井下風(fēng)流溫濕度模擬軟件的開發(fā)及應(yīng)用

趙　濤

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧撫順113122）

煤礦產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致井下的開采深度加大，從而出現(xiàn)了溫度高、濕度大的礦井熱害問題。針對這一情況國內(nèi)外的專家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，周西華[1]對礦井回采工作面內(nèi)溫度的分布情況進(jìn)行的模擬研究，得出采煤機(jī)附近風(fēng)流溫度的變化情況；高建良[2]對井下掘進(jìn)巷道的風(fēng)流進(jìn)行了數(shù)值模擬，闡述了風(fēng)流溫濕度的分布情況；Sasaki K[3]對礦井內(nèi)氣候的環(huán)境進(jìn)行了預(yù)測分析；高建良[4]對井下潮濕巷道風(fēng)流溫濕度的計(jì)算方法進(jìn)行了研究，得出風(fēng)流溫濕度和巷道通風(fēng)距離的關(guān)系；張曉明[5]對煤礦井下產(chǎn)生的熱害問題進(jìn)行了分析，并推算出干巷道中風(fēng)流溫度的計(jì)算公式；張小康[6]對煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)中氣候的溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)的預(yù)測分析；李麗峰[7]針對不同的潮濕環(huán)境的巷道中熱環(huán)境進(jìn)行了的解算分析，得出其變化規(guī)律。然而以上的研究成果并沒有對巷道壁面的濕度系數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的考慮，所模擬計(jì)算的結(jié)果也存在一定的誤差。

本研究在前人研究成果的基礎(chǔ)上，針對確定出的巷道壁面濕度系數(shù)，通過研發(fā)的礦井風(fēng)流溫濕度模擬軟件，對礦井內(nèi)不同情況的風(fēng)流溫濕度的變化規(guī)律進(jìn)一步作出了詳細(xì)的說明，并成功地應(yīng)用到實(shí)際礦井中，從而為工作人員能夠舒適地在地下空間進(jìn)行采掘活動(dòng)提供必要的科學(xué)依據(jù)以及現(xiàn)場指導(dǎo)。

1　礦井風(fēng)流溫濕度數(shù)學(xué)模型

1.1　建模條件

把礦井巷道都看作為圓形巷道，巖體內(nèi)熱傳導(dǎo)及其內(nèi)部溫度都均勻進(jìn)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(fēng)流溫度計(jì)算模型

根據(jù)傅里葉定律可以得出風(fēng)流溫度在礦井圍巖內(nèi)部以及潮濕巷道壁面上的數(shù)學(xué)模型。

（1）圍巖內(nèi)部溫度計(jì)算。

式中，θ是巖層溫度，℃；t為通風(fēng)時(shí)間，s；α為熱擴(kuò)散系數(shù)，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(jì)算。

1.3　壁面濕度系數(shù)的確定

根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型可得出井巷壁面的濕度系數(shù)為：

式中，φ為壁面濕度系數(shù)；β為物質(zhì)交換比，根據(jù)劉易斯定律[8]，知β=α/（ρa(bǔ)CPa），ρa(bǔ)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(shí)的絕對濕度；為礦井風(fēng)流為飽和溫度時(shí)的絕對濕度；j為礦井風(fēng)流在j時(shí)刻的絕對濕度。

1.4　井巷風(fēng)流溫濕度計(jì)算

結(jié)合式（1）～式（3），并采用差分法可求得井巷風(fēng)流溫濕度的計(jì)算公式：

式中，Γ為溫度上升系數(shù)，Π為溫度上升梯度；Θj、Θj-1為礦井風(fēng)流在j與j-1時(shí)刻的溫度，℃；j-1為礦井風(fēng)流在j-1時(shí)刻的絕對濕度；θwj為巷道圍巖壁在j時(shí)刻的溫度，℃；Q為井巷內(nèi)風(fēng)量，m3/s；ω為入風(fēng)流傾角，（°）；Wj為井巷壁面水分在j時(shí)刻上的蒸發(fā)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(jù)高溫高濕礦井巷道壁面的潮濕情況，現(xiàn)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(shù)是恒定的，當(dāng)壁面濕度系數(shù)的取值范圍是0到1，表明其潮濕程度均勻分布，當(dāng)其為0時(shí)表明巷道壁屬于干燥情況，當(dāng)其為1時(shí)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(gè)條帶部分，當(dāng)完全潮濕部分條帶長為ΔLw，而每個(gè)條帶部分的長度為Ls，則壁面濕度系數(shù)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(fēng)流溫濕度軟件的開發(fā)及解算模擬

3.1　軟件的開發(fā)

根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型以及提出的壁面潮濕模型，采用VB語言結(jié)合有限差分的方式，利用均勻潮濕模型編制出井巷風(fēng)流溫濕度模擬軟件，其運(yùn)行界面以及運(yùn)行過程如圖2、3所示。

由圖3可知，輸入礦井風(fēng)流溫濕度的基礎(chǔ)參數(shù)，根據(jù)礦井實(shí)際的通風(fēng)時(shí)間，利用該軟件進(jìn)行有限次的迭代計(jì)算可得出風(fēng)流溫濕度的預(yù)測情況。

