矿井通风井巷热交换规律数值试验研究.pdf

分类号 UD C 密级 编号 初大警 S O U T HU N ⅣE R S I T Y 硕士学位论文 论文题目 矿井通风井巷热交换规律数值试验研究 学科、专业 安全技术及工程 研究生姓名 导师姓名及 专业技术职务 魏亚兴 胡汉华教授 2 0 1 2 年11 月 ． R 十一 分类号⋯⋯⋯⋯⋯ U DC 硕士学位论文 密级⋯⋯⋯⋯⋯一 编号⋯⋯⋯⋯⋯一 矿井通风井巷热交换规律数值试验研究 N u m e r i c a lT e s tR e s e a r c ho nt h eL a wo fM i n e V e n t i l a t i o nR o a d w a yH e a tE x c h a n g e 作者姓名 学科、专业 学院 系、所 指导老师 魏亚兴 安全技术及工程 资源与安全工程学院 胡汉华教授 论文答辩日期坦丝 答辩委员会主席 中南大学 2 0 1 2 年1 1 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名j 缎么 日期上竺生年卫月兰日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 储躲私砬聊签名剿日期．业让月出 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 矿井通风是保证矿山开采的重要内容，通风可以调节井下气候， 保证井下员工生命安全。在通风过程中，风流和井下热源将会不断发 生热湿交换，这将导致风温升高。过高的风温是一个不安全因素，危 害井下员工身心健康。因此，研究各因素对井下热环境的影响大小， 探讨风流热湿交换规律，这对矿山安全生产及控制井下热环境具有重 要意义。 本文在收集和查阅国内外文献的基础上，系统分析了矿井通风井 巷热交换理论，结合试验设计方法，采用F L U E N T 求解器对热湿交 换过程进行数值模拟，分析试验数据，讨论热湿交换过程中各因素的 相互作用，并确定了井下热环境的热力学模型。 论文的主要研究内容与结论如下 1 介绍了国内外矿井热害治理及通风井巷热湿交换研究的发 展历程，总结了矿井热源及其作用机理，并结合传热学、工程热物理 知识阐述了通风井巷热湿交换理论和风流流动原理，为数值模拟实验 提供理论支持。 2 介绍了F L U E N T 求解器的发展历程及其功能，分析了利用 F L U E N T 软件进行模拟所依据的控制方程并分别讨论其作用原理，指 出F L U E N T 模拟过程的边界条件和初始条件的类型，为试验开展提 供依据。 3 以温度和相对湿度为目标因子，选定影响热湿交换过程的 1 0 个因素进行正交模拟试验，用方差分析法对试验数据分析后进行 影响因子的筛选。试验结果表明，巷道壁温、巷道长度、进风温度3 个因素对终点温度影响较大，表现出正相关，其余各因素影响相对较 小；壁面湿度对终点相对湿度影响最为明显，成正相关，其他因素影 响微小。 4 因子筛选后，影响终点温度的因素包含巷道壁温、长度、 进风温度、风速和进风湿度；影响巷道终点相对湿度的因素包含壁面 湿度、进风温度、风速、进风湿度以及巷道壁面温度。分别以温度和 相对湿度为目标因子进行各因子的单因素模拟试验，并分别设置两组 对照试验。分析每组试验数据进行，确定单因素拟合公式，讨论各因 素对目标因子的作用机理。 中南大学硕士学位论文摘要 5 分析围岩传热和调热圈理论后，以壁温为目标因子，选取 调热圈半径、原岩温度和热导率三因子进行正交试验。试验结果表明， 对壁温的影响大小依次为原岩温度、热导率、调热圈半径。运用S P S S 软件对正交试验数据进行分析，得到壁面温度的拟合公式。 6 分别以温度和相对湿度为目标因子进行B B D 响应面试验， 试验结果表明相关因子间存在二阶交互作用。分析实验数据得到交互 因子的响应曲面图、等值线图以及响应面模型。 7 综合全文所有试验数据，运用S P S S 数据分析软件拟合得 到通风热交换过程的热力学模型计算式，分别为 T P o P l 瓦 p 2 汐 P 4 乃 鼽h 1V e p j 2 B 妒， 只瓦三 B 瓦乃 P l o 瓦矿 墨l 瓦缈， p 1 2 ￡乃 p 1 3 L V p 1 4 三哆 p 1 5 T y p 1 6 乃纺 p 1 7 y 哆 伊 q o q M i , q 2l I l 正 q 3l n V q 4 缈， q s T b 2 q 6 T b q T f P b T j 9 8 纯矿 q 9 q g b P j g l o 纯瓦 g ll 乙y q , 2 T f l ’j 9 1 3 乃瓦 9 1 4 V 妒， 9 1 5 ％ q 1 6 妒j T b 8 以工程实例实测数据为基础，分别用数值模拟计算和热力 学模型拟合公式对工程实例进行验算，讨论模型准确性。 关键词矿井通风，热湿交换，调热圈，数值模拟，正交试验，响应 面，线性回归 中南大学硕士学位论文 M i n ev e n t i l a t i o ns y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to fm i n i n g ．V e n t i l a t i o n C a na d j u s tu n d e r g r o u n dc l i m a t ea n de n s u r eu n d e r g r o u n de m p l o y e e sl i f e s a f e t y ．I nt h ep r o c e s so fu n d e r g r o u n dv e n t i l a t i o n , t h ep h e n o m e n o no fh e a t a n dm o i s t u r ee x c h a n g eb e t w e e na i r f l o wa n du n d e r g r o u n dh e a ts o u r c ew i l l c o n t i n u et oo c c u r , w h i c hw i l ll e a dt ot h ea i rt e m p e r a t u r er i s e ．H i g h e r t e m p e r a t u r ea i ri sa nu n s a f ef a c t o r s ，i tw i l ld oh a r mt ot h ep h y s i c a la n d m e n t a lh e a l t ho fu n d e r g r o u n ds t a f f ．T h e r e f o r e ，t os t u d yt h ev a r i o u sf a c t o r s t h a ta f f e c tt h es i z eo ft h eu n d e r g r o u n dt h e r m a le n v i r o n m e n ta n dd i s c u s s a i r f l o wh e a ta n dm o i s t u r ee x c h a n g el a Wi so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rs a f e p r o d u c t i o no f c o a lm i n ea n du n d e r g r o u n dt h e r m a le n v i r o n m e n tc o n t r 0 1 ． O nt h ec o l l e c t i o na n da c c e s st od o m e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r e ， s y s t e m a t i ca n a l y si so ft h em i n ev e n t i l a t i o nh e a te x c h a n g et h e o r yw a s g i v e n ．