第２６卷第３期 ２０１１年９月 矿业工程研究 Ｍｉｎｅｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｖｏ１．２６ Ｎｏ．３ Ｓｅｐｔ．２０１１ 倾斜巷道风流热环境数值模拟 吴丽丽，罗新荣 （中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州２２１００８） 摘要：由于长期的开采，我国煤矿浅部资源已殆尽，矿井开采以每年１５ ｍ的速度向深部开采，热害已经成为矿井灾害之一， 矿井风流热交换理论的研究对热害治理有重要意义．基于传热学理论，建立了三维矿井风流与倾斜巷道热湿交换的数学模型，采用 异步长有限差分法对巷道内风流热环境参数进行数值模拟求解，分析了巷道倾角对风流温湿度的影响，得到了巷道倾角不同时风 流温、湿度关系分布图，对高温矿井热害治理有一定的指导意义． 关键词：倾斜巷道；风流温度；相对湿度；热交换 中图分类号：ＴＤ７２７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—５８７６（２０１１）０３—００６９—０４ 随着矿井开采深度的增加以及机械化程度的不断 提高，高温矿井数量迅速增加，预计我国在“十二五” 期间采掘工作面温度超过３０℃矿井将达到１５０～２００ １ 数学模型的建立 巷道围岩与风流热交换是一个非常复杂的过程， 在实际情况下构建数学模型几乎不可能．根据研究的 需要，假设巷道断面形状为圆形，围岩均质且各项同 性，未开拓的巷道初始温度等于原始岩温，巷道围岩壁 面换热条件的一致性，巷道内流动空气恒定，围岩传热 余对，高温热害成为制约煤矿开采的瓶颈之一…．矿 井热害严重影响井下作业人员的身体健康和生命安 全，在高温环境作业正常的水盐代谢被破坏，从而可能 引起中暑、昏倒、呕吐等疾病，严重时会导致死亡，此外 高温还会影响劳动效率 ｊ，工作区域温度每超过标准 的热量完全传给风流，基于上述假设将传热过程实际 问题转化为数学物理问题，建立矿井风流与倾斜巷道 热湿交换数学模型＿６ Ｊ． 直角坐标系ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）围岩内温度分布服从傅里 １ ｏＣ（标准为２６℃），工人的生产效率下降６％一８％， 温度超过２８℃时，事故发生率增长２０％［３ ３． 井下工作热环境的预测是井下热环境有效控制及 高温矿井降温技术研究的前提，国内外学者在风流温 度、湿度预测方面进行了大量研究 Ｊ，１９６５年德国埃 叶传导微分方程，热传导方程为 森矿山就提出一套预测方案，１９７６年杨德源从热力学 的角度出发建立风流热力学模型进行风流热力学状态 预测．大量的研究系统的预测了风流的温度、湿度．但 （ ）＝口（ ＋雾＋ ）． （１） 式中， ：围岩温度，℃；ｔ：时间，ｓ；口：围岩温度的扩 散，ｍ ／ｓ，这里ｎ ＝ ｐ乙ｐ 是井下环境比较复杂，各种计算方法存在一定的局限 ；Ａ：热传导系数， 性，计算结果存在误差 Ｊ．本论文在矿井风流与围岩 热湿交换理论的基础上，建立倾斜巷道三维差分模型， 分析不同倾斜角度下的巷道温度、湿度的变化规律． 收稿日期：２０１１一Ｏ６一Ｏ１ ｋｃａｌ／（ｍ・ｏＣ）；Ｐ：围岩密度，ｋｇ／ｍ ；Ｃ。 ：围岩比 热，Ｊ／（ｋｇ・℃）． 在极坐标下，式（１）可以变换为式（２）： 通信作者：罗新荣（１９５７一），男，江西樟树人，教授，博士生导师，研究方向：煤矿瓦斯防治理论与技术、矿井降温工程技术等．Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｏｕｘｒ＠ ｓｏｈｕ．ｃｏｒｎ ６９ 一 ００ｔ Ｉ（ ＋ ＋一 ＋ｒ ａ＿０２ｖ１Ｏ，０ｚ＋ 雾）． （２） 来表示，把求解微分方程的问题改换为求解数学方程 ＝。热传导的微分方程近似地改用差分方程（数学方程） 在圆周对称二维计算模型为（３）式的热传导 方程： 的问题．本文采用异步长有限差分法 ，将巷道沿径 向和轴向进行网格划分如图２所示． —ａ ＼—＝口（Ｉ雾＋—ａ ＋— ｒ 业— ，—Ｏ—Ｉｒ） ． ＝口ｔ（、 ３ｊ ） “Ｉ．０ ０ｉ＋１． ０ａｔ， 卜 口“ｌ－『 １．Ｏｉ＋ｌ，，＋ｌ Ｏｒ ｉ＋１． 二维模型就是指围岩中热导率仅限于巷道半径方 ｐ ０ Ｏｉ．１ ．Ｏｉｊ－ｉ ０ｉ，ｊ ０‘ ０ Ｌｍ。 ０１－１， ｌ ０ｉ－１． ｌ．＿ｌ１ ｌ＿ｍ． 向传导，即围岩温度分布０（ｒ，ｏ）［ｇ７ ３．此外围岩的热传 导连立方程求解０（ｒ，ｏ，ｇｚ），可以建立圆周对称的三维 ｐ １ ０ Ｏｉ—ｔ．． 计算模型为（４）式的热传导方程： ～Ｉ＝口（ ＋了 ＋雾＋ ＋雾） ． （４） 在倾斜巷道中，需要考虑伴随气压变化的气体压 缩热和膨胀热对风流温度的影响．