高溫采煤工作面熱源分析與研究

聶鳳祥 穆德玉

（萊蕪市萬祥礦業(yè)有限公司，山東 萊蕪 271107）

隨著采場延深，潘西煤礦深部綜采工作面溫度常年高于29℃，夏季最熱回風(fēng)為33℃，濕度高達(dá)95%以上，高溫高濕的環(huán)境對井下職工的身心健康帶來嚴(yán)重影響，對現(xiàn)場工作效率帶來嚴(yán)重制約，甚至構(gòu)成安全隱患，而要想改善以上情況，就必須對現(xiàn)場溫度變化規(guī)律進(jìn)行研究，只有找準(zhǔn)熱量來源，對癥施策，才能解決高溫?zé)岷栴}。

1 井下熱源分析

影響礦井氣溫變化的熱源很多，也相對比較復(fù)雜，綜合分析潘西煤礦實(shí)際情況，大體可分為井巷圍巖放熱、機(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)放熱、產(chǎn)出煤矸放熱以及奧灰水散熱等。

通過對潘西煤礦實(shí)地調(diào)查，主要熱源有：

（1）井巷圍巖放熱。潘西煤礦開采深度達(dá)到-1100m水平，受地?zé)嵊绊?，井巷圍巖放熱量大。

（2）機(jī)電設(shè)備放熱。潘西煤礦礦井機(jī)械化、生產(chǎn)集中化程度較高，日平均產(chǎn)量在2400t左右，機(jī)電設(shè)備容量較大，相應(yīng)散熱量較大，也可能是空氣溫度升高的主要熱源之一。

（3）產(chǎn)出煤矸放熱。礦井開采深度達(dá)到-1100m水平，地溫為31℃～37℃的I級高溫層段，初始巖溫較高，開采出的煤巖礦物溫度也較高，運(yùn)輸過程中散熱，致使巷道溫度升高。

（4）煤層氧化影響。井下風(fēng)流經(jīng)過煤巷，空氣中的氧氣與煤分子不斷進(jìn)行著氧化反應(yīng)，吸熱并釋放出熱量，十九層煤含硫夾矸，具有自然發(fā)火傾向，更容易引起氧化生熱，釋放到井下空氣中，也使得井下空氣溫度升高。

（5）地面氣候條件的影響。井口上下溫差在3℃～10℃，但隨著采場延深，深部采區(qū)受氣候影響較小。

（6）變電站、送風(fēng)機(jī)、人員、燈具放熱。

（7）奧灰水散熱。深部工作面回采受奧灰水威脅，需提前施工疏水鉆孔，疏水降壓，經(jīng)測定礦井奧灰水的涌水量為1513m3/h，水溫在35℃～38℃之間，散熱導(dǎo)致井下空氣溫度不斷升高。

（8）空氣向下流動(dòng)壓縮放熱及摩擦生熱。

2 采煤工作面熱源分析

2.1 熱力參數(shù)測定

采用“五定”觀測法，即定觀測人員、定觀測儀器、定觀測路線、定觀測點(diǎn)、定觀測參數(shù)，對礦井進(jìn)行全面的氣象觀測，獲得觀測數(shù)據(jù)資料。

表1 6198工作面風(fēng)流參數(shù)測定表

2.2 6198工作面散熱量計(jì)算

根據(jù)測得數(shù)據(jù)，對工作面熱源分布情況進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算所得焓值變化及相對濕度變化情況見下圖1。

圖1 焓值、相對濕度變化曲線圖

分析：工作面焓值整體呈遞增曲線，受測定因素的影響（測量數(shù)據(jù)時(shí)測定人員位于支架內(nèi)）工作面出口處焓值大于轉(zhuǎn)載機(jī)處焓值，主要是由于工作面接近回風(fēng)隅角處，有部分熱量來自采空區(qū)，且風(fēng)流沒有均勻混合的原因。

將工作面劃分為區(qū)段，分段計(jì)算各熱源散熱量。

（1）第一區(qū)段：上平巷乳化泵站至進(jìn)風(fēng)隅角

① 主要熱源：圍巖、變電所、乳化泵站；

② 計(jì)算參數(shù)：風(fēng)量1500m3/min，空氣密度取值1.15kg/m3；

③ 熱量計(jì)算：

圍巖散熱

式中：

Kτ-圍巖與風(fēng)流間的不穩(wěn)定換熱系數(shù)，取2.984W/(m2·℃ )；

U-巷道周長，取值14m；

L-巷道長度，取值500m；

tz-原始平均巖溫，取38℃；

t-平均風(fēng)溫，取值31.7℃。

帶入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得圍巖散熱為131.594kW。

機(jī)電設(shè)備散熱qN=3600ηn·N，乳化泵站功率200kW，得出結(jié)果為50kW。

（2）第二區(qū)段：工作面

① 主要熱源：圍巖、煤矸氧化、原煤運(yùn)輸、機(jī)電設(shè)備、人員；

② 計(jì)算參數(shù)：煤的導(dǎo)熱系數(shù)2.984W/(m2·℃)，比熱為730J/（kg·℃），密度為2950kg/m3；風(fēng)量1500m3/min，空氣密度取值1.15kg/m3；

