矿井季节性热害预测与降温方法研究.pdf

分类号ＴＵ８３学号 ０８ＣＫ３１３００９９  西 速疑种技丈＃ 学位论文 矿井季节性热害预测与降湿方法研究  作者 ＾易 欣  ．－ １ 指导教师姓名王怡教授 供热 、供燃气、 由请学位级別博 壬 专业名祿通风及空调工程 论义提交日期 ２０１日 ．１０论古答賴日期 ２０１５．１２   学位暢予单位曲姿達難辦接乂 緣 答辩委员会主席 评阅人  声明 本人郑重声明我所呈交的学位论文是我个人在导 师指 导下进行的研究工作及取得的研 究成果 。尽我所知 ，除了文中己经标明引用的内容外 ，本论文不包含其他个人或集体己经 发表 或撰写过的研究成果 ，也不包 含本 人或其他人在其它单位已申请学位或为其它用途使 用过的成果 。与我 一 同工作的同志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明  并表示了致谢 。 申请学位论文与资料若有不实之处 ，本人承担 一 切相 关责任。  论文作者签名 曰期 ； ２０ｌ ｂ． Ｉ ．ｆ ｃ 关于学位论文使巧授权的说明  本人完全了解西安建筑科技大学有关保留 、 使用 学位论文的规定 ，即 学校有权保留  并向国家有关部口或机构送交学位论文的复印件和电子版 ，允许论文被查阅和借阅；学校 可（＾公布学位论文的全 部或 部分内容 ，可 １＾＾采用影印 、 缩印或者其它复制手段保存学位论  文 。 （保密的论文在论文解密后应遵守此规定）  论文 作者签名 指导教师签 名 日期；如 ｜（）．  Ｉ． ｔ  本人授权 中国学术期 刊（光蟲 版 ）杂 志社 、 中 国科学 技术信息研 究所等单位将本学位论 文 收录到有关 ＂ 学位论 文数 据库 ＂ 之 中 ， 并通过 网络向社会公众提供 信息服务 。 因某 种特殊原 因 需要延迟发 布学位论文 电子版 ，同意在□ 一 年 ／□两 年 ／□三年 后 ， 在 网络上全文发布 。（此 声明处 不勾选的 ， 默认为即 时公 开 ） 论文 作 者签名 指导教师签 名曰期 如 ｜（ ．｜． ６ 注 ＝ 请将此页附在论文首页。  西安建筑科技大学博士学位论文 矿井季节性热害预测与降温方法研究 专 业供热、供燃气、通风及空调工程供热、供燃气、通风及空调工程 博 士 生易易 欣欣 指导教师王王 怡怡 教授教授 摘 要 矿井热害是继顶板、瓦斯、火、水、粉尘五大灾害之后的第六大灾害，与粉 尘、噪声、有毒有害气体，同列为煤矿四大职业危害因素，严重威胁矿工生命安 全和身体健康。随着矿井开采深度增加，地温增高，围岩温度增加，尤其是夏季 地面气温高，导致井下工作地点温度增加，热害程度加剧，现有降温方法均难以 满足要求。 本文通过对山东巨野矿区热害矿井大量现场调研与测试，掌握一年地面气候 变化对井下气候的影响规律，发现了矿井季节性热害形成特征及其影响因素。为 了掌握矿井季节性热害形成原因及其治理方法，论文开展季节性风温作用下围岩 非稳态温度场数值分析、风温预测及其降温方法研究，取得如下主要创新成果 采用激光导热仪实验测试了 8 组煤、岩体和风筒在温度为 10～60℃的导热系 数，为围岩温度场预测提供了基础参数。根据矿井风流温度与围岩温度场存在相 互影响作用关系，建立了非稳态风温作用下井巷温度场分布数学模型。采用有限 差分法求解调热圈温度场，并编制了相应分析软件，模拟计算季节性风温作用下 井巷围岩调热圈温度场。采用分布式光纤测温系统测试了围岩温度场，实测结果 和数值模拟结果基本吻合。基于季节性风温变化下调热圈温度场变化规律，揭示 出矿井季节性热害形成机理，为在地面井口对入井风量实施降温除湿提供了理论 依据。 为准确掌握季节性气候下井下风流的温度、湿度，预测矿井热害分布状况， 基于对多种热源作用下风温预测模型分析，提出了以矿井全风网解算为基础的风 流温、湿度预测方法。针对单一井巷风温预测模型中风量已知，而矿井风网中由 于温差形成自然风压影响风量分配的问题，建立了风温与风量之间的耦合作用模 型。研发了基于 ObjectARX 的井下巷道风流温度、湿度计算分析软件，对赵楼煤 矿通风网络模拟计算。实测 1307 采面、3303 采面 2 条通风路线温度与湿度，结果 与预测数据基本吻合。通过矿井风流温度、湿度预测，为矿井季节性热害程度分 西安建筑科技大学博士学位论文 析和降温系统设计提供了依据。 根据矿井季节性热害形成特点，将夏季高温进风风流热、湿留在地面井口， 消除夏季矿井高温热害，提出了矿井全风量井口降温新方法。针对矿井总进风量 大（20000m3/min） ，设计了以矿井主要通风机为动力的大风量空气换热系统工艺， 换热器风阻 24～45Pa，平均漏风率 8～9。针对入风井口为运输通道难以封闭问 题，采用自动门闭锁的井口房封闭方法，形成主、副井口降温气室，实现了入井 风流的降温。 在巨野矿区赵楼煤矿应用研究表明，系统将主、副井全部入井风温降低 10～ 15℃，在进风路线上温度降低 4～5℃，相对湿度降幅 15，井下工作面进风 26℃ 以下，显著改善了劳动生产环境，解决了深井开采季节性高温热害问题。论文研 究为高温矿井降温提供了新思路和新方法，对其它类型高温矿井热害治理也具有 一定的指导意义。 关键词关键词高温矿井；季节性热害；风温预测；降温方法；换热器 西安建筑科技大学博士学位论文 Study on Prediction and Cooling s of Seasonal Thermal Hazard in the Mine Major Heating, Ventilation seasonal thermal disaster; air temperature prediction; cooling s; heat exchanger 西安建筑科技大学博士学位论文 I 目目 录录 1 绪论绪论 ............................................................................................................................1 1.1 问题的提出...........................................................................................................1 1.1.1 高温热害矿井现状 .......................................................................................1 1.1.2 热害的成因 ...................................................................................................3 1.1.3 矿井季节性高温热害 ...................................................................................4 1.1.4 研究意义 .......................................................................................................4 1.2 国、内外研究综述...............................................................................................5 1.2.1 国外研究成果现状 .......................................................................................5 1.2.2 国内研究成果现状 .......................................................................................9 1.3 发展趋势及尚需解决的问题.............................................................................13 1.4 本文的研究内容和思路.....................................................................................14 