特别是在竖井这样 的气压变化较大的巷道中，更应该注意．空气压缩产生 的热量可由下式计算： ｈ ＝Ｐ Ｑｇ・ｓｉｎ（一ｇＯ）． （５） 式中，ｈ。 ：空气压缩产生的热量；Ｐ ：空气密度；Ｑ：风 量；ｇ：重力加速度；６Ｏ：巷道倾角． 巷道中ｚ方向上的风温上升由下式给出： ２＂ａｒｏ ａ（０： ：一 ｐ．ＱＣ．ｐ．ＱＣｐ ＂）＋ 。 ．（６）’ 式中，９：巷道内风流温度，℃；Ｃ。：空气的定压比热 容，取１ ＯＯ４ Ｊ／（ｋｇ・℃）；Ｕ：周长． 根据以上假设以及理论依据，倾斜巷道数学模型 建立如图１所示． 图１倾斜巷道的模型 ｒｉｇ．１ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｌｏｐｉｎｇ ｒｏａｄｗａｙ ２ 模型解算 ２．１有限差分法 巷道围岩温度场、围岩散热和风流温度及湿度通 常采用有限差分法进行解算．所谓有限差分法，就是把 ７０ Ｏ ＠ｉ 一 图２巷道径向及轴向的网格划分 Ｆｉｇ．２ Ｄｉｖｉｄｅ ｒａｄｉａｌ ａｎｄ ａｘｉａｌ ｇｒｉｄ ｉｎ ｒｏａｄｗａｙ ２．２风流温度、湿度计算 将风流温度方程式进行无量纲化解析，假设巷道 壁面温度在区间一定，则温度 ，湿度 ｉ在ｚ ～ ＋Ａｚ 区间的积分式为 Ｊ （ｚ ＋ ）＝０ 一（６１ｗ 一 （ ））ｅｘｐ （一 ・ ）＋ｇＯ・Ａｚ ． （７） 式中，０ ：（ ＋ ／２）的值． ｚ ．（８） 式中，Ｕ：巷道壁面周长，ｍ；Ｐ ：干燥空气密度，ｋｇ／ｍ ． ３模拟解算结果及分析 模型建立后，通过实例解算来分析巷道倾角与风 流温度、湿度之间的关系．基本参数的设置：巷道半径 ｒ０＝２ ｍ，围岩初始温度０ｏ＝３０℃，巷道潮湿率 ＝ ０．１，热传导率Ａ＝２．６ Ｗ／（Ｉｌｌ・ｏＣ），热扩散系数口＝ １．１１×１０ ｎｌ ／ｓ．巷道倾角＞０ｏ表示上行风，即随着 风流上升，压力减小，体积膨胀．巷道倾角＜０ｏ表示下 行风，即随着风流下降，压力增大，体积受到压缩．数值 模拟的结果如图３所示． 图３是巷道倾角０９为０。，３０。，９０。条件下风流温度 湿度预测结果．风流温度变换规律如图３（ａ）所示，从 图上可以看出，倾角ｇｏ＜０ｏ倾斜进风巷道内压缩放热 使得风流温度上升，倾角愈大，温度上升梯度越明显． 因此相对于水平巷道，竖井内的温度上升梯度明显增 大，５００ ｍ距离点的温度差接近５℃．在倾角ｇｏ＞０。的 回风巷道内，膨胀吸热使风流温度下降（在本计算条 件下，膨胀吸热量大于风流与围岩的热交换量），随着 综上所述，井下围岩与风流的热交换通过井巷壁 倾角的增大温度下降的梯度变大，但与进风巷道相比 温度下降的梯度小于温度上升的梯度¨ ．风流湿度的 变化规律如图３（ｂ）所示．结果显示回风竖井内风流湿 度由于温度的下降很快达到饱和状态．即表示空气中 的水分会凝结成水滴而析出．这与回风竖井中常见的 面传热和壁面水分蒸发或凝结来实现．地面空气流到 井下，在重力作用下，产生自压缩放热表现为加速升 温．相反，井下空气流向浅部，空气膨胀，则会吸收热 量，表现为加速降温． 现象一致． （ａ）风流温度 Ｏ ５００ １ ０００ １ ５００ ２ ０００ ｚ｜ｍ （ｂ）风流湿度 图３巷道倾斜角度风流温度湿度的关系分布图 Ｆｉｇ．３ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｇｒａｐｈ ｏｆ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｉｒ ｆｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｈｕｍｉｄｉｔｙ ａｎｄ ｓｌｏｐｉｎｇ ａｎｇｌｅ ｉｎ ｒｏａｄｗａｙ ４ 结论 １）上行风时倾斜进风巷道内压缩放热使得风流 温度上升，倾斜角度越大温度上升梯度越大． ２）下行风时膨胀吸热使风流温度下降，倾斜角度 越大温度下升越快，但是相比较上行风时，温度下降的 梯度小于上行风时温度上升的梯度，回风竖井内风流 湿度由于温度的下降很快达到饱和状态；快达到饱和 状态． ３）由于矿井的实际情况不同，围岩与风流的不稳 定系数以及导热系数有一定的差异，加上井下高温高 湿作业环境的影响，在具体应用中还需要进一步的 研究。 参考文献： ［１］ 严荣林，侯贤文．矿井空调技术［Ｍ］．北京：煤炭工业出版 社，１９９４． ＹＡＮ Ｒｏｎｇｌｉｎ，ＨＯＵ Ｘｉａｎｗｅｎ．Ｍｉｎｅ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ［Ｍ］．Ｂｅｒｉｎｇ：Ｃｏａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｐｒｅｓｓ，２００５． ［２］杨德源，杨天鸿．矿井热环境及其控制［Ｍ］．