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第 40 卷第 1 期 煤 炭 科 学 技 术 Vol. 40No. 1 2012 年1 月 Coal Science and TechnologyJan．2012 矿井空气吸热能力分析与应用 褚召祥1， 2，姬建虎1， 2，张习军1， 2，陈孜虎1， 2 1． 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037; 2． 中国煤炭科工集团重庆研究院，重庆400037 摘要 综合考虑空气温度、湿度与焓等参数，提出以矿井空气吸热能力来衡量矿井工作热环境， 当矿井空气绝对吸热能力为负值或相对吸热能力超过 100时，可认定此时的工作热环境超出了有 关规定，有必要采取降温措施。以山东省济宁二号煤矿为例，对其井下冬夏两季空气吸热能力进行 了测定与分析，结果表明 矿井空气吸热能力与一般空气热力参数如温度、湿度等变化趋势相反。 在进风及用风区段，吸热能力逐渐下降，至回采工作面出口处最低，甚至出现负值。 关键词 温度; 湿度; 热量; 空气热力参数; 吸热能力; 焓 中图分类号 TD727文献标志码 A 文章编号 0253 －2336 2012 01 －0070 －04 Analysis and Application of Mine Air Thermal Absorption Capacity CHU Zhao- xiang1， 2，JI Jian- hu1， 2，ZHANG Xi- jun1， 2，CHEN Zi- hu1， 2 1． National Key Laboratory of Gas Disaster Detecting，Preventing and Emergency，Chongqing400037，China; 2． Chongqing Research Insitute，China Coal Technology and Engineering Group，Chongqing400037，China Abstract In consideration of the air temperature， moisture， enthalpy and other parameters， the mine air absorption capacity was provided to judge the mine working thermal environment． When the mine air absolute thermal absorption capacity was negative value or the relative thermal absorption capacity was over 100，the paper held that the mine working thermal environment was over the related regulations and the cooling measures should be taken necessarily． Taking Jining No. 2 Mine of Shandong as an example，a measurement and analysis was conducted on the air thermal absorption capacity both at winter and summer in the underground mine． The results showed that the air thermal absorption capacity in the underground mine and the general air thermal parameters including the temperature，moisture and other variation tendency would be by contraries． At the air incoming and the ventilation sections，the thermal absorption capacity would be steadily reduced until the lowest capacity at the exit of the coal mining face and would be a minus value． Key words temperature; moisture; thermal value; air thermal parameters; thermal absorption capacity; enthalpy 收稿日期 2011 －09 －15; 责任编辑 王晓珍 作者简介 褚召祥 1987 ，男，山东菏泽人，硕士。Tel 023 －65239294，E － mail chulongxiang163. com 网络出版时间 2012 －01 －12 15 36; 网络出版地址 http/ /www. cnki. net/kcms/detail/11. 