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博士学位论文 第一章绪论 1 ．1 问题的提出 第一章绪论 我国医学科研部门曾对在井下高温环境作业的矿工身体健康状况进行了调查，调 查结果表明，高温高湿作业环境，尤其是当风温高于2 8 。C 时，矿工某些疾病的发病 率明显上升。据1 9 7 8 年我国卫生部门公布的“井下工人健康状况”资料，在高温环境 作业的矿工几种常见疾病的比例头晕1 0 0 ％，眼花5 8 ％，头痛和乏力各占4 5 ％。新 汶孙村煤矿1 9 8 4 年在矿井空调系统运行之前，对井下高温采掘面工作的矿工的发病 率进行了分析，对比显示，比常温下高1 ．8 3 倍，最高达3 ．6 1 倍。南非金矿的调查统 计资料显示在井下湿球温度为2 7 。C 相当于干球温度2 8 “ C 时，不会产生高温危害； 小于2 8 ．9 “ C 时，无死亡危险，大于2 8 ．9 。C 时，开始有死亡事故发生；大于3 2 ℃时， 高温事故急剧增加。前苏联列宁格勒劳动保护研究所的研究资料表明在井下空气相 对湿度为8 0 ％～9 0 ％的条件下，风温高于2 7 “ C 时，环境便对矿工身体健康产生明显影 响。德国的调查统计资料显示当矿内空气的湿球温度达到3 0 ℃时，便开始发生中 暑死亡事故。 矿内高温高湿的作业环境，往往使矿工处于昏昏欲睡的状态，机警能力降低，从 而使事故发生率上升。据南非金矿统计资料在矿内气温为2 7 ℃时，每年每1 0 0 0 人 的工伤频数为O ；2 9 ℃时，为1 5 0 ；3 1 ℃时，为3 0 0 ；3 3 ℃时，为4 5 0 。据日本北海道 7 个矿井的调查资料，工作面事故发生率3 0 ℃以上比3 0 ℃以下高1 ．5 2 ．3 倍。 我国新汶矿业集团孙村煤矿在一8 0 0 m 垂深1 0 5 0 m 水平的开拓掘进中，因工作面 风温高达3 4 ℃，曾被迫停产3 个多月。徐州矿务局三河尖煤矿，因采掘工作面高温， 致使劳动生产率下降2 0 ％～2 3 ％，最高达4 0 ％- 4 5 ％。前苏联顿涅茨克劳动卫生和职 业病研究所的测试资料显示在风速为2 m ／s ，相对湿度为9 0 ％的条件下，气温2 5 ℃ 时，劳动生产率为9 0 ％；3 0 ℃时为7 2 ％；3 2 它时为6 2 ％。安德留中科等人的研究资 料指出，当矿内气温每越过标准 2 6 ℃ l ℃时，劳动生产率下降6 ％～8 ％t l j 。 综上所述，矿井风流出现高温不仅会对工作人员身体健康产生危害，还会造成劳 动生产效率下降、工伤事故频数增加。因此，对矿井降温理论及技术研究，具有重要 的现实意义。 根据现场调研，引起矿井风流高温的主要因素有以下几个方面井筒空气压缩热、 巷道围岩散热、井下热水散热、运输中的煤炭散热、机电设备散热、煤炭氧化散热、 采掘工作面煤岩壁散热、采空区散热、工作面人体散热等等。分析上述影响因素，其 博十学位论文 第一章绪论 中井简空气压缩、巷道围岩、井下热水、运输中的煤炭等散热主要增加进风流温度、 湿度，使风流进入采掘工作面之前已经达到较高水平。而上述影响因素中的采掘工作 面煤岩壁、采空区、工作面人体等散热，则进一步增加工作面空间空气的温度、湿度， 恶化工作面环境。综合分析上述各影响因素，造成采掘工作面高温主要决定于矿井的 开采深度。开采深度越深，围岩及水体等温度必然越高 地质异常区除外 。 有关资料对高温矿井做如下界定【2 1 ，当采掘工作面气温t 达到或超过2 6 。C 或岩温 t ’达到或超过3 0 。C 且Pt 2 6 ℃或t ， 3 0 ℃ 的矿井，即称为高温矿井。对应于t 2 6 。C 或 t ，_ 3 0 ℃ 的开采深度，’称为高温矿井临界深度。同时结合围岩失稳临界深度，则当 H 6 5 0 m 且H H 仁2 6 ℃时，该矿井即属深热矿井。 煤炭工业矿井设计规范和煤炭资源地质勘探地温测量若干规定指出平 均地温梯度不超过3 ℃／1 0 0 m 的地区为地温正常区；超过3 ℃／1 0 0 m 为高温异常区，原 始岩温高于3 1 ℃的地区为一级热害区，原始岩温高于3 7 ℃的地区为二级热害区。 目前，据不完全统计，国有重点煤矿中有7 0 多处矿井采掘工作面温度超过2 6 ℃。 其中3 0 多处矿井采掘工作面温度超过3 0 ℃，最高达1 3 7 ℃。