An u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e s tu s i n gf l u e n ts o l v e rW a ss e tu pt os t u d y t h ep r o c e s so fh e a t - m oi s t u r ee x c h a n g eb a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld e s i g n m e t h o d ．T h e nt h et e s td a t aw e r ea n a l y z e d ，a n dd i s c u s s e dt h ei n t e r a c t i o no f v a r i o u sf a c t o r si nt h ep r o c e s so ft h ee x c h a n g eo fh e a ta n dm o i s t u r e ． F i n a l l yt h et h e r m o d y n a m i c m o d e lo ft h e u n d e r g r o u n d t h e r m a l e n v i r o n m e n tW a sd e t e r m i n e d ． T h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n dc o n c h s i o n sa r ea sf o n o w s 1 T h eC O u r S eo fs t u d yo fd o m e s t i ca n df o r e i g nm i n eo fh e a tm j u r y g o v e r n a n c ea n dv e n t i l a t i o nh e a ta n dm o i s t u r ee x c h a n g ew a si n t r o d u c e d a n dt h em i n eh e a ts o u r c ea n di t sm e c h a n i s mo fa c t i o nW a sa l s os u m m e d u p ．C o m b i n e dw i t ht h ek n o w l e d g eo fh e a t t r a n s f e ra n de n g i n e e r i n g t h e r m a lp h y si cs ，v e n t i l a t i o nh e a ta n dm oi s t u r ee x c h a n g et h e o r ya n d a i r f l o wf l o wp r i n ci p l ew e r ee l a b o r a t e d ，a n dp r o v i d e dt h e o r e t i c a ls u p p o r t f o rt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ． 2 T h ec o u r s eo fd e v e l o p m e n to fF L I 正N Ts o l v e ra n di t sf u n c t i o n w e r ei n t r o d u c e d ．F I ，I 踟s o f t w a r es i m u l a t i o nb a s e dc o n t r o le q u a t i o n a n di t sm e c h a n i s mw e r eg i v e n ．T h et y p eo ft h et h eF I 』砸N Ts i m u l a t i o n p r o c e s sb o u n d a r ya n di n i t i a lc o n d i t i o n sw e r ep o i n t e do u ta n dp r o v i d e dt h e b a s i sf o rt h et e s t sc a r r i e do u t ． I I I 中南大学硕士学位论文A B S T R A C T 3 1of a c t o r st h a ta f f e c th e a t ．m o i s t u r ee x c h a n g eb e t w e e nt u r l n e lw a l l a n da i r f l o ww e r ec h o s e ni nt h eo r t h o g o n a lt e s tw h i l et h et e m p e r a t u r ea n d r e l a t i v eh u m i d i t yw e r es e l e c t da st h et a r g e tf a c t o r ．印锄t h em e t h o do f a n a l y si so fv a r i a n c et oa n a l y s et h et e s td a t a , t h ei n f l u e n c ef a c t o r sw e r e s c r e e n e d ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a t3f a c t o r sh a dag r e a t e ri m p a c to n e n d p o i n tt e m p e r a t u r e ，a l lo fw h i c hs h o w e dap o s i t i v ec o r r e l a t i o n ．B e si d e s ， t u n n e lw a l lh u m i d i t yw a st h em o s to b v i o u sf a c t o ra f f e c t e dt h ee n d p o i n t h u m i d i t ya n dt h e r ew a sap o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e m , w h i l et h e i n f l u e n c eo f t h er e m a i n i n gf a c t o r sw a ss m a l l ． 