赵楼煤矿7302工作面热源分布特征

陈 虎，简俊常，张 震，刘 顺

（1.兖矿菏泽能化有限公司，山东 菏泽 274705；
2.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西 西安 710054）

受深部开采影响，矿井高温热害问题愈加严重[1]。据相关数据统计，我国现存近150对高温矿井，其中大约40%的矿井中采掘工作面受到了不同程度的热害威胁，山东、江苏等东部部分矿井开采深度大于800 m，是现阶段热害影响最为严重的矿井[2,3]。井下热源散热是导致热害产生的重要因素，目前，已有许多学者对高温矿井的热源分布特征展开了研究。易欣等[4]通过对工作面通风路线的热环境参数进行测试，分析了济三煤矿的热源分布特征。王长彬[5]通过理论分析对高家堡煤矿的热源散热量进行计算，建立了风温预测模型。胡金钟等[6]通过建立热交换数学模型分析了梁北矿采煤工作面的热源分布特征。李学杰[7]运用热量计算理论对布尔台煤矿主要热源散热量进行了分析，确定了各热源所占的比例。聂凤祥等[8]通过现场实测对潘西矿采煤工作面高温热源及风温变化规律进行了分析。

位于巨野矿区的赵楼煤矿处于正常地温梯度为背景的高温区。随着开采加深，赵楼煤矿综放工作面温度夏季高温热害问题严重[9]。高温高湿的热环境不仅制约矿井生产效率，还严重威胁井下工人的身心健康。本文以赵楼煤矿7302工作面为研究对象，通过现场实测及理论计算，对风流焓值变化规律及热源分布特征进行研究，为7302工作面制定合理的降温方案提供理论依据。

赵楼煤矿7302工作面南邻7304工作面，东距七采区辅运巷220 m，西部及北部邻近五采区与七采区边界。7302工作面开采煤层为3煤层，属Ⅱ类自燃煤层，煤层构造发育区应力集中，原始岩温在37°～42℃之间，处于二级热害区域。7302工作面长为295 m，采高平均为3.5 m，轨道与运输顺槽断面均为梯形，底板宽为5.8 m，顶板宽为4.8 m，平均高度为3.9 m。工作面采用“U”型通风，有效平均通风断面积为17.5 m2，配风量为2 200 m3/min。目前7302工作面处于正常回采时期，工作面热害程度严重，夏季高温时回风流温度最高已超过37℃，极大影响工人的热舒适度。

赵楼煤矿7302工作面的热环境受工作面各热源的放热作用影响，主要有相对热源与绝对热源。其中，相对热源包括围岩散热、煤与矸石运输散热、热水涌出散热、采空区漏风散热等；
绝对热源包括机电设备散热、氧化散热和人员散热等。各热源的计算方法如下。

2.1 相对热源

2.1.1 围岩散热

高温矿井地温梯度大，原始岩温较高，围岩内部的热量通过热传导的方式传递给壁面。当风流流经巷道时，由于围岩壁与风流之间存在温差，所以热量通过对流的方式又传递给风流，风流将热量带到工作面。采煤工作面开采时间久，顺槽距离长，围岩散热面积大，因此围岩与风流换热成为影响采煤工作面热环境的主要因素。围岩散热量可由下式计算：

式中：U为巷道周长，m；
L为巷道长度，m；
tw为围岩原始岩温，℃；
tf为风流平均温度，℃；
Kτ为围岩与风流的不稳定换热系数，W/（m2·℃），表示当巷道围岩与风流相差1℃时，单位时间内每平方米壁面与风流的换热量，可由下式求出：

式中：λ为煤岩导热系数，W/（m·℃）；
α为热扩散系数，m2/s；
τ为通风时间，s；
b为通风时间系数，当τ＜1 a时，b=0.27，当τ＞1 a时，b=4；
hc为对流换热系数，W/（m2·℃）；
Fo为傅里叶准则数，反映了非稳态导热过程的无因次时间，Fo=ατ/r2，其中r为巷道水力半径，m。

