陳 虎，簡俊常，張 震，劉 順

（1.兗礦菏澤能化有限公司，山東 菏澤 274705；2.西安科技大學安全科學與工程學院，陜西 西安 710054）

0 引言

受深部開采影響，礦井高溫熱害問題愈加嚴重[1]。據(jù)相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)存近150對高溫礦井，其中大約40%的礦井中采掘工作面受到了不同程度的熱害威脅，山東、江蘇等東部部分礦井開采深度大于800 m，是現(xiàn)階段熱害影響最為嚴重的礦井[2,3]。井下熱源散熱是導致熱害產(chǎn)生的重要因素，目前，已有許多學者對高溫礦井的熱源分布特征展開了研究。易欣等[4]通過對工作面通風路線的熱環(huán)境參數(shù)進行測試，分析了濟三煤礦的熱源分布特征。王長彬[5]通過理論分析對高家堡煤礦的熱源散熱量進行計算，建立了風溫預測模型。胡金鐘等[6]通過建立熱交換數(shù)學模型分析了梁北礦采煤工作面的熱源分布特征。李學杰[7]運用熱量計算理論對布爾臺煤礦主要熱源散熱量進行了分析，確定了各熱源所占的比例。聶鳳祥等[8]通過現(xiàn)場實測對潘西礦采煤工作面高溫熱源及風溫變化規(guī)律進行了分析。

位于巨野礦區(qū)的趙樓煤礦處于正常地溫梯度為背景的高溫區(qū)。隨著開采加深，趙樓煤礦綜放工作面溫度夏季高溫熱害問題嚴重[9]。高溫高濕的熱環(huán)境不僅制約礦井生產(chǎn)效率，還嚴重威脅井下工人的身心健康。本文以趙樓煤礦7302工作面為研究對象，通過現(xiàn)場實測及理論計算，對風流焓值變化規(guī)律及熱源分布特征進行研究，為7302工作面制定合理的降溫方案提供理論依據(jù)。

1 7302工作面熱害現(xiàn)狀

趙樓煤礦7302工作面南鄰7304工作面，東距七采區(qū)輔運巷220 m，西部及北部鄰近五采區(qū)與七采區(qū)邊界。7302工作面開采煤層為3煤層，屬Ⅱ類自燃煤層，煤層構造發(fā)育區(qū)應力集中，原始巖溫在37°～42℃之間，處于二級熱害區(qū)域。7302工作面長為295 m，采高平均為3.5 m，軌道與運輸順槽斷面均為梯形，底板寬為5.8 m，頂板寬為4.8 m，平均高度為3.9 m。工作面采用“U”型通風，有效平均通風斷面積為17.5 m2，配風量為2 200 m3/min。目前7302工作面處于正常回采時期，工作面熱害程度嚴重，夏季高溫時回風流溫度最高已超過37℃，極大影響工人的熱舒適度。

2 7302工作面熱源分析

趙樓煤礦7302工作面的熱環(huán)境受工作面各熱源的放熱作用影響，主要有相對熱源與絕對熱源。其中，相對熱源包括圍巖散熱、煤與矸石運輸散熱、熱水涌出散熱、采空區(qū)漏風散熱等；絕對熱源包括機電設備散熱、氧化散熱和人員散熱等。各熱源的計算方法如下。

2.1 相對熱源

2.1.1 圍巖散熱

高溫礦井地溫梯度大，原始巖溫較高，圍巖內(nèi)部的熱量通過熱傳導的方式傳遞給壁面。當風流流經(jīng)巷道時，由于圍巖壁與風流之間存在溫差，所以熱量通過對流的方式又傳遞給風流，風流將熱量帶到工作面。采煤工作面開采時間久，順槽距離長，圍巖散熱面積大，因此圍巖與風流換熱成為影響采煤工作面熱環(huán)境的主要因素。圍巖散熱量可由下式計算：

式中：U為巷道周長，m；L為巷道長度，m；tw為圍巖原始巖溫，℃；tf為風流平均溫度，℃；Kτ為圍巖與風流的不穩(wěn)定換熱系數(shù)，W/（m2·℃），表示當巷道圍巖與風流相差1℃時，單位時間內(nèi)每平方米壁面與風流的換熱量，可由下式求出：

式中：λ為煤巖導熱系數(shù)，W/（m·℃）；α為熱擴散系數(shù)，m2/s；τ為通風時間，s；b為通風時間系數(shù)，當τ＜1 a時，b=0.27，當τ＞1 a時，b=4；hc為對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；Fo為傅里葉準則數(shù)，反映了非穩(wěn)態(tài)導熱過程的無因次時間，F(xiàn)o=ατ/r2，其中r為巷道水力半徑，m。

