（安全技术及工程专业论文）基于CFD技术的矿井空调舒适度的数值模拟研究.pdf

a b s t r a c t a c c o r d i n gt op r i n c i p l eo fc o n s e r v a t i ，am a t h e m a t i c a lm e c h a n i ce q u a t i o n o f h e a te x c h 蛐g ei na i r n o wt u r b l l l e n ti nm i n ei ss e tu pi nt h ep 印e lk - ee q u a t i o n 蛆d c l o s e de q u a t i o n ss e ta ”a d o p t e d ，a n dt h es a m et i m e a p f o c e s s i n gm e t h o do fa l lk i n d s o fe d g ec o n d i t i o n si sa d v a n c e d t h ep o r o s i t yf a c t o r i si n t r o d u c e d t h ed i f f b r e n t i a l e q u a t i i ss o l v e db ym e 蛆so fs i m p l ea l g o r i t h m t h eg e r a l c f dp r o g r 哪 p h o e n i c s 蛐dt e c p l o ta 阳u s e d t h ev e l o c i t ) ，f i e l d ，t h et e m p e 姐t l l r ef i e l d 缸dt l l e r e l a t i v eh 啪i d i t yf i e l d 伽e r i c a ls i m u l a t i o nr e s p e “i v e l y t h ev 缸i e t yf e g u l a t i o f t h ea b o v e m e n t i o n e dp a r 锄e t e ra r ea n a l y z e d 柚dg o t t e n i l lt h er e s e 盯c h ，t h e 肌m e r i c a lm e t h o dw h i c hc 矾聆a c ht h ee f f e c t i v et e m p e f a t u r e i si n f e r r e d ，锄du s e dt h ee f f e c t i v et e m p e r a t u r et om e a s u r et h em i n 盱“e n v i r o i 皿e n t ， m a k et h es t 孤d 雏do fm i n e m le n v i r o 蛐e n tr a t i a l i z em o 他 k e yw o r d s ：t u r b u l e n tm o d e l ；m a t h e m a t i c a lm e c h a n i ce q u a t i o n ；r e l 砒i v eh u m i d i t y f i e l d ；e 虢c t i v et e m p e r a 仉r e 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1引言 5 0 至6 0 年代，国内外一些深熟矿井的热环境问题日趋严重，到7 0 年代 矿井热害更加突出，随着当今世界采矿机械化程度的提高，生产集中，开采 强度增大，特别是矿井开采深度不断增加，地温也随之不断升高，出现了愈 来愈严重的高温热害问题。高温高湿的井下气候环境，严重地危害了矿工的 身体健康，引发各种疾病，降低劳动生产率，作业事故率上升，危及安全生 产，甚至使采矿工作被迫停止。矿井热害已成为煤矿井下威胁矿井安全生产 的六大灾害之一。 采矿工业进入二十一世纪，有越来越多的矿井进入深部开采，矿井高温 热害问题会越来越突出，将会给煤矿的安全生产构成严重的威胁。因此，高 温矿井降温技术的研究与试验，已成为当前世界采矿工业中亟待解决的问 题，也是采矿科技工作者一项重要而迫切的任务。矿井高温热害治理的相关 理论与技术的研究，是深部采矿的技术难题之一，也是摆在矿业科技工作者 面前的一项重要任务。对此，世界各国都在进行深入的研究与探索【l 】 到目前为止，矿山安全技术的研究人员和管理人员对矿井开采过程中的 高温问题的认识和处理还是依靠经验为主。许多高温矿井还没有安设空调降 温装置或采取降温措施，因而不能用定量化的方法清楚地认识和预测开采范 围内的地温及作业空间内的气温分布状况，以便采取更为有效的技术措施， 预防和处理高温热害的发生。随着采矿工业的不断发展，高温热害问题将会 越来越严重，因此仅仅依靠经验的方法处理高温问题是远远不够的，必须运 用科学的理论和方法，深刻认识和掌握井下高温热源与风流之间的热量交换 及传递和温度在风流中的分布等内在的规律，采用科学的定量化的方法和有 效的技术措施来预防和处理高温热害事故的发生。 