熱環境對局部通風系統影響研究

陳 偉

（山西高河能源有限公司, 山西 長治 047100)

1672-5050（2017)05-0053-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.10.015

2017-07-07

陳偉（1987-),男,山西長治人,大學本科,助理工程師,從事煤礦通風技術管理工作。

熱環境對局部通風系統影響研究

陳 偉

（山西高河能源有限公司, 山西 長治 047100)

基于局部通風管理是煤礦通風安全管理的重要內容之一,且不同地點熱環境會對局部通風系統造成不同的影響,針對礦井水平巷道和傾斜巷道,研究兩巷道熱環境與風壓的關系。根據礦井通風理論,水平巷道里的熱環境會在巷道里形成熱阻力,對風流產生節流效應;傾斜巷道的熱環境產生的熱風壓會對巷道里的風流造成不同的影響,分析不同熱風壓引起的所有可能的結果。根據熱環境影響結果的相關因素合理優化局部通風系統并結合礦山實際生產狀況提出合理的建議。

礦井熱環境;局部通風系統;巷道風壓

作為經濟發展與社會進步的重要物質基礎,礦產資源的深部開采當前成為礦產資源開發的主要內容,由于采礦技術的發展,礦井深度繼續向深部延伸[1-2],所面臨的開采環境也比較惡劣,必然出現礦井高溫的問題。礦井高溫不僅影響礦井的安全生產以及礦工的人身安全與勞動質量,還影響礦山工作效率[3]。近年來,由于礦山對于制定防高溫措施缺乏有效的技術指導,現階段礦山制定相關的防治措施不能夠滿足礦山實際生產的需要,未來的井下高溫對局部通風系統的影響是礦山必須解決的一大難題。因此,通過分析井下熱環境對局部通風系統的影響,能夠加強礦山生產效率以及為礦山機械化發展提供重要的數據。

1 水平巷道里的熱環境對局部通風系統的影響

水平巷道中的圍巖、熱涌水等熱環境在巷道中形成熱阻力,對風流產生節流疚[4],形成節流效應。利用FLAC3D模擬軟件建立水平巷道模型,對模型中相關參數進行動量守恒及壓力差計算。水平巷道模型,見圖1。

圖1 水平巷道模型Fig.1 Horizontal roadway model

連續方程:ρAvA=ρBvB.

（1)

（2)

式中:ρA,ρB為截面A、B上的風流密度,kg/m3;vA,vB為截面A、B上的風流速度,m/s;PA,PB為截面A、B上的風流壓力,Pa。

求得兩截面之間的壓力差:

PA-PB=ρAvA（vB-vA) .

（3)

在等截面巷道中,當高溫氣流通過時,氣流速度由于沿層的吸熱而增大,即B截面速度大于A截面速度。由壓力差公式可知,進口壓力PA大于出口壓力PB,巷道在流動方向上形成壓力降,即熱阻力。

綜上原理,經過水平巷道的風流由于熱環境的影響會產生節流效應。

2 傾斜巷道里的熱環境對局部通風系統的影響

氣流流經高溫傾斜巷道時,產生的自然風壓與摩擦風阻聯合作用形成熱風壓[5-6]。熱風壓的方向沿著巷道傾斜的方向向上,影響井巷的風流狀況。

傾斜巷道熱風壓其表達式如下:

Hr=Hz+ΔRQ3.

（4)

Hz=gZ（ρ1-ρ2) .

（5)

（6)

式中:Hr為巷道里形成的熱風壓,Pa;Hz為自然風壓,Pa;ΔR為摩擦風阻在熱風壓形成前后差值,kg/m3;Z為A、B之間的高差,m;ρ1為風流剛進入巷道時的密度kg/m3;ρ2為風流沿程吸熱后的平均密度,kg/m3;Q為巷道里的風量,m3/s。

2.1熱風壓對上行通風系統的影響

傾斜巷道為上行通風時,氣流通過時產生的熱風壓等效圖見圖2,分析等效圖,通風風路2更符合傾斜巷道實際風況。

圖2 熱風壓等效圖Fig.2 Equivalent figure of thermal air pressure

根據風路2的有關參數做出風壓特性曲線見圖3。由于熱環境的存在,巷道溫度較高,導致其風壓增大,摩擦風阻變小、風量增大[7]。

圖3 風壓特性曲線Fig.3 Characteristic curve of air pressure

巷道風量增加,即風路上B點處的風量增大,風路2與沒有形成熱風壓的風路1的風壓差H1AB減小,由H1AB=R1Q2R可知,R1的變化可忽略,則風路1上的風量Q1減小。

隨著熱風壓的增加,風路1上風量越來越小,當熱風壓增加到一定值時,兩風路風量減小為0。一旦風量超過該值,風路1會發生風流逆轉。

2.2熱風壓對下行通風系統的影響

當傾斜巷道采用下行通風時,AB兩點間的不同壓力差HAB影響熱風壓Hz的大小,分析不同結果對巷道風流造成的不同影響,具體如表1所示。

表1 與HAB的Hz大小在不同情況下的巷道風流情況Table 1 Air flow in the different relationship between Hz and HAB