2402. TD. 20120112. 1536. 018. html 引用格式 褚召祥，姬建虎，张习军，等． 矿井空气吸热能力分析与应用 ［ J］ ． 煤炭科学技术，2012，40 1 70 －73． 近年来，我国煤矿开采逐渐向深部转移，越来 越多的矿井面临着一大难题 高温热害。而矿井高 温热害的表现形式主要体现在矿井井下空气的特性 中，即热湿作业环境 ［1 ］。进入矿井井下的空气一 般都具有一定的吸热降温能力。空气的吸热降温能 力表现为它能从井下环境中吸收多少热量，这些热 量包括显热与潜热，比如围岩散热、机电设备散 热、煤炭等有机物的氧化散出的显热及水分蒸发散 出的潜热等 ［2 －7 ］。显然，空气的吸热降温能力与其 温度、湿度有一定关系 。煤矿安全规程对井下 主要作业地点的热环境有明确的规定 生产矿井采 掘工作面空气温度不得超过 26 ℃，机电设备硐室 空气温度不得超过 30 ℃; 采掘工作面空气温度超 过30 ℃、机电设备硐室空气温度超过34 ℃时，必 须停止作业 ［8 ］。所以，一定状态的空气，其热力 学参数达到 煤矿安全规程规定的上限时所能 吸收的热量是空气在井下允许吸热的极限。在矿井 降温工作中，需要对一定状态的空气大致判断其还 能够允许吸收多少热量，以便采取降温措施。 1矿井空气吸热量计算 矿井空气吸热降温能力包括 2 个方面 一是空 07 DOI10.13199/j.cst.2012.01.78.chuzhx.024 褚召祥等 矿井空气吸热能力分析与应用2012 年第 1 期 气升温所能吸收的显热;二是水分增加吸收的潜 热。在矿井通风工程中，对空气的加热和冷却，一 般都是在定压条件下进行的 ［9 ］。井下大气压力与 地面相比略微有些变化，相对整个压力值，此变化 值可以忽略不计。 图 1 中空气经过巷道ⅠⅡ时吸收的显热为 Qx∫ t2 t1McPdt 1 式中 t 为空气的干球温度， ℃;M 为矿井巷道内 空气的质量流量，kg/s; cP为标准大气压下空气的 定压质量比热，kJ/ kg℃ 。 断面ⅠⅠ空气状态 空气吸热前的干球温度 t1和含湿量 d1; 断面ⅡⅡ空气状态 空气吸热后的干球温度 t2和含湿量 d2 图 1井下巷道示意 解式 1有 Qx McP t2－ t1 2 同理，可进行空气经过巷道断面ⅠⅡ时吸收 潜热的计算 Qq Mγ d2－ d1 3 其中，γ 为水的汽化潜热与水的平均定压比热 之和，kJ/kg。在这种状态下，空气由状态Ⅰ变化 到状态Ⅱ吸收的热量为 Q Qx Qq McP t2－ t1 Mγ d2－ d1 M［ cP t2－ t1 γ d2－ d1 ］ 4 根据热力学相关理论，忽略矿井空气的压力做 功，利用焓的概念描述矿井空气的吸热过程 焓 是一个复合状态参数，是内能 u 和压力功 PV 之 和 ［10 ］。矿井空气 湿空气 的焓 i 以 1 kg 干空 气作为基础，是 1 kg 干空气的焓 ig和所包含水蒸 气的焓 is的总和，即 i ig dis 5 式中，d 为空气的含湿量，kg/kg。 湿空气的焓可用式 6计算 i at b ct d 6 式中a 为 干 空 气 的 平 均 定 压 比 热，一 般 取 1. 004 5 kJ/ kg℃ ; b 为 0 ℃下水的汽化潜热， 一般取 2 501 kJ/kg;c 为水蒸气的平均定压比热， 一般取 1. 85 kJ/ kg℃ ;at 为式 5中所对 应干空气的焓; b ctd 为式 5 中所对应水 蒸气的焓。 则式 4可以变为 Q M i2－ i1 7 式中 i1为状态Ⅰ风流的焓，kJ/kg; i2为状态Ⅱ风 流的焓，kJ/kg。 2矿井空气吸热能力 2. 1矿井空气吸热能力的定义与计算 为了计算一定状态下空气热力学参数达到 煤矿安全规程规定上限的吸热能力，做以下定 义。以 煤矿安全规程规定的采掘作业地点的 最高温度 30 ℃、相对湿度 φ 100 的空气状态为 极限状态，在一个标准大气压下，其焓 ie 99. 69 kJ/kg。 绝对吸热能力 qa 极限状态的焓 ie与温度为 t、 相对湿度为 φ 的空气的焓 i 的差值，kJ/kg。 qa ie－ i 8 相对吸热能力 相对焓度qr温度为 t、相 对湿度为 φ 的空气的焓 i 与极限状态的焓 ie的百分 比， 。 qr i ie 100 9 如 干球温度 t 22 ℃，φ 60的空气焓 i 47. 274 kJ/kg，该空气的绝对吸热能力和相对吸热 能力分别为 52. 416 kJ/kg 和 47. 42。说明每千克 t 22 ℃、φ 60的空气还允许吸收 52. 416 kJ 的 热量，它还有 52. 58的吸热、吸湿降温潜力。 2. 2矿井空气吸热能力的有关说明 根据式 6 ，当温度 t 0 ℃，相对湿度 φ 0 时，空气焓 i00。由于矿井空气温度都在 0 ℃以 上，所以矿井空气的焓都是正值。并且，由于是以 煤矿安全规程规定的矿井空气最高温度为极限 状态，所以矿井绝大部分地点空气的绝对吸热能力 都是正值，即相对吸热能力小于 100，都具有一 定的吸热能力，而且其吸热能力能够直观地显示出 来。