井巷围岩与风流间温湿交换理论模型及应用-矿业114网 
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井巷围岩与风流间温湿交换理论模型及应用
2008-10-15
结合金洲矿业集团金青顶矿区的实际情况,对井巷围岩与风流间温湿交换建立了数学模型,通过与 现场实测结果比较分析,数值模拟的入风流温度分布与实测数据非常接近,在深度和水平方向上的变化较为明显, 反映了实际岩层预冷降温系统中入风流在废弃斜井中的变化情况,揭示了井巷围岩与风流间的热交换规律,证明 了所建立的预测模型在地温预冷分析方面的可行性并应用于通风系统的实际设计之中。
Series No. 388 Octoberꢀ 2008 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 20总08第年 第38810期 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ METAL MINE 井巷围岩与风流间温湿交换理论模型及应用 1 , 3 1 2 1 王 ꢀ 波 ꢀ 陈 宝 智 ꢀ 陈 喜 山 ꢀ 李 元 辉 ( 1. 东 北 大 学 ; 2. 青 岛 理 工 大 学 ; 3. 山 东 黄 金 集 团 有 限 公 司 ) 摘 ꢀ 要 ꢀ 结 合 金 洲 矿 业 集 团 金 青 顶 矿 区 的 实 际 情 况 , 对 井 巷 围 岩 与 风 流 间 温 湿 交 换 建 立 了 数 学 模 型 , 通 过 与 现 场 实 测 结 果 比 较 分 析 , 数 值 模 拟 的 入 风 流 温 度 分 布 与 实 测 数 据 非 常 接 近 , 在 深 度 和 水 平 方 向 上 的 变 化 较 为 明 显 , 反 映 了 实 际 岩 层 预 冷 降 温 系 统 中 入 风 流 在 废 弃 斜 井 中 的 变 化 情 况 , 揭 示 了 井 巷 围 岩 与 风 流 间 的 热 交 换 规 律 , 证 明 了 所 建 立 的 预 测 模 型 在 地 温 预 冷 分 析 方 面 的 可 行 性 并 应 用 于 通 风 系 统 的 实 际 设 计 之 中 。 关 键 词 ꢀ 岩 层 温 度 ꢀ 数 学 模 型 ꢀ 温 湿 交 换 Mathematic Model for the heat and Moisture Transfer Between Wall Rock and Airflow and Its Application 1 , 3 1 2 1 Wang Bo ꢀ Chen Baozhi ꢀ Chen Xishan ꢀ Li Yuanhui ( 1. Northeastern University; 2. Qingdao Technological University; Shandong Gold Group Co. , Ltd. ) Abstractꢀ In light of the reality of Jinqingding mining area of JinZhou Mining Group, a mathematical model for the heat and moisture transfer between wall rock and airflow was established. The comparison with the practically site - meas ured result shows that the incoming airflow temperature distribution obtained by the numerical simulation is very close to that practically measured, especially the change in depth and horizontal direction. It reflects the variation of the incoming