高溫礦井采煤工作面風溫模擬與應用

張正開

（1、西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安710054 2、西安科技大學 西部礦井開采與災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安710054）

隨著煤炭資源的開發，我國的淺部煤炭資源越來越少，大中型礦井平均開采深度超過500m，并且正以每年8～12m 的速度向下延伸，其中東部礦區以每年10～25m 的速度進入深部開采階段[1-3]。礦井熱害問題會隨著煤礦開采深度的增加而加劇，據相關資料統計[4，5]，全球平均地溫梯度約為3℃/100m，我國煤田百米地溫梯度為2～4℃/100m。

當礦井開采到一定深度時，礦井高溫熱害問題難以避免。熱害問題嚴重威脅到井下工人的生命健康和安全[6，7]，長期在高溫環境中勞動的職工發病率高。采煤工作面熱害是高溫礦井熱害最為嚴重的區域之一，亟待解決。通過模擬采煤工作面風溫，可為工作面工程降溫提供依據，對改善工作面熱環境保障煤礦安全高效生產有重要意義。

1 需冷量計算公式

在采煤工作面采取制冷降溫前，首先要選取合適的降溫設備和降溫方案，降溫方案的選取需綜合考慮采面降溫條件，降溫設備要與降溫方案匹配，最主要的是降溫設備制冷量需達到工作面需冷要求，因此采面需冷量是選擇制冷設備的重要參數。對于生產礦井，一般采用（1）～（4）式所示的焓差法來計算采煤工作面需冷量：

式中，Q 為需冷量，kW；G 為風流的質量流量，kg/s；k 為考慮冷量損失和制冷系統安全性的富裕系數，取1.2；i1、i2分別為降溫前后高溫地點空氣的焓值，kJ/kg；t 為空氣的溫度，℃；d 為空氣的含濕量，kg/kg；φ 為空氣的相對濕度，%；P 為空氣的壓力Pa；Ps為空氣溫度為t 時對應的飽和水蒸氣分壓，Pa。

2 采煤工作面風溫模擬與應用

2.1 采煤不同進風溫度下風溫預測

采煤工作面的進風溫度是影響采煤風溫的主要因素。采面的制冷降溫，一般是在進風巷布置降溫設備，用風筒將冷風送到采面。因此，選取某高溫礦井采煤工作面為原型，對不同進風溫度下的采面風溫模擬，預測采面降溫后的熱環境改善效果，工作面參數如表1 所示。

表1 采煤工作面技術參數

取采煤工作面熱害最為嚴重時期的溫度監測數據為例，采面進風溫度為28℃。對進風溫度為28℃進行模擬，圖1 為模擬和實測風溫曲線圖，模擬溫度與實測溫度基本吻合。圖2～3 是采煤工作面溫度場的分布，可以得出，工作面前半段溫度較低，風流對工作面降溫效果較好；工作面后半段溫度偏高，尤其在回風隅角處溫度近31℃，熱害問題嚴重。

圖1 工作面沿線溫度場分布

圖2 工作面沿線溫度場分布

圖3 工作面進、回風側溫度場分布

模擬進風溫度為20℃、24℃、26℃、28℃和30℃時工作面熱環境改善情況。從圖4 可以看出，工作面進風段降溫效果明顯，到距進風巷50m 左右時工作面風溫開始急劇上升，到距進風巷120 左右工作面溫度升高開始放緩降溫效果不顯著。當工作面進風溫度達到30℃時工作面沿線風溫整體略高于30℃，進風側和回風測溫度相差不大，這是因為進風溫度與工作面煤巖溫度已十分接近，風流幾乎沒有降溫冷卻能力。進風溫度為26℃時，工作面平均溫度為26.7℃；進風溫度為24℃時，工作面平均溫度能降低至25.5℃，已能有效改善工作面熱害問題；進風溫度為20℃時，工作面平均溫度能降低至23.8℃。

圖4 不同進風溫度下工作面風溫預測結果

2.2 應用

由上述分析可得，當進風溫度為24℃時，可以有效改善工作面熱害問題。進風溫度為20℃時可以完全解決熱害問題，但是成本高負擔大難以實現。所以，采取進風為24℃，對工作面進行需冷量計算。采煤工作面的通風量為1900m3/min，取制冷降溫前工作面進風溫度為28℃、相對濕度85%；制冷降溫后工作面進風溫度24℃、相對濕度95%。現場測得工作面空氣平均絕對靜壓為96635Pa，平均密度為1.09kg/m3。根據式（1）～（4）可得工作面需冷量為440kW，計算中求得的降溫前后風流狀態參數如

表2 所示。

3 結論

3.1 模擬了采面進風溫度為28℃時的工作面溫度場分布，模擬溫度與實測溫度基本吻合。

3.2 研究了采煤工作面不同進風溫度下的采面溫度分布，當工作面進風溫度達到30℃時，進風溫度與工作面煤巖溫度已十分接近，風流幾乎沒有降溫冷卻能力。進風溫度為24℃時，工作面平均溫度能降低至25.5℃，已能有效改善工作面熱害問題。

3.3 以采煤工作面進風溫度24℃為該采煤制冷要求，利用需冷量計算公式，得出采面需冷量為440kW。