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分类号T D 7 8 U D C6 2 2 学校代码 10 14 7 密级公开 博士学位论文 高温矿井温度场演化规律 与降温技术研究 熏u ．畦y ．觚．．c ．．．o o J i n g ．j 曼￡h J 9 I Q l Q g X ．璺曼迪．E v o 强t i ．o n a ．曼系M ．o f ． 黑曼舳煦触驰．量i 蚋尊．．迪．照i g h ．王￡m n ￡鞠觚艘．M i n e 作者姓名张立新 指导教师 申请学位 学科专业 马云东教授 工学博士 采矿工程 研究方向矿井开采理论与技术 辽宁工程技术大学 万方数据 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宝王墨堇丕太堂有关保 留、使用学位论文的规定，同意辽宝王程堇丕太堂保留并向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名 年月日 导师签名 年月日 万方数据 致谢 论文是在导师马云东教授的精心指导下完成的，在论文的选题和撰写过程中， 导师给予了全面的指导。从师多年，导师知识渊博、治学严谨、学术造诣深厚，对 学术工作有忘我的热情和独特的见解，对学生像慈父一样平易近人，是学生一生学 习的榜样。导师不仅传授给我知识，更教导我如何面对挫折、如何理解人生哲理， 导师对学生的培养倾注了大量的心血，在此特向恩师表示诚挚的感谢 感谢辽宁工程技术大学研究生院和矿业学院多年的培养，感谢张宏伟教授、题 正义教授、刘剑教授、齐庆杰教授、宋子岭教授在学习、工作和论文完成过程中的 无私的指导和帮助 感谢梁冰教授、周西华教授、李宗翔教授在论文完成时给予的 指导和修改建议 感谢李胜教授、杨艳国副教授、韩军副教授在学习和工作中的支 持与帮助 感谢张大明、贾惠艳、罗根华给予的鼓励和帮助 感谢鸡煤集团东海矿赵凯、于浦喜、吴耀祖、伦岩等各位领导在论文研究过程 中给予的支持和帮助 感谢我的父母和妻子对我的支持与鼓励 感谢论文中所引用参考文献的作者 最后，向所有关心我、帮助我的老师和朋友们表示衷心的感谢 万方数据 摘要 随着煤炭开采向深部发展，由开采深度的增加和采掘机械化程度的提高所引起 的矿井热害问题愈来愈严重，己经成为制约煤矿安全开采的难题之一。矿井的高温 环境，不仅影响矿山企业的生产安全和降低作业人员的工作效率，而且还危害职工 的身心健康和生命安全。改善井下气候条件，防止热害发生，进行热害防治理论和 技术研究，已经成为煤矿安全高效生产的重要任务。 论文以传热学、流体力学、地质学、通风安全学、采矿学为基础，在热源传统 分类方法的基础上，按照热源的空间尺度不同，将热源分为点源、线源和面源；分 析了原岩温度和矿井风流热力学参数的测定方法，完善了矿井热害调查方法和体 系；采用C o m s o lM u l t i p h y s i c s 软件分别对巷道内点源、线源、面源与风流的热交换 进行了数值仿真分析，得出了不同热源、不同位置等条件下与风流热交换的基本规 律和巷道内温度场分布状态。 对矿井巷道内的热源分布和风流影响因素进了行研究，建立了井下风流压力和 温度预测的热力学参数计算模型，提出了沿风流流动路线对风流温度进行分段迭加 的预测方法；对巷道内存在多种热源耦合作用下风流温度进行数值仿真，得到了多 热源相互作用下风流温度场的分布状态和演化规律；对矿井降温技术方案采用数值 仿真方法进行了优化，结果表明，该方法能够准确预测降温方案后风流的温度，为 科学准确地制定降温方案提供依据。 以东海矿生产工作面为例，根据实际存在的热害问题，采用现场测试、理论分 析等方法，对工作面进行了热源解析，提出了降温技术方案，并采用计算机仿真对 降温方案进行优化和温度预测，将预测结果与实际应用效果进行了比较，表明该方 法可以用于确定实际矿井降温方案。 关键词高温矿井；耦合放热；传热机理；温度场演化规律；风流温度预测 万方数据 A b s t r a c t A l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fd e e pc o a lm i n i n g ，h e a th a r mh a sb e c o m eo n eo ft h e m a jo rp r o b l e m sw h i c hd r a m a t i c a l l ya f f e c tt h es a f e t ym i n i n gd u et ot h ei n c r e a s i n go f m i n i n gd e p t ha n di m p r o v e m e n to fm i n i n gm e c h a n i z a t i o n ．T h eh i g ht e m p e r a t u r e e n v i r o n m e n to fd e e pm i n i n g ，n o to n l ya f f e c tt h es a f e t ya n dw o r ke f f i c i e n c y ，b u ta l s o h a r mt ot h eh e a l t ho f u n d e r g r o u n dm i n i n gs t a f f ．C u r r e n t l y ，t h ee n v i r o n m e n t i m p r o v e m e n t ，h e a th a r mp r e v e n t i o no fc o a lm i n ea n df u n d a m e n t a lt h e o r yf o rh e a th a r m c o n t r o la r et h em a i ni s s u ef o rd e e pm i n i n g ． O nt h eb a s i so fh e a tt r a n s f e rt h e o r y ，h y d r o d y n a m i c s ，c o a lg e o l o g y ，v e n t i l a t i o n t h e o r ya n dm i n i n gt h e o r y ，t h eh e a te x c h a n g eb e t w e e ni n h e r e n ts o u r c eo fc o a lm i n ea n d v e n t i l a t i o nf l O Wi nt u n n e lw a ss t u d i e d ．