air flow in a real stratum pre - cooling and temperature reducing system in an abandoned inclined shaft, discloses the law of heat exchange between wall rock and airflow, and proves the feasibility of the established prediction model in geotempera ture reducing analysis and in the real design of a ventilation system. Keywordsꢀ Rock stratum temperature, Mathematic model, Heat and moisture transfer ꢀ ꢀ 随 着 矿 井 开 采 深 度 的 增 加 和 采 掘 机 械 化 程 度 的 度 与 湿 度 间 变 化 相 关 关 系 进 行 分 析 。 为 了 便 于 研 究 , 做 如 下 基 本 假 设 : 不 断 提 高 , 深 井 高 温 热 害 已 经 成 为 制 约 地 下 矿 山 安 全 生 产 的 重 大 问 题 之 一 , 专 家 认 为 未 来 地 下 矿 山 的 极 限 开 采 深 度 将 取 决 于 矿 井 降 温 技 术 和 装 备 的 发 展 水 平 。 近 年 来 我 国 高 温 矿 井 的 数 目 日 益 增 多 , 而 且 热 害 程 度 日 趋 严 重 。 井 下 高 温 环 境 严 重 地 威 胁 着 矿 井 的 安 全 生 产 和 矿 工 的 身 心 健 康 , 而 且 还 降 低 了 工 人 的 劳 动 生 产 率 、 影 响 矿 山 企 业 的 经 济 效 益 , 可 见 , 调 节 和 改 善 矿 井 气 候 条 件 开 展 井 下 降 温 研 究 已 成 为 矿 井 安 全 生 产 中 的 一 个 重 要 课 题 。 本 文 结 合 金 青 顶 矿 区 的 实 际 情 况 , 运 用 传 热 学 理 论 , 建 立 矿 井 入 风 流 在 废 旧 井 巷 中 与 巷 道 壁 岩 层 的 温 湿 交 换 模 型 , 通 过 对 矿 山 井 下 的 地 温 状 况 进 行 测 定 , 验 证 和 修 正 理 论 结 果 , 分 析 井 下 不 同 埋 深 的 温 、 湿 度 随 地 表 气 温 变 化 的 规 律 。 ( 1) 巷 道 断 面 积 为 圆 形 ; ( 2) 围 岩 的 岩 性 为 各 向 同 性 ; ( 3) 巷 道 壁 岩 层 无 穷 远 处 的 温 度 为 原 始 岩 温 ; ( 4) 假 设 巷 道 壁 面 由 干 壁 ( tww ) 和 湿 壁 ( twd ) 两 部 分 组 成 。 1 . 1ꢀ 入 风 流 沿 水 平 巷 道 流 动 时 温 湿 平 衡 方 程 的 建 立 ( 1) 温 度 平 衡 方 程 的 建 立 。 假 设 在 一 段 长 为 ΔL 的 较 短 巷 道 内 , 井 巷 壁 面 温 度 t 沿 长 度 方 向 可 视 w 3 为 常 量 , 风 流 的 质 量 流 m = ρμs( ρ 为 密 度 , kg / m ; μ a - 1 2 为 风 速 , ms ; s 为 巷 道 截 面 积 , m ) , ΔL 巷 道 内 风 流 的 温 升 微 元 为 dt 。 那 么 根 据 能 量 平 衡 定 律 有 v 王 ꢀ 波 ( 1967— ) , 男 , 东 北 大 学 安 全 工 程 专 业 , 博 士 研 究 生 , 山 东 黄 金 集 团 有 限 公 司 , 高 级 工 程 师 , 110004 辽 宁 省 沈 阳 市 。 