不同風量及圍巖溫度下圍巖傳熱的實驗研究

王長彬

（1．煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

隨著礦井向深部開采，原始圍巖溫度對井下熱環境造成了惡劣的影響，危害了井下作業人員的身體健康。深部礦井熱源中，圍巖放熱占總熱源的比例約為55%，因此從圍巖放熱的熱源治理礦井熱害顯得尤為重要[1-2]。圍巖傳熱屬于井下相對熱源[3-4]，其換熱量主要取決于以下因素：圍巖不穩定換熱系數。深部圍巖的原始溫度、巷道進出口風流溫度、巷道的進風風量、風速和換熱面積[5-6]。從以上因素出發，探討圍巖不穩定換熱的定性與定量的屬性，為礦井風流預測與熱害治理提供支撐。

1 實驗方法及實驗過程

1.1 實驗方法

實驗采用理論研究結合模型對比分析的方法，來闡述不同圍巖溫度及風量下模擬巷道進出口溫度的變化特性。基于不同風量、不同模擬圍巖溫度下來研究模擬巷道圍巖傳熱的特性。基于相同的圍巖溫度的情況下，研究不同模擬巷道風量下的進出口溫度變化特性及圍巖傳熱系數變化特性；基于相同的圍巖溫度的情況下，研究不同模擬巷道風量下的進出口溫度變化特性圍巖傳熱系數變化特性。

1.2 實驗過程

1.2.1 實驗系統

圍巖不穩定換熱特性實驗系統如圖1。

1）模擬巷道通風系統。模擬巷道實驗臺主體采用“沙子+水泥+石子”按照一定比例澆筑而成混凝土，為半圓拱形，模擬巷道長度為600 mm；為了延長風流和試件的換熱時間，使進、出口風流的溫差更為明顯，在實驗模擬巷道一側設有風機，與進風口相連，基于變頻風機調整通入模擬巷道的風量，風量擬定為200、400、600、800 m3/h。

圖1 圍巖不穩定換熱特性實驗系統

2）圍巖溫度模擬實驗系統。圍巖溫度模擬實驗系統由保持恒定溫度的加熱水箱、水泵、管路及相關測試儀器儀表組成；加熱水箱中的熱水溫度可實現在固定時間的恒定，為固定圍巖溫度提供實驗條件的支撐；熱水溫度與數據采集器相連接，實現自動化控制。

3）數據采集系統。①熱電阻：實驗系統建立后，首先要對混凝土試件內部溫度進行監測，保證混凝土試件達到一定溫度場的情況下，再啟動通風系統；實時監測通風系統中進出口溫濕度、混凝土試件內部壁溫的變化，本系統采用能埋在混凝土試件內部的PT100 測溫元件，測溫元件共布置3 層（進風端、中間端、出風端），實驗系統中，混凝土試件的溫度加熱是通過水箱內的熱水進行傳熱，因此水溫的變化在一定程度上也反映了混凝土試件的外表面溫度，水溫的變化采用熱電阻進行實施測試，并通過測定的數據控制加熱水箱中加熱裝置的運行，保證模擬圍巖溫度的穩定性；②通風系統參數測試儀：在實驗系統中，為了準確測試模擬巷道進出口風流的風量、風速、溫度、濕度等參數，除了在巷道進出口斷面按照相關標準均勻布置PT100 熱電阻（精確度為±0.05℃），以測量空氣冷卻器進出口的風流溫度外，還采用FLUKE 便攜式風速測試儀和testo635 專業型溫濕度儀進行在線測試。

1.2.2 測試系統的假定

1）假定熱水溫度達到一定溫度下（30、35、40℃），即為固定時間的圍巖溫度。

2）水箱內的水溫應在固定圍巖溫度下在一定時間內（10 min）保持在恒定狀態。

3）模擬巷道、加熱熱水的熱電阻及模擬巷道進出口的熱電阻測試頻率為10 s/次，連續監測。

1.2.3 實驗方案

1）建立水箱熱水加熱循環系統，并保持水溫在一定溫度內不變，實時調整水箱內的加熱裝置。

2）通過熱水循環系統持續對混凝土試件進行加熱和增濕，逐漸達到30、35、40℃。

3）在試件溫度達到一定溫度的情況下，啟動通風系統并改變不同的風量，測定模擬巷道進出口空氣的溫度、濕度、風量、風速等參數。

4）在啟動通風系統的同時，通過Agilent34970數據采集器進行實時采集混凝土試件內部熱電阻的溫度變化，最終模擬出圍巖與風流的熱濕交換過程。

5）在實驗系統中，在達到每個設定值后，應采用水箱加熱調節裝置，維持混凝土外壁面溫度為恒定值，基于這種狀態的條件下，實時監測混凝土試件內部熱電阻、內表面的溫度變化，等到混凝土內壁面溫度、滲水水溫及模擬巷道進出口空氣狀態不再變化時，準確記錄此時的數據，即完成1 種圍巖溫度下的實驗過程。

2 實驗結果分析

基于不同風量（200、400、600、800 m3/h）、不同模擬巷道圍巖溫度的條件下，圍巖溫度設定為30、35、40℃，測試結果見表1～表4，模擬的巷道進出溫度變化特性如圖2。

表1 通風量200 m3/h 下的實驗參數℃

從圖2 可以看出，結合實驗系統模擬巷道實驗系統的圍巖溫度及模擬巷道進出風口的風流進行測試，同一風量下出口溫度隨著圍巖溫度的上升而隨之升高；同一風量下，隨著圍巖溫度的升高，進出口溫差隨之增加，模擬圍巖溫度40℃相比30℃條件下，溫差升高僅1 倍左右；結合實驗系統模擬巷道實驗系統的圍巖溫度及模擬巷道進出風口的風流進行測試，同一圍巖溫度下出口溫度隨著風量的升高而隨之減少；同一模擬圍巖溫度下，隨著風量的升高，進出口溫差隨之減少，風量800 m3/h 相比200 m3/h下，溫差降低僅8 倍左右，以此驗證井下通風降溫的可行性，在一定程度下，通風降溫可以有效解決礦井高溫高濕環境的難題。

表2 通風量400 m3/h 下的實驗參數℃

表3 通風量600 m3/h 下的實驗參數℃

表4 通風量800 m3/h 下的實驗參數℃

圖2 不同圍巖、不同通風量下進出口溫度變化特性

結合表1～表4 測試的實驗數據，結合理論分析與數值計算，圍巖不穩定換熱系數的數據見表5，不穩定換熱系數變化曲線圖如圖3。

表5 不穩定換熱系數計算數據表

圖3 不穩定換熱系數變化曲線圖

通過表5 及圖3 可以看出，圍巖傳熱系統不穩定換熱系數隨著圍巖溫度的升高，基本維持在1 個相對動態穩定的狀態中，不隨通風量及圍巖溫度的變化而變化。

3 結 語

結合圍巖傳熱的原理，構建了井下圍巖不穩定換熱系數，系統中包含了模擬巷道通風系統、模擬巷道通風系統、圍巖溫度模擬實驗系統及數據采集系統，為進一步進行更為詳細的圍巖傳熱及隔熱實驗奠定了一定的實驗基礎；但也存在一定的問題，有待進一步進行解決：①深井圍巖外部為無限大的熱源體，模擬巷道能否全部體現；②后期試驗過程中，內壁面噴加保溫材料后，對圍巖傳熱的影響特性；③如何控制風流的風量、風速在一定的溫度的穩定性仍需進一步加強。