全国煤矿热害突出的矿井 有平顶山矿区、新汶协庄矿、丰城建新矿、徐州三河尖矿、永荣曾家山矿以及新开发 的巨野矿区等【3 枷。如平煤集团五矿采深8 0 0 ～9 0 0 m 岩温达到3 4 ．5 ℃，平均地温梯 度3 ．7 ℃／1 0 0 m ，地温高并伴有热水涌出，在标高一4 5 0 m 处的岩温为4 2 ℃，一6 5 0 m 处的岩温高达5 0 ℃。采掘工作面气温全年都超过2 8 ℃，夏季一般为3 1 ～3 4 ℃，个别 高达3 5 ℃，空气相对湿度9 4 0 ／o ．- ．1 0 0 ％。平煤集团六矿采深8 0 0 ～9 0 0 m 时岩温达到 3 5 ．5 ℃，平均地温梯度3 ．1 ℃／1 0 0 m 。平煤集团天安六矿，地温梯度为3 ．2 q ．4 ℃／1 0 0 m ， 丁6 - 2 2 2 6 0 工作面位于矿井二水平丁二下山采区，埋藏深度接近8 3 0 m ，采面走向 2 7 5 0 m ，倾斜长度2 6 0 m ，实测煤 岩 层地温达4 5 ℃，投产后采面热害日趋严重。2 0 0 5 年7 月1 5 - 2 7 日，采面上隅角内实测最高气温达4 6 ℃，回风流中平均气温接近3 9 ℃。 新汶集团孙村矿开采垂深已达1 3 0 0 m ，原岩温度达4 5 ℃，采掘进工作面气温已高达 3 4 ℃。山东巨野煤田新建的新汶集团龙固煤矿4 个井筒掘至8 0 0 m ，工作面的水温超 过4 6 “ C ，井筒掘进工作面的气温已经超过3 2 。C ；兖煤菏泽能化有限公司赵楼矿，煤 层埋藏在9 0 0 m 以下，大部分块段原岩地温为3 7 - 4 5 。C ，主井掘进至8 9 0 m 时工作面 迎头气温高达3 8 ℃；山东鲁能菏泽煤电开发有限公司郭屯煤矿，一7 5 0 m 以深原始岩 温为3 7 “ - 4 7 ℃。我国部分深热矿井岩温及工作面气温情况见表1 ．1 【5 1 。 上世纪9 0 年代初，中国煤田地质总局组织了第三次全国煤炭资源预测，在全国 5 个赋煤区、8 5 个含煤区、5 4 2 个煤田／煤产地中，共圈定了2 5 5 4 个预测区，预测总 面积3 9 ．3 x 1 0 4 k m 2 ，垂深2 0 0 0 m 以浅的预测资源量为4 ．5 5 x 1 0 1 2 t ，垂深1 0 0 0 m 以浅的 2 博上学位论文 第一章绪论 预测资源量为1 ．8 4 x 1 0 1 2 t ，垂深6 0 0 m 以浅的预测资源量为0 ．9 4 x 1 0 1 2 t 。埋深大于1 0 0 0 m 的占全国预测总量的5 9 ．5 ％。河北、山西、内蒙古、江苏、安徽、山东、河南、陕西 等重要产煤省 区 ，埋深1 0 0 0 m 以下的预测资源分别占该省 区 预测总量的 6 5 ．5 0 ／ 0 , ．, 9 2 ．4 ％，说明这些省 区 埋藏较浅的煤炭资源潜力已经很有限。福建、江西、 湖南、广东、广西、云南等省 区 埋深1 0 0 0 m 以下的预测资源分别只占该省 区 预测 总量的1 0 ．4 ％～3 6 ．2 ％，尚以浅部为主；四川、贵州以及青海、宁夏等省 区 也只在 4 0 ％左右【6 J 。 表1 - 1我国部分深热矿井情况简表 因此，进入2 1 世纪，将有越来越多的矿井步入深部开采行列。同时也必然有越 来越多的矿井步入高温矿井的行列。 综上所述，对高温深井热害防治的理论及降温技术研究具有更加重要的科学意义 和现实意义。 1 ．2 矿井降温技术研究现状 高温矿井热害防治技术自2 0 世纪2 0 年代即已兴起，至今已有8 0 余年的历史； 但是，迅速发展并广泛应用是在2 0 世纪7 0 年代以后，在各国科技工作者的共同努力 下，高温矿井热害防治理论及技术都取得了巨大成就，并在矿井开采过程中起着重要 3 博士学位论文 第一章绪论 作用。纵观矿井降温所采用的技术，可分为非人- r N 冷降温技术，人工制冷水降温技 术，人工制冰降温技术和空气压缩式制冷技术。 1 ．2 ．1 非人- r S U 冷降温技术 从矿井开拓部署到工作面生产的每个作业环节都有可能对矿井风流温度产生或 多或少的影响，归纳起来主要有如下几个方面矿井开拓部署和采区巷道布置，工作 面通风方式，采矿方法及顶板管理方式，井巷通风量。 1 ．2 ．1 ．1 矿井开拓部署和采区巷道布置的影晌 从矿井降温角度出发，矿井开拓部署和采区巷道布置应遵循尽量缩短进风路线， 尽量将进风巷道布置在低温岩层中，尽量避开局部热源。 