1 ꢀ 井 巷 表 面 与 入 风 流 间 温 湿 交 换 模 型 的 建 立 本 文 在 温 湿 交 换 理 论 的 基 础 上 , 对 矿 井 风 流 温 · 84· ꢀ ꢀ ꢀ 王 ꢀ 波 等 : 井 巷 围 岩 与 风 流 间 温 湿 交 换 理 论 模 型 及 应 用 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2008 年 第 10 期 ma · CP · dt = α· ( t - tv ) · v· dL, ( 1) 模 型 的 程 序 。 v 式 中 , C 为 风 流 的 定 压 比 热 ; α 为 对 流 换 热 系 数 ; t w 2ꢀ 井 温 分 布 规 律 和 入 风 流 温 湿 度 变 化 的 现 场 测 定 为 了 分 析 矿 井 入 风 流 进 入 井 下 时 风 流 与 岩 壁 间 的 温 湿 交 换 规 律 , 和 验 证 理 论 模 型 进 行 验 证 和 修 正 , 在 现 场 展 开 了 井 湿 测 量 工 作 , 位 置 选 取 上 利 用 废 旧 井 巷 设 计 出 了 2 条 通 路 作 为 入 风 流 岩 层 预 冷 和 测 试 路 径 , 如 图 1 所 示 。 原 矿 井 入 风 的 主 要 路 径 从 地 表 ( + 112 m 标 高 ) 开 始 经 入 风 副 井 、 入 风 盲 副 井 和 废 石 井 的 上 部 至 - 435 m 水 平 。 第 一 条 路 线 是 从 地 表 107 m 到 - 75 m 水 平 的 原 废 弃 竖 井 、 再 从 - 75 m 水 平 到 - 15 5 m 水 平 的 原 废 弃 斜 井 、 经 废 弃 斜 井 底 至 入 风 副 井 石 门 巷 出 口 处 废 弃 的 水 平 巷 道 。 其 编 号 为 : a - b - c - d - e。 第 二 条 路 线 是 从 地 表 + 107 m 到 - 75 m 水 平 的 原 废 弃 竖 井 ; 经 从 - 75 m 水 平 到 - P v 为 微 元 内 风 流 的 平 均 温 度 ; v 为 巷 道 周 长 。 ( 2) 湿 度 平 衡 方 程 的 建 立 。 仍 假 设 在 ΔL 巷 道 i-1 i v 内 , 进 出 口 风 流 含 湿 量 分 别 为 d 和 d , 巷 道 潮 湿 覆 v i v 盖 率 为 f, ΔL 巷 道 内 的 定 性 含 湿 量 d = ( d + m i-1 d ) / 2, 巷 道 湿 壁 部 分 的 边 界 层 含 湿 量 为 对 应 于 湿 v 壁 温 度 t ( ℃) 的 饱 和 含 湿 量 dw, ΔL 巷 道 内 风 流 的 ww 增 湿 微 元 为 d( d) , 那 么 根 据 质 量 平 衡 定 律 有 : m · d( d) = f· β · ( p - p ) · v· dL a p w v = f· β · ( p - p ) · v· dL, ( 2) d w v 式 中 , βp 为 按 压 力 计 算 的 换 湿 系 数 ; p 为 对 应 于 t w ww 的 饱 和 水 蒸 汽 压 力 ; p 为 微 元 内 的 平 均 水 蒸 汽 压 力 ; v d 为 微 元 内 风 流 的 平 均 含 湿 量 ; β 为 按 含 湿 量 计 算 v d 的 换 湿 系 数 。 对 ( 2) 式 积 分 , 整 理 后 可 得 : 1 55 m 水 平 的 原 废 弃 斜 井 ; 经 已 废 弃 的 盲 竖 井 上 口 i i-1 d = d - ( d - d ) exp( - f· β · v· ΔL / ma )  v w w v d 石 门 巷 , 从 废 弃 的 盲 竖 井 井 口 ( - 155 m 水 平 ) 到 井 底 ; 再 经 废 弃 的 平 巷 到 - 435 m 水 平 Ⅰ级 风 机 机 站 的 入 口 处 。 其 编 号 为 : a - b - c - d - f - g - h - i。 ( 3) 1 . 2ꢀ 壁 面 温 度 的 确 定 及 求 解 由 于 壁 面 温 度 是 决 定 风 流 温 度 与 湿 度 的 基 础 , 建 立 确 定 壁 面 温 度 的 数 学 模 型 尤 为 重 要 。 