高温矿井热害机理的实验研究.pdf

2 3 2 建筑热能通风空调 2 0 1 1 生 高温矿井热害机理的实验研究 王爱爱程春黄炜魏京胜高涛 中国矿业大学建筑工程学院 摘要本文针对高温矿井主要热源的确定及冷负荷的计算问题开展实验研究。结合实际矿井巷道的地质结构， 根据工程力学、流体力学、热力学和传热学相似理论，模拟实验测试不同材料与煤粘结试块的热导率，为建立矿井 热环境实验模型，寻找相似相近的围岩热传导材料，开展实验研究。 关键词热源冷负荷热导率 矿井热害来源于多方面，主要有围岩、机电设备、 热水、矿物氧化、人员、照明等I “。矿井岩温与矿井种 类、地质条件、矿井深度有关。地球内部热量通过岩体 传导到围岩表面，壁面再将热量通过对流和辐射的方 式传递给巷道内空气。建立矿井热环境实验模型，从 围岩本身传导机理研究，影响它的重要参数如比热 容、热导率1 2 1 是非常必要的。 研究围岩模型材料热导率的大小主要取决于不 同材质的配比，含水率等因素。由于目前煤层的导热 系数还不易在天然赋存条件下直接测试，根据相似材 料理论，寻找与原岩热导率相近的材料非常重要。本 文采集兖矿煤样在实验室专门测试仪器上测定，并将 其与不同胶凝材料按配比制作试验模块，测定其热参 数。壁面与巷道内空气的对流换热包括流体的运动及 热量的交换两种现象。 1 热源分析 1 ．1 围岩放热 围岩表面放热产生的冷负荷由对流热Q - 和辐射 热Q 组成，在工程中采用等效温度计算方法【卜羽。 g 易 a w E ． 0 A t , 一‘ 【1 式中a 。为矿井表面放热系数，一般按风速来决定， W ／m z ；凡为矿井巷道表面积，m 2 ；t w 为岩体表面温 度，℃；t 。为矿井内空气温度，一般取2 6 ℃；A t 为由于 辐射而产生的等效温度，由于围岩的温度并不高 一 般小于6 0 ℃ ，因此A t t 一般取3 ℃～5 ℃。 Q 等于气体 水蒸气 发射的热量减去气体 水蒸 气 吸收的热量 Q 2 e 。F o r 6 s F 誓一a g T 。4 2 式中氏为岩壁发射率；巩为黑体辐射常数，5 ．6 7 1 0 咖“m 2 K 4 ；F 为岩壁面积，m 2 ；8 9 为温度为疋时气 体 水蒸气 的发射率；0 f 。为温度为瓦时气体 水蒸气 对来自温度为咒的岩壁辐射的吸收率；瓦为气体 水 蒸气 温度，K ；瓦为岩壁温度，K 。 1 ．2 其他热源放热 1 机电设备放热。机电设备给予风流的散热量可 按下式计算【3 】 Q ，业鲜 3 式中Ⅳ为电动机组的总额定功率，k W ；咖。为安装系 数 电动机实耗最大功率与额定功率之比 ，一般可取 O ．7 左右；咖为同时系数 电动机同时使用的额定功率 与包括备用在内的机组总额定功率之比 ；咖，为负荷 系数 电动机平均小时实耗功率与最大小时实耗功率 之比 ，一般取0 ．枷．5 ；孙为每日运转时间，l d d ；2 4 为 每日小时数，h ／d 。 2 矿物氧化发热。井下矿物及其它有机物的氧化 放热是一个十分复杂的过程，很难将它与其它热源分 离开来单独计算，一般采用下式估算㈣ Qoqo V “。U L 4 式中Q 。为氧化放热量，k W ；v 为巷道中平均风速， m ／s ，q 舻l m ／s 时单位面积氧化放热量，k W ／m 2 ，在无实 测资料时，可取3 q ．6 x 1 0 ．3 k W ／m 2 ；U 为井巷周长，m ； 三为井巷长度，m 。 3 矿内热水放热。井下热水的放热量主要由水量 型 堡 堡堑垫生垩垦窒塑 翌 和水温来决定，根据热力学的原理．专已知井F 涌水 的水垃、水温以及它在离开某～巷段的水温时．可以 计算出它在该巷殷中所散发热量㈣ 口． M 。c t 。～， 5 式叶1 0 。为热水散热最，k W ；M 。为涌水壁．k g ／s ；c 为水 的比热，c 4 18 7 k J ／k g 屯；￡。为涌水Ⅲ平均水温，℃t 为离开此巷段时的平均水温，℃。 4 人员放热，人员比较集中的秉掘r 作面．人员 放热对I 。作面的7L 候条件也有一定的影响。人员放热 与劳动强度和个人体质有戈，现在一般按下式进行计 算”≈ 口 n q 6 式中Q 为人员放热h t ．k W ；n 为工作面总人数；q 为人 均发热量，繁重体力劳动时取4 0 7 W 。 1 ．3 热源计算结果 究矿二号升9 3 上0 91 _ 作面设计开采煤层为3 上崖煤，I 柞面煤厚0 ．6 m ～22 m ，平均19 9 m 。根据所 测数据和理论公式汁算得m 热源各自放热坫，如丧1 所示。 