An e wc l a s s i f i c a t i o nm e t h o df o rh e a ts o u r c ew a s p r e s e n t e db a s eo ns p a t i a ld i m e n s i o no fh e a ts o u r c ea n dt r a d i t i o n a lm e t h o df o rc o a lm i n e h e a ts o u r c ec l a s s i f i c a t i o n ．I ti n c l u d e sp o i n ts o u r c e ，l i n es o u r c ea n da r e as o u r c e ．I t ’S c o n v e n i e n tt od e t e r m i n et h et e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o no fv e n t i l a t i o nf l o wi nc o a l m i n eb yu s i n gt h en e wm e t h o d ．T h ei n v e s t i g a t i o ns y s t e mf o rc o a lm i n eh e a th a r mw a s i m p r o v e dt h r o u g ht h es t u d yo ni n v e s t i g a t i o no fc o a lm i n eh e a th a r m ．N u m e r i c a l s i m u l a t i o nw a sc o n d u c t e dt os t u d yt h eh e a te x c h a n g eb e t w e e ni n h e r e n th e a tr e s o u r c ea n d v e n t i l a t i o nf l o wo fc o a lm i n eb yu t i l i z i n gC o m s o lM u l t i p h y s i c sc o d e ．T h eh e a te x c h a n g e i nv a r i o u sc o n d i t i o n sa n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft u n n e lw e r er e v e a l e dt h r o u g h a n a l y z i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ． An u m e r i c a lm o d e lw a ss e tu pf o rp r e d i c t i o no fv e n t i l a t i o nf l o wp r e s s u r e ，m o i s t u r e a n dt e m p e r a t u r ec o a lm i n e ，a n dap r e d i c t i o nm e t h o df o rt e m p e r a t u r eo ff l o wa l o n g v e n t i l a t i o nd i r e c t i o nw a sa l s oa d v a n c e dt h r o u g ht h e a n a l y s i s o fh e a tr e s o u r c e d i s t r i b u t i o ni nc o a lm i n e ．T h ed i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o np r o c e s so ff l o wt e m p e r a t u r e w e r eg a i n e dt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o n s i d e r i n gh e a te x c h a n g eb e t w e e nv a r i o u s h e a tr e s o u r c e sa n dt u r b u l e n tv e n t i l a t i o nf l o wi nt u n n e l ．A no p t i m i z a t i o nm e t h o df o r c o o l i n gi nc o a lm i n ew a sp r o p o s e d ．N u m e r i c a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h em e t h o dc o u l d e x a c t l y p r e d i c tt h ef l o wt e m p e r a t u r ea f t e rc o o l i n g ．I tc o u l db e u s e d a sap r i m a r y g u i d a n c ea n dp r o v i d e dt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rc o o l i n gd e s i g n ． T h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nw a sc a r r i e do u ti nD o n g h a im i n e ．Af e a s i b l e c o o l i n gs c h e m ew a sp r o p o s e dt h r o u g hs y n t h e t i cm e t h o d so ff i e l di n v e s t i g a t i o na n d 万方数据 t h e o r e t i c a ls t u d yc o n s i d e r i n gt h eh e a th a r mi ni t sw o r k i n gf a c e ．