2.1.2 煤与矸石运输散热

在采煤工作面的连续生产期间，煤与矸石产量大，开采后呈破碎状态且温度较高，对经过的风流起到加热作用。在工作面和运输巷道长距离的运输过程中，煤与矸石表面与风流不断进行热交换，对当前热环境也有一定影响。其散热量可由下式求出：

式中：m为煤与矸石的运输量，kg/s；
cm为涌水平均比热，kJ/（kg·℃）；
Δt为煤与矸石在运输中被冷却的温度，℃，在运输量较大时可由下式近似计算：

式中：L为运输距离，m；
tr为运输过程中煤与矸石的平均温度，℃；
tf为运输巷中风流的平均湿球温度，℃。

2.1.3 热水涌出散热

矿井地层中存在高于空气温度的地下水，在巷道或工作面地表涌出后温度较高，热水在流动过程中不断蒸发释放大量热量，与风流进行热湿交换。当涌水任意流淌时，其散热量计算公式如下：

式中：Mw为涌水量，kg/s；
c为平均比热，kJ/（kg·℃）；
ts为平均水温，℃；
th为巷道出口水温，℃。

2.1.4 采空区漏风散热

漏入采空区的风流与冒落的高温岩石和遗煤氧化不断进行热交换，携带大量热量形成采空区热风，经漏风通道又流出到工作面上，使得工作面温度升高。采空区漏风散热是一个不稳定的热源，采空区热风涌出的热量可通过单元法测得[10]。将工作面划分为若干个单元，图1为其中一个单元，对每个单元中的漏风量、风流状态参数进行实测，并通过平衡方程组进行解算。

图1 工作面单元划分图

式中：Vin、Vout为流入和流出单元的风量，kg/s；
Vc为采空区的漏风量，kg/s；
Qc为流入和流出采空区风流的热量，kW；
ic为漏入采空区风流的焓值，kJ/kg。

2.2 绝对热源

2.2.1 机电设备散热

随着矿井机械化、智能化程度的提高，采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机等机电设备数量增加，这些机电设备额定功率高，散热面积大，在工作面运行时会将部分电能转化为热能散发到当前热环境中，使得工作地点温度升高。其散热量计算公式如下：

式中：Ψ为散热量折算系数；
Nm为设备额定功率，kW。

2.2.2 氧化散热

采煤工作面中的煤炭、粉尘等其他有机物存在自身氧化放热过程，这种散热过程十分复杂，其散热量可由下式近似求出：

式中：q0为当量氧化散热系数，即折算到风速为1 m/s时的氧化放热量，kW/m2，工作面内一般取值0.007 5～0.008 5 kW/m2；
F为煤壁氧化面积，m2；
W为平均风速，m/s。

2.2.3 人体散热

井下工人在工作时自身也会释放一些热量，这部分热量对热环境影响较小，可由下式近似求出：

式中：k为工人同时工作时的系数，一般取0.5～0.7；
n为当前工作面的人数；
q为人均散热量，kW。

在7302工作面通风路线布置测点对其热力参数进行测定，测点布置路线如下：距工作面进风口800 m→距工作面进风口400 m→工作面进风口→工作130号支架→工作90号支架→工作50号支架→工作10号支架→工作面出风口→距工作面出风口500 m。测点布置如图2所示。

测量结果见表1，根据表1数据绘制出各测点热力参数的曲线变化图，如图3所示。

图2 7302工作面测点布置图

表1 7302工作面热力参数测量表

图3 各测点热力参数变化曲线图

由图3（a）可知，沿测点布置路线上的空气干球温度和湿球温度呈上升趋势。在轨道顺槽中，空气温度上升缓慢；
进入工作面后，温度上升明显，从进风口到出风口，温度上升了8℃左右，回风隅角的温度上升到了36.5℃，这是由于工作面内机械设备增多，煤壁裸露散热面积大，采空区热风涌入等对风流起到了加热作用；
在运输顺槽中，温度又有所下降。由图3（b）可知，焓值的变化趋势与温度变化相近，风流流经工作面采区区段后焓值大幅增加，表明井下热源主要集中在7302工作面采区区段，且热源散热量较大。