2.1.2 煤與矸石運輸散熱

在采煤工作面的連續(xù)生產(chǎn)期間，煤與矸石產(chǎn)量大，開采后呈破碎狀態(tài)且溫度較高，對經(jīng)過的風流起到加熱作用。在工作面和運輸巷道長距離的運輸過程中，煤與矸石表面與風流不斷進行熱交換，對當前熱環(huán)境也有一定影響。其散熱量可由下式求出：

式中：m為煤與矸石的運輸量，kg/s；cm為涌水平均比熱，kJ/（kg·℃）；Δt為煤與矸石在運輸中被冷卻的溫度，℃，在運輸量較大時可由下式近似計算：

式中：L為運輸距離，m；tr為運輸過程中煤與矸石的平均溫度，℃；tf為運輸巷中風流的平均濕球溫度，℃。

2.1.3 熱水涌出散熱

礦井地層中存在高于空氣溫度的地下水，在巷道或工作面地表涌出后溫度較高，熱水在流動過程中不斷蒸發(fā)釋放大量熱量，與風流進行熱濕交換。當涌水任意流淌時，其散熱量計算公式如下：

式中：Mw為涌水量，kg/s；c為平均比熱，kJ/（kg·℃）；ts為平均水溫，℃；th為巷道出口水溫，℃。

2.1.4 采空區(qū)漏風散熱

漏入采空區(qū)的風流與冒落的高溫巖石和遺煤氧化不斷進行熱交換，攜帶大量熱量形成采空區(qū)熱風，經(jīng)漏風通道又流出到工作面上，使得工作面溫度升高。采空區(qū)漏風散熱是一個不穩(wěn)定的熱源，采空區(qū)熱風涌出的熱量可通過單元法測得[10]。將工作面劃分為若干個單元，圖1為其中一個單元，對每個單元中的漏風量、風流狀態(tài)參數(shù)進行實測，并通過平衡方程組進行解算。

圖1 工作面單元劃分圖

式中：Vin、Vout為流入和流出單元的風量，kg/s；Vc為采空區(qū)的漏風量，kg/s；Qc為流入和流出采空區(qū)風流的熱量，kW；ic為漏入采空區(qū)風流的焓值，kJ/kg。

2.2 絕對熱源

2.2.1 機電設備散熱

隨著礦井機械化、智能化程度的提高，采煤機、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機等機電設備數(shù)量增加，這些機電設備額定功率高，散熱面積大，在工作面運行時會將部分電能轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)到當前熱環(huán)境中，使得工作地點溫度升高。其散熱量計算公式如下：

式中：Ψ為散熱量折算系數(shù)；Nm為設備額定功率，kW。

2.2.2 氧化散熱

采煤工作面中的煤炭、粉塵等其他有機物存在自身氧化放熱過程，這種散熱過程十分復雜，其散熱量可由下式近似求出：

式中：q0為當量氧化散熱系數(shù)，即折算到風速為1 m/s時的氧化放熱量，kW/m2，工作面內(nèi)一般取值0.007 5～0.008 5 kW/m2；F為煤壁氧化面積，m2；W為平均風速，m/s。

2.2.3 人體散熱

井下工人在工作時自身也會釋放一些熱量，這部分熱量對熱環(huán)境影響較小，可由下式近似求出：

式中：k為工人同時工作時的系數(shù)，一般取0.5～0.7；n為當前工作面的人數(shù)；q為人均散熱量，kW。

3 7302工作面熱力參數(shù)測定

在7302工作面通風路線布置測點對其熱力參數(shù)進行測定，測點布置路線如下：距工作面進風口800 m→距工作面進風口400 m→工作面進風口→工作130號支架→工作90號支架→工作50號支架→工作10號支架→工作面出風口→距工作面出風口500 m。測點布置如圖2所示。

測量結(jié)果見表1，根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制出各測點熱力參數(shù)的曲線變化圖，如圖3所示。

圖2 7302工作面測點布置圖

表1 7302工作面熱力參數(shù)測量表

圖3 各測點熱力參數(shù)變化曲線圖

由圖3（a）可知，沿測點布置路線上的空氣干球溫度和濕球溫度呈上升趨勢。在軌道順槽中，空氣溫度上升緩慢；進入工作面后，溫度上升明顯，從進風口到出風口，溫度上升了8℃左右，回風隅角的溫度上升到了36.5℃，這是由于工作面內(nèi)機械設備增多，煤壁裸露散熱面積大，采空區(qū)熱風涌入等對風流起到了加熱作用；在運輸順槽中，溫度又有所下降。由圖3（b）可知，焓值的變化趨勢與溫度變化相近，風流流經(jīng)工作面采區(qū)區(qū)段后焓值大幅增加，表明井下熱源主要集中在7302工作面采區(qū)區(qū)段，且熱源散熱量較大。

