基于不同潮濕模型的礦井熱環境數值模擬

摘 要：礦井熱環境的監控對礦井下作業具有重要幫助。在本文當中，作者基于均勻潮濕及局部潮濕兩種模型，針對礦井下巷道內部的特點環境開展研究。為了便于使結果更具說服力，作者采用數值模擬方式，以高精度為方向，對巷道內部的環境溫度進行了模擬，并將數據結果與實際環境進行了比較，有效預測出了礦井下作業圍巖的溫度及其分布，為井下作業環境監控領域研究做出了自身貢獻。

關鍵詞：潮濕模型；礦井；熱環境

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.077

1 引言

隨著我國社會主義現代化的飛速發展，我國各行各業均得到了極大進步。在這一時代背景之下，國內城市化建設及運營所需要的能源愈發龐大。煤礦、鋼鐵礦、石油與天然氣資源等物質資源的開發與利用愈發引起社會各界關注。然而，由于井下作業所特有的環境，使一線施工作業人員容易由于環境的因素遇到危險，并可由于環境因素致使井下作業出現停工風險。因此，不斷加強井下作業環境的監控，并利用現代化技術與手段對井下作業環境參數進行科學與高效采集，就變得十分重要。井下作業環境中，巷道內部通常由于地質原因，會處于一種非均勻的潮濕狀態。這種潮濕狀態會跟隨著周圍圍巖及地質環境的不同，呈現不規則的分布，從而致使井下出現風流，或者是井下開挖巷道墻壁的溫度出現差異，致使井下熱環境的多變。這一多變的環境因素，將會對井下作業的機械產生不同程度影響，如不加以預測與控制，將會給井下作業中可能出現問題的解決帶來困難。為此，作者在本文中將針對礦井下的熱環境開展模型研究，試圖以較為科學與精確的數據結果比較，實現對井下作業實際熱環境的有效預測與分析。

2 研究方法

在本實證數據探究研究中，主要采用的模型為均勻潮濕模型與局部潮濕模型，主要采用的計算方法為二維計算方法與三維計算方法。另外，研究過程主要包括：方程建立、模型建立、數據模擬。

第一，方程建立。在此過程當中，作者主要選擇了三個方程用于熱環境的研究。首先建立的是圍巖中的熱流動方程。雖然巖石層及圍巖中的熱量會隨著周圍環境的不同而不同，但是其之間的熱量交換及其自身的溫度變化時非常緩慢的，基本處于一種均衡的狀態。也就是說，在不考慮不同環境及地質環境因素情況下，局部圍巖其所具有的溫度是基本恒定的。

接下來，還可建立流動空氣溫度的方程。鑒于礦井下環境的特殊環境，會在其中形成較多的水蒸氣，或者是由于地下水的緣故等，使礦井下環境出現較為潮濕的狀況。在此環境中，空氣中所帶有水氣會作為一種媒介傳遞空氣與圍巖之間的溫度。而空氣又會由于井下作業機械工作產生較大規模的流動及與地表空氣的交換，從而致使井下作業環境所具有的濕熱程度變得并沒有理想中的均衡，進而使圍巖所具有的溫度產生變化。根據上述理論，可以設計如下方程，以計算圍巖對熱量的吸收程度。

最后，還應當建立流動空氣濕度的計算方程。由于礦井下環境中空氣會帶來井下流動性及熱交換程度增強。因此，可以利用流動性較高空氣中所含有的濕度來測算空氣流經圍巖所具有的濕度。

第二，模型建立。根據井下作業的實際環境，作者基于方程建立中的理論研究，為本數據測算設計兩種模型：均勻潮濕模型、局部潮濕模型。

根據圖1可以看出：針對均勻潮濕模型而言，其主要是在假設井下巷道周圍墻壁表面所具有的潮濕度是相同的基礎上設計的。也就是基于圍巖熱流動方程所假設的局部范圍內圍巖潮濕度基本恒定的假設所建立的。在此過程中，可假定恒定潮濕度為?。當該百分比為0時，證明巷道內部圍巖是非常干燥的。當該百分比為1時，證明巷道內圍巖是極度潮濕的。針對局部潮濕模型而言，其假設巷道內不同區域之間所具有的潮濕度是具有差異的，可以從圖中看出黑色區域被假設為完全潮濕區域，其?值為100%；其中白色區域表示完全干燥區域，其?值為0。上述假設模型是基于空氣流動潮濕方程理論所建立的，并將整個巷道區域劃分為若干個，對每個區域的潮濕程度給予極限賦值。

第三，數據模擬。基于上述的方程設計與模型設計，在兩者建立基礎上就可以收集經過篩選過后的礦井下參數及數據開展模擬數值的測試研究。首先，利用第一種模式，即均勻潮濕模型對巷道內環境的潮濕程度進行數據模擬。可以假設整個巷道內空氣及圍巖的潮濕度?為10%。通過利用電子計算機所模擬出的條形潮濕分布圖，可以發現，不同條帶區域當中所具有的溫度，通常會隨著該條帶所具有的寬度而呈現出正比例變化，從而可以得出如下結論：當井下環境當中所具有潮濕度呈現局部分布特征時，不同區域當中所具有的潮濕程度會根據其空氣溫度、圍巖溫度等明顯不同，從而在一定程度上驗證了第二部分當中方程組的設計。另外，為了更進一步探討本實驗當中所設計方程的準確性，可針對兩種模型分別進行二維計算方法與三維計算方法，最終得出的數據呈現趨同及一致性。還可在不同條件及環境因素情況下，針對巷道內空氣流動及濕度比例開展研究，也可驗證方程三的設計。

3 結論

經過本文的研究，可以發現，礦井下巷道中不同的潮濕環境會使井下出現局部之間明顯的熱環境差異。利用本文所設計的三個方程，將有利于熱環境的研究，并為井下環境的控制與監控提供科學支撐。

參考文獻：

[1]茍新宇，張曉明，李麗峰，曹勇，佐佐木久郎.礦井風流溫濕度預測方法及應用[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2015（03）.

作者簡介：程麗紅（1982-），女，碩士研究生，講師，主要研究方向：制冷。