热害矿井冷负荷分析.pdf

第３６卷第４期重庆大学学报Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．４２０１３年４月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＡｐｒ．２０１３文章编号１０００－５８２Ｘ（２０１３）０４－１２５－０７热害矿井冷负荷分析姬建虎１，２，廖强１，胡千庭２，陈孜虎２（１．重庆大学动力工程学院，重庆４０００４４；２．中国煤炭科工集团重庆研究院，重庆４０００３７）收稿日期２０１２－１２－１９基金项目科技部 “ 十二五” 科技支撑计划资助项目（２０１２ＢＡＫ０４Ｂ００）；重庆市科技攻关计划资助项目（ＣＳＴＣ，２００８ＡＢ７００８）作者简介姬建虎（１９７８－），男，重庆大学博士研究生，主要研究方向为煤矿安全、矿井降温及地热利用等。廖强（联系人），男，重庆大学教授，博士生导师，（Ｔｅｌ）０２３－６５１０２４７４。摘要以热害矿井风流为研究对象，建立能量平衡方程，通过理论推导出非稳定多股流冷负荷表达式、稳流冷负荷表达式、稳定流忽略动能变化、忽略势能变化、忽略风机做功影响等５种情况下冷负荷表达式，推导了井下湿空气焓变的表达式和围岩散热计算过程，案例分析和计算矿井冷负荷，对热害矿井治理和设计具有良好的理论指导意义。关键词热害矿井；冷负荷；矿井降温中图分类号ＴＤ７２７文献标志码ＡＡｎａｌｙｓｉｓｏｎｃｏｏｌｉｎｇｌｏａｄｏｎｈｏｔｍｉｎｅＪＩＪｉａｎｈｕ１，２，ＬＩＡＯＱｉａｎｇ１，ＨＵＱｉａｎｔｉｎｇ２，ＣＨＥＮＺｉｈｕ２（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００４４，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＢｒａｎｃｈ，ＣｈｉｎａＣｏａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００３７，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＡｉｒｓｔｒｅａｍｏｆｈｏｔｍｉｎｅｓｉｓｔａｋｅｎａｓｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊｅｃｔ，ａｎｄｅｎｅｒｇｙｂａｌａｎｃｅｅｑｕａｔｉｏｎｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｃｏｏｌｉｎｇｌｏａｄｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓｕｎｄｅｒｆｉｖｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅｄｅｒｉｖｅｄｔｈｒｏｕｇｈｓｔｒｉｃｔｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｄｅｒｉｖａｔｉｏｎ，ｉ．ｅ．ｕｎｓｔｅａｄｙｍｕｌｔｉ－ｓｔｒｅａｍ，ｓｔｅａｄｙｆｌｏｗ，ｓｔｅａｄｙｆｌｏｗｉｇｎｏｒｉｎｇｋｉｎｅｔｉｃｅｎｅｒｇｙｃｈａｎｇｅ，ｓｔｅａｄｙｆｌｏｗｉｇｎｏｒｉｎｇｐｏｔｅｎｔｉａｌｅｎｅｒｇｙｃｈａｎｇｅａｎｄｓｔｅａｄｙｆｌｏｗｉｇｎｏｒｉｎｇｆａｎｐｏｗｅｒｃｈａｎｇｅ．