4 A f t e rf a c t o rs c r e e n i n g ，f a c t o r sa f f e c t i n gt h ee n d p o i n tt e m p e r a t u r e c o n t a i n st t m n e lw a l lt e m p e r a t u r e ，l e n g t h ，i n l e ta i r t e m p e r a t u r e ，w i n d s p e e da n da i ri n t a k eh u m i d i t y ；f a c t o r sa f f e c t i n gt u n n e le n d p o i n tr e l a t i v e h u m i d i t yi n c l u d et h ew a l lh u m i d i t y , i n l e ta i rt e m p e r a t u r e ，w i n ds p e e d , a i r h u m i d 咄a n dt h et u n n e lw a l lt e m p e r a t u r e ．S i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t sw e r e s e tu pw i t h r e s p e c t i v e l yt w o t r i a l sw h i l e t e m p e r a t u r e a n dr e l a t i v e h u m i d i t yw e r es e l e c t e da st h et a r g e tf a c t o r s ．A f t e rt h ea n a l y s i so f e a c hs e t o ft e s td a t a ，s i n g l ef a c t o rf o r m u l a sw e r ed e t e r m i n e d ，a n dv a r i o u sf a c t o r s o nt h em e c h a n i s mo f a c t i o no f t h et a r g e tf a c t o rw e r ed i s c u s s e d ． 5 A f t e rt h e a n a l y s i s o f s u r r o u n d i n gr o c k h e a tt r a n s f e ra n d h e a t - a d j u s t i n gl a y e rt h e o r y , h e a t a d j u s t i n gl a y e rr a d i u s ，p r o t o l i t h t e m p e r a t u r ea n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yw e r ec h o o s e ni nt h eo r t h o g o n a l e x p e r i m e n tw h i l et h ew a l lt e m p e r a t u r eW a ss e l e c ta st a r g e tf a c t o r ．T h et e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h ef a c t o r sa f f e c tw a l lt e m p e r a t u r ef o l l o Wt h eo r d e ro f p r o t o l i t ht e m p e r a t u r e ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t y , h e a t - a d j u s t i n gl a y e rr a d i u s ． U s i n gS P S Ss o f t w a r et oa n a l y z et h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，t h e ng o tt h ew a l l t e m p e r a t u r ef o r m u l a ． 6 B B Dr e s p o n s e s u r f a c e e x p e r i m e n t s w e r es e tu pw h i l e t e m p e r a t u r ea n dr e l a t i v eh u m i d i t yw e r es e l e c t e da st h et a r g e tf a c t o r s ．T h e t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ef a c t o r sh a v es e c o n d - o r d e ri n t e r a c t i o n ．T h e i n t e r a c t i o nf a c t o rr e s p o n s es u r f a c em a p s ，c o n t o u rm a p sa n dr e s p o n s e s u r f a c em o d e lw e r eo b t a i n e da f t e rt h ea n a l y s i so f t h ee x p e r i m e n t a ld a t a ． 7 C o n s o l i d a t e da l lt e s td a t ai nt h et e x t ，u s i n gS P S Ss o f t w a r et og e t t h ev e n t i l a t i o nh e a te x c h a n g ep r o c e s st h e r m o d y n a m i cm o d e le q u a t i o n ， r e s p e c t i v e l y I V T P o p l 瓦 p 2 汐 风乃 p 5t n V e 6 伊j 2 B 纺 最瓦三 B 瓦乃 p 1 。瓦矿十置l 瓦纺 p 1 2 三I p 1 3 LV p 1 4 三纺 p 1 5 T y V p 1 6 T j p j p 1 7 V 纺 缈9 0 g l q D b q 2l n T j q 3l n V q 4 哆 9 5 瓦2 9 6 T b q 7 够b T j q 8 纯矿 q 9 饩纺 q l O f ／g b T b 9 1 l T y q 1 2 弓哆 9 1 3 弓瓦 q 1 4 矿哆 9 1 5 ％ 9 1 6 伤瓦 f ，8 N u n ∞r i c a ls i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n a n dm o d e lf o r m u l aW e r eu s e dt o c h e c ka na c 饥m 1p r o j e c tb a s e do nt h em e a s u r e dd a t aa n dd i s c u s s e dt h e m o d e la c c u r a c y ． K E YW O R D S m i n ev e n t i l a t i o n ，h e a t - m o i s t u r ee x c h a n g e ， h e a t - a d j u s t i n gl a y e r ．