1 ．矿井开拓部署的影响 矿井通风系统基本型式有中央式、两翼对角式、分区式和混合式。这几种通风 系统型式，对于走向长度一定的矿井，进风路线长度基本上相同，只是缩短了回风路 线长度 相对于中央式 ，对矿井风流降温无积极作用。如果改变传统的矿井通风方 案，采用两翼或分区风井进风，则可大大缩短进风路线长度，两翼式的进风路线长度 比中央式可缩短5 0 ％，对于三个分区的进风路线长度比中央式可缩短6 7 ％。据资料【1 , 7 , 8 】 报道，前苏联科切加卡尔矿对一9 6 0 m 水平巷道的风温进行计算 巷道长度6k m ， 在风速相同时，大巷的终端风温两翼式比中央式低2 ．1 ～6 ．3 ℃，分区式比中央式低 2 ．3 - 9 ．6 “ C 。 2 ．将迸风流布置在低温岩层中的降温措施 将进风巷道布置在低温岩层中，对矿井降温有一定的作用。例女1 j [ 1 , 7 , 9 1 ，新汶矿务 局孙村煤矿试验研究表明一2 1 0 m 水平 岩层温度2 1 ．5 “ C ，夏季风流通过巷道l k m ， 降温1 ．9 2 ℃；而在一6 0 0 m 水平 岩层温度3 4 ．9 “ C ，夏季风流通过巷道l k m ，升温 0 ．5 6 “ C 。湘西金矿的研究表明当3 8 ℃的地面空气经过恒温层附近的低温 1 7 “ C 废 弃巷道后，风流温度降到1 7 ．2 9 5 ℃ 实验巷道长度3 5 0 m ，风速为0 ．5 m ／s ；而经过竖 井流进井下同一标高处的风流温度则为2 1 ．8 “ C 。说明经过低温岩层预冷的风流较正常 的竖井进风流温度低4 ．5 ℃。 ． 3 ．下行风降温措施 将矿井通风系统由上行风改为下行风以避开局部热源的措施，有2 种方案一是 采区或采煤工作面局部下行风，二是整个通风系统风流倒流。 经过国内外大量的实践和试验研究表明，采煤工作面改为下行风，对解决局部温 度偏高，是一项行之有效的措施，可使工作面的风温降低1 - 5 “ C t 8 , 1 0 - 1 4 l 。焦作矿业学 院与平顶山六矿合作进行的“回采工作面下行通风降温效果及其机理的研究，，【1 5 - 1 7 1 得 4 博士学位论文 第一章绪论 出“对于机电设备散热为主要因素的回采工作面，采用下行风是一种经济有效的降 温措施”。让整个通风系统风流倒流，目前还没有发现有资料报道。 根据上述分析，通风系统采用两翼式或分区式，主扇工作方式由抽出式改为压入 式 主扇设在两翼或分区风井 ，进风巷道布置在上部低温岩层中，上行风改为下行 风，是最有利于矿井降温的通风方案。但传统的开拓部署和矿井通风方式是经历了几 代人实践总结出来的、是相对合理、安全的。如果将矿井主要扇风机的工作方式改为 压入式，并将压入式主扇设在两翼或分区风井，将水平运输大巷，主、副井变为回风 通道，人员的进出、大量的机电设备处在高温、污浊、高瓦斯浓度的回风流中，将增 加矿井的不安全隐患。因此，这种通风系统是否可行，有待进一步深入研究探讨。 将进风巷道布置在低温岩层中的措施，对于多水平生产的矿井，利用处在上部水 平低温岩层中的废弃巷道进风，是一种可行的降温方案。至于在低温岩层中专门开设 调温巷道进风，应进行详细的技术经济比较，慎重考虑。因为，一是调温巷道的降温 幅度是有限的，但开掘一条巷道的投资可能是很可观的；二是调温巷道开掘在恒温带 附近的岩层中，才可能有较大的降温幅度，但是调温巷道距深部水平用风地点多远， 才能对用风地点风流的降温起到积极作用，还有待进一步研究。 1 ．2 ．1 ．2 回采工作面通风方式、采煤方法及顶板管理方法对风流温度的影响 回采工作面通风方式、采煤方法及顶板管理方法的不同，可以影响通风路线的长 短及向采空区漏风量的大小。通风路线短，巷道及工作面围岩传递给风流的热量相对 较小。采空区漏风量小，从采空区携带进入工作面风流的热量就相对较小。因此，不 同的回采工作面通风方式、采煤方法及顶板管理方法将不同程度影响风流的温度。 1 ．回采工作面通风方式对风流温度的影响 煤矿长壁采煤工作面的通风方式有很多种，归纳起来主要分为U 型、E 型、W 型、Y 型、Z 型等，其中U 型通风应用最为广泛。但从降低工作面风流温度角度，E 型和W 型较U 型更有利。其降温机理 1 部分或全部进风流不经过运输顺槽机电 设备； 2 风流在工作面运行路线短； 3 工作面通风形成并联结构，进风口与出风 口间的压差小，采空区漏风小。 