究工作。从各国发表的文献看， 铡重子黠矿内熬巧襞中一些参数黪硬究，鲤对风滚与黧岩闼斡不稳宠蕊交挨系数、 擞热比、当量热导率殿湿度系数进行了观测、统计研究等。猩风温预测研究方面， 1 。8 0 年鞠本的内野用差分法求得不同巷道形状、者往条件下的调燕圈温度场分布 规律，并提出了考虑入风流温度变化、有水分蒸发条件下的风温计冀方法| 4 哪；1 9 8 3 年南非的s 伽最e l d 等又提出觉为精确的不稳定传热系数的计算公式【4 l j ；1 9 8 5 年日本 耱天野等提密较为完整静矿海燕鄂境工稳设计静数学模鍪及疆序闷。 我潮的矿内热环境研究工作开展较晚，五十年代初才开始进行矿内热环境的 初步研究工作，并进行了地温考察和气象参数的观铡，抚顺煤科分院对矿内风流 懿热力状态遴行了麓测努援罄鞠。屯十霉 弋，漾淡部在中国科学院、潆炭磷究院援 顺研究所等单位的协助下，对一些高温矿井有计划地进行了系统的观测，用数理 统计的方法，提出了风温预测的数学模激i 4 3 1 。1 9 7 6 年杨德源提出了矿内风流热力 计算方法，从热力学角度出发建立了嫩溅筑热力学模戮颈溅风流戆热力状态群j 。 八、九十年代期间，我国的矿山地热研究工作得到了进一步的发展，并出版了 麴相关藩作，1 9 8 1 年矿出地燕概论及挎9 1 年余僵嚣主编的矿山造热与热害 激理对矿山内鲍热窦来源及热害的预防及处爨进行了系统的礤究【l 酣。鸯关裹校 的矿山通风与焱全等相关专业加强了热环境工程的课程和研究内容，科研单位也 将矿内热环境敬善及治理 肇为谋题迸行赣究。美篷获、张兴魏、秦跃平、周西华 等分别对湿壁舔道的传热及传质系数、火灾与圈岩间不稳定按热系数及不考虑水 分蒸发情况下的围岩与风流的不稳定换热系数进行了研究f 4 5 】【4 9 1 ，这魑系数的研究 为蘑岩冬巍藏瓣传递煞量静诗算撬供了鬈论上酌参考簸蠢。i 9 7 年，武汉工堑大 学的侯祺棕等程考虑蹙面潮湿豹情况下研究了井巷围瓣与风流热瀑交换的数学模 型，并给出了相应的计算机模拟算法和计算框图渊。九十年代末，街建良。、 瘸露华嘲等琴l 曩诗粪凌傣力学( e f d ) 方法，荠采掰毒卡葵楗模熬技术瓣缀进王 作面及回采工作面的风流流场及温度场预测，其研究成果为预测矿内空间风流的 燕漏状态及进一步研究控制矿内风流热瀛环境稳供了有益的借鉴。 1 2 2 矿并降温技术研究的发展及现状 矿井高温热害的出现，严重地影响了采矿工业的发展，馓界各高温矿井国家 河南理工大学硕士学位论文 在9 0 年前便开始了矿井降温技术的研究。1 9 1 5 年在巴西的莫劳约里赫金矿建立了 世界上第一个矿井空调系统，在地面建立了集中制冷站。英国是世界上最早在井 下实施空调技术的国家，1 9 2 3 年英国的彭德尔顿煤矿第一个在采区安设制冷机， 冷却采面风流【5 j - n 德国最早于1 9 2 4 年在拉德劳德( r a d l o d ) 煤矿的地面安设一台冷 冻机，井下安装大型风流冷却设备最早是1 9 5 3 年在洛伯尔格矿【5 。巴西莫罗维罗 ( m o r r ov e l n o ) 矿和南非的鲁滨逊矿于三十年代采用集中冷却井筒人风流的方法降 温，南非六十年代便开始了大型矿井集中式空调1 4 1 。