三山岛金矿深部巷道放热源计算方法研究.pdf

I S SN 1 6 71 -2 9 00 CN 4 31 3 47 ／ TD 采矿技术第 l 5卷第 4 期 Mi n i n g T e c h n o l o g y ，Vo 1 ． 1 5， No ． 4 2 0 1 5 年 7月 J u l y 2 0 1 5 三 山 岛 金 矿 深 部 巷 道 放 热 源 计 算 方 法 研 究 华海洋 ， 沃杭 帅 ， 赵兴 东 ， 闰冬光 1 ． 山东黄金矿业 莱州 有限公司三山岛金矿山东 莱州市2 6 1 4 4 2 ； 2 ． 东北大学 资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 1 1 0 8 1 9 摘 要 通过对三山岛金矿井下热环境现场调查和在室内用稳态法进行岩石导热系数测 量的试验， 得到了三山岛金矿一 6 0 0 m水平以下围岩热传导系数及各热环境参数。采用 I I e p 6 a H b 、 A ． ． B o p o r l a e B 和煤科总院抚顺分院提出的矿井热交换计算方法， 分别计算了 三山岛金矿一 6 0 0 n l 水平的围岩放热量， 并对其计算结果进行分析比较， 得到了三山岛金 矿一 6 0 0 In水平的围岩放热量 ． 该结果对类似矿山的围岩放热量及热害防治提供 了一定的 基 础数据 。 关键词 围岩放热； 导热 系数； 放热量 ； 深部开采 0 引 言 目前 ， 我国地下开采的金属矿山多数已进人 中 晚期 ． 随着采掘深度的增加 ． 井巷围岩的温度越来越 高 ， 围岩的散热量越大。在持续的高温条件下 ， 井下 工作人员的健康和工作效率将会受到很大 的影响， 同时也存在一定的安全 隐患。据统计 资料 ． 超过适 合人体温度后 ， 温度每增加 1 o C， 工人 的劳动生产率 将降低 7 ％～1 0 ％。围岩散热作为矿井 深部的主要 热源之一， 在 总放 热量 之 中占有很大 比重 [ 1 -4 3 。因 此 ， 围岩放热量的准确计算对治理井下热 害具有重 要意义。本文以三 山岛金矿一 6 0 0 m水平为背景进 行巷道围岩的放热量计算方法研究。 1 热传 导系数测定 在地热的传导 过程 中导热系数 是一个重要 物理量 。 它是围岩放 热量 的控制性 因素之一。在稳 态条件下 。 单位时间内沿热传导方 向上单位厚度岩 层量测温差为 1 c 【 时 ， 通 过 的热 流量称 为热导率。 本实验用稳态法来测岩石的导热系数 ． 采用 Y B F 一2 型导热系数测试仪进行测试， 实验仪器如图1 所示。 在支架上先放上 圆铜盘 P。 在 P的上 面放上 待 澳 0 样品 B． 再把带发热器的圆铜盘 A放在 B上 。 发 热器通电后， 热量从 A盘传到样品 B ， 再传到 P盘， 由于 A、 P盘都是 良导体 ， 其温度 即可以代表样 品 B 上 、 下表面的温度 。 、 ， 、 分别由插入 A、 P盘 边缘小孔热电偶来测量 。单位时间内通过待测样品 B任一圆截面的热流量为 A． △ 。h B 式中 R 样品的半径 ， m； h 样 品的厚度 ， m； - 当热传导达到稳定状态时 ， 和 的值不变， 于是通过样品 B上表面的热流量与由铜盘 P向周 围环境散热的速率相等 ， 因此 ， 可通过铜盘 P在稳 n 定温度 时 的散热 速率来 求 出热 流量 。查 △ 铜康铜 热 电偶 分度 表得 ．T i4 9 ， 6 5 1 ℃ ． 3 1 ． 0 7 1 C； 并用作图法求出散热盘在稳态值 附近 的冷却速率热流量 A Q ／ A t 。岩石试样为圆柱形 ， 试 样半径 6 5 mm， 厚度 3 2 ． 4 6 mm。实验得 出岩石热导 率为 2 ． 1 4 W／ i n K 。 2 巷道围岩放热量计算 巷道围岩与风流热交换是一个复杂的过程． 