深部开采矿井热环境仿真研究.pdf

2 0 1 7年第 3期 No ．3 2 01 7 煤 炭 科 技 C OAL S C I E NCE ＆ T EC HNOL 0GY MAGAZ I NE 4 1 匡 脚 圈 文章编号 1 0 0 8 3 7 3 1 2 0 1 7 0 3 0 0 4 1 - 0 4 深部开采矿井热环境仿真研 究 周孟颖， 冯立品， 马 驰 f 安徽 省煤炭科学研究 院， 安徽 合肥2 3 0 0 0 0 摘 要 利用人工气候模拟技术对深部矿井热环境进行 了仿真研 究， 建立 了矿井热环境仿真实验 室， 并对其结构、 功能设计、 控制系统及应用进行 了详细阐述。 同时， 运用流体力学原理及 F L U E N T软件， 对实验室的流场进行 了计算分析 ， 为后期实验室功能扩展及管理提供参考。 关键 词 煤矿 ； 热 害治 理； 个体 防护 ； 人 工 气候 室 中图分 类 号 T D 7 2 7 文献标 志码 B S t u d y o n s i mu l a t i o n o f t h e r ma l e n v i r o n me n t i n d e e p c o a l mi n i n g ZHOU Me ng y i n g ，FENG L i pi n，MA Ch i A n h u i P r o v i n c e C o a l S c i e n c e R e s e a r c h I n s t i t u t e ， H e f e i ， A n h u i ， 2 3 o o o o Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ， t h e d e e p mi n e t h e r ma l e n v i r o n me n t w a s s i mu l a t e d b a s e d o n a r t i fi c i a l c l i ma t e s i mu l a t i o n t e c h n o l o g y ．Mi n e t h e rm a l e n v i r o n me n t s i mu l a t i o n l a b o r a t o r y wa s e s t a b l i s h e d ，a n d i t s s t r u c t u r e ，f u n c t i o n d e s i g n ， c o n t r o l s y s t e m a n d i t s a p p l i c a t i o n w e r e e l a b o r a t e d i n d e t a i l ． At t h e s a me t i me ，b y u s i n g t h e F l u e n t s o f t wa r e， t h e fl o w fi e l d o f a r t i fi c i a l c l i ma t i c c h a mb e r w a s a n aly z e d ． T h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s c o u l d p r o v i d e r e f e r e n c e f o r t h e e x p e r i me n t d e s i g n a n d ma n a g e me n t ． Ke y wo r d s c o a l mi n e； h e a t h a rm c o n t r o l ； p e r s o n al p r o t e c t i o n ； a r t i fi c i a l c l i ma t e c h a mb e r CI C n u mb e r T D7 2 7 Do c u me n t i d e n t i f i c a rl o n c o d e B 矿井高温 和地压被 国际采矿 界认 为是深部矿 产资源开采 的两大科技难题 。