苏联、日本等国七十年代开 始应用制冷降温。现在，国外矿井空调制冷规模越来越大，发展迅猛。目前世界 上矿井空调制冷能力最大的当属南非金矿，该国4 4 对矿井都安装了降温用的冷冻 机，1 9 8 5 年11 月，南非金矿把冰送进井下，利用冰的溶解热( 8 0 勋口打钕) 吸热，以 冷却空冷器冷却水，其制冷系统能力达到6 2 8 们，1 9 8 8 年总制冷能力己超过 5 0 0 吖，平均每个矿井超过1 1 4 枷儿德国共有3 2 对矿井，已有2 8 对矿井采用空 调降温，1 9 8 6 年总制冷能力达9 1 4 m 矿，1 9 9 3 年9 月为2 5 6 肘矽。日本从1 9 7 5 一1 9 8 5 年总制冷能力达到4 5 2 8 m ”】i ”】。 我国矿井降温技术的研究工作起步较晚，开始于五十年代初期。1 9 5 4 年抚顺 煤科分院与抚顺、北票、本溪、淮南等矿务局密切合作，开展了矿井测温及矿内 风流热状况的测试和预测工作，这些研究工作为煤矿开展降温工作奠定了基础。 随后又开展了几次规模较大的矿井降温实验工作，具体如下【7 】【5 8 】： ( 1 ) 1 9 6 4 一1 9 7 5 年，在淮南九龙岗矿设计了我国第一个矿井局部制冷降温系统， 为我国制冷降温技术的发展奠定了基础。同期在北票台吉矿、湖南7 ll 矿也进行了 降温试点。 ( 2 ) 1 9 8 2 1 9 8 7 年，在山东新汶矿务局设计了我国第一个井下集中制冷降温系 统( 投资6 0 0 万元) ，在制冷技术、供冷及保冷技术、传冷技术以及利用井下回风流 排热技术等方面都达到了国内先进水平。 ( 3 ) 1 9 8 6 1 9 9 1 年，承担了国家“七五”科技攻关项目，在平顶山八矿设计了 我国第二个井下集中制冷降温系统( 投资1 0 0 0 万元) ，1 9 9 1 年通过国家鉴定，达国 内领先，国际先进水平，获1 9 9 2 年度能源部科技进步二等奖。 ( 4 ) 1 9 9 2 1 9 9 5 年，在山东新汶矿务局设计了我国第一个矿井地面集中制冷降 温系统( 投资2 3 0 0 万元) 。该系统引进了国外的先进技术装备，设计制冷能力达 7 4 0 0 k w ，其技术达到了国际先进水平。 ( 5 ) 2 0 0 2 年，新汶孙村矿一1 1 0 0 聊水平降温工程初步设计。 河南理j ：大学硕士学位论文 l 绪论 我国矿井空调的特点是：( 1 ) 规模小，我国从8 0 年代以来，制冷能力基本没有 增长，缓及霆本豹5 麓，爱夫静餮褪矿纹l 。7 掰( 平读出，矿实黼运行毒l 冷缀静潮 冷量为1 1 5 m 功，遮鼹然这与我国在世界上居聚煤大国的地位不相适应：( 2 ) 国产 制冷机制冷效果好，假使用寿命不长，如孙村矿的n j b f 5 0 冰0 制冷机在井下运行 不妥2 0 夺霹，藏窭筏嚣臻撬咛轮酸裂；( 3 ) 警瀵隶平不裹，篱摸大；( 4 窆璃终 端设备落后，无系列产品”。同时，大型集中式空调系统中的许多技术问题( 如 防爆等) 仍待解决。 3 本论文研究内容 经过长期的努力研究，在矿内热源分析及井巷风流温度的预测及研究方面都 取霪了缀多戏暴，冀疆究方法逛蠢肇一戆理场溺试及理论求黪逐步过度劐蠛场、 理论加计算机模拟技术相结合，在很太程度上擒商了研究精魔和可靠性。