由表1可知,隨著Hz的增加,風路風量逐漸減少,當Hz=HAB時,巷道風量為0,此數值為風路閾值,當Hz超過此數值時,發生風流逆轉現象,對局部通風系統造成極大的破壞,影響礦山正常生產狀況,且存在安全隱患,易造成人員傷害。

利用臨界溫度TL與巷道實際風流溫度T2對比分析所有的情況,使對比更加直觀、方便。

1)臨界溫度TL的計算。臨界溫度即為Hr=HAB時風流通過巷道的溫度。

（7)

2)熱風壓形成后巷道風流溫度T2的計算。隨著時間的變化,巷道內溫度也相應變化,在一定時間內,根據文獻[8-12],采用合理公示計算相關風流溫度:

（8)

（9)

D=（K2-K1)Ts+K3+K4+K5+K6.

（10)

查閱《采礦工程設計手冊》,隨著溫度的變化,各計算因子及常數取值相同。取值如下:

（11)

式中:TS,TZ為巷道始、終端的風流溫度,℃;B1,B2為巷道始、終端的大氣壓力,kPa;A為巖石的生熱率,J/（cm3·s);KT為水管的傳熱系數,W/（m2·℃);KW為水溝蓋板傳熱系數,W/（m2·℃);Kτ為圍巖傳熱系數,W/（m2·℃);巷道中的熱環境對流經風流進行升溫,對風流溫度取平均值:

（12)

TL與Tj的大小在不同情況下的巷道風流狀況如表2所示。

表2 TL與Tj的 大小在不同情況下的巷道風流狀況Table 2 Air flow in the different relationship between TL and Tj

由表2可知,Tj為閾值,超過該值,巷道風流逆轉。

3 熱環境對局部通風系統影響的處理對策

通過分析熱環境對水平以及傾斜巷道的影響,決定就巷道降溫以及對巷道熱環境本身的控制兩方面制定合理有效的應對策略。對于降溫措施,可應用國內外先進的人工或非人工降溫技術;對于熱環境本身的控制,通過改進礦山應用材料及機械設備來降低對通風系統的影響。

1)熱環境對水平巷道應對策略:巷道圍巖、熱涌水對流經巷道的風流產生節流效應,在熱環境位置安裝空冷器,達到冷卻風流的目的;支護巷道時采用隔熱噴漿材料,實現對管道熱、機械熱以及爆破熱的合理控制,隔離熱環境;對高溫礦井進行風量計算并評估熱害影響,制定合理防治措施。

2)熱環境對傾斜巷道應對策略:流進傾斜巷道的風流產生的熱風壓影響局部通風系統,與應對水平巷道高溫策略相同,從隔離熱環境與巷道風流降溫入手,針對不同風流方向采取合理的措施。傾斜巷道采用上行通風方式時,通過調節通風機來增加通風阻力,降低熱環境對巷道帶來的不利影響,提高礦山生產效率;當采用下行通風時,在提高礦山機械化程度的同時增大巷道通風量,觀測局部通風狀況,積極促進通風工作的進行。

[1] 田向紅,劉星樂.興隆莊煤礦通風系統管理平臺研究[J].山東工業技術,2017（11):68.

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[3] 邵長宏.熱風壓對礦井通風系統的影響及其處理對策[J].礦業安全與環保,1990 （4):12-14

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SHI Yongde,HUANG Mingxiu,SU Guangfu,etal.Adjustment of Heat Wind Pressure in Mine Ventilation System [J].Coal Technology,2005,24（2):70-71.

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ZHANG Xiaokang,HE Fulian,MA Heng.Real-time Calculation and Application of Mine Ventilation System Environmental Temperature[J].Journal of China Coal Society,2012,37（5):863-867.

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EffectsofThermalEnvironmentonLocalVentilationSystem

CHENWei

（ShanxiGaoheEnergyCo.,Ltd.,Changzhi047100,China)

Local ventilation management is indispensable in the ventilation safety management in mines. Thermal environment of various locations affects the local ventilation differently. The paper studies the relationship between the thermal environment and wind pressure in horizontal and inclined roadways. According to ventilation theory, in the horizontal roadways, the thermal environment will form thermal resistance and throttle effects on the wind flow; in the inclined roadways, the thermal wind pressure caused by the thermal environment will exert different effects on the wind flow. All possible results caused by the thermal wind pressure are analyzed. Based on the influential factors of the thermal environment and the actual production of the mine, the local ventilation system is optimized and reasonable suggestions are proposed.

thermal environment in mines; local ventilation system; wind pressure in tunnels

TD724

A

（編輯:薄小玲)