Ｔｈｅｎｔｈｅｅｎｔｈａｌｐｙｖａｒｉａｂｌｅｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅｓｕｂｓｕｒｆａｃｅｍｏｉｓｔａｉｒａｎｄｈｅａｔｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋａｒｅｄｅｄｕｃｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ＹｏｎｇＣｈｕａｎｃｏａｌｍｉｎｅｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｃｏｏｌｉｎｇｌｏａｄｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ．Ｉｔｉｓｃｏｎｄｕｃｉｖｅｔｏｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｌｙｍａｎａｇｅｈｏｔｍｉｎｅａｎｄｄｅｓｉｇｎｍｉｎｅｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｈｏｔｍｉｎｅ；ｃｏｏｌｉｎｇｌｏａｄ；ｍｉｎｅｃｏｏｌｉｎｇ据中国煤田地温观测资料统计，百米地温梯度为２～４℃／１００ｍ，根据第三次全国煤炭资源预测，埋深大于１０００ｍ的煤炭资源占全国预测总量的５９．５％［１］，随着对能源需求的增加，矿井向深部开采，热害也越来越严重，国内外主要通过人工制冷方式来达到井下环境目标温度，需冷点的冷负荷成为能否达到目标温度的关键，冷负荷关系着能否达到目标温度，能否创造出舒适的工作环境温度。ＧＢ５０４１８－２００７煤矿井下热害防治设计规范中规定冷负荷Ｑ≥Ｇ（ｉ１－ｉ２）［２］，式中符号见文献［２］，文献［３－５］与文献［２］观点一致，文献［６－７］则认为冷负荷应为Ｑ≥Ｇ（ｉ１－ｉ２）＋Ｑ ′，即冷负荷为需冷点风流焓变加上井下需冷点各热源的放热量，以上２种不同的观点在实践中皆有，另外热害矿井热源中围岩散热计算最为复杂，围岩散热是引起水平巷道中风流干、湿温度变化的主要因素，因此研究围岩温度场分布规律及围岩散热计算方法，对预测巷道风流热参数、控制井下风流热环境和研究热害矿井需冷点的冷负荷，对我国热害矿井设计和管理工作具有重要意义。目前，国内外学者对围岩散热现象进行了大量研究，主要方法有解析法和数值计算法［８－１２］，包括有限元、边界元、有限差分、无因次分析和解析计算等，解析法只能在很多失真假设条件下求解，计算围岩温度场的精度非常有限。所以围岩散热计算方法一般采用数值分析方法。文中在建立数值模型的基础上，对围岩散热的影响因素进行了充分了分析，得出了较合理围岩散热计算公式，为矿井热害治理提供了必要的理论支撑，在实际应用中具有重要意义。１冷负荷公式能量守恒原则应用于系统中的能量变化时可表达为进入系统的能量－离开系统的能量＝系统中储存能量的增加。（１）为更加清晰分析矿井中风流守恒和变化规律，建立如图１所示模型，将系统分割为趋向于无穷小的微元过程，参考热力学分析看作可逆过程。图１中虚线部分表示风流控制系统，矿井风流在巷道中流动通过１－１、２－２位置，在ｄτ时间内进行一个微元过程，质量为δ ｍ１、体积为ｄＶ１的微元风流流入进口截面１－１，风流状态的参数分变为进入系统总能量Ｅ１、压力Ｐ１、速度ｖ１、标高Ｚ１；２－２处风流状态的参数分变为进入系统总能量Ｅ２、压力Ｐ２、速度ｖ２、标高Ｚ２。