围岩对流换热热参数测算与工作面热环境预测1

1、2022-5-23河南理工大学河南理工大学安全科学与工程学院安全科学与工程学院高建良高建良 牛国庆牛国庆围岩对流换热热参数测算围岩对流换热热参数测算与工作面热环境预测与工作面热环境预测2022-5-231.1.矿山热害及其危害矿山热害及其危害2.2.围岩对流换热热参数测算围岩对流换热热参数测算3.3.掘进工作面热环境预测掘进工作面热环境预测4.4.热环境预测存在问题热环境预测存在问题1. 1. 矿山热害及其危害矿山热害及其危害 煤炭资源开发的日益加强煤炭资源开发的日益加强, , 矿井的矿井的开采深度开采深度不断增大。目前不断增大。目前, , 世界各主要采煤国家相继世界各主要采煤国家相继进入进入

2、深部开采深部开采, , 开采深度的逐步增加开采深度的逐步增加, , 地温地温也随之升高也随之升高。 德国和俄罗斯德国和俄罗斯的一些矿山开采深度己达的一些矿山开采深度己达140014001500m; 1500m; 德国德国伊本比伦煤矿采伊本比伦煤矿采深达深达15301530 m, m, 井底井底岩温可达岩温可达6060 加拿大加拿大超千米超千米的矿井有的矿井有3030 座座, , 美国美国有有1111 座座 南非南非金矿开采深度达金矿开采深度达38003800m,m,竖井井底己达竖井井底己达地地表以下表以下4146m4146m，原始岩温度达，原始岩温度达6363以上。以上。 日本菱刈金矿测得钻孔

3、孔底温度达日本菱刈金矿测得钻孔孔底温度达8282 羽丰铅锌矿岩石（矿体）温度羽丰铅锌矿岩石（矿体）温度130-160130-1601. 1. 矿山热害及其危害矿山热害及其危害 我国我国煤矿开采深度平均煤矿开采深度平均每年以每年以101030m30m 的速的速度增加度增加, , 最深达到最深达到1501m1501m，千米深井，千米深井4747对对。 统计资料表明统计资料表明, 我国已有我国已有140余对余对矿井出现了矿井出现了不同程度的热害问题不同程度的热害问题, 其中采掘工作面风温其中采掘工作面风温超过超过30的矿井已超过的矿井已超过60对对。1. 1. 矿山热害及其危害矿山热害及其危害井下井

4、下适宜温度适宜温度为为15152020 适宜相对湿度适宜相对湿度为为50%50%60%60%井下空气的相对湿度大多为井下空气的相对湿度大多为80%80%90%90%左右左右 总回风道和回风井内的相对湿度接近总回风道和回风井内的相对湿度接近100%100%。湿度大的原因：井巷湿度大的原因：井巷壁面水分壁面水分和和矿井水矿井水( (含生含生产用水产用水) ) 的的蒸发蒸发。 1. 1. 矿山热害及其危害矿山热害及其危害井下高湿对人体的危害井下高湿对人体的危害 高湿高湿是指：相对湿度是指：相对湿度80%80%。 炎热的季度炎热的季度, ,人日人日排汗量约为排汗量约为1 1升升 在高温矿井中从事在高温

5、矿井中从事繁的体力劳动繁的体力劳动时时, ,8 8小时小时内人内人的排汗量可达的排汗量可达8 81010升升 高湿的矿井作业高湿的矿井作业, ,严重影响矿工的身心健康。严重影响矿工的身心健康。 1. 1. 矿山热害及其危害矿山热害及其危害体温调节发生障碍体温调节发生障碍, ,表现为表现为体温和皮温升高体温和皮温升高盐、水代谢出现紊乱盐、水代谢出现紊乱, ,有机体的机能受影响有机体的机能受影响; ;神经系统、循环系统、消化系统和泌尿系统神经系统、循环系统、消化系统和泌尿系统等均会因高温下机体等均会因高温下机体大量失水大量失水 , ,改变正常的改变正常的功能功能 , ,甚至致病甚至致病产生热疲劳、

6、中暑、热衰竭、热虚脱、热痉产生热疲劳、中暑、热衰竭、热虚脱、热痉挛、热疹挛、热疹, ,甚至死亡甚至死亡1. 1. 矿山热害及其危害矿山热害及其危害 湖南省冷水江某矿调查统计表明湖南省冷水江某矿调查统计表明 , ,矿工长期在高矿工长期在高湿的矿井下作业湿的矿井下作业 , ,患风湿病、皮肤病、皮肤癌、心脏患风湿病、皮肤病、皮肤癌、心脏病的比例很高病的比例很高 风湿病风湿病的比例为的比例为186186人人/ /千人千人 心脏病心脏病的比例为的比例为7979人人/ /千人千人 皮肤病皮肤病的比例的比例121121人人/ /千人千人 皮肤癌皮肤癌的比例为的比例为4545人人/ /千人千人1. 1. 矿山

