高温矿井采煤工作面风温模拟与应用

张正开

（1、西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安710054 2、西安科技大学 西部矿井开采与灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安710054）

随着煤炭资源的开发，我国的浅部煤炭资源越来越少，大中型矿井平均开采深度超过500m，并且正以每年8～12m 的速度向下延伸，其中东部矿区以每年10～25m 的速度进入深部开采阶段[1-3]。矿井热害问题会随着煤矿开采深度的增加而加剧，据相关资料统计[4，5]，全球平均地温梯度约为3℃/100m，我国煤田百米地温梯度为2～4℃/100m。

当矿井开采到一定深度时，矿井高温热害问题难以避免。热害问题严重威胁到井下工人的生命健康和安全[6，7]，长期在高温环境中劳动的职工发病率高。采煤工作面热害是高温矿井热害最为严重的区域之一，亟待解决。通过模拟采煤工作面风温，可为工作面工程降温提供依据，对改善工作面热环境保障煤矿安全高效生产有重要意义。

1 需冷量计算公式

在采煤工作面采取制冷降温前，首先要选取合适的降温设备和降温方案，降温方案的选取需综合考虑采面降温条件，降温设备要与降温方案匹配，最主要的是降温设备制冷量需达到工作面需冷要求，因此采面需冷量是选择制冷设备的重要参数。对于生产矿井，一般采用（1）～（4）式所示的焓差法来计算采煤工作面需冷量：

式中，Q 为需冷量，kW；G 为风流的质量流量，kg/s；k 为考虑冷量损失和制冷系统安全性的富裕系数，取1.2；i1、i2分别为降温前后高温地点空气的焓值，kJ/kg；t 为空气的温度，℃；d 为空气的含湿量，kg/kg；φ 为空气的相对湿度，%；P 为空气的压力Pa；Ps为空气温度为t 时对应的饱和水蒸气分压，Pa。

2 采煤工作面风温模拟与应用

2.1 采煤不同进风温度下风温预测

采煤工作面的进风温度是影响采煤风温的主要因素。采面的制冷降温，一般是在进风巷布置降温设备，用风筒将冷风送到采面。因此，选取某高温矿井采煤工作面为原型，对不同进风温度下的采面风温模拟，预测采面降温后的热环境改善效果，工作面参数如表1 所示。

表1 采煤工作面技术参数

取采煤工作面热害最为严重时期的温度监测数据为例，采面进风温度为28℃。对进风温度为28℃进行模拟，图1 为模拟和实测风温曲线图，模拟温度与实测温度基本吻合。图2～3 是采煤工作面温度场的分布，可以得出，工作面前半段温度较低，风流对工作面降温效果较好；工作面后半段温度偏高，尤其在回风隅角处温度近31℃，热害问题严重。

图1 工作面沿线温度场分布

图2 工作面沿线温度场分布

图3 工作面进、回风侧温度场分布

模拟进风温度为20℃、24℃、26℃、28℃和30℃时工作面热环境改善情况。从图4 可以看出，工作面进风段降温效果明显，到距进风巷50m 左右时工作面风温开始急剧上升，到距进风巷120 左右工作面温度升高开始放缓降温效果不显著。当工作面进风温度达到30℃时工作面沿线风温整体略高于30℃，进风侧和回风测温度相差不大，这是因为进风温度与工作面煤岩温度已十分接近，风流几乎没有降温冷却能力。进风温度为26℃时，工作面平均温度为26.7℃；进风温度为24℃时，工作面平均温度能降低至25.5℃，已能有效改善工作面热害问题；进风温度为20℃时，工作面平均温度能降低至23.8℃。

图4 不同进风温度下工作面风温预测结果

2.2 应用

由上述分析可得，当进风温度为24℃时，可以有效改善工作面热害问题。进风温度为20℃时可以完全解决热害问题，但是成本高负担大难以实现。所以，采取进风为24℃，对工作面进行需冷量计算。采煤工作面的通风量为1900m3/min，取制冷降温前工作面进风温度为28℃、相对湿度85%；制冷降温后工作面进风温度24℃、相对湿度95%。现场测得工作面空气平均绝对静压为96635Pa，平均密度为1.09kg/m3。根据式（1）～（4）可得工作面需冷量为440kW，计算中求得的降温前后风流状态参数如

表2 所示。

3 结论

3.1 模拟了采面进风温度为28℃时的工作面温度场分布，模拟温度与实测温度基本吻合。

3.2 研究了采煤工作面不同进风温度下的采面温度分布，当工作面进风温度达到30℃时，进风温度与工作面煤岩温度已十分接近，风流几乎没有降温冷却能力。进风温度为24℃时，工作面平均温度能降低至25.5℃，已能有效改善工作面热害问题。

3.3 以采煤工作面进风温度24℃为该采煤制冷要求，利用需冷量计算公式，得出采面需冷量为440kW。