表1 各热源自放热量 s 墨_ w 5 瓮 篡 计算结果，嗣辑放热量所占比重最大．其次是机 电设备的放热量 图1 、因此同岩热传导的文验研究 是进行矿井热环境模拟实验首先需要研究『n 】题． 图1 各热源自放热量比例 2围岩热导率实验研究 热导率是指单位温差、单位时间内通过单位面积 的热量，表征物体导热能力的大小，单位W ／ m K ，同 岩大多届无机非盆扁物质，为各种j 6 粒组合而成，其 内部热能传导通过品格或晶体点阵的振动实现㈣，在 实验室内用不同配比将胶料性物质和煤块粘结后测 定其热导率，寻找i j j 接近原煤热导率 O2 2 W ／ m K 的 模块。 2 1 试验材料 I 腔凝材料复合硅酸盐水泥环氧树脂；普通自 乳胶 2 骨料细骨料煤面 渣】；辊骨料粒径煤块；煤 采厢济二矿原煤。 3 添』J Ⅱ荆邻苯二甲隧二丁酯 c ．一。0 4 、乙二胺 H 2 N C H 2 cH n N H i ， 4 拌台渡体n 妊水， 2 ．2 围岩实验材料设计 依据实验拳C D ．D R 系列导热系数测定仪的要 求 分刖制作不周材料试块 脚2 l t j l 3 母H 样 图2 试样 1 环氧树脂用岩煤壁试块材料煤块麒面 渣 、 己二胺、二丁酯。 投料顺序先将环钮树脂和二丁酯按比例搅均，再 倒人乙二胺搅拌后直接先和煤面 渣 拌匀，龋后和煤 建筑热能通风空调2 0 1 1 生 块拌合。注入表面涂油的钢模，拿平板压着敲至密实． 用刮刀捕实周边，抹平表面．2 4 h 后拆模，养护一周，罔 2 b 。 2 白乳胶围岩煤壁试块材料煤块、煤面 渣 、自 乳胶．图2 c 。制模、拆模、养护同1 号。 3 水泥围岩煤壁试块材料煤块、煤面 渣 、水， 图2 d 。 投料顺序先搅拌煤面r 渣1 币口水泥至均匀，再加入 煤块，继续搅拌至混合均匀，最后加人水．涟 钢模，其 它同l 号。 2 ．3 围岩导热率试验装置 试验采用的是双平板法的C D - D R 系列导热系数 测定仪，其测试原理是在稳态条件下．防护热板装置 的中心计量区域内．在具有平行表面均匀板状试仲 中，建立类似于以两个平行匀温平板为界的无限大平 板中存在的一维恒定热流H m 。双试件装置中，在两个 几乎相同的试件中夹一个加热单元，试件外侧各设置 一个冷却单元。热流由加热单元分别经两钡4 试件传给 两侧的冷却单元t S l 。其具体示意如下 图3 。 A ‘f 址加热器；B 计量i 板；C 防护加热器；D 防护面板；E 辟面加热 器；F 平错擀捌温差热电偶G 加热单元表面涌温热电偶；H 冷却单 兀哀吲洲温热电偶；J 被测试件；O 绝热层；V 冲却水套；u 外防护套 圈3 试验装置示意图 2 ．4 围岩导热率实验结果分析 I 测定数据设定计量板中心给定温度3 C ；左 冷板给定温度2 0 ℃右冷板给定温度2 0 ℃；计量面积 00 2 2 5 m 2 | 试件厚度0 0 3 m ；采样次数4 次；采样间隔时 问1 0 m i r a 计毋板允许温差为05 ℃；冷板允许温差为 05 ℃；导热系数允许偏差率O5 ％；温度单调变化允许 值0 1 ℃。 2 经测试左右导热系数．修正后的平均导热系数 分别为1 号材料0 1 4 6 1 W ／ m K ；2 号材料0 1 4 8 2 W ／ 1 1 1 K ；3 号材料0 2 0 8 2 W ／ m K 。 测定结果分析围射试块中加 环氧树脂和白乳 胶后．明显地增大了热阻，导热系数减小。水泥、煤面、 煤块、水粘结的试块，其导热系数与干燥的原煤导热系 数相近，可以用丁模拟矿井热环境的实验研究。 参考文献 【IJ 吴巾直r J r - 通风与安全徐H 中国矿n 大学出版社，l 盼9 【2 】H a a r a a nHLM i n ev c n 6 I “曲n 锄dC o n d i t i o n i n gN 蹦Y o r k J o h n w i l d S o n s , 1 9 8 2 【3 】余恒舟矿山地热与热害治理北京煤炭T 业m 版社，1 9 9 1 【4 】 全国煤炭技『教材编审垂员会r 井通风与安全2 0 0 2 ，2 1 I 第二∞ 【5 】周西华．单亚飞巷道围岩与风流的稳定换热豇宁工程技 术大学学报．2 0 0 2 ．6 i 6 】张树光．孙树魁，张向东热害r 井巷道温度场分布规律研究中 目地质灾害与防治学报，2 0 0 3 ． 3 9 - 1 1 【7 】邱信立工程热力学北京巾国建筑I 幢出版社，1 9 8 6 e 8 】吴日应对流换热越程的热力学分析厦其应用重庆。重庆大学， 2 0 0 4