3.2　礦井風(fēng)流溫濕度解算模擬

3.2.1不同壁面濕度情況下的溫度預(yù)測

圖4指的是礦井入風(fēng)流溫度分別為0～30℃，而其通風(fēng)時(shí)長分別為1個(gè)月、1 a以及5 a，且礦井入風(fēng)口的風(fēng)流的相對濕度為0.8，井巷壁面的濕度系數(shù)分別為0.3和0.8時(shí)的溫度變化情況。

根據(jù)圖4可以看出，在礦井通風(fēng)時(shí)間較短時(shí)，礦井內(nèi)風(fēng)流的溫度隨著通風(fēng)距離的增加而增高，主要是由于礦井剛通風(fēng)時(shí)，巖體內(nèi)部溫度高，在熱傳導(dǎo)以及對流換熱的影響下傳遞到礦井內(nèi)，使溫度上升較快。當(dāng)壁面濕度系數(shù)在0.3～0.8之間變動(dòng)時(shí)，根據(jù)預(yù)測情況可以看出壁面濕度系數(shù)越大井巷內(nèi)的風(fēng)流溫度增高的幅度反而降低，這主要是由于濕度系數(shù)較大的壁面會(huì)導(dǎo)致壁面和風(fēng)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(yù)測

圖5指的是礦井入風(fēng)流溫度分別為0～30℃，而其通風(fēng)時(shí)長分別為1個(gè)月、1a以及5a，且礦井入風(fēng)口的風(fēng)流的相對濕度為0.8，井巷壁面的濕度系數(shù)分別為0.3和0.8時(shí)的濕度變化情況。

由圖5可知，當(dāng)井巷壁面濕度系數(shù)較大時(shí)，隨著入風(fēng)流溫度的增大，井巷內(nèi)風(fēng)流的濕度在初期快速增高，當(dāng)?shù)V井通風(fēng)時(shí)間越來越長后，井巷內(nèi)風(fēng)流的濕度將會(huì)接近于飽和，從而致使?jié)穸壬仙姆葴p慢。

3.2.3不同入風(fēng)傾角下的溫濕度預(yù)測

圖6指的是礦井風(fēng)流由斜井到立井變化下入，而其通風(fēng)時(shí)長分別為1個(gè)月、1 a以及5 a，且礦井入風(fēng)口的風(fēng)流的相對濕度為0.8，井巷壁面的濕度系數(shù)分別為0.3和0.8時(shí)的溫濕度變化情況。

由圖6可知，當(dāng)壁面的濕度系數(shù)不同時(shí)，在入風(fēng)斜井中，空氣受壓體積縮小溫濕度升高，而在回風(fēng)斜井中，巖體內(nèi)部溫度下降且在空氣體積膨脹的影響下，風(fēng)流的飽和絕對濕度將會(huì)下降，而在此時(shí)會(huì)導(dǎo)致礦井風(fēng)流內(nèi)部的水蒸氣達(dá)到飽和，在溫度下降時(shí)其會(huì)凝結(jié)為常見的小水滴。

4　工程實(shí)踐

通過地質(zhì)資料和實(shí)地勘測可知，賀西礦中的回采、準(zhǔn)備和開拓巷道熱害問題相對突出，并對這幾個(gè)區(qū)域巷道進(jìn)行了風(fēng)流溫濕度的測量。最后利用開發(fā)的軟件對賀西礦進(jìn)行了預(yù)測計(jì)算，圖7～圖9是對賀西煤礦回采、準(zhǔn)備以及開拓巷道中風(fēng)流溫濕度的實(shí)測和預(yù)測情況的對比。

4.1　回采巷道內(nèi)風(fēng)流溫濕度

圖7表示的是賀西煤礦回采巷道中風(fēng)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(shí)測和預(yù)測結(jié)果基本一致，因?yàn)閷?shí)際礦井是在局部壁面出現(xiàn)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(jù)均勻潮濕情況預(yù)測的，因此呈現(xiàn)出平滑的變化情況。

由圖7（b）可知，回采巷道中濕度會(huì)隨著巷道通風(fēng)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(yù)測和實(shí)測結(jié)果相吻合，可以滿足實(shí)際的需求。

4.2　準(zhǔn)備巷道和開拓巷道內(nèi)風(fēng)流溫濕度

圖8～9表明的是準(zhǔn)備巷道與開拓巷道內(nèi)溫濕度實(shí)測與預(yù)測對比圖。

由圖8～9看出其結(jié)果基本相符。但是由于礦井內(nèi)部會(huì)受到很多地質(zhì)條件等不可控因素的影響，實(shí)測與預(yù)測的結(jié)果不可避免地存在誤差，但是總體的結(jié)果能夠滿足對井下風(fēng)流溫濕度預(yù)測的定位。

5　結(jié)論

（1）根據(jù)礦井風(fēng)流溫濕度數(shù)學(xué)模型，在實(shí)際計(jì)算中考慮風(fēng)流水分蒸發(fā)的基礎(chǔ)上確定出巷道壁面濕度系數(shù)的計(jì)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(jìn)行了分析說明，并且在實(shí)際應(yīng)用中可以用均勻潮濕情況來計(jì)算分析。

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

（4）將開發(fā)出的模擬軟件應(yīng)用于具有高溫高濕的賀西礦的回采、準(zhǔn)備和開拓巷道內(nèi)，通過實(shí)測和預(yù)測計(jì)算可知其變化規(guī)律基本一致，且誤差較小，驗(yàn)證了此軟件可以應(yīng)用于工程實(shí)踐，可為熱害礦井采取降溫措施奠定基礎(chǔ)。