深井高温工作面的围岩散热效应研究(2)

　　淮南某高温工作面位于西二采区-810 m水平，煤层平均厚度为3.6 m，煤层平均倾角为6°，工作面走向长度为1 200 m，倾向长度为120 m（见图2）。该高温工作面采用滚筒采煤机落煤，平均采煤高度3.5m。工作面两侧巷道宽4 m，高3 m，皮带运输机布置在进风运输巷内，工作面供电设备布置在回风轨道巷内，随工作面推进向外整体挪移。工作面所在采区地温梯度为3.2 ℃/m（钻孔资料），巷道围岩温度为36 ℃，湿度为96.0%。安装和试回采期间的实测表明，风流自进风巷道起点至末端的温度逐渐从24.2 ℃升高到26.4 ℃，工作面中央的温度为27.2 ℃，工作面末端的温度达到28.5 ℃，局部湿度增大为100%。工作面高温，给矿工身体健康和矿井安全生产带来极大危害。

　　2.2 风流温度场分布规律的数值模拟

　　1）数值计算模型。本文采用COMSOL Multiphysics数值计算软件对该高温工作面进行模拟仿真，分析工作面巷道围岩散热演化规律及巷道内风流温度、速度场分布规律，探索深井工作面高温热害形成机理。为了能对工作面巷道围岩与风流间的传热计算得以进行，假设巷道是开凿在均质、各向同性的岩层内，在巷道初掘进时，岩温等于该处的初始岩温；巷道通风后，巷壁温度发生了变化，继后便稳定在某一定值上。为了实现工作面温度场和速度场的宏观预测，采用稳态平面模型，并引入标准计算方程、标准壁面函数、能量方程[6]。考虑到模型的几何形状比较规则，采用结构化网格对其网格化，并进行局部网格加密。模拟设定入口风流温度为24 ℃，风速为1.8 m/s，风流出口边界为压力边界条件，围岩及煤层初始温度为36 ℃。同时，为了便于计算，将电机设备、风机、水泵看作一个整体热源，它们和风流之间进行对流换热，采空区看作固定热边界条件。

　　2）数值模拟结果。工作面与运输巷相交处温度场与速度场的分布如图3所示，由于巷道围岩温度较高，当风流进入运输巷后，风流与巷壁发生对流换热，但此时风流温度变化幅度不大；随着进风巷道的延伸，风流不断的被加热，在运输巷与工作面隅角处风流温度达到26.2 ℃，温度从巷壁处向外呈梯度变化。由于采空区冒落矸石的散热，在采空区附近，温度变化比较明显。同时，该处风流变化比较复杂，在工作面内侧出现回流，且该区域的紊流强度相对较大，内侧风流速度范围为0～0.5 m/s，外侧风流速度为1.9～2.1 m/s（大于入口处1.8 m/s的风流速度），而在采空区隅角区域，平均风流速度为0.2 m/s（局部风流速度为0），此区域平均风流速度为1.0 m/s。

　　由于几何形状类似，轨道巷与工作面隅角处的风流变化趋势同运输巷与工作面隅角处的变化趋势相同，仅位置的差异和大小的不同，该处温度达到28.1 ℃（见图4）。经过工作面后，风流温度增加了1.9 ℃；在轨道巷出口处，风流平均温度为30.3 ℃。这是由于随着风流沿着巷道走向的不断延伸，风流温度到达运输巷隅角前端的平均温度值为26.2 ℃，在轨道巷回风隅角处产生局部大涡流区，涡流风速变化在0～0.25 m/s之间，在隅角大涡流区内，靠近巷壁处的风速方向与巷道主风流方向相反，气流在涡流区内循环运动，由于风速相对较低和涡流内循环运动，使得热量不能很快地从涡流区迁移出来，使得风流温度相应成上升趋势，同时由于采空区矸石散热的影响，采空区附近的风流又被加热。因此，在轨道巷回风隅角处温度值急剧升高。同时，由于工作面布局的特殊原因，在工作面推进处，呈现较大范围的回流区，紊流强度较大，回流范围大约为15 m左右，涡流最大宽度为3.0 m，涡流中心大约在距轨道巷10 m处，毕业论文格式平均温度为28.1 ℃。与此回流区相对应处平均风速为0.8 m/s，与入口处1.8 m/s的速度相比较小，该隅角区域有大量的热流量滞留，使得风流温度升高；轨道巷内的风流在其出口处，速度为1.54 m/s，远小于入口处1.8 m/s的速度。

　　2.3 风流温度场分布规律的现场实测

　　采用干湿球温度计（最小刻度0.2 ℃）及多功能矿用数字测试仪（测量风速、湿度等），在工作面安装及试回采期间对工作面（每隔20 m布置一个测点）及两侧巷道（每隔150 m布置一个测点）内通风风流的温度、速度等物理量进行了现场实测，监测点布置情况如图2所示。

　　工作面及两侧巷道内风流的温度分布情况如图5所示，在运输巷风流入口处，风流温度为24.2 ℃，随着巷道的不断延伸，风流与围岩、机械设备等热源体交换热量，在运输巷与工作面相交处温度升高到26.4 ℃；风流到达工作面中央处温度升高到27.2 ℃，在工作面末端温度达到28.5 ℃（轨道巷与工作面相交处），湿度明显增大，局部湿度达到100%；由于受轨道巷内高功率机电设备的传热，当风流到达轨道巷出口时，风流温度为30.4 ℃，其间温度升高6.2 ℃。巷道内风流的温度随通风巷道的延伸整体呈增高趋势，实际测量结果与数值模拟结果基本一致，且在工作面与运输巷和轨道巷相交处出现温度的急剧增高，其主要原因是风流在这一区域产生回流，风流受阻以及采空区和围岩共同作用的原因使得隅角区域有大量的热流量滞留。

　　工作面及两侧巷道内风流的速度分布情况如图6所示，风流自运输巷入口以1.87 m/s的速度进入巷道后，由于受风阻的因素使得风流速度呈缓慢下降趋势，特别是在运输巷与工作面相交处，由于隅角回流区域效应，使得该处风流速度很小，平均为1.3 m/s；风流自进入工作面后，由于受工作面支架的影响，使得工作面局部风流速度异常，最大高达1.96 m/s；当风流到达工作面末端（轨道巷与工作面相交处）时，同样由于隅角区域回流效应，使得该处风流速度降低，平均为0.9 m/s；风流自工作面进入轨道巷时，由于机电设备等局部障碍物的影响因素，使得该区域风流速度值异常，迅速升高为2.12 m/s，远远大于入口处1.87 m/s的速度；轨道巷内的风流在经过机电设备等障碍物后，其风流速度呈平缓下降趋势，在轨道巷出口处为1.62 m/s，远小于入口处1.87 m/s的速度；风流速度在工作面及两侧的实际测量结果与数值模拟结果基本一致。

　　3 结论

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