质量为 δ ｍ２、体积为ｄＶ２的微元风流流出截面２－２，同时系统吸收围岩散热、机电散热、人体散热等热量δ Ｑ，风机对系统做功δ Ｗ，完成该微元过程后系统内风流质量增加了ｄｍ，系统总能量增加了ｄＥｃｖ，系统总能量Ｅ包括热力学内能Ｕ（内能又包括化学能、核能和内热能，用在工程上这里只考虑内热能）、宏观动能Ｅｋ、宏观势能Ｅｐ，则Ｅ＝Ｕ＋Ｅｋ＋Ｅｐ。（２）图１风流能量守恒模型Ｅｋ＝１２ｍｖ２，（３）式中ｍ为风流质量，ｋｇ；ｖ为风流速度，ｍ／ｓ。Ｅｐ＝ｍｇｚ，（４）式中ｇ为重力加速度，ｍ／ｓ２；ｚ为风流标高差值，ｍ。由式（２）～（４），得Ｅ＝Ｕ＋１２ｍｖ２＋ｍｇｚ。（５）单位质量风流的总能，即比总能ｅ可写为ｅ＝ｕ＋１２ｖ２＋ｇｚ。（６）分析微元过程的能量平衡进入系统的能量ｄＥ１＋ｐ１ｄＶ１＋δ Ｑ＋δ Ｗ，（７）离开系统的能量ｄＥ２＋ｐ２ｄＶ２，（８）控制系统的储存能增量ｄＥｃｖ。（９）式（７）～（９）中ｄＥ１＝ｄ（Ｕ１＋Ｅｋ１＋Ｅｐ１）、ｄＥ２＝ｄ（Ｕ２＋Ｅｋ２＋Ｅｐ２）分别为微元过程中风流带进和带出系统的总能。ｄＥＣＶ＝ｄ（Ｕ１＋Ｅｋ１＋Ｅｐ１）ＣＶ是控制容积内总能的增量。ｐ１ｄＶ１、ｐ２ｄＶ２分别为微元风流带入、带出的推动功，根据能量表达式（１），得ｄＥ１＋ｐ１ｄＶ１＋ δ Ｑ＋δ Ｗ－（ｄＥ２＋ｐ２ｄＶ２）＝ｄＥｃｖ。（１０）即ｄ（Ｕ１＋Ｅｋ１＋Ｅｐ１）＋ｐ１ｄＶ１＋ δ Ｑ＋δ Ｗ－ｄ（Ｕ２＋Ｅｋ２＋Ｅｐ２）－ｐ２ｄＶ２＝ｄＥｃｖ δ Ｑ＋δ Ｗ＋ｄＵ１＋ｐ１ｄＶ１＋ｄＥｋ１＋ｄＥｐ１－（ｄＵ２＋ｐ２ｄＶ２＋ｄＥｋ２＋ｄＥｐ２）＝ｄＥｃｖ由ｄＵ＝ｕ δ ｍ，ｄＶ＝ｖ δ ｍ，ｄＥｋ＝１２ｖ２ δ ｍ，ｄＥｐ＝ｇｚ δ ｍ代入上式，（得ｕ１＋ｐ１ｖ１＋１２ｖ２１＋ｇｚ）１ δ ｍ１（－ｕ２＋ｐ２ｖ２＋１２ｖ２２＋ｇｚ）２ δ ｍ２＋ δ Ｑ＋δ Ｗ＝ｄＥＣＶ，（１１）由焓ｈ＝ｕ＋ｐｖ代入上式，（得ｈ１＋１２ｖ２１＋ｇｚ）１ δ ｍ１（－ｈ２＋１２ｖ２２＋ｇｚ）２ δ ｍ２＋ δ Ｑ＋δ Ｗ＝ｄＥＣＶ。（１２）如果流进、流出控制体的风流各有若干股，则上式可写为 （ｉｈ１＋１２ｖ２１＋ｇｚ）１ δ ｍ１－ （ｊｈ２＋１２ｖ２２＋ｇｚ）２ δ ｍ２＋ δ Ｑ＋δ Ｗ＝ｄＥＣＶ。（１３）如果考虑单位时间内系统能量关系，仅需在上式两边各除以ｄτ即可，并设 δ Ｑｄτ＝ｑ， δ ｍｄτ＝ｍ， δ Ｗｄτ ＝ｗ，ｑ、ｍ、Ｗ分别表示单位时间的热流量、质量流量６２１重庆大学学报第３６卷和内部功率。代入上式得出矿井风流能量一般表达式 （ｉｈ１＋１２ｖ２１＋ｇｚ）１ｍ１－ （ｊｈ２＋１２ｖ２２＋ｇｚ）２ｍ２＋ｑ＋ｗ＝ｄＥｃｖｄτ 。（１４）风流流动为稳定流动时，系统参数不随时间变化，因此ｄＥｃｖｄτ ＝０， ｍ１＝ｍ２，如果只有一股风流，即对于单一巷道中风流系统，其单位质量能量平衡方程式可写为ｈ１－ｈ２＋１２ｖ２１－１２ｖ２２＋ｇｚ１－ｇｚ２＋ｑ＋ｗ＝０，（１５）式中ｑ为风流系统吸收热量，指吸收围岩散热、机电散热、人体散热等散热量 Ｑ热，如果加入制冷系统冷负荷为Ｑ冷，则ｑ＝Ｑ热－Ｑ冷。代入上式，整理得Ｑ冷＝ｈ１－ｈ２＋１２ｖ２１－１２ｖ２２＋ｇｚ１－ｇｚ２＋Ｑ热＋ｗ，（１６）Ｑ冷＝ Δｈ＋１２Δ ｖ２＋ｇΔｚ＋Ｑ热＋ｗ。（１７）式（１６）、（１７）就是冷负荷在稳定风流状况下完整表达式。上述冷负荷能量平衡方程，根据矿井不同情况，可分解为如下方程１）非稳定多股流冷负荷表达式，由ｑ＝Ｑ热－Ｑ冷代入上式得出Ｑ冷＝ （ｉｈ１＋１２ｖ２１＋ｇｚ）１ｍ１－ ｊｈ２＋１２ｖ２２＋ｇｚ（）２ｍ２＋Ｑ热＋ｗ－ｄＥＣＶｄτ 。