井下風流溫濕度模擬軟件的開發及應用

趙　濤

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧撫順113122）

煤礦產業的快速發展，導致井下的開采深度加大，從而出現了溫度高、濕度大的礦井熱害問題。針對這一情況國內外的專家學者進行了大量的研究，周西華[1]對礦井回采工作面內溫度的分布情況進行的模擬研究，得出采煤機附近風流溫度的變化情況；高建良[2]對井下掘進巷道的風流進行了數值模擬，闡述了風流溫濕度的分布情況；Sasaki K[3]對礦井內氣候的環境進行了預測分析；高建良[4]對井下潮濕巷道風流溫濕度的計算方法進行了研究，得出風流溫濕度和巷道通風距離的關系；張曉明[5]對煤礦井下產生的熱害問題進行了分析，并推算出干巷道中風流溫度的計算公式；張小康[6]對煤礦井下通風系統中氣候的溫度進行了實時的預測分析；李麗峰[7]針對不同的潮濕環境的巷道中熱環境進行了的解算分析，得出其變化規律。然而以上的研究成果并沒有對巷道壁面的濕度系數進行準確的考慮，所模擬計算的結果也存在一定的誤差。

本研究在前人研究成果的基礎上，針對確定出的巷道壁面濕度系數，通過研發的礦井風流溫濕度模擬軟件，對礦井內不同情況的風流溫濕度的變化規律進一步作出了詳細的說明，并成功地應用到實際礦井中，從而為工作人員能夠舒適地在地下空間進行采掘活動提供必要的科學依據以及現場指導。

1　礦井風流溫濕度數學模型

1.1　建模條件

把礦井巷道都看作為圓形巷道，巖體內熱傳導及其內部溫度都均勻進行，排除熱輻射的影響，井巷壁面的熱濕交換條件一致。

1.2　風流溫度計算模型

根據傅里葉定律可以得出風流溫度在礦井圍巖內部以及潮濕巷道壁面上的數學模型。

（1）圍巖內部溫度計算。

式中，θ是巖層溫度，℃；t為通風時間，s；α為熱擴散系數，m2/s；r為巷道半徑，m；Z為井巷軸向長度，m。

（2）潮濕井巷壁面溫度計算。

1.3　壁面濕度系數的確定

根據以上數學模型可得出井巷壁面的濕度系數為：

式中，φ為壁面濕度系數；β為物質交換比，根據劉易斯定律[8]，知β=α/（ρaCPa），ρa是空氣密度，kg/m3；CPa是比熱容，J（/m3·℃）；為井巷壁面為飽和溫度時的絕對濕度；為礦井風流為飽和溫度時的絕對濕度；j為礦井風流在j時刻的絕對濕度。

1.4　井巷風流溫濕度計算

結合式（1）～式（3），并采用差分法可求得井巷風流溫濕度的計算公式：

式中，Γ為溫度上升系數，Π為溫度上升梯度；Θj、Θj-1為礦井風流在j與j-1時刻的溫度，℃；j-1為礦井風流在j-1時刻的絕對濕度；θwj為巷道圍巖壁在j時刻的溫度，℃；Q為井巷內風量，m3/s；ω為入風流傾角，（°）；Wj為井巷壁面水分在j時刻上的蒸發速度，m/s；U為巷道周長，m；g為重力加速度，m/s2；Z為巷道長度，m。

2　井巷壁面潮濕模型

根據高溫高濕礦井巷道壁面的潮濕情況，現提出均勻潮濕和條帶潮濕巷道壁兩種型式。

（1）巷道壁均勻潮濕。該情況指的是井巷壁面的濕度系數是恒定的，當壁面濕度系數的取值范圍是0到1，表明其潮濕程度均勻分布，當其為0時表明巷道壁屬于干燥情況，當其為1時表明巷道壁完全潮濕。

（2）巷道壁條帶潮濕。條帶潮濕指的是井巷壁面分別由完全干燥部分和完全潮濕部分組成。把井巷壁面劃分成多個條帶部分，當完全潮濕部分條帶長為ΔLw，而每個條帶部分的長度為Ls，則壁面濕度系數定義為前者與后者的比值。均勻潮濕和條帶潮濕分布圖見圖1所示。