当某些地点的绝对吸热能力为负值或相对吸热 能力大于 100时 比如回采工作面回风隅角，温 度有可能达到 30 ℃ 以上，湿度接近 100，空气 焓大于所规定的极限状态空气焓 ，则说明这些地 点的空气超出了 煤矿安全规程的有关规定， 17 2012 年第 1 期煤 炭 科 学 技 术 第 40 卷 必须采取降温措施。同时，绝对吸热能力和相对吸 热能力值也能直观反映降温负荷和幅度。 现场工程应用过程中，矿井工作人员应首先掌 握井下风流的温度、湿度等基础资料。此外，利用 式 6进行空气的焓计算、利用式 8 和式 9进行空气吸热能力计算比较繁琐，可以编制 或采用一些空气热力状态参数的计算软件进行实际 工程计算。需要说明的是，造成矿井热害的井下热 源有相当一部分是相对热源，即放热量与风流的热 力状态参数有关。在引入矿井空气吸热能力的概念 时，应认识到它是在一定范围内使用，而并非是 只要矿井进风流有一定的吸热能力就可通过增加风 量达到控制井下温度的作用。 图 3冬季和夏季矿井空气热力状态参数变化曲线 3矿井空气吸热能力分析与应用 以山东兖矿集团济宁二号煤矿某综采工作面为 例，测定井下不同位置空气在冬夏两季的温度、湿 度等参数 ［11 －12 ］，测点布置如图 2 所示，对矿井空 气吸热能力进行分析，以确定井下空气热力状态参 数变化规律、热湿源的分布，为矿井降温决策提供 依据。通过对不同季节矿井空气热力状态参数的测 定与分析 图 3 ，可以得出以下规律。 A副井井口; B测风站; C上部车场; D轨道巷入口; E变电站外; F变电站里; G回风隅角; H运输巷机头; I回风大巷 图 2井下测点布置 1根据风流热力参数变化，综合考虑可以将 井下通风线路分为 2 大区段① 从进风井口至回 采工作面出风口 进风区段与用风区段 。在这一 区段内，不同季节条件下，矿井空气热力参数如温 度、湿度、焓等有增有减，但基本呈增加趋势。至 回采工作面出风口处上述参数均达到最大值。矿井 空气的绝对吸热能力则与上述参数的变化趋势相 反，由于沿途的吸热、吸湿在本区段内呈下降趋 势，至回采工作面出风口处最低，甚至出现负值， 变化明显。② 从回采工作面出风口至回风井口 回风区段 。在这一区段内，矿井空气热力参数 如温度、湿度、焓等有所降低，但仍然处于较高值 状态。在冬季，由于矿井空气初始参数值较低，在 27 褚召祥等 矿井空气吸热能力分析与应用2012 年第 1 期 回风区段仍有一定的绝对吸热能力; 但夏季，由于 矿井空气初始参数值较高，至回风区段，空气基本 饱和，绝对吸热能力一直呈现出负值状态，矿井空 气丧失了吸热、吸湿能力。这说明，单靠通风已不 能解决高温问题。 2夏季济宁二号煤矿该综采工作面后端及回 风巷道内空气绝对吸热能力为负值，相对吸热能力 超过 100，比较直观、明显，说明在夏季，该工 作面这些地点的热环境超出了 煤矿安全规程 的有关规定，必须采取有效的降温措施。 3矿井深部开采所需的降温负荷巨大。冬、 夏季干球温度相差近 20 ℃，绝对吸热能力相差近 50 kJ/kg 的空气经过风流路线后，温度、湿度及焓 相差不大，均基本呈饱和状态。这说明如果采取全 矿井降温方式集中冷却矿井总进风流，需要消耗巨 大的冷量。这种情况下，不论是集中式降温方式， 还是区域、局部降温方式，其所制取的冷量均应释 放于需风、需冷的工作地点，如回采工作面内，防 止冷量的不必要损失。 4结论 1矿井空气的吸热能力是为了认识矿井热环 境而提出的一种新思想、新概念，是对矿井热环境 重要性认识的不断加深而形成的。它采用现场测 定、定量化的方法手段对矿井热环境要素进行分 析，可以直观、明显地对矿井空气热力参数特征进 行补充描述。 2因为矿井空气的吸热能力综合考虑了温 度、湿度和焓等要素，可作为评判井下工作环境热 害程度的一个参考性指标。当矿井巷道内空气绝对 吸热能力为负值或相对吸热能力超过 100 时，可 以认定此时的工作环境较恶劣，超出了 煤矿安 全规程的有关规定，有必要采取降温措施。 3通过对济宁二号煤矿井下空气热力参数的 现场测定，根据风流热力参数变化，综合考虑，将 井下通风线路分为 2 大区段① 从进风井口至回 采工作面出风口 进风区段与用风区段 ; ② 从回 采工作面出风口至回风井口 回风区段 。得到了 不同季节条件下，矿井空气热力参数的变化规律; 根据这一变化规律得出，矿井降温所制取的冷量应 释放于需风、需冷工作地点，可以为矿井降温措施 的实施提供决策依据。 参考文献 ［ 1］GB 504182007，煤矿井下热害防治设计规范 ［S］． ［ 2］刘何清，吴超，王卫军，等．矿井降温技术研究述评 ［J］． 金属矿山，2005 6 43 －46． ［ 3］吴建亭，陈星明，夏 紧． 移动制冷机在深井降温中的研 究与应用 ［J］． 煤炭科学技术，2010，38 10 86 －88． ［ 4］褚召祥，辛嵩，王保齐．回采工作面空冷器组合降温方 式试验研究 ［J］ ．煤炭科学技术，2010，38 11 81 － 84． ［ 5］张习军，姬建虎，吴修宇，等．永川煤矿井下热环境分析 及综合治理的研究 ［J］．煤炭科学技术，2011，39 1 48 －52． ［ 6］Webber R C W. 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