2 ．采煤方法对风流温度的影响 煤矿常用的采煤方法有走向长壁和倾斜长壁采煤法；按工作面推进顺序又分为后 退式采煤法和前进式采煤法。在开采条件相同的情况下，后退式采煤法较前进式采煤 法漏风小，有效风量大，更有利于降温；倾斜长壁采煤法较走向长壁采煤法通风路线 短，有利于工作面降温。 3 ．顶板管理方法对风流温度的影响 5 博士学位论文 第一章绪论 全面充填法管理顶板较全面垮落法管理顶板更有利于风流降温，特别是充填温度 较低的物质。例如【l ’l 羽，日本鹿岛井原煤矿采用全面垮落法管理顶板，工作面推进3 8 m 后，采空区气温高达7 0 。C ；改用风力全面充填法管理顶板后，工作面的温度下降了 1 0 “ C ，降温效果显著。德国的煤矿工作者认为全面充填法管理顶板是采煤方法中改善 工作面热环境最有效的措施，风力充填的降温效果相当于一台7 0 0 k W 的空冷器的效 率，水力充填较风力充填降温效果更好。 根据上述分析，充填法管理顶板有利于工作面降温。但是，由于充填法成本较高 等原因，煤矿开采较少采用，只在建筑物下、水体下、交通干线下开采，才考虑采用。 而且采煤方法、工作面通风方式的改变还受地质条件和瓦斯条件的制约；并且，改变 采煤方法和工作面通风方式对工作面风流温度的影响程度一般较小。 1 ．2 ．1 ．3 增加风量对风流温度的影响 前苏联乌克兰科学院院士谢尔班A ．H [ 1 9 - 2 0 1 ，日本工学博士平松良雄【2 1 】和前西德 埃森矿山研究院的福斯教授吲提出的矿内风流温度预测模型，能够比较明显的体现增 加巷道通风量对巷道的风流终端温度的影响。从理论上证明了增加风量具有降温作 用。如福斯预测巷道风流温度数学模型 乞寸 e x p 【一麓’≯J 1 ．1 式中t l 一预测巷道始端风流温度，℃；t r 预测巷道始端风流温度，℃；珩一巷道等 值半径，m ；M 一通过该巷道的质量风量，k g ／s ；k 一原岩温度，℃；卜岩石的导热 系数．k W ／1 1 1 ．℃；k 1 。广风流与围岩间的不稳定换热准数，无因次量；c r 空气定压 比热，k J ／k g ．℃；U 一巷道周长，m ；L 广一巷道长度，m 。 大量的现场实验也说明增加风量具有较好的降温作用，可使工作面风流温度降低 1 4 ℃[ 1 , 1 1 , 1 4 , 2 3 之4 】。日本学者的试验研究表明，增加通风量，则风流温度大幅度下降， 并且温度的下降程度在通风量达到一定量时，有急剧加快之势，如果风量再继续增加， 则风流温度的下降幅度又逐渐缓慢下来，最经济的通风量为巷道长度的0 ．5 6 - - - 0 ．8 4 倍。 增加风量是一种简单易行的降温方法，但其降温幅度是有限的，其受进风温度和 围岩温度等因素的影响。如果在炎热的夏季，大气温度很高，超过井下围岩温度，增 加风量反起反作用。当围岩温度达到一定高度时，增加风量也将不起作用。通过对国 内部分高温矿井的生产水平岩温与工作面气温的分析比较得出【2 5 1 t t 原岩温度每增加 1 ℃，工作面气温约增加O ．5 ℃”；“当生产水平岩温为3 4 ．80 C 时，综采工作面的风量增 加到1 7 8 8m 3 ／r a i n ，高档普采工作面的风量增加到1 51 2m 3 ／m i n 后，采煤工作面的风 温仍在3 0 。C 左右”；亦即再增加风量也不会使工作面风温降到我国煤矿安全规程 博上学位论文 第一章绪论 规定的2 6 “ C 。因此得出结论“当生产水平岩温超过3 5 “ C 时，应考虑采取其它降温措 施”。联邦德国曾对采用U 型通风的采煤工作面有效温度与岩层温度的关系进行了探 讨【2 6 1 ，得出“当岩层温度达4 0 “ C 时，工作面有效温度上升到3 2 “ C 联邦德国矿内热 环境的允许作业温度上限 ，岩层温度每增加1 ℃，有效温度增加0 ．7 “ C 岩层温度超 过4 0 “ C ，就不能采用增加风量降温措施”。南非麦菲尔逊MJ 也认为【z n ，当原岩温度 超过4 0 ℃，必须减少风量，增加空气冷却度。 根据上述分析，增风降温虽然是一种简便易行的方法，但其降温幅度是有限的。 当围岩温度达到一定程度，还采用增风方法，将不具有降温作用；相反，增加通风费 用。 综上所述，非人工制冷降温措施，虽然在一定范围、一定程度上降低了风流温度， 但其降温幅度较小，不能满足温度越来越高的深井采掘工作面降温的需要，必须依靠 人工制冷降温技术。 