在矿井 降温技术方面也逐步迤向成熟并开始用于煤矿生产。这些研究成果对预测矿内热 舔壤，攒簿矿共降瀑及空谖技本的发震起弱了黪零重要的键滋终震，并取惩了缓 大的经济效益。 一般情况下，由于地下水涌出，降尘擞水等原因，矿井赣道中总是有水分存 在，势憋l 起承分蒸发。巷道内的零努蒸发对穗暹壁嚣温度、露卷教热及调热圈 温度场的分布、风流濑度和湿度等都有报大的影响，因此在计算围岩与风流的熟 湿交换j 过程时必须考虑巷道水分蒸发【2 2 】 5 2 】。国内外学者在围轻与风流热湿交换的 研究方甏l 乍了大量的工作，出最秘将巷道篙化必鼍：燥状态遴霉亍分析围岩散热量及 预测风流温度，到螽来的先迸 亍完全干燥情况静计算和预测，然后再根嚣潮湿状 况引入某姥系数，预测潮湿状态时风流温度分布及变化规律【3 8 】【4 8 1 。随着计算机技 术的发展，目翦利用数值模拟方法预测考虑水分蒸发时风流激瀑度成为可行并逐 步走向成熟1 5 9 l 氍镯。 在计算风流温度和湿度时，经常要用到围澍散热量、调热网温度场、糖道壁 面温度、鼹热比等参数。巷道围岩散热、调热圈滠度场等除了受通风的时间、岩 虿燕耱邋性质静影响辩，还受壁嚣水分蒸发、风流穗对滠凄等因素影稿。疆热既 是最常用的衡量和计算巷道内水分蒸发的重要参数之一。在矿井风流温度计算时 为了计算方便通常将照热比视为不随散热过程变化的常数。由予巷道围岩的温度、 菇瀛戆漾度帮漫度、麓遥壁覆斡羧煞系数、巷邋燕嚣承分蒸教羹等彩穗裂露热量 和潜热量的变化，这热因素的变化同样也会使得履热比发生变化。为了能精确的 9 河南理工大学颈士学位论文 l 缒论 计算风流豹滋度释瀑发，在矿势风流燕交换计算中登须考虑显热蹴的变化。 考虑蕉颟水分蒸发对瀚岩滋凌、调热圈半径、替道壁嚣温度等是如何变化的， 承分蒸发黠澍者溢度、调热圈半径、饕遴壁话温度等有掰影响；在矿井风流温凄 诗算辩搀显熬跑定义为鬻数是嚣合理，考虑整瑟承分蒸发霾雩登燕魄将麴何计冀， 其交纯麓襻熟鹰。嚣静静耢究涵未能完全强示氍解释这些润戆，这釜工律帮霄持 避一步爨研褒。 本论文揪藏围岩与风滚戆热漫交换避纷研究，分攒_ 东分蒸发对露老湿度分布、 巷壁渥震静影响，瓣豳岩调热凝半经及变纯艇律进程分裁程搽讨；鼹耱遴璧瑟毒 在水分蒸发憾提黠显热魄遴行理论计箕寝探讨，并裁其变纯糕撵遴嚣分毒蓐。其髂 包括： ( 1 ) 考虑壁露零分蒸发对，通风对耀、鬻嚣罨遗系数、鼹滚按热系数以及巷 遒尺寸对豳豢冷却范围等对巷邋圈尝湛度分稚及调热黯半经的影螭； ( 2 ) 壁西湿度系数对圈岩温度场及调热圈半经的影响： ( 3 ) 风流相对湿度对灏岩濑度分布的影响； ( 4 ) 湿热比与通风时间的关系； ( 5 ) 鼹热比与壁面湿度系数的关系； ( 6 ) 鼹热比与风流稳辩湿度的关系。 这些研究将为精确的计算及预测矿内热湿气候和矿井降温攒施提供基础数 据，对了解矿井围岩温度场的分布殿变化规律、指导矿井生产、撮高降温效率商 一定的实鞠价值。 1 0 河南理工大学硕七学位论文 2 矿井风流与围岩热湿交换的数学模型 2 矿井风流与围岩热湿交换的数学模型 2 1 影响矿井热环境的因素及分析 随着煤炭采掘作业同益向地层纵深发展，地热问题也逐渐显现出来，更多的 矿井将面临矿山热害的困扰，并日趋严峻。