（１８）２）稳流冷负荷表达式Ｑ冷＝ｈ１－ｈ２＋１２ｖ２１－１２ｖ２２＋ｇｚ１－ｇｚ２＋Ｑ热＋ｗ。（１９）３）稳定流动能变化可忽略的情况Ｑ冷＝ Δｈ＋ｇΔｚ＋Ｑ热＋ｗ。（２０）４）稳定流动能和势能变化可忽略的情况Ｑ冷＝ Δｈ＋Ｑ热＋ｗ。（２１）５）稳定流动能和势能变化可忽略、且没有风机做功的情况Ｑ冷＝ Δｈ＋Ｑ热。（２２）由上述能量平衡方程可知，热害矿井某一需冷点（如掘进工作面、采煤工作面）的冷负荷的计算，应根据具体情况具体分析，如情况（５）计算冷负荷时，应设定目标温度，得出相应风流焓变△ｈ，并以目标温度计算需冷点各热源放热量之和 Ｑ热， Ｑ热与Δｈ之和只是最小冷负荷Ｑ冷，其中焓变Δｈ和 Ｑ热是计算冷负荷一个关键的参数。２焓变热害矿井下的风流为湿空气，且湿度都比较高，采掘工作面甚至常常达到９０％以上，因此不能用Ｈ２－Ｈ１＝Ｃｐａ（ｔ２－ｔ１）来衡量湿空气的焓变，而应按照理想气体混合物的性质，焓Ｈ为干空气的焓与水蒸气的焓之和，即Ｈ＝Ｈａｉｒ＋Ｈｗａｔｅｒ。假设这里有１ｋｇ的０℃ 的干空气、ｄｋｇ的水位于不同的容器，现对其加热，使空气温度达到ｔｄ。同理对水加热，直到水蒸发，再继续加热，使水蒸气干球温度也为ｔｄ，最后将空气和水蒸气混合得到干球温度为ｔｄ、湿球温度为ｔｗ的（１＋ｄ）ｋｇ的非饱和湿空气。通常热工计算中只要求确定热力变化过程的焓值的变化量，理想气体通常取０ ℃的焓值为零［１３］，这样就可以很好定量上述的加热量１）１ｋｇ干空气从０℃到ｔｄ吸收的热量为ｑａｉｒ＝１Ｃｐａｔｄ２）根据容器中的压力的不同，０ ℃的水加热变成ｔｄ的水蒸气可按以下３种方式进行 ①ｄｋｇ的０℃的水加热变成ｔｄ的水蒸气ｑｗａｔｅｒ＝Ｌ（０）ｄ＋ｄＣｐａｔｄ，式中，Ｌ（０）为０℃的蒸发潜热，ｋＪ／ｋｇ； ②水温度从０℃升至ｔｄ，然后蒸发成水蒸气ｑｗａｔｅｒ＝Ｌ（ｔｄ）Ｘ＋ｄＣＷｔｄ，式中Ｌ（ｔｄ）为ｔｄ℃的蒸发潜热，ｋＪ／ｋｇ；Ｃｗ为水的比热，４１８７Ｊ／ｋｇ ℃。 ③水升至任意中间温度ｔ，然后蒸发，再继续加热使蒸汽温度达到ｔｄｑｗａｔｅｒ＝ｄＣＷｔ＋Ｌ（ｔ）ｄ＋ｄＣＰＶ（ｔｄ－ｔ），式中Ｌ（ｔ）为ｔ℃的蒸发潜热，ｋＪ／ｋｇ。３种情况过程不同，但结果一样。为易于理解，取第３种情况，设中间温度ｔ为空气、水蒸气的混合物的湿球温度ｔｗ，这样上述系统相对于０ ℃的焓变为Ｈ＝ｑａｉｒ＋ｑｗａｔｅｒ＝ＣＰａｔｄ＋ｄ［ＣＷｔＷ＋Ｌ＋Ｃｐａ（ｔｄ－ｔＷ）］。（２３）温度范围变化不大（不超过１００ ℃），湿空气的焓Ｈ可用以下公式［１５］７２１第４期姬建虎，等热害矿井冷负荷分析Ｈ＝１．００５ｔ＋ｄ（２５０１＋１．８６ｔ），Ｈ＝１．００５ｔ＋ｄｈ式中ｄ为湿空气的含湿量，ｋｇ／ｋｇ；ｔ为湿空气干球温度，℃；ｈ ″为ｔ℃时的饱和水蒸气焓值，ｋＪ／ｋｇ。湿空气中水蒸气的质量是变化的，干空气的质量是稳定的，因此湿空气的焓Ｈ是相对于单位质量的干空气而言的［１５］，单位为Ｊ／ｋｇ。３热源散热热害矿井热源 Ｑ热主要包括空气压缩热、围岩散热、机电设备散热、氧化散热、爆破热及人体新陈代谢散热等，除围岩散热外，其余热源可参考文献［１６］通过相应公式直接计算得出。围岩散热是热害矿井主要热源之一，计算过程相对复杂，因此下面主要讨论围岩散热。３．１围岩换热系数研究将巷道看作圆形通道，并以ｚ、ｒ、 φ柱坐标的方向，ｚ表示巷道长度方向坐标，ｒ表示巷道径向长度， φ表示ｒ与水平间的夹角，ｔ表示时间，如图２所示，图２传热模型利用柱坐标系得出传热模型如下［１４］ｋ ρ （ｃ  ２ θ ｒ２＋１ｒ θ ｒ＋１ｒ２  ２ θ φ ２＋ ２ θ ｚ）２＝ θ ｔ，（２４）式中Ｋ为围岩导热系数，Ｗ／（ｍ℃）； ρ为围岩密度，ｋｇ／ｍ３；ｃ为围岩比热，Ｊ／（ｋｇ ℃）。