温度校核法确定高温矿井工作面最大允许产量.pdf

第3 5 卷第5 期煤炭科学技术2 朋7 年5 月 一 1一黝 姗 黑 撇 一1一1非 温度校核法确定高温矿井工作面最大允许产量 程 健维， 杨胜强， 张 再容 中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州 2 21008 摘要随着深部矿产资源的开发和机械化生产的集中，井下空气温度不断升高，高温矿井 工作面 空气温度是否超限是决定矿井生产能力的重要因素之一。以 煤矿安全规程中有关采掘工作面 气温规定为限制条件，建立了 确定采煤工作面最大允许产量的方法，并将其应用于东滩煤矿实际生 产，收到了良 好的效果。 关键词温度校核法;高温矿井;最大允许产量 中图分类号 TD82文献标志码 A文章编号 0 2 5 3 一 2 3 3 6 2 0 0 7 05一 0014一 04 T e m P e rat u r e c h e c ki n g m e tho dt o s e t u Pm a x i u ma l l o w e dP r o d u c t i o n ofc o aim i ul n g fa c e i nh i gh t e m P e r a tu r e m i n e C H E N GJ i a n 一 w e i ， Y A N GS h e n g 一 q i ang ， Z H A N GZ a i 一 ro n g sc ho olofE I 记 嚼口 a nds q fe tyE I 烤 i neen 耳 9 ， Chlna Un诚rs i tyofMini nga nd Tech nolo g ， 厂 b 魂动 刁 “ 2 21008 ， Chi na A b s t r a c t Wi t h t h e c e n l rali z at i onoft h e d e v e l o P m e n t and m e e h a n i z e d P ro d u c t i o n fo r t h e d e e P m i n e ral re s o u rc e s ， th e ai r t e m P e ratu rei n t h e u n d e r g n 〕 u n d m i n e i s c o n t i n u e d t o b e i n c re a s e d . The a i r t e l1 1 p e ratu reOft h e m in i n g face i n t h e d e e p a n d h i ght e m p e ra t u rem i n e t o b e o v e r t h e l i m i t at i o n o r n o t wou l d b e o n e Oft h e m a i n fa c t o rsOfth e p ro d u c t i o n c apa c i t y . T h e p a p e r e s t a b l i s h e d th e t e m p e ratu reoft h e c o alm i n i n g face s t i p u l a t e d i n t h e‘ M i n e s afet y R e 即 l a t io n s ’ a s t h e re s t ri c t e d c o n d i t io n . The p 即e r s e t u p t h e m e t h o dt o s e t u p t h e m ax i u mal l owe d P ro d u c t i o n o f a c o alm i n i n g fa c e . The abo v e m e t h o d s w e reapP l i e d t o t h e a c t u a l P ro d u c t i o n i n D o n gt a n M i n e w i t h a g 0 O d re s u l t . K 灯 w o rds t e m p e rc o t u rec h e c k i n g m e t h o d ;h i g ht e m p e ra t u rem i n e ; m axi u ma l l owe dp ro d u c t i o n 1 概述 在存在热害的矿井中，高温致使环境气候恶 化， 直接影响井下开采工作， 造成劳动生产率下降 和生产成本升高， 危及工人身体健康， 并易造成灾 害和事故， 威胁煤矿安全生产。 