井巷风流流速较大，巷道空间窄小，壁面相对粗糙度大，风流一般都处 于紊流状态【2 1 。井巷空间几何结构不规则，风流流动和热量传递及分布过程 是一个场问题，给采用定量化方法研究矿内风流温度的分布带来很大困难。 科学技术的飞速发展和电子计算机的广泛应用，为解决复杂结构系统的工程 技术问题找到了一条新的途径。在流体力学、计算数学、传热传质学和燃烧 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 学研究领域，一种新的实验方法计算机模拟实验已成为研究和分析流体 流动、传熟传质和燃烧问题的有效方法，通过建立数学模型、确定参数的计 算方法，并利用现场测试和实验室试验结果优化参数，通过数值计算实现对 实际过程的模拟和预测。矿内风流紊流流动时，风流与矿井的各种热源发生 热量交换，风流流场与温度场相互耦合，风速与温度分布问题的数值模拟和 预测研究目前尚未开展。 1 1高温矿井概述 1 1 1高温矿井热害 世界上矿井热害最严重的是南非金矿、德国煤矿和苏联煤矿【3 1 。世界矿 井采深最深的是南非金矿，开采深度已超过3o o o 米，最深达38 9 2 米，原 岩温度达3 6 5 8 ，最高的普列登斯汀矿达6 3 德国煤矿是世界煤矿业 开采最深的，1 9 9 3 年平均采深已达9 3 0 米，最深的依本比伦矿采深己达l5 3 0 米，矿井岩温平均达4 3 ，最高达6 0 。前苏联的煤矿平均采深6 5 0 米， 许多矿井采深已达12 0 0 l4 0 0 米，彼德罗夫煤矿采深达i2 0 0 米，岩温4 5 5 0 ，最高达5 2 比利时有5 对高温矿井平均采深l4 0 0 米，平均原岩温 度5 1 。法国东北部的矿井平均采深lo o o l3 0 0 米，岩温4 5 5 5 英 国近十多年来，有l l 对矿井采深超过l0 0 0 米，原岩温度超过4 0 波兰 煤矿平均采深5 7 5 米，原岩温度3 0 4 3 5 在亚洲，以日本、中国和印度 的矿井高温比较突出。日本的赤平煤矿采深3 5 0 6 9 3 米，原岩温度3 5 5 2 。 印度的两个高温矿井平均采深25 0 0 3o o o 米，原岩温度5 7 6 6 【4 】【5 1 。 我国煤矿数量多，超过世界上其他主要采煤国家的煤矿总数。 随着我国采矿工业的发展，我国煤矿也出现了高温热害1 9 7 5 年，我国 有2 4 对矿井出现了不同程度的热害我国煤矿平均开采深度正以每年1 5 米 的速度增加，“八五”期间我国新建矿井采深超过lo o o 米的有l o 多对，按我 国平均地温梯度o 0 3 5 m 计算，矿井围岩温度每年增加o 5 ，千米深井岩 温在3 5 以上【6 】开采深度的增加和机械化程度的提高，使我国高温矿井的 数目越来越多，热害程度日益增大1 9 8 8 年全国普查结果表明已有6 5 对矿 井出现了高温热害问题，1 9 9 1 年增至6 7 对，其中采掘面气温超过3 0 的有 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 3 8 对【1 1 。1 9 9 9 年，7 0 处大中型生产井工煤矿的采掘工作面最高气温超过煤 矿安全规程的要求，其中2 6 处超过3 0 ，最高达到3 7 。1 9 9 6 年2 0 0 3 年，有的矿井热害越来越严重，并伴有热水( 3 9 4 3 ) 涌出根据2 0 0 5 年6 月2 2 日国家发改委公布的煤矿瓦斯治理与利用总体方案，到2 0 0 4 年底，仅4 5 户安全重点监控企业中就有3 3 对高温矿井。随着采矿工业的发 展，开采深度增加，我国高温矿井数目还会不断增加，高温热害问题会更加 突出。 我国矿井热害等级评估的基本依据是并下围岩原始温度。我国煤炭资 源地质勘探地温测量若干规定中明确指出：原始岩温高于3 l 的地区为一 级热害区，原始岩温高于3 7 的地区为二级热害区【们。我国的煤矿安全规 程规定“采掘工作面的空气温度不得超过2 6 ；机电峒室的空气温度不得 超过3 0 “。矿井空气温度超过“规程”规定即为高温矿井【。因此可以认为： 井下空气温度超过3 0 即为高温矿井。 高温高湿的井下气候环境，严重威胁矿工的身体健康和煤矿安全生产， 直接影响矿井生产效率。因此，矿井高温热害治理的相关理论与技术的研究， 是深部采矿的技术难题之一，也是摆在矿业科技工作者面前的项重要任 务对此，世界各国都在进行深入的研究与探索。 1 1 2国内外高温矿井降温措施 矿井高温热害的出现，严重地影响了采矿工业的发展，世界各高温矿井 的国家早在7 0 年前便开始了高温矿井降温技术的研究1 9 1 9 年南非就开始 了矿井风流热力学规律的研究【6 。1 9 1 5 年在巴西的莫劳约里赫金矿建立了 世界上第一个矿井空调系统，在地面建立了集中制冷站。英国是世界上最早 在井下实施空调技术的国家，1 9 2 3 年英国的彭德尔顿煤矿第一个在采区安设 制冷机，冷却采面风流【6 】德国最早于1 9 2 4 年在拉德劳德( r a d l o d ) 煤矿的 地面安设一台冷冻机，井下最早是1 9 5 3 年在洛伯尔格矿安装大型风流冷却 设备1 1 【们。