1 ．2 ．2 人工制冷水降温技术 世界上最早将人工制冷技术应用于矿井降温的国家是英国，英国的彭德尔顿煤矿 1 9 2 3 年就在采区安设制冷机冷却采区风流；巴西的莫罗维罗矿及南非的鲁滨逊矿， 于2 0 世纪3 0 年代采用集中冷却井筒入风的方法降温南非2 0 世纪6 0 年代便开始使 用大型矿井集中空调；从2 0 世纪7 0 年代，国内外人工制冷降温技术开始迅速发展。 这一时期矿井人工制冷降温主要以蒸汽压缩制冷机组为主，而且使用越来越广泛、越 来越成熟。该种降温技术从兴起以来，便成为矿井降温的主要手段。 该种矿井降温技术主要有以下形式井下集中式、地面集中式、井下地面联合集 中式、分散式。据德国的实践表明【1 8 ，2 8 - 2 9 1 负荷小于2 M W 的矿井，以采用分散式最 优；负荷大于2 M W 的矿井，才采用集中式。集中式的三种型式，又以井上、下联合 集中系统费用最低，地面集中式系统次之，而以井下集中式系统最高。我国安徽淮南 煤田谢桥矿，在进行矿井降温方案经济技术比较表明【3 0 】，地面集中式系统的总费用也 是最小的 没有考虑井上下联合集中方案 。从上述两个案例基本可以说明，从经济 上地面集中式和井上下联合集中式具有其优越性，而从技术上三种集中式系统各有千 秋。井下集中式系统的致命弱点是冷凝热的排放困难，致使井下制冷设备不能充分发 挥其效力地面集中式和井上下联合集中式系统必须使用高低压转换设备。 关于井下降温系统的冷凝热排放问题和地面降温系统高低压转换的温度跃升问 题，各国研究机构都在进行不懈努力。井下降温系统的冷凝热排放，试用过用井下回 风流到井下回风流加喷淋水到利用地面制冷机组的冷冻水排热的过程。地面系统的高 低压转换器，则经历了储水池、降压阀、高低压换热器到高低压转换器。德国的S i e m a g 7 博士学位论文 第一章绪论 公司生产的压力交换器温度损失小，不超过0 ．5 。C 。国外还研制了一种新型水能回收 高低压转换器，其温度跃升可从一般的“℃降低到0 ．2 。C 1 3 。 虽然人- r N 冷水降温技术存在上述有待进一步完善的问题，但在经历了几十年的 实践，该项降温技术已经是一种比较成熟的矿井降温技术，不论是过去还是将来，都 将是矿井降温技术的主流。 1 ．2 ．3 人工制冰降温技术 2 0 世纪8 0 年代初期，南非等国家开始进行冰冷却降温技术的研究弦3 7 1 ，1 9 8 5 年德国东兰德矿山控股公司的梅里普特一号井建成了冰冷却降温系统[ 3 s - 3 9 1 。 冰冷却降温系统与水冷却降温系统不同之处①冰冷却降温系统主要是利用冰的 融化潜热降温，获得相同冷量所需的冰量仅为水冷系统水量的1 肚1 ／5 。②冰冷却系 统是通过冰与水直接接触换热，换热效率高，可获得1 ℃左右的低温冷水，因此送入 空冷器的水量可相应减少，减少了水泵的输送能耗。据南非某矿山研究机构的试验研 究表B f J [ 2 3 , 3 9 】，对于一个井下热负荷为2 5 M W 的矿井降温系统，采用冰冷却降温系统， 水泵的输送能耗仅为水冷系统的2 1 ％左右。③冰冷却降温系统由制冰、输冰和融冰三 个环节组成。正是由于这三个环节还处在研究探讨过程中，使得冰冷却降温系统还没 能得到广泛应用。 目前，冰的制备已不是制约该项技术的问题，国内外都有制造大型制冰机的能力， 可以制备各种形状、规格的冰。、 冰的输送有两种形式，一是水力输送，二是风力输送。通过试验研究表明，风力 输送比较有利，水力输送仍然避免不了水冷系统的高静水压力问题。风力输送要解决 的关键技术是防止输冰管堵塞问题。关于这方面的研究国外已经取得可喜成果 [ 3 1 , 4 0 4 】。研究表明片状冰较管状冰容易导致管道堵塞。对于管状冰的输送，压缩空气 的压力应保持在1 5 0 P a 以上，实际应用可达4 0 0 - 5 0 0 P a ，压缩空气温度宜在8 ℃以下， 冰一风比宜控制在3 ．0 以下，输送管道以使用非塑性聚氯乙烯管较钢管更为有利，管 道的曲率半径应大于3 ．0 m ，冰的流速宜保持在0 ．5 2 ．5 m ／s 之间。南非金矿曾进行过 一次工业性试验，试验矿井自制冷站到竖井的水平管道2 5 0 m ，井筒垂直管道1 7 9 0 m ， 竖井到井底车场冰水池的水平管道7 3 0 m ，共计2 7 7 0 m ，输冰管径l O O m m ，试验空气 压力约5 0 0 P a ，管状冰的外径3 2 m m ，长度4 5 m m ，空气温度2 0 。