对于热害矿井中巷道风流来说，风流被加热是因为巷道围岩对风流散热并在巷道长度方向积累而显现的。在巷道长度方向ｚ和环巷道角度方向φ为空气之间的换热，相对围岩散热很小，因此忽略巷道长度方向和角度方向上的传热，即 θ ｚ＝  ２ θ ｚ２＝０， θ φ ＝  ２ θ φ ２＝０所以式（２４）变为ｋ ρ （ｃ  ２ θ ｒ２＋１ｒ θ ）ｒ＝ θ ｔ，（２５）由热扩散系数ａ＝ｋ ρ ｃ，则上式（２５）变为（ａ  ２ θ ｒ２＋１ｒ θ ）ｒ＝ θ ｔ。（２６）再解方程，半径无量纲化ｒｄ＝ｒｒａ，（２７）式中，ｒａ＝周长２ π ，为巷道有效半径。时间无量纲化，傅立叶数Ｆｏ＝ａｔｒ２ａ。（２８）将式（２７）、（２８）代入式（２６），得  ２ θ （ｒａｒｄ）２＋１ｒａｒｄ θ （ｒａｒｄ）＝１ａ θ （  Ｆｏｒ２ａ）ａ，（２９）消去常数ｒａ和ａ，得  ２ θ （ｒｄ）２＋１ｒｄ θ （ｒｄ）＝ θ （Ｆｏ）。（３０）当风流在巷道壁面上流动时，由于粘性的作用，在贴壁处流体没有相对于壁面的流动，称之为贴壁处的无滑移边界条件，壁面和风流间的热量传递必须穿过这个流体层，而穿过不流动的流体层的热量传递方式只能是导热［１７］，应用傅立叶定律于贴壁流体层，可得ｑ＝（ｋ θ ）ｒＳ，（３１）式中ｋ为风流导热系数，Ｗ／（ｍ℃）；（ｋ θ ）ｒＳ为风流与围岩贴壁面上法线方向上流体温度梯度，以下标ｓ表示。围岩壁面与风流间的对流换热应用牛顿冷却定律ｑ＝ｈ（θＳ－θｄ），（３２）式中 θＳ为围岩表面温度，℃；θｄ为巷道风流干球温度，℃；ｈ为表面对流换热系数，Ｗ／（ｍ２℃）由式（３１）、（３２）得ｑ＝（ｋ θ ）ｒＳ＝ｈ（θＳ－θｄ）。（３３）将边界层的温度梯度无量纲化，得Ｇ＝ｒａｔＶＲＴ－θ（ｄ θ ）ｒＳ，（３４）８２１重庆大学学报第３６卷式中ｔＶＲＴ为原始岩温（ｖｉｒｇｉｎｒｏｃｋｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ），℃；将式（３４）代入式（３３），得Ｇ（ｔＶＲＴ－θｄ）＝ｈｒａｋ（ θＳ－θｄ）。（３５）由于无量纲传热系数毕渥数Ｂｉ＝ｈｒａｋ，式（３５）变为 θＳ＝ＧＢｉ（ｔＶＲＴ－θｄ）＋θｄ。（３６）至此，得出计算围岩对流散热方程组  ２ θ （ｒｄ）２＋１ｒｄ θ （ｒｄ）＝ θ （Ｆｏ） θ（０，ｘ）＝ｔＶＲＴ θ（ｔ，０）＝θＳ θＳ＝ＧＢｉ（ｔＶＲＴ－θｄ）＋θ 烍烌烎ｄ。（３７）解上述方程组，即可得出无量纲温度梯度Ｇ。３．２围岩辐射换热围岩散热除了对流散热之外，还有辐射散热。辐射一般采用根据斯特藩－玻耳兹曼定律，在地下环境工程中，更加实用辐射换热公式［１４］ｑｒ＝ｈｒ（θＳ－θｄ）Ｆｅｖ，（３８）式中ｑｒ为辐射散热，Ｗ／ｍ２；ｈｒ为辐射换热系数，Ｗ／（ｍ２℃）； θＳ为围岩表面温度，℃；θｄ为巷道风流干球温度，℃；Ｆｅｖ为包含辐射率和角系数的复合系数，对于粗糙的表面，一般大于０．９５。对于单位面积对风流中的水蒸气的角系数，或对大多数围岩表面，形成一个整体，因此取Ｆｅｖ的值为１。对于具有１０～４０℃的表面温度，辐射换热系数为５～７Ｗ／（ｍ２℃），更加准确的估值按下式计算ｈｒ＝４５．６７１０－２Ｔ３ａｖ，（３９）式中，Ｔａｖ为两表面的平均绝对温度，Ｋ，实践中可以看作风流的干球温度。通常ｈｒ比对流换热系数ｈｃ要小很多。