N u m e r i c a ls t u d yw a s a l s oc o n d u c t e dt oo p t i m i z ec o o l i n gs c h e m ea n dp r e d i c tv e n t i l a t i o nf l o wt e m p e r a t u r e ． T h ec o m p a r i s o nb e t w e e nn u m e r i c a lr e s u l t sa n dt h a to ff i e l di n v e s t i g a t i o ns h o w e di tc a n b eu s e dt od e t e r m i n et h ea c t u a lm i n ec o o l i n gs c h e m e ． K e yW o r d s H i g hT e m p e r a t u r eM i n e ；C o u p l e dE x o t h e r m i c ；H e a t - t r a n s f e rM e c h a n i s m ； E v o l u t i o n a lL a wo fT e m p e r a t u r eF i e l d ；A i r f l o wT e m p e r a t u r eP r e d i c t i o n 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1问题的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2矿井高温对人体的危害⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．3国内外研究现状及存在主要问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．4研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2矿井热源分类及放热计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．1矿井热源分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．1 ．1按热量来源分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．1 ．2绝对热源和相对热源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 2 ．1 ．3按空间尺度分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．16 2 ．2矿井热环境调查方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．2 ．1原岩温度测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．2 ．2沿程风流热力学参数测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．3热源放热量的分源计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．3 ．1风流压缩热⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 2 ．3 ．2围岩放热⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．3 ．3运输中的煤岩放热⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 3 2 ．3 ．4 机电设备放热⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 2 ．3 ．5矿井热水放热⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 2 ．3 ．6 氧化放热⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3热源与风流热交换规律及温度场分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．1C o m s o lM u l t i p h y s i c s 多物理场耦合分析软件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．2热交换数值计算方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．3点源热交换规律及温度场分布数值仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 万方数据 3 ．3 ．1点源热交换模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 8 3 ．3 ．2点源仿真与结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 9 3 ．4线源热交换规律及温度场分布数值仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 3 ．4 ．1线源热交换模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 3 ．4 ．2线源仿真与结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 3 ．5面源热交换规律及温度场分布数值仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 3 ．5 ．1面源热交换模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 3 ．5 ．2面源仿真与结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 4矿井风流参数预测与多热源作用下温度场分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 4 ．1井下沿程风流温度预测模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 l 4 ．