C 。试验表明，冰块 能相当均衡地以1 5 1 1 1 1 的流量堆积在距井底车场l l O m 处要想持续无阻塞地将冰块 输送到距井底车场7 3 0 m 的冰水池中，其输冰量只能达到5 t ／h 。该项工业性试验表明， 利用管道输送冰块在技术上是可行的。 冰的融化也是冰冷却系统中的一个非常重要的环节，它关系到能否获得稳定的低 R 博上学位论文 第一章绪论 温水和稳定的水流量。南非S h e e r T J 等人通过融冰试验【3 2 ’3 4 , 4 5 】，提出了融冰槽的结构 型式；美国S t e w a r t 等人，应用有限差分法对定量冰的融化特性进行了静态研究【4 6 。4 8 】； 我国学者通过实验研究了不同冰量的粒状冰的融冰时间、冰水之间的对流换热系数， 实验研究了连续输冰条件下，当进水温度不变时融冰槽的出水温度和冰层高度、冰粒 大小、水流量等因素有关；其中，冰层高度、冰粒直径是影响出水温度的主要因素； 并得出当冰层高度在1 0 0 0 m m 时，出水温度可接近O ℃【4 9 1 根据以上的分析，冰冷却降温技术仍处在试验研究阶段。特别是冰的输送和冰的 融化技术目前还不成熟。南非金矿工业性试验的输冰量，仅能满足5 M W 以下的热害 矿井降温要满足更大负荷的矿井要求，压缩空气压力、输冰管径、输冰速度等技术 参数都有待进一步研究。关于冰的融化，就现有的研究结论，对于大负荷的矿井，融 冰槽的直径有可能很大，如何提高融冰速度，减小融冰槽的体积等也有待进一步研究。 1 ．2 ．4 空气压缩式制冷技术 1 9 7 3 年煤科院抚顺分院研制了Y P ．1 0 0 型矿用环缝式压力引射器、涡流管制冷器； 1 9 9 3 年平顶山矿务局和原中国航空工业总公司第6 0 9 研究所联合研制了K K L l 0 1 型 矿用无氟空气制冷机。1 9 8 9 年南非一金矿建成了压缩空气制冷空调系统。 由于空气压缩制冷循环的制冷系数小于蒸汽压缩制冷循环，同时由于空气的比热 较小，空气压缩制冷系统单位质量制冷工质的致冷能力小于蒸汽压缩制冷系统，在产 生相同制冷量的情况下，空气压缩式制冷系统需要较庞大的装置，并且单位制冷量的 投资和年运行费用均高于蒸汽压缩式系统。因此，全矿井采用空气压缩式制冷系统降 温的矿井是屈指可数的。而压力引射器、涡流管制冷器等装置，实际上仅是一种空气 膨胀装置相当于空冷器，它必须与地面空气压缩机联合使用。 1 ．2 ．5 矿用末端降温设备空冷器处理能力分析 。 矿用空冷器主要分为二大类表面式空冷器和直接接触式空冷器 也称喷淋式空 冷器 。 1 ．表面式空冷器 表面式空冷器具有结构紧凑、体积小、安装方便、不污染井下工作环境、适应性 强等优点而倍受青睐。但其存在如下缺点【5 0 - 5 6 1 1 空气与冷冻水之间通过金属表面换热，换热效率相对较低。 2 需要大量金属材料，且单机为不可分离整体，重量大。 3 风流流通净断面积小，处理风量相对较小，单机处理能力较小。 4 通风阻力大。据有关资料报道8 排盘管的空冷器，其风流通过阻力在5 0 0 P a 以上。 9 博上学位论文 第一章绪论 5 表冷器表面容易积尘，使其换热效率降低，制冷量下降。例女口【1 8 ’2 羽，一台 在清洁环境下冷却能力为2 0 0 - 3 0 0 k W 的表面式空冷器，在粉尘严重的井下环境，短 时间就可能积满灰尘，冷却能力下降到5 0 ％以下，甚至低至1 5 ％。 2 ．喷淋式空冷器 由于喷淋式空冷器内被处理风流与冷冻水直接接触，因此，具有以下优点 1 换热效率高，换热面积大。 2 风流通过阻力小。单级喷淋式空冷器风流通过阻力一般不超过1 2 0 P a ，多 级喷淋式空冷器风流通过阻力一般不超过2 0 0 P a [ 5 0 5 6 1 。． 3 金属耗材少，可制作成拼装产品。 4 不受粉尘影响，且对含有粉尘风流具有净化作用。 但其存在体积大、不及表面式空冷器布置灵活的缺点。因此，在矿井降温系统中 使用较少。 综合分析现有矿用空冷器，特别是表面式空冷器，还存在处理焓差小、出风参数 高的不足。实测表明表面式空冷器的新风处理焓差一般不超过3 4 ～4 0 k J ／k g ，而实际 表面式空冷器的处理焓差一般在2 0k J ／埏左右。