巴西莫罗维罗( m o r r ov e l n o ) 矿和南非的鲁滨逊深井于三十年代 采用集中冷却井筒入风流的方法降温，南非六十年代便开始了大型矿井集中 式空调。苏联、日本等国矿井七十年代开始应用制冷降温。现在，国外矿井 空调规模越来越大，发展迅猛。目前世界上矿井空调规模最大的当属南非金 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 矿，全国4 4 对矿井都安装了降温用的冷冻机，1 9 8 8 年总制冷能力已超过 5 0 0 m w ，平均每个矿井超过1 i 4 m w 【们。德国共有3 2 对矿井，已有2 8 对矿 井采用空调降温，1 9 8 6 年总制冷能力达2 9 1 4 m w ，1 9 9 3 年9 月为2 5 6 m w f ，】 我国矿井降温研究工作始于五十年代初，1 9 5 4 年抚顺煤科分院对抚顺煤 矿高温问题进行了科学研究【5 】【们六十年代在淮南九龙岗矿采用小型制冷设 备进行矿井降温，取得较好的降温效果七十年代在北票台吉矿、湖南7 l l 矿也进行了降温试点【4 】。八十年代初在新汶局孙村矿建立了我国第一个井下 集中制冷站，1 9 9 0 年又在平顶山八矿建立了第二个井下集中降温系统，开展 综合性降温技术研究1 j 【4 】【6 】。1 9 9 3 年7 月，平顶山矿务局科研所和原中国航 ， 空工业总公司第6 0 9 研究所联合研制成k k l l o l 矿用无氟空气制冷机1 9 9 5 年，山东矿业学院陈平等提出用压气引射器和制冷机结合进行矿井空调。在 此之前，我国采用的制冷设备主要是以氟里昂和氨为制冷剂的冷水机组。到 2 0 0 4 年底。4 5 户安全重点监控企业的3 3 对高温矿井中，只有淮南潘一、潘 三和平顶山五矿安装了移动或固定式制冷机，最大装机容量2 0 0 0 k w 。资兴 周源山矿装备了一台r c u 8 0 s c 制冷机组，正在进行局部降温试验山东新 汶矿区使用了一套德国进口的制冷降温设备。 1 2国内外高温矿井理论的发展与不足 1 2 1国外高温矿井降温理论研究的发展 据文献记载，最早研究矿并高温问题是1 7 4 0 年在法国b e l f o f t 附近的矿 山进行的地温测定【1 0 l f l 十八世纪末，英国开始系统地进行井巷围岩温度的观测，得出地温随着 深度的增加而升高。 十九世纪初，许多国家开始了高温矿井降温技术的研究。1 9 1 5 年巴西 m o r r ov e l n o 金矿首次把空调器应用于井下，在地面建立了集中制冷站。1 9 1 9 年南非也开始了矿井风流热力学规律的研究。 二十年代，矿内热环境问题的最初理论开始形成1 9 2 3 年德国的h e i s e d r e k o p t 假定巷道壁面温度为稳定周期变化条件下，解析了围岩内部稳定的 周期变化，提出了调热圈等概念，这是研究矿内热环境问题的最初理论【”】 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 同年，英国的彭德尔顿煤矿第一个在采区安设制冷机，冷却采面风流。1 9 2 4 年西德在r a d l o d 煤矿井下9 5 8 米深处建立了集中制冷站，南非也在2 0 世纪 2 0 年代开展了矿井降温工作 三、四十年代，矿井风温预测计算理论开始发展1 9 3 9 1 9 4 1 年间，南 、 非的b i c c a r dj a p p e 发表了深井风温预测等四篇论文，提出了风温计算的 基本想法，这是近代风温预测计算的雏形【13 1 。 五十年代，矿井风温计算理论进一步发展。1 9 5 1 年英国的v a nh e e r d e n ， 日本的平松，1 9 5 2 年德国的k 6 n i g 、日本的天野等人结合平巷围岩与风流热 交换，在理想化条件下提出围岩调热圈温度场的理论解，与传热学领域中 1 9 3 9 年英国c a r s l a w 等人用拉普拉斯变换得出的理论解是一致的。1 9 5 3 年苏 联i l i e p 6 a h i 提出较精确的不稳定换热系数和调热圈温度场的计算方法，同 年，在洛伯尔格矿井下最早安装大型风流冷却设备1 9 5 5 年平松良雄又提出 围岩与风流组成体系的传热方程式随时间变化的风流温度的近似计算法【l ” 六十年代，逐步应用计算机技术进行风温预测计算。1 9 6 1 年苏联的 b o p o a e b 、1 9 6 6 年德国的n o t t r o t 等人用数值计算法描述调热圈温度场。矿 内热环境测试技术也进入实用阶段，如1 9 6 4 年德国的m n c k e 用圆板状试块 测定稳态导热的岩石导热系数；1 9 6 7 年s h e r 豫t 对现场一段巷道强制加热， 实测围岩中的温度分布，从实测值与理论计算值对比中求出热常数【”】。同年 南非的s t a r f i e l d 等人充分论述了潮湿、有质交换条件下的热交换规律【1 6 1 。 七十年代，矿内热环境工程的系统专著逐渐问世，形成了完整的学科体 系如1 9 7 4 年平松良雄的通风学f 17 1 。