3　巷道風流溫濕度軟件的開發及解算模擬

3.1　軟件的開發

根據以上數學模型以及提出的壁面潮濕模型，采用VB語言結合有限差分的方式，利用均勻潮濕模型編制出井巷風流溫濕度模擬軟件，其運行界面以及運行過程如圖2、3所示。

由圖3可知，輸入礦井風流溫濕度的基礎參數，根據礦井實際的通風時間，利用該軟件進行有限次的迭代計算可得出風流溫濕度的預測情況。

3.2　礦井風流溫濕度解算模擬

3.2.1不同壁面濕度情況下的溫度預測

圖4指的是礦井入風流溫度分別為0～30℃，而其通風時長分別為1個月、1 a以及5 a，且礦井入風口的風流的相對濕度為0.8，井巷壁面的濕度系數分別為0.3和0.8時的溫度變化情況。

根據圖4可以看出，在礦井通風時間較短時，礦井內風流的溫度隨著通風距離的增加而增高，主要是由于礦井剛通風時，巖體內部溫度高，在熱傳導以及對流換熱的影響下傳遞到礦井內，使溫度上升較快。當壁面濕度系數在0.3～0.8之間變動時，根據預測情況可以看出壁面濕度系數越大井巷內的風流溫度增高的幅度反而降低，這主要是由于濕度系數較大的壁面會導致壁面和風流的熱濕交換量下降。

3.2.2不同壁面濕度情況下的濕度預測

圖5指的是礦井入風流溫度分別為0～30℃，而其通風時長分別為1個月、1a以及5a，且礦井入風口的風流的相對濕度為0.8，井巷壁面的濕度系數分別為0.3和0.8時的濕度變化情況。

由圖5可知，當井巷壁面濕度系數較大時，隨著入風流溫度的增大，井巷內風流的濕度在初期快速增高，當礦井通風時間越來越長后，井巷內風流的濕度將會接近于飽和，從而致使濕度上升的幅度減慢。

3.2.3不同入風傾角下的溫濕度預測

圖6指的是礦井風流由斜井到立井變化下入，而其通風時長分別為1個月、1 a以及5 a，且礦井入風口的風流的相對濕度為0.8，井巷壁面的濕度系數分別為0.3和0.8時的溫濕度變化情況。

由圖6可知，當壁面的濕度系數不同時，在入風斜井中，空氣受壓體積縮小溫濕度升高，而在回風斜井中，巖體內部溫度下降且在空氣體積膨脹的影響下，風流的飽和絕對濕度將會下降，而在此時會導致礦井風流內部的水蒸氣達到飽和，在溫度下降時其會凝結為常見的小水滴。

4　工程實踐

通過地質資料和實地勘測可知，賀西礦中的回采、準備和開拓巷道熱害問題相對突出，并對這幾個區域巷道進行了風流溫濕度的測量。最后利用開發的軟件對賀西礦進行了預測計算，圖7～圖9是對賀西煤礦回采、準備以及開拓巷道中風流溫濕度的實測和預測情況的對比。

4.1　回采巷道內風流溫濕度

圖7表示的是賀西煤礦回采巷道中風流溫濕度的變化情況。

由圖7（a）可以看出，回采巷道中溫度的實測和預測結果基本一致，因為實際礦井是在局部壁面出現潮濕情況，因此溫度值由上下幅度變化的情況，而模擬是根據均勻潮濕情況預測的，因此呈現出平滑的變化情況。

由圖7（b）可知，回采巷道中濕度會隨著巷道通風距離的增長而下降。而測試出的濕度的上下變化說明壁面濕度分布不均勻。但總體預測和實測結果相吻合，可以滿足實際的需求。

4.2　準備巷道和開拓巷道內風流溫濕度

圖8～9表明的是準備巷道與開拓巷道內溫濕度實測與預測對比圖。

由圖8～9看出其結果基本相符。但是由于礦井內部會受到很多地質條件等不可控因素的影響，實測與預測的結果不可避免地存在誤差，但是總體的結果能夠滿足對井下風流溫濕度預測的定位。

5　結論

（1）根據礦井風流溫濕度數學模型，在實際計算中考慮風流水分蒸發的基礎上確定出巷道壁面濕度系數的計算方法。

（2）提出了巷道壁均勻潮濕與條帶潮濕模型，并對其進行了分析說明，并且在實際應用中可以用均勻潮濕情況來計算分析。

（3）開發出礦井風流溫濕度模擬軟件，并且對井下不同壁面的濕度系數以及不同巷道傾角情況下的溫濕度進行了解算說明。

（4）將開發出的模擬軟件應用于具有高溫高濕的賀西礦的回采、準備和開拓巷道內，通過實測和預測計算可知其變化規律基本一致，且誤差較小，驗證了此軟件可以應用于工程實踐，可為熱害礦井采取降溫措施奠定基礎。