风流中水蒸气对辐射热的吸收率的经验公式ａｂ＝０．１０４ｌｎ（１４７Ｌ），（４０）式中Ｌ为风流通过的辐射换热距离，ｍ。因此，围岩和风流间有效辐射换热系数变为ａｂｈｒ，总换热系数为ｈ＝ｈｃ＋ａｂｈｒ。（４１）３．３围岩散热计算步骤整理以上所述围岩散热过程，围岩散热计算步骤如下１）整理计算基本参数；２）Ｎｕ计算；３）计算综合换热系数ｈ＝ｈｃ＋ａｂｈｒ，Ｗ／（ｍ２℃）；４）计算Ｂｉ；６）计算Ｆｏ；７）计算无量纲温度梯度Ｇ；８）计算热流密度ｑ＝ｈＧＢｉ（ｔＶＲＴ－θｄ），Ｗ／ｍ２；９）计算围岩对风流的散热量ｑ周长风流风流长度１０００。４矿井冷负荷应用热害矿井下的冷负荷的计算通常只计算采、掘工作面和硐室等需冷点的制冷量，该条件下巷道风流高差一般不大，风流量流速也比较稳定，如果再忽略风机对风流的影响，则冷负荷应按照式（２２）计算，矿井各需冷点设计冷负荷应为Ｑ冷≥Ｇ（ｈ２－ｈ１）＋Ｑ ′，（４２）式中Ｑ冷为需冷点的冷负荷，ｋＷ；Ｇ为需冷处的风量质量流量，ｋｇ／ｓ；ｈ１为需冷处达到降温目标对应的焓，ｋＪ／ｋｇ；ｈ２为需冷处风流的焓，ｋＪ／ｋｇ；Ｑ’ 为需冷点最大热负荷，总散热量，ｋＷ，由热源分析计算得出。根据式（２３）、（４２）、围岩散热计算过程及其他矿井热源散热，结合永川煤矿实测数据［１８－１９］，按国内外通常做法将２８ ℃作为目标温度，计算矿井各需冷点的冷负荷（见表１），需冷点－３７５０６、－３７１０７、－３７４０３、－３７６１６为４个采煤工作面，其余６个需冷点为掘进工作面，工作面冷负荷为３００～５００ｋＷ，掘进面为２００～３２０ｋＷ，为计算简便，工作面冷负荷平衡取４００ｋＷ，掘进面取２６０ｋＷ，则４个工作面６个掘进面共需３１６０ｋＷ，再乘以附加系数１．２，则总冷负荷为３７９２ｋＷ。计算结果忽略了风机对风流做功、动能差、势能差，且风流为单股稳定流的情况。设计热害矿井制冷量时，除了应充分考虑上述因素外，还应考虑管道设备冷损、排热等，确保冷量充足，能够到达目标温度。９２１第４期姬建虎，等热害矿井冷负荷分析表１矿井各需冷点的冷负荷计算需冷点风量Ｇ／（ｍ３ｍｉｎ－１）风量Ｇ／（ｋｇｓ－１）最热时温度目标温度干球温度／℃相对湿度／％干球温度／℃相对湿度／％焓变Ｇ（ｈ２－ｈ１）／ｋＷ热源散热之和 Ｑ ′／ｋＷ冷负荷／ｋＷ－３７５０６４７１９．５０３２．５９０２８９０２１６－３７１０７４４２８．９１３１．５９０２８９０１５８－３７４０３５４８１１．０５３２．５９０２８９０２５２－３７６１６５３０１０．６９３２．０９０２８９０２１６１５０～２５０３００～５００－３７５０８１５１３．０５３５．５９０２８９０１２０－３７１０９１４１２．８４３３．０９０２８９０７２－３５０延伸２１４４．３２３０．５９０２８９０５５下北一１４８２．９８３３．０９０２８９０７６－３７４０４１３２２．６６３２．６９０２８９０６２下南二１６４３．３１３４．０９０２８９０１０２８０～２００２００～３２０５结论热害矿井冷负荷计算公式应根据不同条件分辨选取，如式（１８）～（２２）所示，热害矿井下空气为湿空气，湿空气焓变应按照式（２３）计算，也可通过湿空气ｈ－ｄ图描出过程起始点读出和计算其他热力参数。计算热害矿井热源时，还应充分研究围岩散热条件、潮湿程度等。实践中设计热害矿井制冷量时，除了要考虑上述因素外，还应考虑管道设备冷损、排热等情况，确保冷量充足，能够到达设计要求。通过矿井冷负荷计算，为热害矿井的治理工作提供理论支撑，为矿井降温设备及工程提供设计依据，达到有解决矿井热害的目的。