普通认为，矿井热害最终将成为确定 矿井开采深度的主要决定性因素，而巷内风流高温是矿井热害造成的一个主要现 象，因此必须要对影响风流温度的因素进行分析。 2 1 1 地表大气条件变化的影响 井下的风流从地表流入，地表大气温度、湿度与气压的日变化和季节性变化 将影响到井下空气。但一般情况下，地表大气含湿量与气压的日变化量很小，且 无规律性。 地表大气的季节性变化对井下气候状态的影响要比日变化的影响显著得多。 一般来说，在给定风量条件下，井下空气的温度、湿度等参数的日与季节性变化 的衰减率随着流经的井巷距离的增长而增大，随着井巷的横断面积的增大而减小。 2 1 2 风流的自压缩热 空气沿入风井筒下流，随着井深增加，空气柱重量增加，位能消耗，使空气 受压缩而内能增加，转化为热能。据研究表明，风流若没有和其周围介质进行热、 湿交换时，每垂直向下流动1 0 0 米时，其温升约为1 。一般情况下，矿井巷道不 是完全干燥的，风流与巷道间总存在换湿过程，水分蒸发消耗大量风流热量，使 风流温升程度降低，使风流自压缩热的影响降低。风流的压缩热主要发生在进风 井筒里，而对井下巷道而言，其影响很小。 2 1 3 机电设备放热 矿内驱动各种机电设备的全部电力，除提高位能作功，如泵、提升机等外 最终均变成热的形式散发。随着机械化、生产集中化程度的提高和产量的增大 机电设备的容量大大增加，其散热量也增大很多，必然影响采掘工作面的风温。 河南理：大学硕士学位论文2 矿井风流与围岩热湿交换的数学模型 机电设备给予风流的散热量可按下式计算： q ，：塑婴型m ，矗 ( 2 1 ) 1 式中：张安装系数( 电动机实耗最大功率与额定功率之比) ，一般取o 7 左右； 魏霹薅系数( 电魂爨嚣辩襞臻豹额定凌率与雹括套翔设备在蠹懿魏遗 总额定功率之比) ； 他负荷系数( 电动机平均小时实耗功率与最大小时安耗功率之比) ， 一般取0 4 0 。5 ； n 电动机组的总额定功率，置阢 “每日运转时间，h d ； 2 4 每曩，l 、时数，h 髓； 一每千瓦的妃口，自数( 每千瓦对的放热壤) ，一般取8 6 0 。 除了大型的机电设备散热之外，矿内的照明灯、矿工用灯也是一固定热源， 毽盘于其功率篷一般骜楚霹定夔，萎缀小，鼓在越不在叙述。 2 1 4 运输中煤炭及矸石散热 在运辕中煤炭及聚露豹教热实鞑建交砉教热瓣是一秘表臻形式。实溅表明， 在高度机械化的矿井受，在运输期间，风流的平均增热量约为运输中煤炭及酐石 散热量的6 0 8 0 。而煤炭及矸石的散热量可用下戏计算： 酝= 搬y 勺每 足妒 ( 2 2 ) 式中：9 运输中煤炭及石于石的散热量，量碱 聊，运输中煤炭及矸石的筮，k g s ； 岛运输中煤炭及五予五粒平均毙热，一般取1 2 5 踅，缎，； 0 观测段内煤炭及矸石被冷却的温度谯，。 2 1 5 围耢散热 囤岩散热是；j 起风流温度升高的一个主要因素。围岩与风流闽的热量交换是 非常复杂的不稳定的传热过程。当井巷风流的温度不同于初始糟温时，两者之间 就要发生换热。同时，圈岩虑部的热流遥过导热方式传递到井麓表嚣，并遗过对 流传热及对流传质静方式传递给并巷风流。