1 9 7 7 年i i i e p 6 a h _ 的矿井热环 境调节指南1 9 7 1 年德国的j v o p 相继提出一整套采掘工作面风温的计 算方法【2 卵；1 9 7 5 年美国的j m c g u a i d 系统地提出了控制矿内热环境的各种 技术对策【15 1 ；1 9 7 7 年保加利亚的s h c h e r b a n 等对掘进工作面的风温计算作了 较详尽的论述【1 6 1 。 八十年代，许多国家如美国、苏联、德国、南非、日本、捷克、匈牙利、 波兰和保加利亚等国，都争相进行该学科的研究工作从各国发表的文献看， 侧重于对关键系数的研究，如风流与围岩问的不稳定热交换系数、湿热比、 当量热导率及湿度系数进行了观测、统计，并提出计算图表在风温预测上， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一 6 1 9 8 0 年日本的内野用差分法求得不同巷道形状、岩性条件下的调热圈温度 场，并提出了考虑入风温度变化、有水影响条件下的风温计算方法【1 】1 1 9 ； 1 9 8 3 年南非的s t a r f i e l d 等又提出更为精确的不稳定传热系数的计算公式； 1 9 8 5 年日本的天野【2 0 1 提出较为完整的矿内热环境工程设计的程序数学模型 现在，国外矿井空调规模越来越大，发展迅猛。目前世界上矿井空调规 模最大的当属南非金矿，全国4 4 对矿井都安装了降温用的冷冻机。 1 2 2国内对高温矿井降温理论的研究 五十年代初我国开始了对矿内热环境的初步研究，开展了地温考察和气 象参数的观测。1 9 5 4 年抚顺煤科分院对抚顺煤矿高温问题进行了科学研究。 六十年代初开始采用小型制冷设备进行矿井降温。我国一些起步较早的 矿山安全技术工作者，在认真学习国外经验的同时，结合我国实际情况，逐 步探索矿内热环境的理论和技术，取得了可喜的进展。在淮南九龙岗矿采用 小型制冷设备进行矿井降温，取得较好的降温效果。 七十年代，在北票台吉矿、湖南7 l l 矿也进行了降温试点。煤炭部在 1 9 7 5 1 9 7 8 年间，分别召开过五次地温和降温工作技术座谈会，1 9 7 6 年以 来，煤炭部在中国科学院地质研究所、冶金部马鞍山钢铁设计院、煤炭科学 研究院抚顺研究所等单位协助下对许多高温矿井矿内风流的热力状态有计 划地进行了系统的观测，用数理统计方法，提出了风温预测的数学模型。1 9 7 6 年杨德源提出了矿内风流热力计算方法。7 0 年代末，井下生产环境的计算机 模拟与预测技术在我国有较大的发展【2 2 1 八十年代初在新汶局孙村矿建立了我国第一个井下集中制冷站，我国的 矿山地热的研究工作得到了迸一步的发展到八十年代末，国内外对矿井风 温的预测精度均达到1 5 的高水平。 九十年代，在平顶山八矿建立了第二个井下集中降温系统，开展综合性 降温技术研究。但我国高温矿井制冷降温规模小，发展速度慢，大型集中式 空调系统中的许多问题仍亟待解决【2 3 1 。 1 2 3 矿井空调研究的主要内容 高温矿井降温技术的研究，主要是研究降低矿井内风流温度的各项技术 措施，研究矿井内风流的温度、湿度、风速、粉尘等因素对矿工的身体健康 辽宁工程技术大学硕士学位论文! 和劳动能力的影响及所采取的技术对策。主要有以下研究内容【1 l ： ( 1 ) 矿井地温资料的研究：矿井地温研究分析矿井高温的原因，确定 矿井恒温带深度、温度，计算地温梯度，评价矿井地温条件，预测地温趋势， 划分矿井地温类型，提供地热资料，绘制各种地温图件测定岩石的原岩温 度和岩石的热物理性质参数 ( 2 ) 围岩与风流热交换的研究；围岩散热因素主要有：风流与岩石之 间的温度差，巷道横截面积，原岩温度，空气的干湿状态，岩石本身的热物 理特性，岩石的潮湿程度，岩石的揭露时间，风速大小，岩石被揭露后冷却 达到稳定过程的时间和对岩石内部温度的影响。 ( 3 ) 湿度：矿井湿度与风速有关，空气湿度增加的速率由热源、风速 和风流的潮湿程度决定。空气中含湿量增加，导致湿球温度增高，使等效温 度变差高温环境下，空气湿度会影响降温效果虽然矿井空气中水蒸气含 量仅占o 5 2 ，但它对矿井气候却起者决定性的影响【l j ( 4 ) 煤氧化和机电设备散热过程及其与空气热交换过程。 ( 5 ) 矿内风流熟力状态预测：预测目的：预测出新矿井新水平投产 前，矿内不同地点的风流参数；预测出不采用人工制冷措旌，又要维持安全 规程规定的采掘气候标准时，矿井可能开采的深度；预测采用人工冷却风流 时所必须的冷量；确定高温矿井的供风标准和合理的通风系统。预测方法： 目前各国预测矿井岩温与空温的方法很多，主要有：经验法：简单实用，易 于掌握，但因条件差异所受局限性较大；数理统计法：有一定科学依据，最 能反映现场实际条件，提出的公式往往比较简单，更接近实际，但工作量较 大，也有一定的局限性；模拟巷道法：简化了现场测定的艰苦条件，缩短了 试验周期，并使一些现场中无法实现的参数条件典型化，可随意改变，直观 性强，计算精度较高，但受实测巷道的基础资料制约较大；数学分析法：是 根据热力学和流体力学某些定律与矿井具体条件推导出来的，有较充足的理 论依据，因而具有较强的科学性和普遍意义，这一方法用起来比较方便、灵 活，尤其是用计算机解算更易于推广目前，国际上影响较大的数学分析法 有三种：苏联的谢尔班法【2 4 1 、德国的福斯法【2 5 1 和日本的平松良雄法【2 们 如何经济、有效、持续地将矿内工作地点的气候条件控制在安全规程规定的 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 范围内，以达到矿井空调的最终目的。 