煤矿安全规程 规定 “ 采掘工作面的空气温度超过30℃时， 必须 停 止 作 业 ，， [，] 。 因此，以工作面出口干球温度不超过30℃为 限制条件， 提出了确定工作面最大允许产量的一种 新方法。 2 温度校核法确定工作面最大允许产量 2 . 1 计算湿球温度对应恰值的方法 等湿球温度线与等烩线偏差不大， 可以将它 们 等同起来。在干球温度已知的情况下， 湿空气的 饱 和水蒸气分压力可计算得到， 进而可以 计算出湿空 气的 含 湿 量、 烩 值〔 ’ 〕 。 湿 空气 饱 和时， 干 球温 度ta 即为湿球温度t f ，即t ; t 。 。将这些关系式联立为 方程组得 基金项目 国家十一五攻关项目 Z oo5 B A813B一 1 一 05 ;国家 9 7 3 计划项目 2 05 C B22 l 5 o 3 0 . 6 1 0 5 e x p 【 1 7 . 2 7 5 t a / 2 3 7 . 3 t 二 } 0 . 6 2 2 E P一 E 1 1 . 0 0 5 t 。 2 5 0 1 1 . 8 4 t a d 、 t f --一一一一-一 Edw.lwta rleseseses，少1‘ 式中 E 饱和水蒸气分压力，k Pa; 第35卷第5 期煤炭科学技术2 X7 年5 月 dw干空气含湿量， k 盯k g; 1 、 干空气的 烩值， k J / k g ; ta 干球温度， ℃; t f 湿球温度， ℃; P大气压力， k P a 。 由 方程组式 1 可以看出，当气压尸一定 时， 1 ， 是t f 的函 数，即1 ， f t f 。 2 . 2 煤矿井下热源的计算 2 . 2 . 1 运输中煤炭放热量的计算 刀 排水沟的特征系数。 2 . 2 . 4 机电设备放热量的计算 口 m 。二尸 、 一W 5 式中 Q ma 机电 设备的 放热量， k w; P N 机电 设备从馈电线路上接受的电能 k w; W ‘ 一 - 机电设备所做的有用功 氧化放热量的计算 k w。 2 . 2 . 5 。 k m kC k {0 0 ” ， “ 。8 ，k 生 二 兰 丝 1 7lJ 2 式中 Qk 煤炭的 放热量， k w; m k 煤 炭 运 输 量 ， k 梦 “ ; q 煤炭在运输中的比热容，C k 二1 . 25 k J / k g K ; 1 煤炭连续运输长度， m ; 口 、三叮 F/3 6 0 6 式中 认 。 氧化放热量， k w; q 单 位 面 积 氧 化 散 热 系 数， kJ/ m Z h ; 尸 氧化面积，一般指井巷周边的煤 岩壁表面积， m Z 。 2 . 2 . 6 风流自 压缩热的计算 t k t f l t 几 运输的煤炭的平均温度， ℃; 0 M B g 2 ; 2 2 10 X 7 巷道始端的湿球温度 巷道末端的湿球温度 ， ℃; ， ℃。 煤炭在运输过程中， 平均只有70左右的散 热量使风流热量增加， 所以煤炭散热引起风流烩的 增值为0 . 7 口 k 。 2 . 2 . 2 围 岩放热量的计算 口 _ 凡 二 [ ，_ 一 冬 ，。， ‘二 ] 3 t gU一丫 一 ‘ 一 gUZ 、 一 “ 1一 以/ “ 式中 Q gu 围 岩 放 热 量， k w ; 凡巷道风流与围岩的不稳定热交换系 数， k 聊 m ， K ; 刀 巷道周长， m ; L 巷道长度， m ; tsu 巷 道的原始岩温， ℃。随深度变化， 倾斜巷道可取始末两端平均值; ta l ， ta ; 巷道始端和末端风流的干球温 度， ℃。 2 . 2 . 3 矿井热水放热量的计算 式中 Qz 风流的自 压缩热， k w; M B 风流的质量流量， k 岁5 ; 1 巷道始端标高， m ; 2 2 巷道 末 端标高， m ; 9 重力加速度， 而5 2 。 2 . 3 风流经过一段巷道后干、湿球温度的计算 1 建立风流经过一段巷道后干、 湿球温度的 关系式。风流经过一段巷道后的烩增△ 1 可由下式 计算 △ 1 { 凡UL[ tsu 专t a ， t 、 ] 0 . 7 口 尔Qw 式中 Q w 2 0 ， 2 ‘4 6 ， V ， ，w t a lt 以 2 4 根据2 . 1 应的湿球温度 △艺 Q ， 艺口 M } / M 。 8 风流经过一段巷道后的烩增， k J / k g; 用水沟排放热水时的放热量， k w; 绝 对 热 源 放 热 量 之 和 ， k w ， 艺Q 。 Q Q h 。 o m 。 。 节的结论， 烩值1 是熔一 湿图 上其对 t f 的函数，即1 f t f 。因此， 1 2 一 1 ， ft 。 一 ft f1 36 0 其中 式中 认 用水沟排放热水时的放热量， k w; F - 水面上的风速， 而5 ，可取巷道风速 的0 . 