深部矿井下高温硐室降温装备体系试验研究.pdf

38 , 工业安全与，保 . Industrial Safety and Environmental Protection 2018年第44卷第9期 September 2018 深部矿井下高温硐室降温装备体系试验研究* 戈素亮1张晓东2 1.山西寿阳段王煤业集团有限公司山西寿阳045400; 2.煤科集团沈阳研究院有限公司辽宁抚顺113000 摘 要 深 部 矿 井 硐 室 高 温 是 煤 矿 六 大 灾 害 之 一 ， 进行降温保证硐室设备安全运行对于煤矿安全生产 具有重要意义。首先分析了煤矿硐室热量来源， 建立基于常微分方程的数学和物理模拟模型， 通过模型对煤 矿硐室实施增大风速、 降低入口温度降温措施进行效果分析。研究结果表明， 硐室内温度场分布特征受风流 场的影响， 在连接处已形成涡流（ 高温区） ； 硐室内温度随着人口风速的增大而降低， 随着风流的增大而降低; 将风速由原来的1.68 m3/ s增大到4.52 m3/ s， 入口处温度由294.6 K降到291.4 K， 能够明显改善降温效果, 为矿井硐室降温提供了理论指导和技术支持。 关 键 词 矿 业 工 程 硐 室 降 温 深 部 开 采 Experimental Study on Cooling System of High Temperature Chamber in Deep Mine GE Suliang1 ZHANG Xiaodong2 1. Shanxi Shouyang Duanwang Coal Mining Group Co. , Ltd Shouyang, Shanxi 045400 Abstract Deep mine chamber high temperature is one of the six major coal mine disasters and cooling chamber to ensure the safe operation of equipment is of great significance for the safe production of coal mine. In this paper the coal mine chamber heat source is analyzed, the mathematical and physical simulation model based on ordinary differ ential equations is set up and the effects of increasing the wind speed and lowering the temperature of the entrance are also described based on model. The results show that temperature field distribution of chamber is affected by the air flow field and the eddy current is ed at the junction high temperature area , and also the chamber temperature decreases with the increase of the inlet temperature and the airflow. When airflow speed increases from 1.68 m3/s to 4.52 m3/s , the inlet temperature is reduced from 294. 6 K to 291.4 K, and the cooling effect can be significantly im proved, which provides theoretical and technical support for mine chamber cooling. Key Words mineral engineering chamber lower the temperature deep mining 〇 引言〇 引言 煤炭在我国能源结构中占有重要地位， 对于我 国经济的发展具有重要意义。煤矿深部开采面临三 高一低的问题， 其中高温已成为制约煤炭企业高效 快速发展的绊脚石， 矿井降温成为目前煤矿发展的 重要课题[1_4]。 