将7302工作面划分为3个区段，分段进行热源计算，研究热源分布特征。

4.1 第一区段

轨顺入口至工作面进风口。

1）主要热源：围岩散热、热水涌出散热。

2）物理参数：第一区段巷道长度1 617 m；
巷道周长18.66 m；
围岩原始岩温为42℃；
巷道内平均风温为27.7℃；
围岩与风流的不稳定换热系数为0.875 W/（m2·℃）。区段巷道内涌水量为6.94 kg/s；
涌水的比热取4.187 kJ/（kg·℃），涌水平均水温与巷道出口平均水温的差值约为5℃。

3）热量计算：

4.2 第二区段工作面

1）主要热源：围岩散热、机电设备散热、氧化散热、人员散热、采空区漏风散热。

2）物理参数：工作面长度295 m；
工作面周长17 m；
工作面平均风温32.2℃。工作面中机电设备的额定功率：采煤机为2 240 kW，刮板输送机为2 400 kW。煤壁的氧化面积为1 620 m2；
工作面内的平均风速为1.5 m/s。采面上工人数定为10人，人均散热量为0.275 kW。

3）热量计算：

4.3 第三区段

回风隅角至运顺出口。

1）主要热源：围岩散热、机电设备散热、煤与矸石运输散热。

2）物理参数：第三区段巷道长度1 570 m；
巷道周长18.66 m；
巷道内平均风温为34.5℃。运输巷道中机电设备的额定功率：转载机350 kW，破碎机250 kW。运输巷中煤与矸石的运输量为53.83 kg/s；
运输中煤与矸石的平均比热为1.25 kJ/（kg·℃）；
假设煤与矸石在巷道运输中冷却了1.4℃。3）热量计算：

根据各区段热源计算结果，绘制7302工作面热源散热量分布情况表和工作面热源分布示意图，如表2和图4所示。

表2 7302工作面热源散热量分布情况表

由表2可知，对7302工作面热环境影响最大的2个热源是围岩散热和采空区热风，散热量分别约为612.80 kW和300 kW，约占总热量的42.73%和20.92%；
其次是机电设备散热和热水涌出散热，约占总热量的18.27%和10.13%，同时煤与矸石运输散热、氧化散热等也对工作面热环境有一定影响。

图4 7302工作面热源分布示意图

由图4可知，工作面采区区段作为热源的集中区域，散热量大于两侧顺槽。在轨道顺槽中，围岩散热和热水涌出散热是主要的热源，对进风流温度影响较大，进风风流与高温围岩及热水进行热湿交换，携带大量热量，风流将热量带到工作面上，使工作面温度升高。在工作面区段，机电设备散热和采空区热风涌出是主要的热源，机电设备由于额定功率大，运行时表面温度高，对流经的风流起到了一定加热作用；
而采空区热风涌出主要集中在工作面三分之二之后到回风隅角的区段，在此区段内工作面漏风通道增加，热风从通道流出将热量带到工作面，并随工作面风流流动的方向积聚到回风隅角处，使回风隅角温度大大增加。在运输顺槽中，围岩散热和煤与矸石运输散热是主要的热源，对顺槽内的风流温度变化起到重要作用。

赵楼煤矿7302工作面热害程度严重，对工作面的热力参数进行现场测定，研究了其热源分布特征，主要研究结论如下：

1）从7302工作面进风口到出风口，温度上升了8℃左右，回风隅角的温度上升到了36.5℃，风流流经工作面采区区段后焓值大幅增加。

2）对7302工作面热环境影响最大的2个热源是围岩散热和采空区热风，散热量分别约为612.80 kW和300 kW，约占总热量的42.73%和20.92%；
其次是机电设备散热和热水涌出散热，约占总热量的18.27%和10.13%。

3）7302工作面采区区段是热源的集中区域，散热量大于两侧顺槽；
在工作面区段，机电设备散热和采空区热风涌出是主要的热源，热源总散热量约为594.86 kW。

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