并巷璧灏温度、匿籍与风流闻的热流 河南理一l 一大学硕士学位论文 2 矿井风流与围者热滠交换的数学模型 量都是随饕通风时阊的增长两逐渐降低，被冷却的围岩范围也逐渐扩大。圈澎起 撼漉散发豹热量首先取决予围砉溢度豹嵩低，取决予围砉及风流闷的温度差，取 决于矿井巷道通风时间的长短及通风熊道壁面的泓度，同时也取决与围岩的姆热 系数等。 2 1 6 热水散热 根据热力学原理，如果知道井下涌水的水量，观测段内热水被冷却的溢度值 对，载可激缀容易遗诗舞懑燕拳在该滋测段癌豹鼗燕嚣，瑟： m = 0 足( 2 3 ) 式中：g 热水的散热量，足暇 涌衷量，。戳； 水的比热，一般取4 1 8 7 尉姆。c ； a o 观测段内热水被冷却的温度值，e 一般壤搅下，矿势麓遘中蕊是存在柬豹，巷l 蘧疆岩弱菇滤麓遴孬热量交羧豹 同时，由于水分蒸发作掰，两者之间也同时存在质爨交换的过稷，增加了围糟敞 热的复杂性。 2 。 了箕它热源 除了上述热源外，还有一些其他热源影响到矿井风流的气候条件。这些热源 鼋摇氧纯羧热、管道表嚣转熬、劳- f 囊燃发炎教热、久燹敖热、风韵工曩教煞、 爆炸散热等。一般情况下，此类热源的散热量很小，在矿内热源中所占的比熬也 不大，对矿井气候也不会造成显著的影响。 表2 1 怒簿一些矿并势下热源透露懿统诗分辨f “。放表孛可以番密，在矿著热 源中，围岩散热占相当大的比例。巷邋内风流干、澎温度的增加主要是由于阅岩 散热引起的。因此，研究围岩温度场殿调热圈内温度分布，是攀搌围岩向风流的 散热量、鬏测巷莲鼹滚热参数帮矿建黧气调节款基磁，对指导矿势降瀑措施其毒 重要意义。 2 2 矿井风流与围岩热湿交换的数学模型 在原岩中开凿巷道艏，若不考虑擞丽辐射散热作用的影响，当有比围岩漏度 河南理工大学硕士学位论文2 矿井风流与围岩热湿交换的数学模型 低的风流经过时，由于围岩与风温存在温差，巷道壁面便通过对流放热的方式向 风流放热；当壁面处于潮湿状态时，围岩与风流间除了对流换热之外，还存在由 水分蒸发引起的对流质交换。围岩向巷道空间的换热作用使风流升温、巷道壁面 温度降低，而原岩内部则以热传导方式向被冷却的巷壁传递热流。 风流与围岩间的热湿交换包含了围岩内部导热、巷壁与风流间对流换热及对 流传质三种形式的热质交换过程。 表2 1 某些矿井各种热源所占总发热量的百分比 t a b 2 - lr a 舡oo f t l l e 砷a 1r e s o u r c e st ot o t a lh e a th 1s o m em i n e s 2 2 1 围岩内部导热 导热又称热传导，是两个相互接触的物体或同一物体的各部分之间，由于温 度不同而引起的热量传递现象。此时热量主要依靠分子、原子及自由电子等微观 粒子的运动进行传递，没有明显的物质转移。热量可以通过固体、液体以及气体 进行传导，但是严格来说，单纯的导热只发生在密实的固体物质中。 傅立叶定律是导热理论的基础【6 l 】。【吲。其向量表达式为： g = 一 g r c 7 打 ( 2 4 ) 式中：g 热流密度，是一个向量，缸口，2 ) ： 卜温度，p ： d d r 温度梯度，也是一个向量，劢砌。 五导热系数，又