9 倍; 凡 热 水 散 热 的 表 面 积， m ， ; tw 热水温度， ℃; 式 2 、 1 2一 乙 1 1 ， ， 1 2 为 巷道始末 两端的 烩值， kJ/k g 。 式 4 和式 9 代人式 8 得 9 将 f气 一 ftf ， {、 uL o t。 一 合 t a . t 二 ] 0 . 7 m k C 、 [ 0 . 00 2 4 10 8 t k t f ，t ‘ 、 _ _一 日/ M。 2“’” 第3 5 卷第5 期煤炭科学技术2 Xj7 年5 月 t， t，一 2 0 ” 2 ‘ 4 “ s y ‘w - 型 厄 书 F 洲3 “ 00 么口 M MB 1 0 观察式 1 0 可以发现， 在等式的两边只存 在2 个未知数，即风流经过一段巷道后末端的干球 温 度味 和 湿 球温 度气 ， 故式 1 0 表征了 这2 个 未知数之间的关系。 2 建立用风流经过一段巷道后的干球温度表 示湿球温度的方程。 据统计， 我国煤矿的相对湿度 在集中运输大巷为85 一 9 0 ， 在回采巷道和回 采工作面为90一 1 00，变化范围都很小， 所以 可认为巷道内风流的吸热量增加后， 风流的相对湿 度较吸热量增加前变化不大，可参考以前的实测 值。同时沪 又有如下关系式 tf ，tf._ ‘ 0 7 m ‘ C k L 。 00 2 “ ‘ ” 。 ‘ k 一 止 厄 一 」 } / M B 2o .52 14 .6 5 、 ， 一 竺 黔 孺 o M Ma 1 4 式 14中 除气 外， 其余参数均已 知， 所以 可 任 取一 个气 的 估计值， 由 计 算机计 算出气 。 将 气 代 人 方 程 式 13的 解 表 达 式， 即 可 得 这段 巷 道 末 端的 干 球 温 度场。 用 计 算 机 计 算气 的 方 法如 图1 所 示， 因 为 式 1 4 的 左 边随 着气 的 增 大而增 大， 式 1 4 的 右 边随 着气 的 增大 而减小， 所以 可以 调 节气 的 大 小以 达到 式 14 两 边近 似 相 等。 1 1 式中 式中， E ， 2 一 A t 二一 t 。 p Z 仇二凡 职 2 巷道末端的相对湿度， 可参考实 测值; 尸 2 巷道末端的 气压， Pa; E ’2 巷 道 末 端 湿 球温 度tfz 对 应的 饱 和 水 蒸 气分压力， P a ; 凡 巷道末端干球温度味对应的饱和水 蒸气分压力， Pa， E Z 计算公式参见文 献 [ 1 」 ; A 系数， 可由下式计算 ， 0 . 0 0 0 0 1 、 6 5 旦 卫 旦 1 2 、为流过湿球温包表面的风速， 将式 1 2 和E 计算式代人式 式整理变换后得 n 扩5 。 1 1 并经公 0 . 的 4 甲 2 ‘ 乳 A p Z 一 0 . 0 1 2 2 沪 2 二 0 9 9 5 甲 2 一 E ，2 一 A p Z t 。 0 1 3 解方程 1 3 得 t 二1 一 A p 一 0 . 0 1 2 2 甲 2 [ A p - 0 . 0 1 2 2 甲 2 2 0 . 0 1 6 护 Z E ‘2 0 . 0 1 6 ， 2， 凡 ‘。 一 0 . 0 1 6 ， 呈 ] 告 } 乃 . 00 5 ， 2 由上式知，当甲 和尸 2 取提高产量前的实测值 时， 坛 是气 的 函 数， 即t aZ 二 9 ‘ 。 。 3 求解风流经过一段巷道后的干、 湿球温 度 。 将t 二 9 t 。 代 人 式 1 0 得 、 ‘。 一 入 ‘;1 、 UL 「 ‘， 一 合 ‘。1 9 。 」 图1用 计 算 机求 解 式 1 4 中气 的 流 程 2 . 4 用出口干球温度校核工作面的最大产量 在夏季的某天， 矿井通风系统相对稳定时， 用 上述计算方法校核工作面的最大产量 如果在进 风巷道运煤， 计算范围为从回 采工作面 进风平巷到 回采工作面出口; 如果在回风巷道运煤， 计算范围 为从回 采工作面进风口 到回采工作面出口 。推算 风流的干、 湿球温度， 从而计算出夏季时 采煤工作 面出口的干球温度， 并判断其是否超过30℃。如 果超过30℃， 应适当减小产量重新计算，直至得 到使采煤工作面出口的干球温度接近30℃的产量 为止; 如果低于30℃， 可适当增大产量重新计算， 直至得到使采煤工作面出口的干球温度接近30℃ 的产量为止。如此重复计算， 可得到满足采煤工 作 面温度限制条件下的矿井通风系统相对稳定时期的 采煤工作面最大允许产量。 采煤工作面风温受地表大气温度季节性变化的 影响较小， 这不仅是由 于数千米巷道围 岩的调节作 用， 而且也由于采掘工作面始终处在新开掘的岩 体 第35卷第5 期煤炭科学技术2 007 年5 月 之中， 所以依据矿井通风系统相对稳定时期的某一 天井下温度值计算出的最大允许产量同样适用于矿 井通风系统相对稳定的其余时期。 