单级喷淋式空冷器的处理焓差也不超 过3 7 ～4 2 k J ／k g [ 5 0 ，5 4 - 5 5 1 。 如德国W A T 热能交换技术公司是从事制造矿井 隧道 降温系统设备的专业 化公司，在井下热能交换技术领域已有4 0 年的技术研发和应用实践历史，在德国和 东欧地区其市场占有率达8 0 ％以上。其产品出口到波兰、捷克、瑞士、中国等国家。 该公司生产的D V 系列局部可移动式矿井 隧道 大气降温机，主要用于巷道掘 进工作面降温。主要有D V l 5 0 、D V 2 0 0 、D V 2 9 0 、D V 3 5 0 、D V 4 0 0 等系列，制冷量 分别为15 5 k W 、2 2 5 k W 、3 0 0 k W 、3 5 0 k W 、4 5 0 k W ，机组处理风量为4 0 0 , - 一6 0 0 m 3 ／m i n ， 但其机组出口风流温度在2 0 ℃左右。如图1 ．1 。 图1 - 1 德国W A T 公司D V 系列局部可移动式矿井大气降温机外观图 该公司还生产R W K 和S P K 系列空冷器，如图1 ．2 。其主要技术参数见表1 ．2 。 根据表l - 2 中R W K 系列空冷器的进出风工况参数，可推算R W K 4 5 0 型表面式空冷器 的处理焓差只有2 2 ．9 k J ／k g ，出口风流温度2 1 。C ，处理风量最大8 7 0 m 3 ／m i n ，而风压损 1 0 博士学位论文 第～章绪论 失却高达1 2 0 0 P a 。 图l - 2 德国W A T 公司R W K 和S P K 系列空冷器外观图 表1 ．2德国W A T 公司R W K 和S P K 系列空冷器主要技术参数 ‘＼吨号 参数＼ R W K 4 5 0R W K ．M 4 5 0R W K 3 5 0R W K ．M 3 5 0S P K 2 5S P K ．M 2 5 额定冷量／k W 4 5 04 5 03 5 03 5 02 52 5 进水温度／℃58 ．558 ．558 ．5 出水温度／℃ 1 72 0 ．51 72 0 ．51 72 0 ．5 进风温度／℃ 3 0 进风湿度，％ 7 5 出风温度／℃ 2 1 出风湿度／％ 9 5 处理风量 8 7 08 7 07 3 07 3 04 04 0 ／m 3 “ m i n 。l 长／宽／高m 3 ．2 ／1 ．4 ／1 ．53 ．2 ／1 ．4 ／1 ．53 ．2 ／1 ．2 ／1 ．43 ．2 ／1 ．2 ／1 ．42 ．0 ／0 - 3 ／o ．32 ．0 ／o ．3 ／o ．3 重量／k g 1 7 0 01 9 0 01 5 0 01 7 5 02 3 02 8 0 风压损失／P a1 2 0 01 2 0 01 2 0 01 2 0 01 2 0 0 1 2 0 0 冷却面积／m 2 5 3 06 9 0 5 1 26 6 5 2 33 0 但是，随着矿井开采深度的不断增加，采掘工作面风流温度也必然不断上升。当 进入空冷器风流状态由3 0 ℃／9 8 ％变化到3 5 ℃／9 8 ％，保证工作面风流温度不超过 2 6 ℃／9 5 ％或2 8 ℃／9 5 ％时，则要求各入风状态下的处理焓差见表1 ．3 。 从表1 ．3 中可以看出，当进入空冷器风流状态由3 0 ℃／9 8 ％变化到3 5 ℃／9 8 ％时， l l 博士学位论文 第一章绪论 空冷器需要处理焓差越来越大，远远大于现有空冷器的处理能力。也就是说现有空冷 器将不能满足深部矿井工作面降温的需要。 表1 ．3进入空冷器风流状态变化引起处理焓差变化 工作面 入风状态 3 0 ℃／9 83 l ℃／9 83 2 ℃／9 83 3 ℃／9 83 4 ℃／9 83 5 ℃／9 8 风流状态 ％％％％％％ 2 6 ℃／9 5 ％ 处理焓差 5 8 ．1 56 3 ．3 56 8 ．8 87 4 ．6 28 0 ．6 28 6 ．9 2 2 8 ℃／9 5 ％ ／k J ／k ．g 4 8 ．7 55 3 ．9 95 9 ．4 86 5 ．2 27 1 ．2 27 7 ．5 2 现有表面式空气冷却设备最人处理焓差3 4 ～4 0 k J ／k g 综上所述，随着矿井开采深度的增加，围岩温度不断增加，现有矿用空气冷却器 的处理能力，已经不能满足采掘工作面降温的需要，必须开发大焓差、大风量空气冷 却器。 