井下风流温湿度模拟软件的开发及应用

赵　涛

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺113122）

煤矿产业的快速发展，导致井下的开采深度加大，从而出现了温度高、湿度大的矿井热害问题。针对这一情况国内外的专家学者进行了大量的研究，周西华[1]对矿井回采工作面内温度的分布情况进行的模拟研究，得出采煤机附近风流温度的变化情况；高建良[2]对井下掘进巷道的风流进行了数值模拟，阐述了风流温湿度的分布情况；Sasaki K[3]对矿井内气候的环境进行了预测分析；高建良[4]对井下潮湿巷道风流温湿度的计算方法进行了研究，得出风流温湿度和巷道通风距离的关系；张晓明[5]对煤矿井下产生的热害问题进行了分析，并推算出干巷道中风流温度的计算公式；张小康[6]对煤矿井下通风系统中气候的温度进行了实时的预测分析；李丽峰[7]针对不同的潮湿环境的巷道中热环境进行了的解算分析，得出其变化规律。然而以上的研究成果并没有对巷道壁面的湿度系数进行准确的考虑，所模拟计算的结果也存在一定的误差。

本研究在前人研究成果的基础上，针对确定出的巷道壁面湿度系数，通过研发的矿井风流温湿度模拟软件，对矿井内不同情况的风流温湿度的变化规律进一步作出了详细的说明，并成功地应用到实际矿井中，从而为工作人员能够舒适地在地下空间进行采掘活动提供必要的科学依据以及现场指导。

1　矿井风流温湿度数学模型

1.1　建模条件

把矿井巷道都看作为圆形巷道，岩体内热传导及其内部温度都均匀进行，排除热辐射的影响，井巷壁面的热湿交换条件一致。

1.2　风流温度计算模型

根据傅里叶定律可以得出风流温度在矿井围岩内部以及潮湿巷道壁面上的数学模型。

（1）围岩内部温度计算。

式中，θ是岩层温度，℃；t为通风时间，s；α为热扩散系数，m2/s；r为巷道半径，m；Z为井巷轴向长度，m。

（2）潮湿井巷壁面温度计算。

1.3　壁面湿度系数的确定

根据以上数学模型可得出井巷壁面的湿度系数为：

式中，φ为壁面湿度系数；β为物质交换比，根据刘易斯定律[8]，知β=α/（ρaCPa），ρa是空气密度，kg/m3；CPa是比热容，J（/m3·℃）；为井巷壁面为饱和温度时的绝对湿度；为矿井风流为饱和温度时的绝对湿度；j为矿井风流在j时刻的绝对湿度。

1.4　井巷风流温湿度计算

结合式（1）～式（3），并采用差分法可求得井巷风流温湿度的计算公式：

式中，Γ为温度上升系数，Π为温度上升梯度；Θj、Θj-1为矿井风流在j与j-1时刻的温度，℃；j-1为矿井风流在j-1时刻的绝对湿度；θwj为巷道围岩壁在j时刻的温度，℃；Q为井巷内风量，m3/s；ω为入风流倾角，（°）；Wj为井巷壁面水分在j时刻上的蒸发速度，m/s；U为巷道周长，m；g为重力加速度，m/s2；Z为巷道长度，m。

2　井巷壁面潮湿模型

根据高温高湿矿井巷道壁面的潮湿情况，现提出均匀潮湿和条带潮湿巷道壁两种型式。

（1）巷道壁均匀潮湿。该情况指的是井巷壁面的湿度系数是恒定的，当壁面湿度系数的取值范围是0到1，表明其潮湿程度均匀分布，当其为0时表明巷道壁属于干燥情况，当其为1时表明巷道壁完全潮湿。

（2）巷道壁条带潮湿。条带潮湿指的是井巷壁面分别由完全干燥部分和完全潮湿部分组成。把井巷壁面划分成多个条带部分，当完全潮湿部分条带长为ΔLw，而每个条带部分的长度为Ls，则壁面湿度系数定义为前者与后者的比值。均匀潮湿和条带潮湿分布图见图1所示。