随着我国矿井开采深 度不断增加 ， 井下温度 和湿度不断升 高 ， 严重威胁 着矿工的生命安全和矿井的生产安全 ． 必须要加强 防 1 。利用人工气候室技术在地 面上建立了模拟 深部井下热环境的实验室 ， 并利用矿井热环境仿真 4结语 [ 2 ] 对 采 区巷 道 施 工 中 的综 合 探 放 水 技 术 进 行 认 真分析 。 最大程度保证巷道施工的安全 。巷道施工 的安全得到 了保证 ， 煤矿的开采效率和安全才能得 到保证。 参考文献 [ 1 ] 贾实林 ． 采 区巷道施 工 中的综合 探放 水技术 [ J J ． 建井 技术， 2 0 1 4 f 5 3 03 2 ． 杨春林， 武书泉． 老采空区积水立体综合集成探放 水技术[ J 】 ． 煤矿 开采， 2 0 1 0 ， 1 5 2 9 09 4 ． 张炳林． 采空区探放水综合技术浅析叨．价值3 2 0 1 4 3 6 4 54 6 ． 作者简介 程登 强 1 9 8 9 一 ， 男， 山西介休人 ， 2 0 1 0年毕业 于 山西煤炭职业技术学院矿 山地质专 业．山西汾西矿业集 团 水峪煤业有限责任公 司助理工程师。 收 稿 日期 2 0 1 7 0 6 0 9 4 2 煤炭科技 2 0 1 7年第 3期 实验室进行了矿用个体热防护技术研究 。 1 矿 井热环 境仿真实验 室设计 对 于煤矿热害的相关科学研究来说 ． 在众多的 影 响因素 中 ， 温度 、 湿度 、 风 速是关 键 ， 因此矿井 热 环 境 仿 真实 验 室 的一 期 工 程 主要 是 基 于 以上 三 个 。 并在此基础上 ， 还扩展 了人体微气候采 集 、 劳动强 度模拟及生理指标测试 、 服装热湿传递过程等特殊 功 能 。 1 ． 1 结构 设计 整个仿真实验室呈矩形 ， 由观察间 、 更衣 间、 缓 冲间 、 测试间、 模拟风道 、 设备 间组成 ， 如图 1所示。 其 中更衣 间的主要 功能为实验人 员进入实验室前 换装及粘贴传感器 缓 冲间 的功能为缓解当实验室 门打开后 ， 外部气候环境对实验室内的冲击。 图 1实 验 室 俯 视 1 ． 2功能设 计 1 ． 2 ． 1 温湿度 调 节功 能 温湿度调节系统包括 了制冷 、除湿 、制热 、 加 湿 。控 制范 围 温度 2 5℃ ～4 5℃， 精 度0 ． 5℃， 湿 度范围 4 0 ％ ～9 9 ％ R H， 精度 5 ％。 分别采用 了冷冻 除湿一体机 、 空气能 热泵 、 电加热器 、 超声波加湿 器来实现气候室温湿度的调节。 1 ． 2 ． 2新 风功 能 新风系统 的作用是降温和换气 ， 包括新风换气 机和含氧量检测装置 。通过对室内氧气浓度实时监 测 ， 如氧气浓度如低于 1 8 ％， 系统 自动开启新风 。新 风系统采用能量 回收型新风风机 ， 通过管道将经过 能量交换 的新 风送至空气处理间内 。 减少新风对 室 内温湿 度 的冲击 。 1 ． 2 ． 3模 拟风 功 能 模拟风系统可实现 0～4 m ／ s 风速可调 。 设计根 据 A Q1 0 2 8 2 0 0 6行业标准 ， “ 采煤工作面 、 掘进 中的 煤巷和半煤巷风速 0 ． 2 54 m ／ s ” 。 该系统有变频轴 流风机 、 模拟风道 、 整流风道三部分组成。 1 ． 2 ． 4人 体微 气候 采 集 功能 ’狈 试间内装 设 5 套 每套6 个 嘻 陧为0℃～6 0℃， 精 度为 O ． 1 o C的温度传感器接 口， 可用于采集皮肤及 服 装 温度 随时 间 的变化 情 况 。 1 ． 2 ． 