礦井熱害事故樹的建立及風溫預測

張 爍

(山西晉城煤業集團寺河煤礦二號井，山西 晉城 048019)

0 引言

隨著礦井的采掘深度加深，井下熱害問題已成為礦井開采不可忽視的問題。20世紀50年代煤礦的開采深度大約為200～300 m，而20世紀90年代已達到700～800 m，深度的增加速度為每年加深10 m左右。依據我國地下溫度梯度0.035 ℃/m計算[1-3]，千米以下的巖層溫度比恒溫巖層溫度高出35 ℃或更高。所以，要想有效地防止井下升溫就必須掌握風流溫度變化和熱源特性。寺河煤礦二號井目前開采9#和15#煤，雖然開采深度較淺，但是在部分作業地點也存在溫度過高現象，特別是在某些機電設備硐室，溫度已超過30 ℃。熱害治理成為煤礦必須解決的問題。

1 礦井熱害分析

1.1 井下熱源

使井下發生熱害的熱源有多種形式，它們大致可分為相對熱源、絕對熱源2大類[4]。井下屬于相對熱源的有熱水的散熱等；而基本不受井下空氣溫度影響的，像機械設備和物質氧化散熱等的熱源屬于絕對熱源。

1.2 礦井事故樹的建立

熱害事故樹：以井下發生熱害的主要原因為基礎，根據有關的理論分析得出井下熱害事故樹，如圖1所示。

X1—機電設備功率過大；X2—電器線路出現偏差；X3—散熱效果差；X4—圍巖與風流熱交換；X5—風流壓縮熱；X6—熱水浸流；X7—高溫熱水管設計不當；X8—引導熱水方法錯誤；X9—人體散熱；X10—氧化放熱圖1 熱害事故樹

各熱源分析：通過對寺河煤礦二號井的統計分析，礦井熱源所占的比例如圖2所示。從圖2看出，機電散熱這一熱源占寺河煤礦采區總熱源的25%，根據事故樹的分析，機電散熱有3個主要原因分別為X1、X2、X3，對這3個因素采取降低散熱量的措施可使井下溫度降低。在寺河煤礦二號井的2大類熱源中，熱水散熱占26%，根據事故樹的分析，熱水散熱的主要原因有X6、X7、X8，解決X6可利用提前疏干熱水的方式；X7需要將管路安設在風速小的位置；X8可以在相關位置挖掘水溝并加上蓋板。由于一般的井下存在的熱水量較少，所以可以不做分析。另外人體散熱、物質氧化散熱等熱源占總比例都相對偏少。在寺河煤礦二號井熱源中占最大比例的熱源是圍巖與風流進行熱交換的熱量和風流壓縮所產生的熱量，它的比重是38%，同時它也存在固定性，使得這一熱源不能被除去。所以，井下熱害的研究應該更多地放在這里。

圖2 寺河煤礦二號井采區熱源分析

2 礦井巷道巖石內部溫度場分析

2.1 圍巖的熱傳導方程

由傅里葉定律[5]，得熱傳導微分方程公式

(1)

式中：θ—圍巖溫度，℃；t—時間，s ；a—熱擴散率，m2/s；a=λ/ρc；λ—熱導率，w/m℃；ρ—密度，kg/m3;c—比熱，J/kg·℃。

根據公式(1)通過化簡可知三維的計算模型為

(2)

以上公式運用解析法來求解較為困難。文章中巷道圍巖的溫度差的具體計算可用異步長有限差分法[6-7]來解出，計算的模型如圖3，圖4所示。

圖3 巷道模型示意圖

圖4 巷道中風溫和巖石溫度解算示意圖

2.2 模型無量綱化

礦井的巷道被模型化時需體現出其實際特征。量綱對于模型變量來說只是一種相關的度量方式，量綱的準確性是靠基本量維持的，為使巷道模型的準確性符合客觀規律，文中將變量進行無量綱[8]。

當井巷邊界的條件τ為0時：

式中：Bi—畢渥數，畢渥數的數值表示在非穩態導熱情況下，物體的內部溫度場分布情況及規律。

2.3 圍巖溫度的求解

在需要了解井下巷道圍巖內部溫度分布情況時，使用異步長有限差分法對其進行數值模擬可求出數值。井下風流與巷道圍巖的熱對流交換形式有圍巖自身的內部導熱和巷道壁面與風流的熱對流換熱。在進行圍巖溫度計算之前，要掌握巷道壁面、井下風流等的溫度。礦井巷道方向的選取，以及風流溫度計算的無量綱表達式：

式中：Γ—溫度上升系數；Ω—溫度上升梯度。

3 礦井干燥巷道風流溫度的預測

3.1 礦井風溫預測式

礦井內部干巷道的風流溫度預測數學模型是由風流溫度計算的方程式積分且修正過的Starfield時間系數得出的。

礦井干燥井下巷道風溫預測式：

Θ′=θ0-(θ0-ΘIN)·exp(-Ξ)

礦井傾斜干燥巷道風溫預測式：

Θ=Θ′+Ω·Z*[1-exp(-Ξ′)]/Ξ′

3.2 井下風流溫度的模擬

模擬基本參數如下所示：

r0=2 m，α=14 w/m2℃，λ=2.5 w/m℃，a=1.12×10-6m2/s，Q=26.2 m3/s，θ0=30 ℃Cpa=1 003 J/kg℃，ρa=1.2 kg/m3，ΘIN=20 ℃。

根據上述公式求得風流在3 000 m的通風巷道中一個月、1年和3年時間里進風井、回風井風流溫度的模擬分布情況。

根據上述模擬內容和風流溫度分布情況進行分析，得出進風風流的溫度和井下巷道圍巖的溫度存在較大的溫差，井下通風的時間與井下巷道圍巖和風流的換熱量成反比，風流進入井下最初時溫度起伏大，進入井下的風流經過較長的時間后，圍巖與風流兩者的換熱變少且溫度趨于相等，礦井風流的溫度上升速率緩慢。圖5分析了水平干燥巷道的風流溫度情況，在進風風流與巷道圍巖進行熱交換時，礦井風流的溫度上升幅度較大；圖6是進風立井的情況，新風不斷地從立井進入井下的同時，導致礦井風壓增大、體積縮小和釋放熱量，所以進風立井風流的溫度一般要高于井下水平巷道的溫度；圖7中的回風立井的污風向上排出地面，此時風壓降低、體積增大和吸收熱能，但是風流在這一時期所獲得的熱量卻低于風流與巷道圍巖井下熱交換時散發的熱量，所以，風流在回風立井中上升的時候風流的溫度沒有發生明顯變化，但是此時的風流溫度遠比干燥巷道的風流溫度低。

圖5 礦井水平巷道風流溫度變化情況

圖6 礦井進風立井風流溫度變化情況

圖7 礦井回風立井風流溫度變化情況

4 結論

(1)風流壓縮、巷道圍巖與風流進行熱交換是導致礦井溫度升高的主要原因。

(2)以引發礦井溫度升高為出發點，基于引起熱害的主要原因，建立了礦井事故樹。

(3)對巷道圍巖的溫度場進行了分析，提出了礦井干燥巷道風流溫度的預測式，并對巷道中風流溫度的變化規律進行了模擬分析，從而為礦井降溫奠定相應的理論基礎。