3　巷道风流温湿度软件的开发及解算模拟

3.1　软件的开发

根据以上数学模型以及提出的壁面潮湿模型，采用VB语言结合有限差分的方式，利用均匀潮湿模型编制出井巷风流温湿度模拟软件，其运行界面以及运行过程如图2、3所示。

由图3可知，输入矿井风流温湿度的基础参数，根据矿井实际的通风时间，利用该软件进行有限次的迭代计算可得出风流温湿度的预测情况。

3.2　矿井风流温湿度解算模拟

3.2.1不同壁面湿度情况下的温度预测

图4指的是矿井入风流温度分别为0～30℃，而其通风时长分别为1个月、1 a以及5 a，且矿井入风口的风流的相对湿度为0.8，井巷壁面的湿度系数分别为0.3和0.8时的温度变化情况。

根据图4可以看出，在矿井通风时间较短时，矿井内风流的温度随着通风距离的增加而增高，主要是由于矿井刚通风时，岩体内部温度高，在热传导以及对流换热的影响下传递到矿井内，使温度上升较快。当壁面湿度系数在0.3～0.8之间变动时，根据预测情况可以看出壁面湿度系数越大井巷内的风流温度增高的幅度反而降低，这主要是由于湿度系数较大的壁面会导致壁面和风流的热湿交换量下降。

3.2.2不同壁面湿度情况下的湿度预测

图5指的是矿井入风流温度分别为0～30℃，而其通风时长分别为1个月、1a以及5a，且矿井入风口的风流的相对湿度为0.8，井巷壁面的湿度系数分别为0.3和0.8时的湿度变化情况。

由图5可知，当井巷壁面湿度系数较大时，随着入风流温度的增大，井巷内风流的湿度在初期快速增高，当矿井通风时间越来越长后，井巷内风流的湿度将会接近于饱和，从而致使湿度上升的幅度减慢。

3.2.3不同入风倾角下的温湿度预测

图6指的是矿井风流由斜井到立井变化下入，而其通风时长分别为1个月、1 a以及5 a，且矿井入风口的风流的相对湿度为0.8，井巷壁面的湿度系数分别为0.3和0.8时的温湿度变化情况。

由图6可知，当壁面的湿度系数不同时，在入风斜井中，空气受压体积缩小温湿度升高，而在回风斜井中，岩体内部温度下降且在空气体积膨胀的影响下，风流的饱和绝对湿度将会下降，而在此时会导致矿井风流内部的水蒸气达到饱和，在温度下降时其会凝结为常见的小水滴。

4　工程实践

通过地质资料和实地勘测可知，贺西矿中的回采、准备和开拓巷道热害问题相对突出，并对这几个区域巷道进行了风流温湿度的测量。最后利用开发的软件对贺西矿进行了预测计算，图7～图9是对贺西煤矿回采、准备以及开拓巷道中风流温湿度的实测和预测情况的对比。

4.1　回采巷道内风流温湿度

图7表示的是贺西煤矿回采巷道中风流温湿度的变化情况。

由图7（a）可以看出，回采巷道中温度的实测和预测结果基本一致，因为实际矿井是在局部壁面出现潮湿情况，因此温度值由上下幅度变化的情况，而模拟是根据均匀潮湿情况预测的，因此呈现出平滑的变化情况。

由图7（b）可知，回采巷道中湿度会随着巷道通风距离的增长而下降。而测试出的湿度的上下变化说明壁面湿度分布不均匀。但总体预测和实测结果相吻合，可以满足实际的需求。

4.2　准备巷道和开拓巷道内风流温湿度

图8～9表明的是准备巷道与开拓巷道内温湿度实测与预测对比图。

由图8～9看出其结果基本相符。但是由于矿井内部会受到很多地质条件等不可控因素的影响，实测与预测的结果不可避免地存在误差，但是总体的结果能够满足对井下风流温湿度预测的定位。

5　结论

（1）根据矿井风流温湿度数学模型，在实际计算中考虑风流水分蒸发的基础上确定出巷道壁面湿度系数的计算方法。

（2）提出了巷道壁均匀潮湿与条带潮湿模型，并对其进行了分析说明，并且在实际应用中可以用均匀潮湿情况来计算分析。

（3）开发出矿井风流温湿度模拟软件，并且对井下不同壁面的湿度系数以及不同巷道倾角情况下的温湿度进行了解算说明。

（4）将开发出的模拟软件应用于具有高温高湿的贺西矿的回采、准备和开拓巷道内，通过实测和预测计算可知其变化规律基本一致，且误差较小，验证了此软件可以应用于工程实践，可为热害矿井采取降温措施奠定基础。