北京：冶金工业出版 社，２００９． ＹＡＮＧ Ｄｅｙｕａｎ，ＹＡＮＧ Ｔｉａｎｈｏｎｇ．Ｍｉｎｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｍ］．Ｂｅｒｉｎｇ：Ｔｈｅ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｙｒ Ｐｒｅｓｓ，２００９． ［３］余恒昌，邓孝，陈碧琬．矿山地热与热害治理［Ｍ］．北京，煤炭工业 出版社，１９９１． ＹＵ Ｈｅｎｇｃｈａｎｇ，ＤＥＮＧ Ｘｉａｏ，ＣＨＥＮ Ｂｉｗａｎ．Ｍｉｎｉｎｇ ｇｅｏｔｈｅｒｍｉｃｓ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｈａｚａｒｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｍ］．Ｂｅｒｉｎｇ：Ｃｏａｌ Ｉｎｄｕｓｔｙｒ Ｐｒｅｓｓ， １９９１． ［４］王文，桂祥友，王国君．矿山热害的治理［Ｊ］．矿业安全与环保， ２００２，２９（３）：３１—３３． ＷＡＮＧ Ｗｅｎ，ＧＵＩ Ｘｉａｎｇｙｏｕ，ＷＡＮＧ Ｇｕｏｊｕｎ．Ｔｈｅｒｍａｌ ｈａｚａｒｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ｍｉｎｉｎｇ［Ｊ］．Ｍｉｎｉｎｇ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，２００２，２９ （３）：３１—３３． ［５］ 高建良，张学博．潮湿巷道风流及湿度计算方法研究［Ｊ］．中国安 全科学学报，２００７，１７（６）：１１４—１１９． ＧＡＯ Ｊｉａｎｌｉｎａｇ，ＺＨＡＮＧ Ｘｕｅｂｏ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａｉｒｌｆｏｗ ｉｎ ｗｅｔ ａｉｒｗａｙ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｊｏｕｒｎａｌ，２００７，１７（６）：ｌ１４一ｌ１９． ７１ 周西华，王继仁，单亚飞，等．掘进巷道风流温度分布规律的数值 １Ｊ １Ｊ １Ｊ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｗａｌｌ ｒｏｃｋ ａｔ ｄｒｉｔｉｆｎｇ ｆａｃｅ ｗｉｔｈ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ 模拟［Ｊ］．中国安全科学学报，２００２，１２（２）：１９—２３． ＺＨＯＵ Ｈｕａｘｉ，ＷＡＮＧ Ｊｉｒｅｎ，ＳＨＡＮ Ｙａｎｆｅｉ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｊｏｕｒｎａｌ，２００２，１２（６）：３３—３６． ［９］杨德源．矿井风流交换［Ｊ］．煤矿安全，２００３，３４（Ｓ）：９４—９８． ＹＡＮＧ Ｄｅｙｕａｎ．Ｍｉｎｅ ｒｏｍａｎｔｉｃ ｅｘｃｈａｎｇｅ［Ｊ］．Ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｓｆｅｔａｙ， ２００３，３４（Ｓ）：９４—９８． ｔｈｅ ｒｕｌｅ ｏｆ ａｉｒｆｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｄｒｉｆｔｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ［Ｊ］． Ｃｈｉｎａ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｊｏｕｒｎａｌ，２００２，１２（２）：１９—２３． 王晓峰，陈彩云．矿井风流温度预测及热交换机理分析［Ｊ］．煤炭 技术，２００８，２７（１０）：５９—６２． ＷＡＮＧ Ｘｉａｏｆｅｎｇ，ＣＨＥＮ Ｃａｉｙｕｎ．Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｏｒｅｃａｓｔ ｔｏ ｍｉｎｅ ［１０］Ｓａｓａｋ Ｒａｄｉｌ，Ａｘｉａｌｉａ Ｋ，Ｍｉｙａｋｏｓｈｉ Ｈ，ｅｔ ａ１．Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｓｋｙｌｉｎｅ ｎｏｄａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｍｉｎｅ ａｉｒ—ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｉｒａｆｌｏｗ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ［Ｊ］．Ｃｏａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８，２７（１Ｏ）：５９—６２． ［ｒａｄｉｌａ ａｎｄ ａｘｉａｌ［Ｃ］／／２６ｔｈ ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｎｅｒｌ ｉａｎｄｕｓｔｒｙ． Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ：Ｔｈｅ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ，Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ａｎｄ Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ Ｉｎｃ， ｌ９９６． 吴强，秦跃平，郭亮，等．掘进工作面围岩散热的有限元计算［Ｊ］． 中国安全科学学报，２００２，１２（６）：３３—３６． ＷＵ Ｑｉｎｇ，ＱＩＮ Ｙｕｅｐｉａｎｇ，ＧＵＯ Ｌａｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅ ｈｅａｔｔ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ａｉｒｆｌｏｗ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｃｏａｌｍｉｎｅ ｔｕｎｎｅｌ ＷＵ Ｌｉｌｉ．ＬＵＯ Ｘｉｎｒｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ ２２１００８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｉｎｅｒａｌ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｈａｌｌｏｗ ｄｅｐｌｅｔｅｄ ａｒｅａｓ，ｍｉｎｉｎｇ ｈａｓ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｗｉｈ １５ ｍ ａｎｎｕａｔｌ ｙｅａｒ，ａｎｄ ｈｅａｔ ｄｉｓａｓｔｅｒ ｂｅｃｏｍｅｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｄｉｓａｓｔｅｒｓ．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ａｉｒｆｌｏｗ ｉｎ ｍｉｎｉｎｇ ｈａｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｔｏ ｈｅａｔ ｄｉｓａｓｔｅｒ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ａ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｈｅａｔ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｌｆｏｗ ｉｎ ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｒｏａｄｗａｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅａｔ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｒｏａｄｗａｙ，ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｒｏａｄｗａｙ ｓｌｏｐｅ ａｎｇｌｅ ｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ａｉｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ ｃｅｒｔａｉｎ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｉｎ ｈｅａｔ ｄｉｓａｓｔｅｒ ｇｏｖｅｍａｎｃｅ ｉｎ ｈｏｔ ｍｉｎｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｒｏａｄｗａｙ；ａｉｒｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｒｅｌａｔｆｉｖｅ ｈｕｍｉｄｉｔｙ；ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ ７２