5 劳动 强度 及 生理指 标 测试 功 能 劳动强度及 生理指标测试 功能通过智 能跑步 机实现 ， 该智能跑步机可通过控制系统在测试问外 实时显示受试人员 的运动强度 、 里程 、 能耗 、 运动心 率等参数。 1 ． 2 ． 6 服 装 热 湿传 递性 能测 试 服装 热湿传递性能采用美 国 T h e r me t n c s 公 司 生产的暖体 出汗假人 N e w t o n ， 它有 2 0个分区 ， 每 区可独立控制 ， 客观的测试服装热阻 、 湿租等指标 ， 反应服装的热湿舒适性。 1 ． 2 ． 7报 警 功能 为了保证高温 、高湿环境下实验人员安全 。 在 实验室内安装了人员呼救按钮 ， 实验人员按响按钮 后室外 的声光报警器报警 。 实验室外面的人员会迅 速采取相应措施 。 为了更真实模拟煤矿井下环境 ， 实验室后续设 计还预留了扬尘 、 噪声 、 磁场等模块接 口， 可以模拟 井下高温、 高湿 、 多尘 、 强磁等复杂环境条件 。 1 ． 3 控 制 系统设 计 矿井热环境仿真实验室 的温湿度调节 、新风 、 模拟风 、人体微气候采集等功能由自主研发的 i R V 智能人工控制系统控制 ， 可有效地完成控制参数 的 设置， 并根据舱 内温度 、 湿度、 光照、 氧气含量等的测 量值 ， 自动对环控舱进行制冷、 除湿、 加热 、 加湿 、 通 新风等各种操作 。同时也可通过室外控制柜上的触 摸屏显示器 ， 完成所有 的参数显示和设定 。仿真实 验室 的劳动强度及生 理指标测试及 服装热湿舒适 性 系 统分 别 受控 于各 自独 立 的控 制 系统 ， 都 可在 电 脑上进行参数设计及实时采集实验数据。 2矿 井热环境仿 真实验室流场模拟 此 次对 气 候 室 流场 模 拟 ， 主要 考 察 假 主 环境 室 流场分布 、风道 内部流场分布及最大风速 区域 、 实 验设 备位置对主环境室流场均布性影 响、 实验室超 速区域大小及范围分布等情况。在采用计算流体力 学软件 F L U E N T进行计算中 ， 设定风道 内六台风扇 出口在室温条件下风速均匀 ． 忽略室 内空气经处理 器加湿 、 加热所带来的影响 ， 同时不考虑 多尘 、 强磁 条件f l _ 5 1 。 由于速度较大 ， 雷诺数较高 ， 风道 内及主环 境室 内气流处于湍流状 态 ，文 中采用标准 K 一 ￡模 型 。 同时进行以下假设 ⋯ 1室内的气体为不可压缩气体。 2 候 惭 封 t ， 小 弓 虑 耕 J x t , 仆 糸统 及 漏 J x 【 影 响 、 键 丁以 上似 没符 合 F方程 ． J 』 0 J9 一 『 J “ p 卜 ， 卜 r 1 式 r f l i 1『 I 1 J J ． s “速度 ． m／ s p 密 度 ， k g ／ m ； ， ， 静 ， P a 7 - 切 应 力 ， N ／ Ii ] 动 力黏性 系数 ． P a s ； ／ 一,0 - -fl z 质 毓流 体的 质 力， I l l ／ S c ， 流 体内能 ， J 导热 系数 ， W／ m K 1 ； 它 在 单 他时 问 『 大 】 传人 单 位 质 量 流 体 的热 垲 ， J ／ k g S 1 、 2 、 3为仵 似 没条件 卜 的 U E N T模 拟 图 、 b设 箭距 端 5 0l 1 时 漉J 分 布 图 2气 候 室 内底 板 流 场 分 布 f } 11 设 蚤距墙 5 0㈣1 时风吨大于 4 m J s 1X 图 3气候 室 内风 速 大 于 4 m／ s区域 1 J x L 道风速达 到 4 m ／ s 时 ， 道 内最 人计算 J x L 速小 于 6 1 1 1 ／ ． 