1.4.1 研究内容 .....................................................................................................14 1.4.2 研究思路 .....................................................................................................15 2 矿井季节性热害的特征及影响因素矿井季节性热害的特征及影响因素......................................................................17 2.1 矿井季节性热害的特征.....................................................................................17 2.1.1 矿井季节性热害的定义 .............................................................................17 2.1.2 矿井季节性热害的特征 .............................................................................18 2.2 矿井季节性热害影响因素.................................................................................18 2.2.1 地面气候变化 .............................................................................................19 2.2.2 空气的自压缩升温 .....................................................................................19 2.2.3 原始岩温 .....................................................................................................20 2.2.4 机电设备散热 .............................................................................................22 2.2.5 矿内热水 .....................................................................................................22 2.3 矿井地面气候对井下气候的影响分析.............................................................23 2.3.1 观测方法 .....................................................................................................23 2.3.2 观测路线 .....................................................................................................24 2.3.3 观测结果分析 .............................................................................................26 2.4 本章小结.............................................................................................................32 3 季节性风温下围岩非稳态温度场数值模拟季节性风温下围岩非稳态温度场数值模拟..........................................................35 西安建筑科技大学博士学位论文 II 3.1 煤岩导热系数实验测试.....................................................................................35 3.1.1 测试方法......................................................................................................35 3.1.2 试验材料的采集与制备..............................................................................36 3.1.3 测试结果......................................................................................................37 3.2 井巷围岩非稳态温度场数学模型.....................................................................42 3.2.1 巷道围岩的热传导......................................................................................42 3.2.2 巷道壁面与风流间的对流传热..................................................................42 3.2.3 巷道壁面与风流间的对流传质..................................................................46 3.2.4 受风流冷却时间长的围岩非稳态温度场..................................................51 3.3 井巷围岩调热圈温度场数值模拟.....................................................................52 3.3.1 围岩调热圈温度场数值解算......................................................................52 3.3.2 围岩调热圈温度场求解流程......................................................................56 3.3.3 非稳态风温下围岩调热圈温度场数值模拟..............................................58 3.4 巷道围岩调热圈温度场监测及对比分析.........................................................60 3.4.1 监测系统装置..............................................................................................60 3.4.2 监测位置及测点..........................................................................................60 3.4.3 监测结果及分析..........................................................................................62 3.4.4 模拟结果与实测对比..................................................................................65 