依 据 1. 1 节 中 的 基 本 假 设 , 根 据 能 量 平 衡 观 点 应 满 足 下 述 边 界 条 件 : q = λ  t( r, τ) | r = r = α[ t( r0 , τ) - tv ] + 0  r rw · βd · ( d - dv ) , ( 4) w 式 中 , q 为 热 流 密 度 ; α 为 岩 石 的 导 热 系 数 ; r0 为 井 巷 围 岩 的 当 量 半 径 ; t 为 通 风 时 间 ; r 为 水 的 汽 化 潜 热 。 w 1 . 3ꢀ 入 风 流 沿 竖 直 井 巷 温 湿 交 换 的 求 解 竖 直 入 风 井 巷 的 井 底 , 是 风 温 计 算 的 起 点 的 重 要 节 点 , 该 点 的 风 温 、 湿 度 , 关 系 到 整 个 矿 内 的 热 环 境 。 竖 直 入 风 井 巷 ( 如 竖 井 ) 的 温 湿 交 换 , 也 同 样 遵 循 能 量 守 恒 定 律 。 通 常 井 筒 上 、 下 风 速 变 化 不 大 , 根 据 热 平 衡 方 程 有 : 图 1ꢀ 入 风 流 预 冷 辅 助 通 风 路 径 及 测 点 布 置 ꢀ 矿 井 温 湿 交 换 数 学 模 型 在 矿 井 入 风 流 温 湿 交 换 3 G( i2 - i1 ) = ΔZG + Qy - Ql , ( 5) 中 的 模 拟 与 应 用 . 1ꢀ 矿 井 入 风 流 温 湿 交 换 模 型 在 深 度 方 向 上 的 模 拟 与 应 用 矿 井 入 风 流 随 着 深 度 的 增 加 变 化 较 为 复 杂 , 地 4 27 3 式 中 , G 为 入 风 流 的 质 量 流 量 ; Qy 为 井 壁 向 风 流 放 热 量 ; Q 为 淋 水 水 滴 表 面 蒸 发 时 空 气 吸 热 ; ΔZ 为 两 l 侧 点 之 间 的 高 差 ; i = 0. 24t + 597d ; i = 0. 24t + 1 1 1 2 2 温 的 分 布 规 律 各 不 相 同 , 对 入 风 流 的 温 度 的 影 响 较 大 。 本 文 重 点 对 处 在 不 同 深 度 的 入 风 流 的 温 度 变 化 趋 势 进 行 研 究 , 判 断 矿 井 入 风 流 温 湿 交 换 模 型 在 深 度 方 向 上 应 用 的 可 行 性 。 5 97d 。 2 通 过 上 述 分 析 的 井 巷 围 岩 与 风 流 之 间 的 温 湿 交 换 过 程 , 以 及 构 建 的 矿 井 入 风 流 温 度 和 湿 度 的 数 学 模 型 , 分 别 建 立 了 水 平 巷 道 和 竖 直 井 筒 的 风 流 温 湿 预 测 模 型 , 然 后 依 据 各 参 数 的 相 互 关 系 编 制 了 预 测 图 2、 3 分 别 为 一 、 二 号 路 线 入 风 风 流 的 温 度 随 · 85· 总 第 388 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2008 年 第 10 期 矿 井 深 度 的 变 化 曲 线 , 图 中 实 线 表 示 实 际 测 量 的 入 风 风 流 的 温 度 , 是 结 合 山 东 金 洲 矿 业 集 团 金 青 顶 矿 区 井 下 具 体 情 况 测 定 的 矿 井 风 流 的 温 度 ; 虚 线 表 示 计 算 机 程 序 模 拟 的 入 风 风 流 的 温 度 , 是 通 过 建 立 数 学 模 型 编 译 的 计 算 机 程 序 得 出 的 风 流 的 温 度 。 由 图 可 知 , 实 测 值 与 模 拟 值 的 变 化 趋 势 基 本 相 同 , 随 着 矿 井 的 深 度 的 不 断 延 伸 , 入 风 风 流 的 温 度 首 先 呈 下 降 趋 势 , 然 后 到 达 一 定 的 深 度 后 风 温 达 到 最 低 值 , 随 着 深 度 的 进 一 步 延 伸 , 入 风 风 流 的 温 度 呈 上 升 的 趋 势 。 