验事 【 大 J 部存 最 大 汁算 风速超过 8- 的 域 、 从 『 皋 】 2 ,t 1 、 I 1 、 C I 『 以吞 j ， 超 过 8 I l 的 域处 _ r J x I 鹚 入 f I 处 汁算 r t t 的 ⋯ 门边 处 ， 儿 要集 巾 J x l 痢 卜方 fj ． i - 环 境 审 r t 心 域 述 度 较 ， J 、 ， 风 述较 人 I x 域 分 近 端 处 ， 说 明 主 环 境 审 『 大 J 部 形成 个较 大涡旋 埘 比 l殳 1 2 r t a 、 b 、 c l J ‘ 以 发 现 ， 没 箭处 r． 环 境 南侧 时 ， 没 备 仃 导 流 作』 j J ， 导致 r I r 心 低风 速 f 域 减 少 ， I 州时 ， 风 扇 C 处 朋 之 】 n 勺 流 场 变 化 明 ， 、 1 没备 处 j 北 侧 f i l j ， 流场 变 化 较 小 3『 I l 深 色 杜 【 域 为风 速 火 J 4 m ／ s 的 域 ， 1 f 比 3- f 1 d 、 b 、 t | _ 『 知 ， 设 箭处 于 南 侧 如 1 ， 所 永 f j 1 『 ， _ 1 环 境 侧 速 度 略 大 丁 其他 两种 情 况 空 C 处理 窜 』 x 【 扇 问 通 道超 速 域 ． i月 i Ij 减 少， 顶板处速度等俯线 为 4 n l ／ s 的情况较 『 冬 1 3 r f a 、 t 明 减 少 尔侧 速度 等 f l i{ _ 线 域 也 小 r - 这 进- 步 说 f 1门， 没备布 r 南 侧 时 ， 导流作 川 明 I ，环境 李 内风速 大 r 4 I l l ／ ／ S 的 I X 域 小 丁不 放 没箭I I ,J “ 币 i 】 没 箭处 J 北 f {J lJ 【 1 1 『 情 I 3矿井热环境仿真实验 室的应 用 3 ．1 矿 用个 体 防护装 备 真人 评价 受 试 『 I 愿 的情 况 1 ． - 。 室 『大 】 温度 3 5℃． f { J 度为 9 5 ％， 风述 0～0 ． 4 n ／ s 环境 巾， 利川人体微 气 候 采集 系统 ． 采集 受 试 穿 不 穿 个体 防 护 装 备时 ， 部 、 颈 邴 、 前 胸 、 后 背 『 J u 个 部 位 温度 随 时 煤炭科技 2 0 1 7年第 3期 的变化情况 ， 测试时间为 2 h 。考虑到个体 因素 ， 我 们对 比了在相同条件下 ， 同一个人在穿与不穿防护 装备时的情况。从表 1中可见 ， 两人 的四个 部位穿 着 降温 服 时 温度 维 持 在 3 3 ℃ ～3 4℃．同 比未 穿 的 降温 2～3 ℃左右 ， 可见相变材料融化时 ． 能有效带 走人体的热量， 从而维持人体正常体温。 表 1 温 度 随 时 间 的 变 化 情 况 3 ． 2 矿用个体防护装备暖体 出汗假人评价 在矿井热环境仿真实验室中 ， 利用服装舒适性 系统一 暖体出汗假人对降温背心的放冷时间进行 了 测试 。设 定 实 验 室 温 度 3 4℃ 、 湿 度 6 5 ％、 风 速 0～ 0 ． 4 m ／ s ． 暖体 出汗假人表面温度 3 7 ℃ ． 首先 给暖体 出汗假人穿上降温背心 无 蓄冷剂 ． 等各部位温度 加热 到 3 7 c c土0 ． 1℃ ， 稳 定 0 ． 5 h左 右 ． 加 入 蓄 冷 剂 前胸 、 后 背共 4块 ， 每块 2 0 0 g ， 记录暖体 出汗 假人上半身加热量的变化情况如图 4所示 。 l l 1 | t 藿 l l ￡ l I I l L ‘ ● - 1● ●‘●■■一1■■ 一一 、叫 - l 一一 _ 罱麓 皇 图 4暖体 出 汗 假 人 各 部 位加 热量 随 时 间变 化 情 况 从 图 4中可见 。 实验刚开始时加热量很大， 并随 着 时 间 的增 加逐 渐 减 少 ， 到 1 1 3 0趋 于稳 定 ， 假 人 各 部位皮肤温度稳定在 3 7℃ 0 ． 1℃，加热量也趋于 稳定在 2 0 w ／ m 。