3.5 井口风温对井下风温影响的数值模拟.............................................................65 3.5.1 季节性风温对井下风温的影响模拟..........................................................65 3.5.2 井口集中制冷后井巷调热圈模拟..............................................................68 3.6 本章小结.............................................................................................................69 4 矿井风温计算模型及预测矿井风温计算模型及预测.......................................................................................70 4.1 矿井单一井巷风温计算模型.............................................................................70 4.1.1 井下热源分析..............................................................................................70 4.1.2 井巷、采煤工作面风温预测......................................................................72 4.1.3 掘进工作面风温的计算模型......................................................................74 4.2 矿井全风网温度预测方法.................................................................................77 4.2.1 矿井全风网解算的数学模型......................................................................77 4.2.2 基于斯考特-恒斯雷法的风网解算.............................................................78 4.2.3 矿井风量风温预测方法..............................................................................80 西安建筑科技大学博士学位论文 III 4.2.4 基于 ObjectARX 的矿井风温预测 ............................................................82 4.3 矿井全风网风温湿度预测及验证.....................................................................84 4.3.1 矿井全风网风温湿度预测 .........................................................................84 4.3.2 预测及检验 .................................................................................................85 4.4 本章小结.............................................................................................................87 5 矿井季节性高温热害降温方法矿井季节性高温热害降温方法..............................................................................89 5.1 制冷降温方式对比分析.....................................................................................89 5.1.1 地面集中式制冷降温方式 .........................................................................89 5.1.2 井下集中式制冷降温方式 .........................................................................90 5.1.3 井上、下联合的制冷系统 .........................................................................91 5.1.4 井下分散式局部制冷系统 .........................................................................92 5.2 地面全风量制冷降温系统.................................................................................94 5.2.1 热电冷联产地面集中式降温系统 .............................................................94 5.2.2 离心式水源热泵机组地面集中降温系统 .................................................95 5.3 井口大风量无动力空气换热器.........................................................................96 5.3.1 换热器热工计算及校验 .............................................................................97 5.3.2 井口大风量无动力换热系统设计 ...........................................................100 5.3.3 空气换热器热工性能的影响分析 ...........................................................102 5.3.4 漏风情况下副井通风状态参数分析 .......................................................104 5.4 本章小结...........................................................................................................109 6 矿井季节性高温热害治理工程实践矿井季节性高温热害治理工程实践.................................................................... 110 6.1 赵楼煤矿季节性热害概况...............................................................................110 6.2 矿井全风量制冷降温系统............................................................................... 111 6.2.1 矿井冷负荷的预测 ................................................................................... 