1 2 4 存在的问题 计算风流沿井巷流动时的热力状态变化是一个十分复杂的课题。这是因 为井巷风流热交换是随时间变化的，岩层和岩温是各向异性的目前，国内 外矿井降温学者在分析和求解风流与围岩问不稳定热交换问题时，通常采用 许多简化的条件：如假设岩层是均质的、各向同性的，风流沿井巷流动是稳 定的等等在简化条件的基础上，用理论分析法，建立数学模型，逐段地或 按平均风流温度和平均围岩温度求解在无限大岩体和在岩体内无限长空心 圆柱体中流动的风流之间的不稳定热交换问题，从而求出在不同条件下，巷 道风流的热湿参数 由于井巷空间几何结构不规则，煤矿井下高温的主要地点风速变化大， 且存在局部旋涡，多数有内部高温热源，其速度和温度分布是不均匀的。因 此为了研究井巷风流中高温形成原因、流动状况、影响因素和运动，必须用 场分析的方法，通过建立矿内风流与热源进行热量交换的数学力学方程，把 热量传递与井巷风流流动和风流结构统一起来进行研究，把理论研究、现场 测试和计算机数值模拟结合起来，才能实现对矿内风流流动中的热量传递和 温度分布进行定量化的研究。 另外，目前国内的有关空气调节研究都是以千球温度作为标准来衡量矿 井气候舒适度的，并没有过多的考虑湿交换。无法衡量人的舒适程度，因此， 应该考虑温度，湿度和风速对人的综合感觉 1 3本文的理论意义和实用价值 ( 1 ) 理论意义 本文把流体力学、空气动力学、传热传质学、热力学和数值模拟方法引 用到矿井降温中来，通过对矿井风流流动和热力过程的数值模拟与计算，研 究风流中的热量传递过程和湿交换的过程，得出井下风流速度、温度和湿度 的分布规律。并且采用上述三者合作用的等效温度来评定井下的气候条件， 并首次提出用数值方法来求解等效温度，更准确的反映井下气候环境的舒适 程度，这对采矿、建筑、冶金、化工等工业的空调降温具有广泛而重要的现 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 实指导意义。 ( 2 ) 实用价值 煤炭在国民经济中占有举足轻重的地位。随着矿井开采深度的增加，高 温热害问题越来越突出在进行深部开采的矿区，改善矿井气候有着十分重 要的实用价值。首先在安全上，特别是在很高的气候值条件下，人体会出现 以系列生理功能的反常，若等效温度超过3 2 ，将对矿工的健康甚至整个生 命产生危险；其次在经济上，研究风速与温度分布的关系，创造出作业人员 最为适宜的气候条件和最舒适的作业环境，最大限度地发挥人的积极性，提 高劳动效率。若等效温度高于2 5 2 8 ，会使人感到不舒适，从而降低劳动 生产率，增大事故率，影响安全生产和降低工作效率。 1 4 本文研究内容 ( 1 ) 在等效温度图中按照不同的风速测量多组数据，并多次运用m a t l a b 一次拟合与二次拟合，得出等效温度与干球温度，湿球温度和风速的变化规 律，从而推导出数值求解等效温度的方法，并以此作为后一阶段衡量舒适度 的标准。 ( 2 ) 从紊流状态下的组分质量守僵、动量守恒和能量守恒等基本原理 出发，对矿井采掘空间的热源与风流之间的热量交换、热湿交换过程和温度 分布规律进行理论分析。 ( 3 ) 现场实测采掘空间的风流流动和温度、湿度等各种参数的分布。 并对井下作业空间各种参数进行数值模拟 t ( 4 ) 预测井巷气候条件的风速、温度、湿度和等效温度等参数的分布， 寻求其变化规律，指出应采用等效温度作为衡量矿井环境舒适度的标准。 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 0 2等效温度的提出及其数值解法 2 1 衡量矿井气候条件的指标 矿井气候：矿井空气的温度、湿度和流速三个参数的综合作用。这三个 参数也称为矿芳气候条件的三要素。 矿井气候条件的三要素是影响人体热平衡的主要因素。空气温度对人体 对流散热起着主要作用；相对湿度影响人体蒸发散热的效果；风速影响人体 的对流散热和蒸发散热的效果。对流换燕强度随风速而增大同时湿交换效 果也随风速增大而加强。如有风的天气，凉衣服干得快。 2 1 1 干球温度 干球温度是我国现行的评价矿井气候条件的指标之一干球温度可使用 干湿球温度计或近似的使用普通温度计测量。在湿度及风速近似于常数时， 特别在相对湿度驴很小时，干球温度是很好的气候标准，因而在钾盐矿井中 被用来确定气候界限的法定值。我国现行评价矿井气候条件的指标是干球温 度2 0 0 5 年我国规定，矿井空气最高容许干球温度为2 8 。 于球温度比较简单，使用方便。但这个指标只反映了气温对矿井气候条 件的影响，而没有反映出气候条件对人体热平衡的综合作用。 2 1 2 湿球温度 湿球温度是指同等焓值空气状态下，空气中水蒸汽达到饱和时的空气温 度，在空气焓湿图上是由空气状态点沿等焓线下降至l o o 相对湿度线上， 对应点的干球温度。