1 ．1井巷内的主要热源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 l 4 ．1 ．2矿井沿程风流温度影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．1 ．3基本假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．1 ．4 模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 4 4 ．2 井下沿程风流热力学参数预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．2 ．1风流压力预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．2 ．2风流湿度预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．2 ．3 风流温度预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 8 4 ．3多热源耦合作用下风温预测与温度场演化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．3 ．1围岩和空气压缩放热耦合作用下风温预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．3 ．2点源和面源耦合作用下温度场演化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．3 ．3 点源、线源和面源耦合作用下温度场演化规律研究⋯⋯⋯⋯．5 8 4 ．3 ．4掘进工作面风流温度场分布研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5矿井降温技术降温效果分析与选择方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．1非人工制冷降温技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．1 ．1通风降温⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 5 ．1 ．2 有利于降温的生产管理方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 万方数据 5 ．1 ．3降低热源放热量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 5 ．1 ．4 其他方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 5 ．1 ．5 非人工制冷降温技术对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 5 ．2人工制冷降温技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 l 5 ．2 ．1蒸汽压缩式制冷水降温技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 5 ．2 ．2 人工制冰降温技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 2 5 ．2 ．3矿井压气空调系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 4 5 ．2 ．4人工制冷降温技术比较分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 5 ．3基于数值仿真的矿井降温方案优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 5 ．3 ．1提出初步降温技术方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 6 5 ．3 ．2 可行性方案确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 7 5 ．3 ．3确定最终方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 3 ． 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 4 6东海矿回采工作面降温技术方案优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 5 6 ．1工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 5 6 ．1 ．1矿井介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 5 6 ．1 ．2矿井通风与地温⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 6 6 ．2五采区回采工作面热源分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 8 6 ．2 ．1工作面热环境测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 8 6 ．2 ．2 工作面热源分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 4 6 ．3提出初步降温方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 9 6 ．4降温效果预测与最终方案确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 0 6 ．4 ．1模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 0 6 ．4 ．2 仿真参数设定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 6 ．4 ．3温度预测结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 6 ．