111 6.2.2 矿井全风量降温系统选择 .......................................................................115 6.2.3 矿井全风量降温系统工艺 .......................................................................116 6.3 降温系统运行分析...........................................................................................120 6.3.1 机组运行情况 ...........................................................................................121 6.3.2 漏风量分析 ...............................................................................................124 6.3.3 负荷分析 ...................................................................................................126 西安建筑科技大学博士学位论文 IV 6.3.4 效果分析....................................................................................................127 6.4 系统制冷效果分析...........................................................................................127 6.4.1 测试方法....................................................................................................127 6.4.2 测试数据分析............................................................................................128 6.5 本章小结...........................................................................................................130 7 结论与展望结论与展望.............................................................................................................131 7.1 主要结论...........................................................................................................131 7.2 论文主要创造性工作.......................................................................................133 7.3 研究展望...........................................................................................................133 致致 谢谢.......................................................................................................................134 参考文献参考文献.......................................................................................................................135 攻读博士学位期间发表的论文和科研成果攻读博士学位期间发表的论文和科研成果...............................................................142 附附 录录.......................................................................................................................143 西安建筑科技大学博士学位论文 i 主主 要要 符符 号号 表表 A 对流换热巷道表面积， 2 m；风速修正 系数 0 A 地面气温年波动振幅，℃ i B 毕渥数 a 岩石的热扩散率， 2 m /s；水泵运行 流量系数； b 通风时间系数 c 涌水的比热，kJ/kg⋅（℃） P c 水的定压比热，kJ/kg⋅（℃） d 支柱支径，m d0 巷道等效内径，m e 风流中水蒸气分压力，Pa s e 边界层内水蒸气分压力，Pa F 断面积， 2 m 0 F 傅立叶准则数 f 巷道潮湿率 G 风流质量流量，kg/s；测试风量， 3 m /min g 重力加速度， 2 m/s h、i 风流焓值，kJ/kg； 粗糙面凸体高度， m 1 h 、 2 h经过表冷器前、后的空气焓，kJ/kg f h 分支风机风压，Pa z h 高温引起的热风压，Pa K 岩石的热导率，kW/m⋅℃） Kτ 围岩与风流的不稳定换热系数， 2 kW/m⋅℃ Kμτ 无因次不稳定换热系数 L 巷道长度，m；支柱间距，m l 定性尺寸 B M 井巷风流的质量流量，kg/s w M 涌水量，kg/s i N 第i电机的额定功率，kW Nu 努谢尔特准则数 n 机电设备的台数 n 多变指数 P 风流的压力，Pa t sb P 风温为 b t对应的饱和水蒸气分压 力，Pa t sk P 风温为 k t对应的饱和水蒸气分压 力，Pa Q 单位时间，单位长度巷道围岩传给风 流的热量，W/m；机组额定功率， kW 1 Q 空气负荷，kW 2 Q 水经过表冷器的负荷，kW 3 Q 实际负荷，kW w Q 热水散热量，kW x Q 显热量，kcal/h j Q 分支 j 的流量， 3 m /s y Q 余树支的风量， 3 m /s q 围岩的热流通量， 2 W/m 0 q 当量氧化散热系数， 2 kW/m q q 从巷道壁面进入风流的潜热热流密 度， 2 W/m t q 巷道壁面围岩向风流散热的总热流密 度， 2 W/m x q 从巷道壁面进入风流的显热热流密 度， 2 W/m R 普氏气体常数，J/kg k⋅ j R 分支 j 的风阻， 22 N S /m⋅ Re 雷诺数 西安建筑科技大学博士学位论文 ii r 水蒸汽的汽化潜热，kJ/kg 0 r 巷道水力半径，m S 巷道断面积， 2 m T 风流的绝对温度，K s T 边界层的绝对温度，K w T 巷道壁面温度，℃ f T 、 f t 巷道内风流温度，℃ t 温度，℃或K 1 t、 2 t 经过表冷器前、后的冷水温度，℃ k t 巷道平均风温，℃ r t 巷道始末两端平均原始温度，℃ w t 涌水平均水温，℃ y t 原始岩温，℃ U 巷道周长，m v 巷道中的风速，m/s W 湿交换量，kg/s；水泵的流量， 3 m /h zΔ 风流在井筒起始点与终点的高差，m gradt 围岩的温度梯度，℃/m α 围岩与风流间的对流换热系数， 2 W/m⋅℃ D α 风流与水表面之间按水蒸气分子浓度 差计算的湿交换系数，m/s β 对流质交换系数， 2 m /h ρ 空气密度， 3 kg/m λ 围岩导热系数， kcal/m h⋅ ⋅（℃）或 kW/m⋅℃ ε 显热比 0 φ 周期变化函数的初相位，rad ν 空气运动粘性系数， 2 m /s τ 时间，天 Δ 扩散系数， 2 m /s 西安建筑科技大学博士学位论文 1 1 绪论 1.1 问题的提出 1.1.1 高温热害矿井现状 随着浅部资源的减少甚至枯竭，矿井开采深度逐渐增加，越来越多的矿井将 面临严峻的深部开采问题 [1]。我国已经探明的煤炭资源中，埋深在 1000m