高温热害矿井采煤工作面合理配风的研究与应用

孙京凯，王坚志，刘增平

(山东唐口煤业有限公司，山东济宁272100)

  随着矿井开采深度的增加，高温热害已成为继水、火、瓦斯、煤尘、顶板五大自然灾害之后的第六大自然灾害，越来越多的矿井采用人工制冷降温系统，矿井人工制冷降温系统主要有地面集中式、井下集中式、井下移动式和井下局部供冷式等几种形式。

    采用人工制冷降温前，增加风量能够降低工作面的温度，当风量增加到一定的程度，风量对降温的作用就不明显或无降温作用，风量增加，会引起工作面需冷量的增加；采用人工制冷降温后，在一定程度上缓解了工作面的高温状况，风量也有所降低，但随着风量的降低，降温效果不理想，特别是降温成本增高。

    山东唐口煤业有限公司是淄矿集团在济北煤田投资新建的一座现代化大型矿井，设计年产量为300万t。开采水平已达-1000m左右，原始岩温37℃，夏季7、8、9三个月，井下热害问题极为突出。2006年，公司采用了地面冰制冷方式对高温工作面进行降温。但降温效果不理想，降温费用高。因此，进行工作面的合理配风研究，提高降温效果，降低降温成本，具有重要的理论意义和实践意义。

1  采煤工作面温度与风量之间的关系研究

1．1  冰制冷降温前温度与风量之间的关系研究

    采煤工作面自然的进风温度t₀随着风量的增加而减少，采煤工作面降温极限人风温度t随风量的增加而提高，两条人风温度曲线随风量增加而逐渐靠近，如果将这两条曲线绘制在同一坐标系中，就可能出现三种情况：(1)两条曲线的交点在采煤工作面所允许的最大风量之前；(2)两条曲线的交点在采煤工作面所允许的最大风量之后；(3)两条曲线没有交点。

    (1)当两条曲线的交点在采煤工作面所允许的最大风量之前时，交点风量即为采煤工作面所需的合理风量。

式中：一采煤工作面进风温度，℃；

      一采煤工作面回风温度，℃；

     一工作面围岩不稳定换热系数kJ/m²．H℃；

      一工作面围岩传热表面积，m²；

      一工作面围岩原始温度平均值，℃；

    一工作面绝对热源显热传热量之和，kJ／h；

      一空气密度，kg，m³；

     一空气的定压比热，1．01kJ／kg℃；

    一工作面回风端标高()与进风端标高()的代数和，m；

     —工作面(或巷道)显热与全热比，可按下式测算：

式中：一工作面(或巷道)进回风断面空气的焓差(kJ／kg)；

      一温差(℃)。

    (2)当两条曲线的交点在采煤工作面所允许的最大风量之后时，即交点风量是工作面不允许的风量，说明该工作面通风不能满足降温的要求，需要采用机械降温。

    (3)当两曲线没有交点时，如果由于原岩温度上升，通风距离加长，致使较高，而工作面热源散热量又较大，要求的又较低，两曲线没有交点，在这种情况下，当风量增加一定程度时，和几乎不再变化，即“一≈const，因此冷量随风量的变化曲线，开始时呈单调下降，而后逐渐变缓，到达一定程度时，冷量随风量几乎呈线性增加，此时，需要采用机械降温。如图2所示。

1．2冰制冷降温后温度与风量之间的关系研究

    高温工作面采用机械制冷降温后，风量与冷量的最优搭配，是在维持工作面回风不超过最高允许温度及保证必要劳动环境要求的风速条件下，降温费用最少的风量和冷量。高温工作面的降温成本是由机械降温成本和通风成本共同决定的：

                (2)

式中：一降温总成本，元；

    一满足允许进风温度时需要的冷量，kW／h

    一每提供lkw的冷量所需要的费用，元／kW

    一工作面所需的风量，m³／h。

    一每提供1 m0风所需的成本，元／m³

式中：一进风量，kg。

    通过分析，与之间的关系如图3至图5所示：

    是指满足稀释沼气、矿尘等要求的最小风量；是指满足稀释沼气、矿尘等要求的最大风量。<<时，的最小值为时取得。最小值可通过对式(3)求导求得。

当>时，的最小值为=时取得。

    当>时，的最小值为=时取得。

2  冰制冷前和冰制冷降温后工作面温度的测定与分析

2．1冰制冷降温前工作面温度的测定与分析

    针对山东唐口煤业有限公司1302工作面的具体情况，通过测定与计算确定5月15日在采用冰制冷前的最优风量为1650m³／min。在2007年5月16日、5月17日、5月18日、5月19日对唐口煤矿采用冰制冷降温前1302工作面的温度状况进行了测定，测定时在工作面均匀布置6个测点，测定结果如图6—9所示。

    通过图6—9可以看出，通过风量的调整，采煤工作面的温度有所降低，夜班降低的幅度较大，平均为2．5℃，早班降低的幅度较少，但也达到了I．6℃左右，取得了较好的降温效果。

2．2  冰制冷降温后工作面温度的测定及分析

    针对山东唐口煤业有限公司1302工作面的具体情况，经过测定与计算确定7月28日在采用冰制冷后的最优风量为1215rn³／min。

    在2007年8月1日、8月2日、8月3日对采用冰制冷降温后1302工作面的温度状况进行T N定，测定时在工作面均匀布置6个测点，测定结果如图10．13所示。

    通过图10—13可以看出，冰制冷后风量的调整后，采煤工作面的进回风巷的温差减少，在2．5℃左右，满足了矿工舒适工作的要求，整个工作面的温度都不大于27．5℃，通过冰制冷降温，取得了较好的效果。

3  结论

    针对千米深井的高温热害的现状，对采用冰制冷降温前后温度与风量的关系进行了研究，通过理论分析、现场测试等方法，确定了冰制冷前的最优风量和冰制冷后的最优风量，为保证矿井的安全、稳产、高产奠定了基础。

    (1)对采用冰制冷降温前，采煤工作面的温度与风量之问的关系进行了研究，确定了冰制冷降温前工作面的最优风量；确定了工作面通风降温的极限。

    (2)对采用冰制冷降温后，采煤工作面的温度与风量之间的关系进行了研究，确定了冰制冷降温后最优风量。

(3)通过冰制冷前和冰制冷降温后，在山东唐口煤业有限公司1302采煤工作面的应用实践，采用冰制冷后，工作面的风量大大降低，能够降低400m³／min以上，取得了较好的降温效果和经济效益。

参考文献：

[1]胡春胜．矿井空调现状及评述[J]．煤矿设计，1991，(5)：34—39．

[2]章熙民，任泽霈，梅飞鸣，等．传热学[M]．北京：中国建筑工业出版社。1998．

[3]吴中立．矿井通风与安全[M]．徐州：中国矿业大学出版社，1989．

作者简介：孙京凯(1959一  )，男，汉族，1982年毕业于山东矿业学院，学士学位，高级工程师。现为山东唐口煤业公司通防副总工程师。