对于煤矿高温降温技术的研究， 吴继忠等[1]对 孔庄煤矿降温进行了研究， 采用片冰降温系统、 热 - 电-乙二醇降温系统、 井下低温水排热的井下集中 降温系统HEMS和真空制冰降温系统， 从成本、 效 果、 稳定性三方面考虑,得出了适应孔庄煤矿降温的 方法;张祖敬[2]对煤矿避难硐室降温进行了研究, X才煤岩初始温度、 煤层瓦斯涌出量、 地表深度等 X才避难硐室降温的影响进行了分析,提出煤矿避难 硐室选择降温方式的一些基本原则， 指出煤矿建设 避难硐室时应根据自身矿井地质条件， 结合各种避 难硐室降温方式的优缺点， 选择可靠性髙、 安全性 好、 使用与维护容易、 环保、 经济的降温方式;孙志林 等[3]采用机械制冷技术对国内外巷道降温进行了 研究， 指出了煤矿井下用机械制冷降温系统中压缩 机、 空冷器、 制冷剂、 润滑油等特殊部件及工质在煤 矿巷道中应用的特殊要求， 最后指出机械制冷降温 系统在煤矿井下应用领域应重点研究;原芝泉[4]采 用液氮降温技术对回采工作面进行了研究， 详细介 绍了系统类型、 工艺流程、 设备选用， 并对设计和运 行方面需要注意的问题进行分析和探讨， 将液氮降 *基金项目 国家自然科学基金51274088。 . 39 温系统应用到煤矿井下降温是完全可行的。以上学 者主要是对煤矿井下降温进行了研究， 而随着开采 技术的进步， 机械化程度的提高， 越来越多的大型设 备被用于井下， 硐室设备增加， 功率大必然产生大量 的热量， 设备散热差， 造成机械损坏， 提高了维修成 本， 降低了劳动效率， 较少研究者对此进行研究。因 此,进行井下硐室的降温技术与理论研究势在必行。 1工程概况 山西某煤矿生产能力为6 Mt/a， 煤层开采深度 达到800 m,煤矿空气压缩机安装在-700 m水平， 硐室尺寸（ 长X宽X高52 mx5.21 mx4.36 m,整 个硐室共有压缩机3 台,其主要特征是功率大， 排热 量大， 没有任何措施时温度可以升到9 0 丈， 影响到 机器的运行， 工人更是无法进入， 而且相邻硐室有风 机 2 台， 综合作用后温度极高， 无法长时间运行， 降 温势在必行。 2热量来源分析 2.1煤岩体热量 煤岩体热量主要来自由于开采深度增加而产生 的地热， 其温度随着与地表距离的增大而增加， 不同 地区有不同的地温梯度， 其与硐室传导公式 QmyKmyULTmy-T 1 式中,胃为交换热量,W;Xm y为交换系数;[/为巷道 周长,m;i为长度,m; rm y为煤岩体温度， T为硐 室 温 度 二 2 . 2 空气自压热量 风流在流动过程中势能降低， 产生压缩作用温 度升高,主要为焓的位能转换， 其热量交换公式 Qh GgAz 2 式中， h为交换热量，W; G为空气容重,kg/m3;g为 重力加速度，N/kg; Az为高度变化，m。 2 . 3机器热水产热 机器热水放热， 其热量与水量有关， 其与空气主 要通过热交换进行放热， 热交换公式 Qa [at-th rKhd-dh]s 3 式中， 8为交换热量，W;a为 交 换 系 数为空气温 度 ， 为潜能，J/kgA为传质系数;d为机器工作 后 水 温 为 初 始 水 温 为 时 间 点 。 2 . 4机器产热 随着科技的进步， 大型机械设备不断被用于井 下 ， 使用的电能一部分转化为动能，一部分转化为热 能散发出去， 是热量的主要来源， 热交换公式 Q nNk/r] 4 式中, 为交换热量，为机械数量;W为总额定 功率,kW/h;A为综合系数;为转化率。 2 . 5煤矿工人产热 井下是煤矿工人集中的地方， 人体也是热源之 一，其产热量与人数以及劳动强度有关， 热交换公 式[5] QM 5 式中, 为 交 换 热 量 ,为 人 数W为产热量,W。 2.6其他热量 其他热量主要包括煤炭自燃、 氧化等产生的热 量 ， 井下爆破产生的热量。 3井下硐室降温数值模拟 井下硐室降温数值模拟采用Fluent软件进行。 3 . 1模型建立 模拟模型可以视为三维模型， 采用质量、 动量、 能量守恒定律的偏微分方程建立模型。 du dv dw U dx dy dz dT dT dT d2u U 一 一 -v 一 一 W 一 一 11 t dx dy dz dy 6 7 dp dx 8 其中压力梯度为0得出 dT dT dT d2u dx dy dz dy2 9 对于吸热放热的体积热源 r h P v2 E h- P 2 l〇 对于不可压缩物体 h Y h I D i P 得出热交换模型计算微分方程 du dv m 0 12 dx dy dz du u l dx du w dy du dz 13 dT U 11 dx dT w dy dT_ dz i k 14 3 . 2风流场流动分析 硐室风流流动数值模拟结果如图1 所示。 由图1 可知， 地表风流进人巷道后向硐室扩展， 随着距离的增加， 扩散面逐渐增大， 同时由于扩散面 增大， 速度降低,进人硐室的风流一部分直接进人硐 室， 形成旋涡区,而大部分在硐室内不断循环， 经过 压缩机的空气发生热交换， 风流絮乱,形成不同形态 的旋涡区， 底部空气受压缩机的影响， 风流絮乱， 而 上部没有其他物体发生热交换， 风流流畅， 风流在整 个流动过程中主要由入口向出口流动， 硐室内整体 40 絮乱， 经分析是由于距离产生的影响〔 □ □ a硐室压缩水平为1 ____________ ____________________一心 b硐室压缩水平为2 图 1空气流流动 3 . 3 温度场分析 硐室温度场数值模拟结果如图2 所示。 