湿球温度是用渗湿的、通气性良好的、带辐射保护装置 的干湿球温度计测量的值对于相对湿度很高的矿井，尤其是在风速变化比 较小时，这是一个十分必要的度量标准由于这个原因，南非的金矿将湿球 温度作为气候标准 湿球温度是可以反映空气温度和相对湿度对人体热平衡的影响，比干球 温度要合理些。但这个指标仍没有反映风速对人体热平衡的影响 2 1 3 卡他度 最早的指标是1 9 1 4 年由l e o n a r dh i s s 爵士提出的，以大温包温度计的热 损失量为基础。卡他温度计由一根长为4 0 m m ，直径为2 0 m m 的圆柱形大温 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l l 包的酒精玻璃温度计组成温度计杆上有3 8 和3 5 两条标线，使用时将 温度计加热到酒精柱高于3 8 这一刻度。然后将其挂于流动空气中，测量酒 精柱从3 8 下降到3 5 所需的时问根据这一时间和每一温度计所配有的 校正系数，即可计算环境的“冷却能力”。2 0 世纪3 0 年代进行的大量实验 都采用卡他温度计，它综合了平均辐射温度、空气温度、空气流速的影响【2 7 1 。 卡他度分为干卡他度和湿卡他度。千卡他度：反映了气温和风速对气候 条件的影响，但没有反映空气湿度的影响。湿卡他度是在卡他计贮液球上包 裹上一层湿纱布时测得的卡他度，其测量和计算方法完全与千卡他度相同。 2 1 4 等效温度 在早期的美国空调工程中，人们迫切想知道湿度对舒适的影响方面的可 靠资料。这一问题以及其他一些问题促使了美国采暖通风工程师协会新建了 一个实验室。该实验室于1 9 1 9 年在匹茨堡开始工作，而等效温度指标便是 它的首批研究课题之一，并由此产生了这一指标。 等效温度用风速为o m s ，相对湿度l o o 的条件下使人产生某种热感觉 的温度，来代表不同风速、不同相对湿度、不同温度下使人产生同一的热感 觉1 0 】【2 引。如果上述3 个因素的任何组合得出同样的热感觉，则均是同一个 等效温度该指标综合考虑了干球温度、湿球温度和风速3 个因素的影响。 等效温度的确定，一般是利用等效温度图( 如图2 一1 ) 干球温度和湿球 温度的连线与等风速线的交点，即为等效温度【2 。但这种查图法不适用于计 算机快速自动求解，而且容易产生误差 为此，本文利用数值方法求解等效温度 2 2 等效温度求解数值方法3 0 i 2 2 1求解方法 本文以等效温度图中的干、湿球温度 为坐标，测量出等风速线的各点坐标值， 分别拟合出干、湿球温度连线方程和等风 速线方程，再求解二者交点，即确定了该 状态空气在等效温度图中的位置点。将等 图2 1等效温度图 加 3 5 3 0 篝 薹 2 5 1 5 i o p 、斟癌暂巾 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 2 效温度等值线近似看作是一系列等距离的平行线，以此平行线为纵坐标轴， 垂线为横轴，则横坐标轴的数值即为等效温度值，此坐标即为等效温度坐标。 将干、湿球温度坐标中确定的状态点的坐标值转换为等效温度坐标值，即可 求出等效温度值。 2 2 2 数据提取与拟合 2 2 2 1等风速线数据提取与拟合 按照等效温度图，取干球温度坐标轴o 为坐标原点，干球温度坐标o 与湿球温度坐标o 连线为x 轴，千球温度坐标轴为y 轴( 见图2 2 ) ，分别 将图中网格每个交叉点的坐标值量出，按照等效温度由小到大的顺序，分别 对v = 3m ，s 、2 5m ，s 、2m ，s 、1 5m s 、1m ，s 、o 8m s 、0 6m s 、o 4m ，s 、 o 2m s 、om s 的l o 条曲线测出数据，则每条曲线取2 3 个点2 3 对数据如 v = 3 m s 时： x = 【3 8 7 0 5 6 74 6 6 0 1 7 9 5 3 4 8 5 5 66 0 8 8 2 3 56 8 0 2 1 67 4 8 6 9 4 48 1 2 0 9 9 9 8 7 6 0 1 49 4 2 5 8 9 6l o 0 5 2 0 91 0 6 9 2 9 0 91 1 3 5 3 5 5 61 2 0 4 8 5 9 21 2 7 5 9 7 8 3 1 3 4 6 1 3 51 4 1 6 8 l1 31 4 9 4 9 5 6 41 6 6 3 3 3 0 41 5 8 1 5 8 3 41 7 4 4 9 2 6 l1 8 2 4 3 2 8 6 1 9 0 1 7 6 0 51 9 7 8 1 4 6 】； y = 【2 4 8 2 8 7 4 2 2 5 4 8 7 1 4 22 6 0 3 1 2 62 6 6 5 8 5 7 72 7 2 5 2 3 0 42 7 8 5 1 1 6 2 8 4 0 8 6 6 l2 8 9 4 6 2 52 9 5 2 2 6 4 83 0 0 4 3 9 1 63 0 5 6 8 1 0 73 1 1 1 9 7 6 l3 1 6 5 9 2 7 7 3 2 2 5 4 4 8 9 3 2 7 9 2 0 5 7 3 3 2 9 6 0 8 63 3 8 6 3 4 6 8 3 5 0 5 5 2 2 5 3 4 4 9 3 2 8 7 3 5 5 7 7 9 9 4 3 6 0 6 2 1 73 6 5 3 4 2 7 53 7 】 由等效温度图，按照等风速线将这1 0 条曲线的数据分为2 组。 ( 1 ) 1 ，= l 3 m s 运用正交化方法对这1 0 组离散数据做多项式最小二乘拟合【2 钉，得出拟 合公式为： y = 4 2 x 2 + 口l 工+ 口o ( 2 1 ) 则1 ，= 3m s 、2 5m ，s 、2m ，s 、1 5m s 、1m ，s 时拟合公式的系数矩阵为： 一0 0 0 8 2 1 0 5 5 2 1 9 3 8 4 5 一o 0 0 7 l 1 1 2 1 9 1 7 6 6 2 4 0 0 0 4 8 1 1 9 0 7 1 5 4 3 0 4 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一! ! 再分别将矩阵的每一行与相应的风速进行多项式最小二乘拟合，将上述 拟合公式合并即可得v = 3 l m s 时的拟合公式为： y = ( 0 o 0 0 3 v 2 一o 0 0 4 4 v + o o 0 0 6 ) 善2 + ( o 0 3 4 7 1 ，2 一o 2 8 7 8 1 ，+ 1 5 5 4 1 ) 工 + ( o 8 l o o ，2 + 7 3 3 9 9 v + 6 1 9 1 0 ) ( 2 - 2 ) 取v = 2m s ，用拟合式( 2 2 ) 求解数据，与原始测量数据比较，得平方 误差为占2 = o 1 5 87 8 9 ，拟合较好 ( 2 ) 1 ， l m s 这组数据用二次项拟合后其系数不规律，改用一次项拟合，即栉= 1 ，有； 】，= 6 l 工+ 6 0 ( 2 - 3 ) 则| i ，= o 8m s 、o 6m s 、0 4m s 、o 2m s 、om s 时拟合公式的系数矩 阵为： i1 2 1 1 6 1 2 9 8 91 3 9 0 61 5 7 3 7 2 2 0 9 0 l - l 1 1 3 2 4 7 7 1 1 4 8 0 19 5 6 1 45 9 2 2 3 6 7 6 2 0 i 再分别将矩阵的每行与相应风速拟合，即可得1 ， 1m s 时的拟合公式； y = ( 2 2 5 2 6 3 v 2 4 0 7 2 1 4 v - 6 7 1 2 9 如+ 1 1 3 7 5 ，2 2 0 4 5 2 v + 2 2 0 7 7 ( 2 4 ) 2 2 2 2 千、湿球温度连线的方程 设干球温度为f g ，湿球温度为“( g 兰f 。) ，可得干湿球温度连线( 见图2 - 2 ) 的方程为： y = f l 一番( 2 5 ) 式( 2 5 ) 与式( 2 2 ) 或式( 2 4 ) 联立方程组的解即为干、湿球温度连 线与等风速线的交点坐标 2 2 3 等效温度坐标轴及转换 将等效温度图中等效温度线近似看作一组等距平行线，取与其垂直的直 线为x o 轴，向左下方延长至零点为原点d o ( 见图2 3 ) ，则等效温度线即为 一组平行于蜘轴的直线，则图中任一点在j o 轴上的坐标值即为等效温度值 经过推导，此坐标系与图2 2 中工缈坐标系的转换公式为： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 - ，l 嘞= 竺【o 一力c o s 口+ o ，一6 ) s i n 明 行 ( 2 6 ) i = 里【( y 一6 ) c p o 一口) s i n 印 l刀 式中：舶为善缈坐标系中单位干、湿球温度在等效温度图( 图2 1 ) 中的实际长 度；打为x o d o 坐标系中单位等效温度在等效温度图( 图2 1 ) 中的实际长度； ( 4 ，6 ) 为d o 点在j 缈轴中的坐标；p 为善。轴和工轴的夹角。 厶 d 矿 q 图2 2干湿球温度连线圈2 3两组坐标系 将等效温度图中实际测量的埘、刀、口、6 、口值代入式( 2 6 ) ，得： y = 3 lm s 时， r 商棚1 2 跏s 3 4 9 3 、旷1 8 2 9 7 5 船蛉m 4 9 3 一( 2 - ” 【2 石j i i 彖两 o ，一1 8 2 9 7 5 8 8 ) c o s 3 4 9 3 。一o + 7 3 7 1 2 5 ) s i n 3 4 9 3 。】 v lm s 时， 卜2 志阱”2 讹- ) 删s 船+ ，石卯6 ) s i n s s 8 3 ”( 2 8 ) | = 面皂【( y 一1 7 6 0 7 9 7 6 ) c 憾3 5 8 3 一o + 8 3 2 6 4 2 1 ) s m 3 5 8 3 。】 2 3等效温度计算程序 根据等效温度的数值求解方法，编制等效温度求解的m a t l a b 程序为： v = 3 l m s 时： s y m s t g t sv ； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ! ! a = o o 0 0 3 v 2 - o 0 0 4 4 。