5现场应用效果对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 6 6 ．6本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 0 8 7结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．10 9 7 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 9 万方数据 7 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 0 7 ．3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1l1 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 17 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 8 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 9 万方数据 辽宁工程技术大学博士学位论文 1绪论 1 ．1问题的提出 随着中国经济的快速增长和人民生活水平的不断提高，能源的总需求量逐年增 长。然而，由于长期开采，浅部资源日渐枯竭，使得大部分煤矿开采不得不向深部 发展。深部开采将面临巷道围岩变形、矿井煤与瓦斯突出和冲击地压、矿井高温热 害、矿井水灾、煤层自燃⋯等问题。其中矿井高温热害问题是继煤矿“五大灾害”后 的又一新的自然灾害。矿井热害不仅降低工人的工作效率，而且严重地威胁工人的身 心健康和生命安全【2 。3 】。煤矿安全规程1 0 2 条明确规定“生产矿井采掘工作面 空气温度不得超过2 6 。C ，机电设备硐室的空气温度不得超过3 0 。C ”；“采掘工作 面的空气温度超过3 0 ℃、机电设备硐室的空气温度超过3 4 。C 时，必须停止作业”。 此外，煤炭资源地质勘探地温测量若干规定和煤炭工业矿井设计规范指出 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 0m 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。 目前煤矿开采由浅部转向深部开采，深井开采时围岩表现出“三高”特征，即 “高地应力、高地温、高渗透压”[ 4 - 5 1 。根据中国第三次煤炭资源预测，中国埋深2 0 0 0m 以内的煤炭资源总量为5 ．5 7 万亿t ，资源总量居世界第一【6 】。东部地区煤炭资 源主要富集于东北、华东区域，但主力生产矿井已进入开发中后期，主体开采深度 已达8 0 0m 以下，并以每年平均8m ～1 2m 的速度向下延伸，与之相对应的矿井热 害问题来越来越受人们关注。目前，中国各类煤矿高温矿井分布在黑龙江、辽宁、 河北、山东、河南、湖北、湖南、江苏、江西、安徽、重庆、福建、广西等13 省 区 【『7 1 ，矿井开采深度范围在31 0 ～13 0 0m 之间，矿井最深的为山东新汶矿业集 团的孙村煤矿，井深超过了l3 5 0m ，目前是亚洲煤矿第一深井，高温矿井采掘工 作面的温度在2 6 ℃～3 6 ℃之间，相对湿度在4 5 ％～10 0 ％之间，矿井高温热害问题 目益突出。 华东和华中地区是我国高温矿井分布比较集中的区域，这两个地区的煤矿开采 时间长，矿井开采深度大，围岩放热量大。这两个地区的高温矿井数量占全国高温 矿井数量的8 7 ．1 ％。表1 ．1 是中国煤矿高温矿井分布情况表，表1 ．2 是中国部分深热 矿井原岩温度及工作面风流温度情况表【8 】。 万方数据 高温矿井温度场演化规律与降温技术研究 地区 表1 ．1 煤矿高温矿井分布情况 T a b ．1 ．1d i s t r i b u t i o no fh i g ht e m p e r a t u r ec o a lm i n e 国有重点煤矿 地方国有煤矿煤矿总数 煤矿数比例／％煤矿数比例／％ 煤矿数比例／％ 表1 ．2中国部分深热矿井情况简表 T a b ．1 ．2 s i m p l i f i e dt a b l eo fh e a t - h a r mc o a lm i n eo fC h i n a 一2 一 万方数据 辽宁工程技术大学博士学位论文 随着煤炭工业的发展，将有越来越多的矿井由浅部开采转入深部开采，开采深 度的增加会使矿井原岩温度升高，也必然有越来越多的矿井会遇到高温热害的问 题，如何消除矿井高温热害，改善井下作业环境，降低工人劳动强度，是高温矿井 迫切需要解决的问题。 综上所述，对煤矿工作者来说，研究高温深井热害产生的机理和防治理论、研 究矿井降温技术具有更加重要的科学意义和现实意义。 1 ．2 矿井高温对人体的危害 矿井热害包括高温和高湿两方面，具体来说就是指井下空气的温度、相对湿度、 风速和环境温度达到一定程度后，工人身体散热困难，感到闷热，进而出现中暑症 状，如大汗不止、体温升高、头昏、虚脱、呕吐等，致使劳动生产率下降，甚至有 死亡的危险【9 - 10 1 。 1 高温的危害 工人长期在高温环境中作业，身体里会出现一系列生理功能的改变，在一定范 围内调解身体的生理功能以适应外界高温环境，但是如果超出人体承受能力，就会 产生一系列不良的生理反应【1 1 。4 1 ，主要表面在体温和皮肤温度升高，体温调节发生 障碍；水盐代谢出现紊乱，有机体的机能受到影响；神经系统兴奋性降低，工人反 应迟缓；加重循环系统负担，心率加快；消化系统功能受到抑制，吸收速度减慢； 因出汗而导致水和电解质的丢失，泌尿系统紊乱。这些生理上的变化，能够加速工 人疲劳，降低工作的注意力和反应能力，降低了劳动生产率，增加了工伤事故发生 的概率。 2 高湿的危害 高湿是指矿山井下的相对湿度达到8 0 ％以上【”】的空气环境。长期在高湿环境 下作业的工人，体内有机体产生的热量不能有效的散发出去，正常的生理功能受到 影响，代谢失去平衡，容易出现中暑晕倒的现象，严重情况下可能会出现死亡。除 此之外，长期在高湿环境下作业的矿工，极易患上风湿病、皮肤病、心脏病和泌尿 系统等职业病，在精神方面还会使人心情浮燥，诱发人的心理疾病，可见，井下高 湿的空气环境也严重影响矿工的身心健康。 与劳动人员的感觉关系最密切的三个气候因素分别是温度、相对湿度和风流速 度，表1 ．3 为不同条件下人员的身体感觉。 万方数据 高温矿井温度场演化规律与降温技术研究 对于衡量人体的感觉和生理上的影响，一般采用有效温度来表示，表1 ．