4 7302工作面熱源分布特征

將7302工作面劃分為3個區(qū)段，分段進行熱源計算，研究熱源分布特征。

4.1 第一區(qū)段

軌順入口至工作面進風口。

1）主要熱源：圍巖散熱、熱水涌出散熱。

2）物理參數(shù)：第一區(qū)段巷道長度1 617 m；巷道周長18.66 m；圍巖原始巖溫為42℃；巷道內(nèi)平均風溫為27.7℃；圍巖與風流的不穩(wěn)定換熱系數(shù)為0.875 W/（m2·℃）。區(qū)段巷道內(nèi)涌水量為6.94 kg/s；涌水的比熱取4.187 kJ/（kg·℃），涌水平均水溫與巷道出口平均水溫的差值約為5℃。

3）熱量計算：

4.2 第二區(qū)段工作面

1）主要熱源：圍巖散熱、機電設備散熱、氧化散熱、人員散熱、采空區(qū)漏風散熱。

2）物理參數(shù)：工作面長度295 m；工作面周長17 m；工作面平均風溫32.2℃。工作面中機電設備的額定功率：采煤機為2 240 kW，刮板輸送機為2 400 kW。煤壁的氧化面積為1 620 m2；工作面內(nèi)的平均風速為1.5 m/s。采面上工人數(shù)定為10人，人均散熱量為0.275 kW。

3）熱量計算：

4.3 第三區(qū)段

回風隅角至運順出口。

1）主要熱源：圍巖散熱、機電設備散熱、煤與矸石運輸散熱。

2）物理參數(shù)：第三區(qū)段巷道長度1 570 m；巷道周長18.66 m；巷道內(nèi)平均風溫為34.5℃。運輸巷道中機電設備的額定功率：轉(zhuǎn)載機350 kW，破碎機250 kW。運輸巷中煤與矸石的運輸量為53.83 kg/s；運輸中煤與矸石的平均比熱為1.25 kJ/（kg·℃）；假設煤與矸石在巷道運輸中冷卻了1.4℃。3）熱量計算：

根據(jù)各區(qū)段熱源計算結(jié)果，繪制7302工作面熱源散熱量分布情況表和工作面熱源分布示意圖，如表2和圖4所示。

表2 7302工作面熱源散熱量分布情況表

由表2可知，對7302工作面熱環(huán)境影響最大的2個熱源是圍巖散熱和采空區(qū)熱風，散熱量分別約為612.80 kW和300 kW，約占總熱量的42.73%和20.92%；其次是機電設備散熱和熱水涌出散熱，約占總熱量的18.27%和10.13%，同時煤與矸石運輸散熱、氧化散熱等也對工作面熱環(huán)境有一定影響。

圖4 7302工作面熱源分布示意圖

由圖4可知，工作面采區(qū)區(qū)段作為熱源的集中區(qū)域，散熱量大于兩側(cè)順槽。在軌道順槽中，圍巖散熱和熱水涌出散熱是主要的熱源，對進風流溫度影響較大，進風風流與高溫圍巖及熱水進行熱濕交換，攜帶大量熱量，風流將熱量帶到工作面上，使工作面溫度升高。在工作面區(qū)段，機電設備散熱和采空區(qū)熱風涌出是主要的熱源，機電設備由于額定功率大，運行時表面溫度高，對流經(jīng)的風流起到了一定加熱作用；而采空區(qū)熱風涌出主要集中在工作面三分之二之后到回風隅角的區(qū)段，在此區(qū)段內(nèi)工作面漏風通道增加，熱風從通道流出將熱量帶到工作面，并隨工作面風流流動的方向積聚到回風隅角處，使回風隅角溫度大大增加。在運輸順槽中，圍巖散熱和煤與矸石運輸散熱是主要的熱源，對順槽內(nèi)的風流溫度變化起到重要作用。

5 結(jié)論

趙樓煤礦7302工作面熱害程度嚴重，對工作面的熱力參數(shù)進行現(xiàn)場測定，研究了其熱源分布特征，主要研究結(jié)論如下：

1）從7302工作面進風口到出風口，溫度上升了8℃左右，回風隅角的溫度上升到了36.5℃，風流流經(jīng)工作面采區(qū)區(qū)段后焓值大幅增加。

2）對7302工作面熱環(huán)境影響最大的2個熱源是圍巖散熱和采空區(qū)熱風，散熱量分別約為612.80 kW和300 kW，約占總熱量的42.73%和20.92%；其次是機電設備散熱和熱水涌出散熱，約占總熱量的18.27%和10.13%。

3）7302工作面采區(qū)區(qū)段是熱源的集中區(qū)域，散熱量大于兩側(cè)順槽；在工作面區(qū)段，機電設備散熱和采空區(qū)熱風涌出是主要的熱源，熱源總散熱量約為594.86 kW。