图2温度场变化特征 由图2 可知， 风流进入硐室后， 与周围机器设 备、 煤岩体发生热交换， 设备以及煤岩体不断将热量 传给风流， 同时由于风流源源不断地进入硐室， 温度 较低， 因此入口处变化不明显， 但与压缩机发生热交 换后， 风流温度迅速升高， 而压缩机周围温度变化较 小 ， 距离风口越近其降温越快， 同时， 在 〇〜 1 水平场 温度变化小， 其规律与风流类似， 而超过1 时， 呈倒 台阶形态， 整个温度场在离入口处越近温度降低得 越快。 3 . 4 入口温度对于硐室影响分析 根据相关模拟结果对不同入口温度得出不同入 口风速下的温度场变化曲线如图3 所示。 330 288 290 292 294 296 298 300 入口温度/K 图3温度场变化曲线 由图3 可知， 硐室内温度明显降低， 入口处温度 越低， 温度下降得越明显， 因此适当降低入口处温度 能取得较好的效果;在不同的风速下， 速度越快， 温 度降低得越明显， 因此， 适当增加风速同样可以增加 降温效果。 4硐室降温技术分析 4 . 1 测点数据分析 根据理论计算、 数值模拟、 现场测试得出的不同 测点温度值如图4 所示。 测点编号 图4 3 种方法得出的温度数值 由图4 可知， 模拟值与现场值误差在5 以内， 说明数值模拟能够很好地表达实际情况， 模拟所选 模型合适， 模拟所得的规律以及结论可以运用到实 际中去。而理论计算值与实际情况相差较大， 存在 较大缺陷， 不具有普遍性。 4.2调节风流流动降温措施分析 在联络巷道设置风墙， 同时留设风门， 保证正常 出入硐室， 将硐室连接处拐角部分扩大或者缩小， 降 低旋涡生成概率， 引起局部升温， 在硐室内设置导风 板 ， 引导风流由上向下发生对流交换， 变换压缩机位 置 ， 交错布置。采取以上措施后， 进行数值模拟分析 检验其效果， 调整后温度场分布如图5 所示， 温度变 化曲线如图6 所示[5]。 图5调整后温度场分布 由图4 〜图6 可知， 实施改变硐室内风流状态 的措施后， 取得了比较好的降温效果， 硐室内温度降 低 ， 特别在测点5 处 ， 温度降低得非常明显。 4 . 3 增加风量降温措施分析 经综合技术、 经济效益分析， 将原来入口处的风 速由原来的1.68 m3/s 增大到4.52 m3/s， 实施后温 度场变化以及温度曲线如图7 和图8 所示。 41 290 -----1----1--------------------- 0 1 2 3 4 5 6 测点编号 图 1 0 调整后温度变化 5结论 基于微积分方程的Fluent模拟模型， 对于煤矿 硐室降温技术进行研究， 得出以下结论 1 硐室内温度场分布特征受风流场的影响， 在连接处已形成涡流（ 高温区） 。 2 硐室内温度随着入口风速的增大而降低， 随着风流的增大而降低。 3 将风速由原来的1.68 m3/s 增 大 到 4. 52 m3/s， 入口处温度由294.6 K 降到291.4 K， 能够明 显改善降温效果。 4 应在入风口增加降温设备和增大风量体系 才能达到降低温度。 参考文献 [1 ]吴继忠， 刘祥来， 姚向东， 等.孔庄煤矿集中降温方案的 选择与优化[J]. 中国工程科学， 2011 11 59 - 67. [2]张祖敬. 煤矿地质条件对避难硐室降温的影响分析[J]. 矿业安全与环保， 2〇13,4〇1101-1〇4. [3 ]孙志林， 李耀武， 林瑞波， 等.机械制冷降温系统在煤矿 井下的应用[J].煤矿安全， 20091 26-29. [4] 原芝泉.液氮降温系统在煤矿中的应用[J] . 医药工程 设计， 2013,34212-17. [5] 赖春明.某铁矿井下空压化铜室降温数值模拟及应用研 究[D].南昌 江西理工大学， 2015. 作 者 简 介 戈 素 亮 ， 男， 1965年生， 高级工程师， 现任山西寿 阳段王煤业集团有限公司段王矿矿长。 张晓东， 男， 1987年生， 助理研究员， 毕业于中国矿业大 学（ 北京） ， 现在煤科集团沈阳研究院有限公司从事煤矿安 全、 瓦斯防治方面的研究。 由图可知， 入口处温度由294. 6 K 降到291 4 K， 入口处风速由1.68 m3/s 增大到4.52 m3/s， 出口 处温度降到303. 2K， 硐室热灾害得到有效解决， 保 证了设备正常运行， 经济效益髙， 达到既经济又效果 优的目的。 330 r 2901---------1-----1-------------- 0 1 2 3 4 5 6 测点编号 图8调整后温度变化 4 . 4降低入口温度降温措施分析 采用非人工的降温技术进行降温， 将出口风流 排进巷道进行冷却， 降低入口处温度后其效果如图 9 和图10所示。 图9调整后温度场分布 由图4、 图6、 图7、 图8 可知， 增大了风量后降温 效果非常明显， 硐室内温度呈直线下降， 风量合适， 但整体风流温度没有达到规程要求， 由于技术问题， 采取其他措施继续进行降温。 测点编号 图6调整后温度变化 图7调整后温度场分布 330 r o o o 3 2 3 1 3 0 o o o 2 10 3 3 3 收稿日期2017 -03 -27