n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，o r t h o g o n a lt e s t ，r e s p o 璐e s u r f a c e ，l i n e a rr e g r e s s i o n V 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．Ⅲ 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯Ⅵ 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 选题的目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 国外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 国内研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 主要研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 l - 3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 第二章通风井巷热交换理论与数值模拟技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 矿内热源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 ．2 通风井巷热湿交换理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．1 传热学基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．2 ．2 热湿交换原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．2 ．3 流动体系的能量方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．3 ．4 风流温度变化的基本方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．3F L U E N T 求解器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．4 流体流动的控制方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．5 边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．6 计算流体力学与数值模拟求解过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．7 本文数值模拟路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 第三章通风热交换影响因素模拟试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 9 3 ．1 热环境的表征因子⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．2 正交试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．2 ．1 数值计算模型的选取与建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．2 ．2 边界条件设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 。2 ．3 正交试验设计及其结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 3 ．2 ．4 试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．2 ．5 影响因素筛选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 3 ．3 单因素试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．3 ．1 终点温度单因素影响试验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．3 ．2 终点相对湿度单因素影响试验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 Ⅵ 中南大学硕士学位论文目录 3 ．4 调热圈理论与壁面温度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 3 ．4 ．1 调热圈理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 3 ．4 ．2 壁面温度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 l 3 ．5 断面形状因素比较分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 3 ．5 ．1 不同断面形状模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 3 ．5 ．2 模拟试验结果比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 第四章矿井通风热交换的热力学模型研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 4 ．1 响应面试验设计法与D e s i g n - E x p e r t 软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 4 ．1 ．1 响应面法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 4 ．1 ．2D e s i g n - E x p e r t 软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 4 ．2 B B D 响应面试验设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 4 ．2 ．1 温度响应面试验设计与结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 4 ．2 ．2 相对湿度响应面试验设计与结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 4 ．3 热交换模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 4 ．3 ．