模 拟 后 生 成 的 曲 线 的 变 化 趋 势 与 实 测 值 生 成 的 曲 线 变 化 趋 势 基 本 一 致 , 可 以 用 来 反 映 井 下 风 流 温 度 的 变 化 情 况 。 前 的 巷 道 内 风 流 温 度 的 变 化 一 致 , 模 拟 值 与 实 测 值 之 间 的 差 距 非 常 小 , 可 以 认 为 两 者 值 相 等 ; 水 平 长 度 超 过 325 m 以 后 , 2 条 曲 线 之 间 产 生 了 较 小 的 差 别 , 模 拟 数 值 略 高 于 实 测 值 , 这 主 要 是 因 为 通 过 废 弃 平 巷 的 这 部 分 入 风 流 在 平 巷 的 末 端 要 与 主 入 风 流 混 合 , 混 合 之 前 的 少 量 主 入 风 流 会 经 过 废 弃 平 巷 先 与 这 部 分 入 风 流 混 合 , 由 于 主 入 风 流 的 温 度 较 高 , 致 使 混 合 后 的 入 风 流 的 温 度 有 所 上 升 。 通 过 两 条 曲 线 的 对 比 可 以 看 出 , 它 们 的 总 体 变 化 趋 势 是 一 样 的 。 图 4ꢀ 一 号 线 入 风 风 流 温 度 随 水 平 巷 道 长 变 化 曲 线 ■ ○ - 实 测 值 ; - 虚 拟 值 图 2ꢀ 一 号 线 入 风 风 流 温 度 随 矿 井 深 度 的 变 化 曲 线 ■ ○ - 实 测 值 ; - 模 拟 值 图 5ꢀ 二 号 线 入 风 风 流 温 度 随 水 平 巷 道 长 变 化 曲 线 ■ ○ - 实 测 值 ; - 虚 拟 值 4 ꢀ 结 ꢀ 论 通 过 对 模 拟 值 和 实 测 值 进 行 了 比 较 , 证 明 了 井 图 3ꢀ 二 号 线 入 风 风 流 温 度 随 矿 井 深 度 的 变 化 曲 线 巷 围 岩 与 风 流 间 热 交 换 温 湿 预 测 模 型 在 实 际 地 温 预 冷 方 向 上 的 可 行 性 并 可 应 用 于 通 风 系 统 的 实 际 设 计 之 中 : ■ ○ - 实 测 值 ; - 模 拟 值 3 . 2ꢀ 矿 井 入 风 流 温 湿 交 换 模 型 在 水 平 方 向 上 的 模 拟 与 应 用 水 平 方 向 上 的 入 风 流 温 度 变 化 与 井 巷 围 岩 放 热 ( 1) 在 深 度 方 向 上 , 按 照 2 条 路 线 模 拟 出 来 的 入 风 流 的 温 度 与 实 测 数 据 非 常 接 近 , 模 型 较 好 地 反 映 了 入 风 流 随 地 况 变 化 的 趋 势 , 较 准 确 的 计 算 出 了 地 温 的 大 小 。 和 井 下 热 水 放 热 有 关 , 在 浅 层 的 废 弃 平 巷 , 入 风 流 温 度 低 于 岩 壁 温 度 , 沿 着 水 平 巷 道 流 动 的 入 风 流 的 温 度 逐 渐 降 低 , 巷 道 对 风 流 起 到 预 冷 的 作 用 ; 在 较 深 的 废 弃 平 巷 中 , 岩 壁 的 温 度 大 于 风 流 的 温 度 , 风 流 的 温 度 随 着 水 平 长 度 的 增 加 而 逐 渐 上 升 , 巷 道 对 风 流 起 到 预 热 作 用 。 ( 2) 在 水 平 方 向 上 , 温 湿 模 型 较 真 实 地 模 拟 出 了 井 巷 围 岩 与 风 流 间 热 交 换 规 律 , 利 用 模 型 绘 制 的 曲 线 与 实 测 值 构 成 的 曲 线 形 状 及 变 化 趋 势 较 为 接 近 , 能 够 较 好 地 反 映 水 平 巷 道 内 风 流 的 温 湿 变 化 规 律 。 图 4、 5 显 示 了 一 、 二 号 路 线 中 入 风 风 流 温 度 在 深 度 为 - 155 m( 标 高 ) 处 随 水 平 巷 道 长 的 变 化 曲 线 。 由 图 示 可 知 , 2 条 曲 线 在 水 平 长 度 为 325 m 之 ( 下 转 第 122 页 ) · 86·
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