在 1 2点左右给降温背心 中插入蓄 冷剂 。 由于它与假人表面发生了热交换 ， 使假人表面 温度降低 ， 而假人为了维持表面温度 3 7℃ 0 ． 1℃， 加热量又突然增加 。 随着蓄冷剂冷量减少 ， 加热量也 在逐渐下降， 直到蓄冷剂放冷结束 ， 加热量又稳定在 2 0 w ／ m 左右 ． 时间维持 3 ． 5 h ， 也就是说在此种环境 下降温背心的有效工作时间为 3 ． 5 h t9 ” 。 4 结 论 利用仿真气候室各种模拟手段 ， 在地 面上人为 地制造 出温度 、 湿度 、 风速 与深部井 下气 候环境相 近的密闭空间 ， 并详细 的介绍了整个气候模拟空 间 的结构 、 功能设计及控制 。针对气候室风速运用流 体力学原理及 F L U E N T软件 ， 对人工气候 室的流场 进行计算分析 ， 结果表明 ， 当模拟风道达到最大设 计风速 4 m ／ s时 ， 实验室内局部 区域风速超过 8 m ／ s 的范围较小。同时 ， 气候室内设备的合理布置。 能够 起到分流作 用 ， 降低 涡旋 带来的不利影响 ， 有利于 实验室 内流场均布 ， 减少风速较大 区域的范 围。建 成的矿井热环境仿真实验室不受地理 、 季节等 自然 条件的限制 ， 并能缩短研发的周期 ， 成为研究深部 矿井热环境相关领域的一种重要设备。 参考文献 [ 1 】 崔文广， 邬堂春． 深矿井热 害对人体健康危害 的研究进 展[ J 】 ． 中华 劳动卫生 职业病 杂志， 2 0 1 0 ， 2 8 4 6 34 6 5 ． 【 2 】 程卫 民， 聂文， 姚玉静， 等． 综 掘工作 面旋流气 幕抽吸 控尘流场 的数值模拟[ J 】 ． 煤炭学报，2 0 1 1 ，3 6 8 1 3 4 21 3 4 8 ． [ 3 ] 刘 峰， 邵涛． 重介质旋流器 壁面处理对湍流数值模拟 的影响[ J 】 ． 煤炭学报， 2 0 0 8 ， 3 3 9 1 0 3 51 0 3 9 ． [4 】 刘 建， 姚 海飞， 魏 传光， 等． 掘进 工作面 湿式离 心除尘器 的结构 优 化及数值模拟 煤炭学报， 2 0 1 0 ， 3 5 3 4 2 44 2 8 ． 【 5 】 王海桥 ， 施式亮， 刘荣华， 等． 独 头巷道 附壁射流 通风流 场数值模 拟研究f J ] ． 煤炭学报， 2 0 0 4 ，2 9 4 4 2 54 2 8 ． [ 6 ] 王从陆， 吴超． 基于移动参考框架的矿内运输工具活塞风数值模 拟[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 0 7 ， 3 2 8 8 3 88 4 1 ． [ 7 ] 胡方坤 ， 陆新 晓， 王德 明等． 基 于 C F D数 值模拟 分析综 掘工作 面 粉尘迁移规律研究叨． 中国煤炭，2 0 1 2 ， 3 8 6 9 49 8 ． 【 8 】 王福军． 计算流体力学分析【 M】 ． 北京 清华大 学出版社 ，2 0 0 4 ． [ 9 】 张 寅平， 王馨， 朱 颖心， 等 ． 医用降温服 热性能与应 用效果研 究【 J 】 ， 暖通空调， 2 0 0 3 ， 0 3 5 86 1 ． [ 1 O ] 崔文广． 深井热害对矿工生理和生化指标的影响【 D 】 ． 武汉 华 中 科技大学，2 0 0 8 ． f 1 1 1 韦帆汝， 王发明． 基 于相 变材料 与微 型通风风扇 的新 型个体 混合 冷却服在温热环境下制冷效果的研究[J 】 ．丝绸，2 0 1 6 ， 5 3 3 18 ． 作者 简介 周盂 颖 1 9 5 8 一 ， 男 ， 研 究生 学历 ， 研 究 员、 硕 士生导师 ， 安徽 省煤炭科 学研 究院副 总工程师 、 煤矿 火灾 热害 防治研 究中心主任， 主要从 事煤 矿安全及高 温矿 井个体 降温服研 究。 收 稿 日期 2 0 1 7 0 5 1 2