v + o o 0 0 6 ： b = o 0 1 6 7 v 2 - o 0 8 2 1 v + t g 2 3 4 - t s ，2 3 4 + 1 3 9 2 l ； c = o 8 l o o v 2 + 7 3 3 9 9 v - t g + 6 1 9 l o ； x = ( - b + ( b 2 - 4 幸a c ) ( 1 ，2 ) ) ，( 2 a ) ； y = t g - ( t g ，2 3 4 - t s ，2 3 4 ) 幸x ； x o = ( i o 8 7 2 8 8 8 ) ( ( x + 7 3 7 2 1 5 4 ) c o s ( 3 4 9 3 2 p i 3 6 0 ) + ( y 1 8 2 9 8 8 8 2 ) s i n ( 3 4 9 3 2 p i 3 6 0 ) ) ； v l m ，s 时： s y m s t g t sv ； x = 一( - 2 2 5 2 6 3 、l 2 + 4 0 7 2 1 4 v 一6 7 1 2 9 一t g ) ( 1 1 3 7 5 v 2 - 2 0 4 5 2 v + 2 2 0 7 7 + t g 2 3 4 - t s 2 3 4 ) ； y = t g - ( t g ，2 3 4 一t s ，2 3 4 ) x ； x o = ( i o 9 2 ) ( ( x + 8 3 2 6 4 2 1 ) c o s ( 3 5 8 3 2 p i 3 6 0 ) + ( y 1 7 6 0 7 9 7 6 ) s i n ( 3 5 8 3 2 p i 3 6 0 ) ) ； 最后可利用置换指令( r e s = s u b s ( e s ，o l d ，n e w ) ) 代入实测数据进行符号 常数置换，从而求出相应的等效温度。 2 4数值求解等效温度的验证实例 为验证上述m a t l a b 算法【3 1 儿3 2 1 是否准确，利用某矿回采工作面的实测数 据进行验算，见表2 1 数值计算结果误差小于l ，说明此算法准确可靠。 综上，用计算机求解等效温度方便快捷，而且其准确性是其他算法不能 相比的。本文后几章均用此法求解等效温度，为了方便求解还编制了计算空 气状态参数的小程序，其界面如图2 4 。其中求解饱和水蒸汽分压力采用的 是联合国世界气象组织( w m o ) 推荐的戈夫格雷奇( g o f f - g r a t c h ) 公式， 详情可参见文献【3 3 】。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 表2 1等效温度验证计算数据 风速干球温湿球温测量等效计算等效温绝对误差相对误差 慨目，m - s 1 度v 度温度 度i 刊 胀 l 组 2 组 3 组 4 组 5 组 6 组 7 组 8 组 9 组 2 7 3 2 4 2 2 6 8 2 5 4 2 5 8 3 0 8 2 4 8 2 7 1 3 2 8 2 5 4 2 2 6 2 5 2 2 4 2 2 5 2 2 9 6 2 3 2 2 6 1 3 1 9 2 6 1 2 0 9 2 3 o 2 1 o 2 1 3 2 6 ，8 1 6 7 1 9 4 2 8 5 2 6 0 1 2 9 2 0 8 4 3 7 2 3 伽3 2 1 0 6 l l 2 1 1 8 韶 2 6 9 3 6 9 1 6 8 0 4 8 1 9 4 3 2 2 2 8 3 3 4 l o 0 8 7 l o 0 5 6 3 o 0 6 0 3 o 0 6 l l o 1 1 1 7 0 1 3 6 9 o 1 0 4 8 o 0 3 2 2 0 1 6 5 9 o 3 3 3 7 o 2 6 9 4 0 2 6 ，1 2 o 2 9 l o 0 5 2 4 4 o 5 1 0 8 o 6 2 7 5 o 1 6 6 0 o 5 8 2 1 圈2 4空气状态参数计算程序 o瞄m”加”3 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 3 矿内风流热湿交换量 3 1散热与散湿 矿井热害是由于矿内各种热源的放热作用所引起的，矿内主要热源有： 地面大气状况的影响、风流的自压缩、围岩散热、机电设备散热、煤岩运输 中的散热、热水散热、氧化热和炸药爆破热、管道表面散热、自然发火和人 员散热等等。据统计，在这些热源中，围岩散热占5 7 ，机电设备散热占 1 5 2 0 ，氧化热占1 2 ，自压缩热占9 。可见，井下围岩放热、机电设 备散热是造成矿内风流温度升高的最主要的热源【5 】【1 们。 由于采煤机在割煤时，需要喷雾降尘这是井下主要的湿源，而潮湿的 围岩壁，也是影响井下湿度的重要因素。 3 1 1 矿井围岩表面放热 3 1 1 1 围岩原始温度的测算 围岩原始温度是指井巷周围未被通风冷却的原始岩层温度。在许多深矿 井中，围岩原始温度高，往往是造成矿井高温的主要原因。 由于在地表大气和大地热流场的共同作用下，岩层原始温度沿垂直方向 上大致可划分为三个层带在地表浅部由于受地表大气的影响，岩层原始温 度随地表大气温度的变化而星周期性地变化，这一层带称为变温带。随着深 度的增加，岩层原始温度受地