運(yùn)輸中煤炭散熱：QK=mkckΔtK

式中：

QK-運(yùn)輸中煤炭及矸石的放熱量，kW；

mk-煤炭及矸石的運(yùn)輸量，取值為28.9kg/s；

ck-煤炭或矸石的比熱容，對煤炭來說，ck≈ 1.25kJ/(kg·K)；

式中：

L-運(yùn)輸距離，本計(jì)算取值為280m；

tk-運(yùn)輸中煤炭或矸石起點(diǎn)的平均溫度，計(jì)算中取值32℃；

tfm-運(yùn)輸巷道中風(fēng)流的平均濕球溫度，計(jì)算中取值30.2℃。

將有關(guān)參數(shù)代入并計(jì)算得運(yùn)輸中煤炭散熱為14.16kW。

機(jī)電設(shè)備散熱qN=3600ηn·N，采煤機(jī)功率700kW，刮板輸送機(jī)2×315kW，得出結(jié)果為332.5kW。

人員散熱QWO=nq=25×0.275=6.875kW。(中等體力勞動(dòng)q取值0.275)。

圍巖散熱

式中：

Kτ-圍巖與風(fēng)流間的不穩(wěn)定換熱系數(shù)，計(jì)算中取 2.984W/(m2·℃ )；

U-巷道周長，取值為14m；

L-巷道長度，取值為200m；

tz-原始平均巖溫，計(jì)算取38℃；

t-平均風(fēng)溫，計(jì)算取值31.7℃。

計(jì)算得圍巖散熱為52.63kW。

第二區(qū)段總熱量

=14.16+332.5+6.875+52.63=406.165kW。

（3）第三區(qū)段：回風(fēng)隅角至轉(zhuǎn)載機(jī)頭口

① 主要熱源：圍巖、機(jī)電設(shè)備、原煤運(yùn)輸；

② 計(jì)算參數(shù)：煤的導(dǎo)熱系數(shù)2.984W/(m2·℃)，比熱為730J/（kg·℃），密度為2950kg/m3；風(fēng)量1500m3/min，空氣密度取值1.15kg/m3；

③ 熱量計(jì)算：

運(yùn)輸中煤炭散熱QK=mkckΔtK

式中：

QK-運(yùn)輸中煤炭及矸石的放熱量，kW；mk-煤炭及矸石的運(yùn)輸量，取值為28.9kg/s；ck-煤炭或矸石的比熱容，對煤炭來說，ck≈ 1.25kJ/(kg·K)

式中：

L-運(yùn)輸距離，本計(jì)算取值為250m；

tk-運(yùn)輸中煤炭或矸石起點(diǎn)的平均溫度，計(jì)算中取值35.5℃；

tfm-運(yùn)輸巷道中風(fēng)流的平均濕球溫度，計(jì)算中取值28.5℃。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)果為50.29kW。

其中轉(zhuǎn)載機(jī)散熱qN=3600ηn·N=50kW，破碎機(jī)散熱40kW。

第三區(qū)段總熱量=50.29+50+40=140.29kW。

由以上計(jì)算結(jié)果可以看出，工作面、運(yùn)輸順槽作為熱源的集中區(qū)域，散熱量遠(yuǎn)大于軌道順槽，對風(fēng)流溫度變化具有重要作用。

單個(gè)采煤工作面總的熱負(fù)荷為326.31+406.165+140.29=872.765kW。

2.3 6198工作面熱源分布分析

根據(jù)各區(qū)段熱源計(jì)算結(jié)果，繪制工作面熱源分布示意圖、各熱源散熱比例圖和工作面熱源散熱量分布情況表，具體情況如下圖2。

圖2 工作面熱源分布示意圖

由圖2可以看出，工作面作為熱源的集中區(qū)域，散熱量遠(yuǎn)大于其兩側(cè)運(yùn)輸順槽與軌道順槽，對風(fēng)流溫度變化具有重要作用。

工作面熱源散熱量分布情況表如下表2。

表2 工作面熱源散熱量分布情況表

3 結(jié)論

根據(jù)所測定的熱環(huán)境資料，進(jìn)一步明確了高溫工作面熱源情況，圍巖和機(jī)電設(shè)備是工作面的主要熱源，機(jī)電設(shè)備散熱占全部熱源的70.72%，圍巖散熱占21.11%；采煤面熱源散熱量最多，達(dá)到406.165kW。同時(shí)，根據(jù)工作面降溫所需冷負(fù)荷的計(jì)算，為下一步降溫主要設(shè)備的選型提供了重要依據(jù)。