1 ．3 矿井热害防治理论研究现状 国内外关于矿井热害防治理论方面的研究，归纳起来主要有两个大的方面一是 关于井巷围岩与风流间的传热传质研究，具体体现在对井巷围岩与风流间不稳定换热 系数、对流传热及传质系数方面的研究；一是关于矿井空气热力状态参数的预测研究， 主要是对井下风流温湿度参数的预测研究。 1 ．3 ．1 井巷围岩与风流间不稳定换热系数及传质系数的研究 对井巷围岩与风流间不稳定换热系数及传质系数的研究是为预测采掘工作面风 流温度、确定围岩与风流间换热量及换湿量、确定矿井降温系统需冷量等提供基础参 数。 由于影响巷道围岩与风流之间的热交换与质交换的因素很多，既与巷道围岩内部 不稳定温度场有关，又与巷道风流速度场、温度场、浓度场有关。归纳起来，从围岩 内部向风流传热传质的整个过程中，主要受到以下因素影响围岩导热系数、比热容、 密度，围岩暴露时间，风流的流速、比热、导热系数、密度、质扩散系数，以及围岩 温度，风流温、湿度等等。正是由于影响巷道围岩与风流间热质交换的因素太多，使 得确定围岩向风流间的传热量变得十分复杂。因此，致力于围岩传热传质研究的专家 学者也很多，并取得了大量研究成果。例如 苏联学者谢尔班在1 9 5 3 年提出了围岩与风流间不稳定换热系数的解析式【1 0 7 】 1 2 1 - 2 巴E ， 兄一R I l r K 中其 博士学位论文 第一章绪论 F 旷傅立叶准数，无因次时间，按下式确定。 尼 等 B i _ 毕欧准数，无因次散热系数；按下式确定。 B i 丛 。 五 式中卜围岩导热系数，W ／m ．℃；I b 一巷道当量半径，m ；卜围岩导温系数，m 2 ／s ； 卜巷道壁面与风流间对流换热系数，W ／m 2 ．℃卜换热时间，s 。 日本学者平松良雄1 9 6 1 年提出了下列计算围岩与风流间热交换量计算式【1 0 8 1 Q r ／力 o f ／ 1 - 3 式中1 1 是一由巷道尺寸、壁面对流换热系数、围岩密度、L - t ；热容、通风时间所决定 的无因次综合系数。此系数与谢尔班提出的不稳定换热系数之间存在如下关系 刁 筹疋 1 9 7 9 年前后，我国学者岑衍强和日本学者内野健一等又提出无因次不稳定换热 系数 经时系数 的概念，其概念式为p 4 4 5 ，1 叫 K 。， f 0 ，，瓦 式中t y 、t r 原岩温度和风流温度， 间存在如下关系 t 丢。K u ， 1 - 4 ℃。该式与谢尔班提出的围岩不稳定换热系数之 1 - 5 从式 1 ．2 弋1 5 可以看出，谢尔班、平松良雄、岑衍强等的计算模型，虽然定义 方法不同，但实质是相同的，均表明围岩与风流间的不稳定换热系数是B i 、F o 的函 数。 由于谢尔班在提出了围岩不稳定换热系数的概念后，没有得出理论解公式，仅提 出了近似计算式，且此计算式非常复杂，相关的系数很难选准，使用很不方便。因此， 岑衍强和内野健一等改变了定义方法，提出无因次不稳定换热系数，并通过理论分析 的方法得出了无因次不稳定换热系数的理论解。此理论解的表达式也非常复杂 此处 不列出 ，不方便使用。进而，岑衍强和内野健一等又利用计算机进行了回归分析， 垫 、上一0 盟升一一． 滢再 O 一 如一 博士学位论文 第一章绪论 得出了无因次不稳定换热系数的近似计算式，如下 k 划卜胁w h 2 ％ 丝舻] 1 - 6 当o O F o 之1 时，A 0 ．0 2 0 0 1 ，B - - 0 ．2 9 9 8 4 1 3 ，C I ．5 9 7 6 4 x 1 0 之，A ／- 一1 ．0 6 1 6 2 8 ， B ／ 0 ．1 3 6 6 7 9 4 ，C ／ - - 9 ．7 0 2 5 3 6 x 1 0 - 3 当1 F o O 时，A 2 ．4 0 9 1 3 4 x 1 0 。2 ，B - - 0 ．3 1 4 2 6 3 4 ，C I ．4 6 9 8 5 6 x 1 0 。2 ，A ／- 一 1 ．0 6 3 2 2 4 ，B ，_ O ．1 5 1 0 0 2 4 ，c ， 一1 ．6 2 5 1 3 6 x 1 0 嵋 ，，1 由于 1 ．6 式中B i 、F o 数隐含了围岩导温系数、导热系数、围岩密度、比热容、 巷道壁面对流换热系数等物性参数。因此，上述物
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