4 为调 查统计的有效温度对劳动人员生理上的影响。从表中可以看出，当空气中的有效温 度大于3 2 “ C 时，工作人员就有不适感；当有效温度大于3 5 “ C 时，人体出汗量急剧 增加，水盐代谢也急剧的加快，心脏负担加重，身体健康将受到损害。 表1 ．3 不同的井下气候条件下劳动人员的感觉 T a b ．1 ．3l a b o rp e r s o n n e lf e e l i n gu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n so f u n d e r g r o u n dc l i m a t e 表1 ．4井下不同风流温度对人体的影响 T a b ．1 ．4e f f e c t so fd i f f e r e n ta i rt e m p e r a t u r eo nt h eh u m a nb o d yu n d e r g r o u n d 高温高湿的空气环境，工人易产生心理疲劳、焦躁、精神涣散等多项症状，同 时人的中枢神经系统的兴奋性下降，身体的反应速度和协调性降低，工作能力和动 万方数据 辽宁工程技术大学博士学位论文 作的准确性受到影响，高温高湿环境还会使大脑皮层兴奋过程减弱，工人注意力不 集中，致使工作中的失误显著增多，容易引发工伤事故[ 1 6 - 1 7 】。根据文献18 和l9 ， 工作地点风流温度在2 6 。C ～3 0 ℃时，劳动效率系数为O ．8 ，风流温度高于3 0 。C 时， 劳动效率系数为0 ．7 ，而且事故发生率增加【1 8 。1 9 】。 高温除了会给工人身体带来极大的危害外，还会加速井下煤炭氧化，使空气中 的氧气含量减少，有害气体成分增加，容易引起矿井自然发火事故的发生。此外， 高温高湿的井下环境还会加剧井下设备及材料的腐蚀，加速设备磨损，缩短其使用 寿命，同时高温高湿的环境还会使电气线路绝缘程度下降，易产生电气事故，威胁 安全生产。 1 ．3国内外研究现状及存在主要问题 1 矿井降温的理论研究现状 矿井热害现象很早就被人们所重视，早在1 7 4 0 年，在法国B e l f o r t 附近的矿山 中开始的地温测定，是国外研究矿井高温问题最早据记载。18 世纪末，英国通过系 统地进行井巷围岩的温度观测，得出地温随深度增加而升高的基本规律。19 2 3 年西 德H e i s eD r e k o p t 假定巷道壁面温度为稳定周期变化条件下，解析了围岩内部温度的 周期变化，提出了调热圈的概念，这是研究矿内热环境问题的最初理论。从2 0 世 纪2 0 年代开始到5 0 年代末，南非、德国、英国、日本、前苏联等国家的学者分别 对矿井风流热力学、调热圈、矿井热环境以及深井风温测量等方面做了大量的研究 工作，取得了一定的成果，提出了风温计算的基本思路，并提出围岩调热圈温度场 在理想化条件下的理论解，同时给出了较为精确的不稳定换热系数和调热圈温度场 的计算方法，这些工作为矿井传热理论的研究奠定了基础【2 0 1 。2 0 世纪5 0 年代末到 7 0 年代初，计算机技术的应用使矿井降温理论有了较快速的发展，如1 9 5 5 年，平 松提出围岩与风流的传热方程以及随时间变化的风流温度的近似算法，西德的 N o t o r t 等学者于1 9 6 1 年发表了采用数值计算方法描述围岩调热圈和温度场的学术 论文【2 1 1 。同时矿内热环境的测试技术也进入了实用阶段，如19 6 4 年，德国的M u c k e 用板状试块测定了岩石导热系数【2 2 1 ，19 6 7 年，南非的S t a r f i e l d 等人较充分的论述了 巷道在潮湿、有质交换的条件下与风流的热湿交换规律等等，从此，矿井降温理论 向着实用化的方向发展【2 3 ‘2 6 】。 从上世纪7 0 年代开始，矿井降温形成了学科理论体系，进入快速发展阶段， 万方数据 高温矿井温度场演化规律与降温技术研究 关于矿井降温的理论研究迅猛发展，一些降温专著相继问世，如前苏联学者舍尔巴 尼等编著的矿井降温指南、日本平松等编著的通风学、福斯等著的矿井 气候等都对矿井热害的原因和矿井降温理论做了较系统的阐述，内容深入到采掘 工作面热源及热害治理、井筒的风流温度控制等问题【2 7 】【2 8 儿2 9 】【30 1 。德国和美国的研 究人员也相继提出一整套采掘工作面风温计算方法和控制矿内热环境的各种对策， 进入上世纪8 0 年代，许多国家如美国、前苏联、德国、南非、日本，以及捷克、 匈牙利、波兰、保加利亚等国，都开始对矿井降温进行研究，此时有关矿井降温的 理论研究达到了一个新的水平日本内野提出了考虑入风温度变化、有水影响条件 下的风温计算式，并用差分法求得不同巷道、岩性等情况下调热圈的范围，日本天 野提出了较为完整的矿井降温设计的程序数学模型，南非的S t a r f e l d 等也提出了更 为精确的不稳定传热系数的计算式【3 0 。3 2 】。 上世纪5 0 年代，抚顺煤科院在抚顺煤矿进行了地温考察和气象参数的观测， 是中国矿井降温理论研究的标志，经过研究对矿内风流的热力状态进行了观测分 析。2 0 世纪5 0 ～7 0 年代，为学习、试验、观测和基础资料积累阶段。在这一阶段 中，通过学习、吸收和消化国外的矿井降温技术，先后在平顶山、新汶、抚顺、淮 南、北票等矿区进行了矿井热环境观测工作，并进行了矿井降温技术试验，为中国 矿井降温工作理论研究和降温技术的发展奠定了基础。矿井降温的基础理论涉及到 工程热力学、流体力学、地热学、地质学、水文地质学、劳动卫生学及环境工程学 等多个学科，这些学科的相互渗透便形成了矿井降温的基本理论，即矿山热力学理 论，7 0 年代，抚顺煤科院在国内首次提出了矿井热力学计算方法【3 3 1 。 2 0 世纪7 0 “ - - 9 0 年代初，中国科学院地质研究所地热室与原煤炭工业部合作， 先后对开滦矿、兖州东滩矿及平顶山等煤田进行了矿山地热专项研究，逐步展开了 矿井热害的治理研究，把矿井热害问题作为未来矿井开采的又一灾害，矿井热害的 治理工作成为制约高温矿井开采的瓶颈问题【3 4 。35 。。 到2 0 世纪8 0 年代，经过学者对矿井热害机理和降温理论三十多年的研究，矿 井降温的理论才有了实质性的发展，这一时期出现了大量有价值的关于矿井降温理 论的研究成果，代表性的论文成果主要有黄翰文的矿井风温预测的探讨、矿 井风温预测的统计研究，专著成果主要有杨德元编著的矿井风流的热交换， 岑衍强等编著的矿井热环境工程，王隆平编著的矿井降温与制冷，余恒昌 主编的矿山地热与热害治理，这些研究成果较系统地
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