1 温度因子热力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 6 4 ．3 ．2 相对湿度因子热力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 8 4 ．4 模型验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 4 ．4 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 9 4 ．4 ．2 验证计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 0 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯81 第五章结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 3 5 ．1 本论文的主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 5 ．2 论文的主要创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 4 5 ．3 有待进一步研究的内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 6 附录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 附录一温度总数据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 附录二相对湿度总数据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 9 攻读硕士学位期间的研究成果及获奖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 ⅥI 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ．1 选题的目的及意义 第一章绪论弟一早殖比 资源与环境是人类生存、繁衍发展的基本条件，人类衣、食、住、行等各方 面行为都离不开矿山资源的支持矿山开采行业是国民经济的基础行业，对于国 家安全、国民经济的发展有着重要意义。矿井通风是矿山安全生产的基本保障， 其主要任务是向井下连续输送新鲜空气，稀释并排出有毒有害气体、粉尘等，调 节井下气候，创造适宜的工作环境，提高劳动生产率。 随着浅表层矿产资源的日趋枯竭，矿产资源开采向深部发展是必然趋势。然 而，深部采矿面临着许多新的难题，热害问题就是一个不可避免的难题。随着掘 进深部的不断增加，巷道巷道围岩温度逐渐升高，这必然导致矿井内风流温度升 高，影响井下热环境气候。资料【I j 显示，在采矿业更为先进的地区，井巷掘进越 深，热害问题越严重，如南非的金矿开采深度已达4 0 0 0 m ，巴西、印度的金属矿 山开采深度也有超过2 0 0 0 m 。2 0 世纪9 0 年代以来，我国地下开采深度己发展到 7 0 0 ～8 0 0 米，并以每年约l O m 的速度递增。高温问题初步出现在实际工程问题 中，典型的矿井有安徽铜陵狮子山铜矿冬瓜山矿某8 7 5 m 水平处风温达到 3 0 ～3 9 ℃，湘西某金矿采掘工作面温度测量约3 2 ℃左右，这些温度值都超过国家 规定的安全标准【2 】。近年来，统计资料显示，我国约有1 4 0 处矿井出现了相关的 高温问题，其中约6 0 个矿区的采掘工作面温度超过3 0 。C [ 3 1 。 高温环境下作业的工人，体能迅速下降，工作效率低，易出现中暑、热晕， 还可能诱发神经中枢系统失调等疾病，致使事故频发。人体产热与散热量的动态 平衡是保证正常体温的基础【4 】。人体不断通过新陈代谢产热热量来维持体温，同 时又以热辐射、热传导、热对流等传热方式将热量传递到热体外，达到控制提问 的动态平衡。当正常人体体温自我调节系统被打破时，必然导致体温异常，影响 人员正常工作。在矿井内，由于长期处于高温、高湿等环境中，人体散热出现异 常，外界热量不断传入体内，新陈代谢速度加快，体内产热量增加，很可能会导 致体温增加，影响员工正常作业，严重时会导致中暑等现象【5 】。高体温还可进一 步加速体内各种代谢过程，最后引起体温调节中枢机能衰竭，意识丧失以及循环、 呼吸功能衰竭，出现生命危险。 深部开采不可避免，掘进深度的增加将会导致原岩温度的增加。由热力学第 二定律知，通风过程中，风流和井下热源不断发生热湿交换，风流状态不断变化。 过高的风温是一个不安全因素，危害井下员工身心健康。近几十年来，国内矿井 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 降温、制冷方面已有明显进步。但矿山开采过程是复杂的、动态的，还有很多问 题有待深入解决，如矿井通风的热湿交换理论、风流热交换因素、风流状态参数 的预测预报技术误差较大、矿井空调系统优化等。鉴于此，本文以通风井巷热交 换规律为出发点，结合数值模拟技术与试验设计，科学挑选影响通风热交换过程 的因素，运用相关试验研究方法进行单因素、多因素分析，寻找各因素对井下热 环境的影响大小，深入探讨热交换规律。借助数值模拟技术研究，了解各影响因 素对井下热环境的影响大小，定性、定量的描述各影响因素的具体影响机理，并 试图找到巷道温度、湿度依据影响因素的定量拟合公式，这为井下热环境计算、 设计等提供了很好的思路。相关研究对井下巷壁与空气的热湿交换规律、热害控 制等都具有指导性意义，为后来学者提供参考依据。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 国外研究现状 国外在矿井热害及其治理方面的研究起步较早。最早的文献始于1 7 4 0 年的 法国，B e l f o r t 附近的金属矿山地温测试打开了矿井热害领域的序幕【6 ] 。1 8 世纪末， 英国人开始对巷道围岩温度进行系统的测试，发现地温随掘进深度增加而升高的 基本规律【7 l 。1 9 1 9 年南非学者开始了矿井风流热力学规律的研究，自此开始了真 正意义上的矿井降温理论研究【8 1 。这些早期的地温测试、研究工作为近代矿井热 交换理论奠定了基础。此后的学科发展大致可以分为三个阶段，即雏形期、发展 期、理论期。 雏形期。2 0 世纪5 0 年代以前，国外矿山开采规模相对较小，产量较小，热 害问题也不突出，热害理论研究较少。西德H e i s eD r e k o p t 以巷道壁面温度稳定 周期变化为前提，讨论了围岩内部的温度周期变化，并提出了围岩传热调热圈概 念。这是矿井热环境问题的雏形理论[ 9 】。1 9 2 4 年，西德R a d l o d 矿井下9 5 8 米深 处建立了一个集中制冷站，南非也开始了矿井热力学研究，并进行了相关降温探 索。1 9 3 9 1 9 4 1 年间，南非B i c c a n d ．J a p p e 撰写了四篇关于“深井风温预测”的 论文，为风流温度计算提供思路[ 1 0 】。1 9 5 1 年，英国学者V a n H e e r d e n 【J 、日本学 者平松良雄；1 9 5 2 年，西德学者K o n i g 等人在分析了平巷围岩与风流热交换理 论后，给出了在理想条件下围岩调热圈温度场的理论解【l2 1 。1 9 5 3 年，苏联人舍 尔巴尼给出了更精确的不稳定传热系数，并用另一种计算方法解算出了调热圈 温度场。1 9 5