参考文献［１］王永炜．中国煤炭资源分布现状和远景预测［Ｊ］．煤，２００７（５）４４－４５．ＷＡＮＧＹｏｎｇｗｅｉ．Ｃｈｉｎａｃｏａｌｒｅｓｏｕｒｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｃｏａｌ，２００７（５）４４－４５．［２］中华人民共和国建设部，国家质量监督检验检疫总局．ＧＢ５０４１８－２００７煤矿井下热害防治设计规范［Ｓ］．北京中国计划出版社，２００７．［３］曲方，秦跃平．高温矿井集中生产对采煤工作面气候及制冷量的影响［Ｊ］．山西矿业学院学报，１９９６，１４（４）３４１－３４９．ＱＵＦａｎｇ，ＱＩＮＹｕｅｐｉｎｇ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｎｔｈｅｃｌｉｍａｔｅａｎｄｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｃｏａｌｆａｃｅｉｎｈｏｔｍｉｎｅ［Ｊ］．ＳｈａｎｘｉＭｉｎｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅＬｅａｒｎｅｄＪｏｕｒｎａｌ，１９９６，１４（４）３４５－３４９．［４］柳源，菅丛光，陈宁，等．高温矿井冰输冷降温系统设计［Ｊ］．能源与环境，２０１０（４）１１２－１１３．ＬＩＵＹｕａｎ，ＪＩＡＮＣｏｎｇｇｕａｎｇ，ＣＨＥＮＮｉｎｇ，ｅｔａｌ．Ｄｅｓｉｇｎｔｏｂｅｉｃｅｃｏｌｄｃｏｏｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｎｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｉｎｅ［Ｊ］．ＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２０１０，（４）１１２－１１３．［５］吴亚非．关于高温矿井回采工作面降温设计温度的讨论［Ｊ］．煤炭工程，２００９（９）２２－２４．ＷＵＹａｆｅｉ．Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｃｏｏｌｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｃｏａｌｆａｃｅｉｎｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｉｎｅ［Ｊ］．ＣｏａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９（９）２２－２４．［６］胡春胜．矿井集中空调技术中几个关键问题的探讨［Ｊ］．煤矿设计，１９９８（１）４３－４６．ＨＵＣｈｕｎｓｈｅｎｇ．Ｓｅｖｅｒａｌｋｅｙｐｒｏｂｌｅｍｓｏｎｍｉｎｅｃｅｎｔｒａｌａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＣｏａｌＭｉｎｅＤｅｓｉｇｎ，１９９８（１）４３－４６．［７］王德银，胡春胜，霍正齐．矿用制冷设备的研制与应用［Ｊ］．矿业安全与环保，２００５，３２（４）４２－４５．ＷＡＮＧＤｅｙｉｎ，ＨＵＣｈｕｎｓｈｅｎｇ，ＨＵＯＺｈｅｎｇｑｉ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｉｎｅｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔ［Ｊ］．