并 且影响因素有很多， 几乎不可能按照实 际情况建立 数学模型 ， 所 以要对该问题作 出一定假设 ， 建立理想 化模型 引 基金项 目 “ 十二五” 国家科技支撑计划项 目 2 0 1 2 B A B 0 8 B 0 1 ； 国家 自然科学基金 5 1 4 7 4 O 5 2 ， 5 1 1 7 4 0 4 4 ； 辽宁省教育厅 L J Q 2 0 1 2 0 2 4 ； 省科技厅人才项 目 2 0 1 3 9 2 1 0 7 0 ； 国家 8 6 3项 目 2 0 1 1 A A 0 6 0 4 0 0 ； 北京市科技计划重大科技成果转化落地培育项 目 z 1 4 l 1 o o o 0 3 5 l 4 叭2 ． 华海洋， 等 三山岛金矿深部巷道放热源计算方法研究 6 7 1 巷道的断面简化为圆形断面 2 巷道围岩均质且各 向同性 ； 3 初始温度等于原岩温度 4 围岩壁面换热条件的一致性 5 巷道 内流动空气恒温 6 围岩放热量完全传给风流。 一 图 1导 热 系数 测 足 仪 2 ． 1 风流 放热 系数 在矿井条件下对流交换热 的影响因素很多 ， 各 国学者对此都做 了大量 的研究工作[ 6 - 8 3 。巷道壁对 风流的放热系数的综合关系式为 N 0 ． 0 1 9 5 eR 2 式中 N 努塞尔数 ， N ； R 雷诺数 ， R ； d巷道直径 ， d 4 f ，m ； A平均温度下的风流热传导率 平均温度下的运动黏度系数 ； ％ 风 速 ， m／ s ； 巷道壁粗糙度系数 厂巷道断面积， m ； U巷道周长 ， m。 由以上分析 ． 巷道壁对风流的放热系数为 - 0 ．0 19 5 e R s 令 0 ．0 1 9 5 e 13 。 a ／ 3 空气在 2 5 “ 1 3时，A0 ． 0 2 6 3 W／ m o C， 1 8 ． 5 7 51 0 一 k g ／ ms ， 丝 ； 则上式可变为 3 ． 8 8 5 v B _ O ． 8p O ． 8 UO ．2 4 又因为 ％ M B ，故上式可变为 。 3 ． 8 8 5 e 5 { 式中 。 流过巷道的风量 ， k g ／ s 。 由上述分析 ， 放热系数 主要取决于风速和巷道 的壁面状况 ， 故上式又可简化为 O t 3 ． 8 8 5 6 不同巷 道 及壁 面 状 况 的 8值 的取 值 范 围见 表 1 。 表 1 不 同巷道及壁面状况的 8值的取值范 围 光滑壁 运输 大巷 运输平巷 锚喷巷道 有支护巷道 回采面 1 O 0 1 O 0～1 6 5】 ． 6 5 2． 5 O】 ． 6 5～】 ． 7 5 2． 2 O～3 ． 1 0 2 ． 5 0～3 ． 1 0 取 1 ． 6 5 ， 现场实测巷 道的平 均风速 为 1 ． 8 m ／ s ． 得 出 O ／ 1 0 ． 2 6 W／ m o C 。 2 ． 2 围岩放热量计算分析 井巷围岩放热量 ， 按下式计算 _ 9 _ l o ] Q L U t 一t 日 7 式中 ， 为巷道的长度和周长 ， i n ； t 井巷 围岩的初始温度 ， ℃； t 巷道中风流的平均温度 ， c I 。 |ic 不稳定热交换 系数 ， 表示 围岩深部 未 冷却岩体与风流间的温差 I C时， 单位 时间从 巷道 1 m 的壁面上 向风流放出 或吸收 的热 量 。 k W／ I n q C 。 三山岛金矿 一 6 0 0 I l l 水平巷道现 已通风 6 ． 5 a ， 且巷道表面围岩有强烈的水分蒸发。根据矿井的热 交换理论导出的不稳定热交换系数有以下几种计算 方法。 1 I I e p 6 a n b矿井的热交换理论导出公式 去 式中 ， A为岩体热导率 ， W／ m ℃ ； R 。0 ． 5 6 ； 6为常系数 ； 7 - 为巷道通风时间， s。 2 A． ． B o p o n a e B在深井热交 换理论 中提 出 如下公式 A 1 0 ． 4 , ,／ R 2 j v／ , n - a T 9 式中， A为岩体热导率， W／ m ℃ ； R o 0 ． 5 6 4 f； 为 巷道 通 风 时 间，S 。 