通过对比可以看出，在 煤矿安全规程规定的 采掘工作面最高允许温度为30℃的条件限制下， 产量可以提高14万t 。 3 应用举例 东滩煤矿1 4309 综放工作面面长2 03 m， 采落 的煤炭从回风巷运出。考虑到巷道风流与围岩的不 稳定热交换系数K 受到诸多因素的影响， 机电设 备等绝对散热源的 散热又很难估算准确， 所以本核 定 方 法 首先由 实 测ta ， ， t 二 ， tf ， ， 气 ， 1 。 ， 1 2 数据 和 机电设备等绝对散热源散热的不断调整来反算求出 凡值及其他参数， 保证了提高工作面产量前风温预 测中各项参数选取的合理以 及下一步在提高产量后 预测温度结果的可靠。然后再单独调整采面的产 量， 求出该面的 最大允许产量。因1 4 3 00综放工作 面倾向较长， 所以将工作面分为2段进行风温预 测。第一段为从 1 4 3 09 轨道巷切口到工作面沿程 l oo m处， 第二段从工作面沿程l oo m处到1 4 3 09 运输巷20 m处。所需的数据见表 1 ，调整产量前 后风温见表2 和表3 。 表2 调整产量前巷道风流干、湿球温度实测值 巷道 序号 始端干球 温度/ ℃ 始端湿球 温度/ ℃ 末端干球 温度/ ℃ 末端湿球 温度/ ℃ 12 7 . 82 7 . 62 8 . 22 7 ， 8 2 7 _ 82 9 . 4 表3 调整产量后巷道风流干、湿球温度值 巷道输人始端干 输入始端湿球 末端干球温度 末端湿球温度 序号 球温度值/ ℃温度值/ ℃预测值/ ℃预测值/ ℃ 2 7 . 8 的2 7 . 6 心 2 8 . 6 1 32 8 . 3 02 2 86 1 3 3 0 ‘ 0 l 2 8 . 3 0 2 2 9 . 8 1 4 4 结论 表 ， 输入数据 巷道序号 叨 1目 12 巷道周长/ m 巷道长度/ m 巷道断面积/ 矛 始端风流干球温度/ ℃ 始端风流湿球 温度 / ℃ 始端大气压力/ k Pa 末端大气压力 / k Pa 巷 道风 速 / m. ， 一 1 煤炭的 平均温 度 / ℃ 平均原始岩温/ ℃ 热水的散热面积/ m Z 机电设备总功率/kW 高差/ m 氧化散热系数/ kJ m Z h“ ’ 1 4 8 1 oo 1 3 。 5 2 7 . 8 2 7 ， 6 1 0 8 . 5 4 1 0 8 . 3 8 1 . 4 3 0 . 6 3 4 6 0 1 1 7 . 2 一1 3 . 6 5 8 . 6 1 4 . 8 1 0 3 1 3 . 5 2 8 . 2 2 7 . 8 1 0 8 . 3 8 1 0 8 . 5 5 1 ， 4 3 0 . 6 34 . 6 0 3 0 8 . 7 1 以 煤矿安全规程有关采掘工作面气 温规定为依据， 建立了用校核采煤工作面出口温度 来确定其最大允许产量的新方法。 2 将该方法应用于东滩煤矿实际的生产中， 确定该矿14 3 09综放面的最优产量， 对该矿的合理 生产具有一定指导意义。 丈 3 考虑到煤产量增加时， 瓦斯绝对涌出量 会有所增加， 而局部瓦斯积聚和上隅角瓦斯严重超 限是高产高效工作面的共同特点， 故在使用上述方 法时， 应同时考虑以采煤工作面出口主流区的瓦斯 浓度和上隅角瓦斯积聚区的瓦斯浓度都不超限为限 制条件， 再次计算采煤工作面最大允许产量， 最后 取2 个最优值中的较小值作为同时满足瓦斯和温度 限制条件下的最终采煤工作面最大允许产量。 参考文献 1 4 . 5 5 8 . 6 薛殿华. 空气调节 【 M 〕 .北京 清华大学出版社， 1 9 91 国家安全生产监督管理总局. 煤矿安全规程 【 M 〕 ，北京 煤炭工业出版社， 2 X 4 〔 3]郭勇义， 吴世跃. 矿井热工与空调 〔 M ] 北京 煤炭工业 出版社， 1 9 9 7 2 005 年度计划产量 大约生产10. 5 个月为 413 万t ，即 煤炭运输量为1 51. 7 k 留5 。经过计算， 当1 4 3 0 9 综放工作面的 煤炭运输量为巧 6 . g k 酬5 时 即4 2 7万“ a ， 工作面l oo m处的干球温度为 2 8 . 6 13℃，运输2 0m处的干球温度为30. 001 ℃。 作者简介 程健维 1 983 一 ， 男，山西太原人， 中国矿业大 学硕士研究生，从事矿 山安全工程方面 的研究。Tel 1 3 7 7 5 9 8 0 3 8 0 ， E一 m ai l cj w l l 1 6 3 . c o m 收稿日 期 2 007 一 01一 05;责任编辑 王晓珍 l 7