ＭｉｎｉｎｇＳａｆｅｔｙ＆ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，２００５，３２（４）４２－４５．［８］ＳａｓａｋｉＫ，ＭｉｙａｋｏｓｈｉＨ，ＭａｓｈｉｂａＫ，ｅｔａ１．Ａｎａｌｙｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｏｒｓｗｉｔｈｓｋｙｌｉｎｅｎｏｄａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌｅｓｔｉｍａｔｅｓｙｓｔｅｍｆｏｒｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｍｉｎｅａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ［Ｃ］∥Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２６ｔｈＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒｓａｎｄＯｐｅｒａｔｉｏｎｓＲｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｈｅＭｉｎｅｒａｌＩｎｄｕｓｔｒｙ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ１６－２０，１９９６，ＴｈｅＰｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａＳｔａｔｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰａｒｋ，ＵＳＡ．ＰｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａＴｈｅＳｏｃｉｅｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇ，ＭｅｔａｌｌｕｒｇｙａｎｄＥｘｐｌｏｓｉｏｎＩｎｃ．，１９９６３９３－３９９．［９］ＳｔａｒｆｉｅｌｄＡＭ，ＢｌｅｌｏｃｈＡＬ．Ａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｏｆｈｅａｔａｎｄｍｏｉｓｔｕｒｅｔｒａｎｓｆｅｒｉｎｐａｒｔｌｙｗｅｔａｉｒｗａｙ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｕｔｈＡｆｒｉｃａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＭｅｔａｌｌｕｒｇｙ，１９８３，８３（１１）２６３－２６９．［１０］高建良，张学博．围岩散热计算及壁面水分蒸发的处理［Ｊ］．中国安全科学学报，２００６，１６（９）２３－２８．ＧＡＯＪｉａｎｌｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧＸｕｅｂｏ．Ｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｗａｔｅｒｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｏｎａｉｒｗａｙｓｕｒｆａｃｅｉｎｃａｌｃｕｌａ