为 风 流 放 热 系 数 ， w／ m c c ； 口为岩石导温系数 ， m ／ s 。 采矿技术 2 0 1 5 ， 1 5 4 3 煤科总院抚顺分院提出如下关系式 ， 1 ． 1 6 3 1 0 ． 0 2 1 6 3 2 v B 。 口 一n0 7 2 一 0． 7 6二一 1一 n 1 0 1 1 湿度。 现场测得三山岛金矿一 6 0 0 i n水平原岩温度为 3 2 ． 1 C， 岩石 导热系数 口为 1 1 0 ～， 巷 道断面 面积 1 3 ． 0 3 I n ， 巷道周长 为 1 3 ． 7 7 m， 风速为 1 ． 8 m ／ s 。 分析围岩散热， 以巷道长度 ￡为 1 0 0 m计算。由式 7 可知， 不同计算 方法所得 围岩总散热量 如表 2 式中， 为风速 ， m ／ s ； 。为地 面大气 年平均相对 所示 。 表2 不同计算方法所得围岩总散热i i ／ w 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 6 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 1 图 2 围岩放热量随巷道风温的变化情况 通过采用 3种方法计算不 同巷道风温情况下的 围岩放热量 ， 计算结果如图 2所示 。在巷道尺寸和 原岩温度一定的情况下 ， 巷道 围岩放热量与巷道风 温成线性关系 ， 且巷道风温越高 。 巷道围岩放热量越 少 ； 采用 I I I e p 6 a m, 理论计算出的巷道围岩放热量与 其他两种方法计算 出的巷道围岩放热量具有明显差 异 ， 且其他两种方法计算 出的巷道围岩放热量相差 不大。 3 结 论 1 在实验室内对三山岛金矿围岩热传导系数 实验， 其围岩的热传导率为 2 ． 1 4 w ／ m K 。 2 采用多种方法计算巷道围岩的放热量并进 行分析 比较 ， 得到了适合三山岛金矿一 6 0 0 m水平 的 巷道围岩放热量计算方法， 为相似矿山提供了参考。 3 计算 出三山岛金矿的巷道围岩放热量随不 用巷道风温的变化情况。巷道围岩放热量随巷道风 温的降低而增大 ， 总体呈线性关系。 参考文献 [ 1 ] 孙洪勤． 深部开采热环境治理及通风优化研究[ D ] ． 青岛 山 东科技大学 ． 2 0 1 2 ． [ 2 ] 胡汉华． 金属矿 山热害控 制技 术研究 [ D] ． 长 沙 中南 大学 ， 2 o o 8 ． [ 3 ] 张培红， 董清明， 李忠娟， 等． 深部开采矿井通风系统降温效 果分析 [ J ] ． 沈 阳建筑 大学 学报 自然 科学 版 ． 2 0 1 3 0 1 1 2 7 1 31 ． [ 4 ] 王海 宁， 彭家兰 ， 程哲． 高温矿井的通风与降温分析[ J ] ． 有 色金属工程． 2 0 1 3 ， 3 3 3 4 3 7 ． [ 5 ] 苏 昭桂． 巷道围岩与风流热交换量的反演算法及其应用[ D] ． 青 岛 山东科技大学 ． 2 0 0 4 ． [ 6 ] 王英敏， 朱毅， 李锦泰， 等． 深井巷道围岩与空气热交换过 程的研究[ J ] ． 煤炭学报． 1 9 8 7 0 4 1 7 2 9 ． [ 7 ] 肖建庄 ， 宋志文 ， 张枫． 混凝 土导热系数试验与分析[ J ] ． 建 筑材料学报． 2 0 1 0 叭 1 7 2 1 ． [ 8 ] 张帝， 邹声华， 杨如辉． 矿井进风流与围岩的换热[ J ] ． 工业 安全与环保 ， 2 0 1 2 ， 3 8 8 1 0 1 2 ． [ 9 ] 杨德源， 杨天鸿． 矿井热环境及其控制[ M] ． 北京 冶金工业 出版社 ， 2 0 0 9 3 1 3 4． 1 0 4 一 l 1 3 ． [ 1 O ] 张习军， 姬建虎， 陆伟． 深热矿井巷道围岩的热分析[ J ] ． 煤 矿开采 ， 2 0 0 9， 1 4 2 5 7 ． 收 稿 日期 2 0 1 4 ． 1 1 ． 2 7 毫簟霰餐