7、热害及其危害矿山热害及其危害中枢神经系统受到抑制，使注意力分散，降中枢神经系统受到抑制，使注意力分散，降低了动作的准确性和协调性。低了动作的准确性和协调性。1. 1. 矿山热害及其危害矿山热害及其危害工作环境逐渐恶化工作环境逐渐恶化, ,致使致使工作效率大大降低工作效率大大降低严重威胁井下严重威胁井下安全作业安全作业, ,并易引发并易引发灾害和事灾害和事故故 日本日本1979 1979 年全国调查统计显示年全国调查统计显示, ,在在303040 40 气温气温的工作面的工作面, ,比低于比低于30 30 时的事故率高时的事故率高3.6 3.6 倍。倍。 南非金矿井下温度与事故率的关系南非金矿井

8、下温度与事故率的关系1. 1. 矿山热害及其危害矿山热害及其危害湖南煤矿湖南煤矿19961996年年19981998年年3 3年调查统计年调查统计, ,井下作业地点温井下作业地点温度与工伤频次的关系为度与工伤频次的关系为: :1. 1. 矿山热害及其危害矿山热害及其危害气温气温29 29 , ,工伤频次为工伤频次为155 155 次次/ / 千人千人气温气温30 30 , ,工伤频次为工伤频次为231 231 次次/ / 千人千人气温气温31 31 , ,工伤频次为工伤频次为320 320 次次/ / 千人千人气温气温32 32 , ,工伤频次为工伤频次为486 486 次次/ / 千人千人

9、高温热害已被认为传统五大灾害之外高温热害已被认为传统五大灾害之外的的第六大矿井灾害。第六大矿井灾害。 矿井热害最终将成为制约矿井热害最终将成为制约矿物开采深矿物开采深度度的决定性因素。的决定性因素。1. 1. 矿山热害及其危害矿山热害及其危害围岩高温与其他动力灾害的关系围岩高温与其他动力灾害的关系 岩石性质变化岩石性质变化冒顶、冲击冒顶、冲击 瓦斯吸附性能变化瓦斯吸附性能变化瓦斯突出瓦斯突出第第102102条条 关于空气温度的规定关于空气温度的规定 进风井口进风井口以下的空气温度（干球温度）必须在以下的空气温度（干球温度）必须在22以上。以上。 生产矿井生产矿井采掘工作面采掘工作面空气温度不得

10、超过空气温度不得超过2626 机电设备硐室机电设备硐室的空气温度不得超过的空气温度不得超过3030 当空气温度超过时，必须缩短超温地点工作人员的工作时当空气温度超过时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇。间，并给予高温保健待遇。 采掘工作面采掘工作面超过超过3030、机电硐室机电硐室超过超过3434时，必须停止作时，必须停止作业。业。 新建、改扩建矿井设计新建、改扩建矿井设计时，必须进行时，必须进行，超温地点须有制冷超温地点须有制冷降温设计降温设计，配齐，配齐降温设施降温设施1. 1. 矿山热害及其危害矿山热害及其危害矿井风温预测矿井风温预测：热参数、预测方法：热参数、预测

11、方法 巷道围岩热量通过热传导传递到巷道壁面巷道围岩热量通过热传导传递到巷道壁面 围岩散热围岩散热是矿井的是矿井的主要热源主要热源 原始岩石温度的测定原始岩石温度的测定 深孔测温法深孔测温法 浅孔快速测温法浅孔快速测温法 钻孔深度超过温度变化带（冷却带），进入原始钻孔深度超过温度变化带（冷却带），进入原始岩温带岩温带2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算2. 1 原岩温度测定原岩温度测定2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算钻孔测定原岩温度示意图钻孔测定原岩温度示意图用钻机向围岩内打水平测温孔用钻机向围岩内打水平测温孔(深度应大于井巷冷却深度应大于

12、井巷冷却带厚度带厚度)，将在实验室标定好的测温热电偶探头送入，将在实验室标定好的测温热电偶探头送入孔底孔底,封孔封孔2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算经过一定时间经过一定时间,测得稳定的温度值即是原岩温度。测得稳定的温度值即是原岩温度。 钻孔温度钻孔温度随时间变随时间变化曲线化曲线通风时间对围岩温度分布的影响通风时间对围岩温度分布的影响 2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算井巷冷却带厚度确定井巷冷却带厚度确定岩石导温系数对围岩温度分布的影响岩石导温系数对围岩温度分布的影响 - 20.00593/ amh20.00193/ amh2. 围岩与

13、风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算井巷冷却带厚度确定井巷冷却带厚度确定Example of temperature contour in the rocksurrounding a developing roadway0 . 0,/82. 5,/45. 8, 1 . 020CmwkskgQfod, V=2m/dayo oC C50100150200250X (m)-20-1001020Z (m)3035404550Cooled areaVirgin rock temperature2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算井巷冷却带厚度确定井巷冷却带厚度确定

14、围岩掘进温度分布围岩掘进温度分布0 . 0,/82. 5,/45. 8, 1 . 020CmwkskgQfod424244444646484850500 01 12 23 3Distance from working faceDistance from working face into strata rock (m) into strata rock (m)Rock temperature(Rock temperature(0 0C)C)30 days30 days180 days180 days424244444646484850500 01 12 23 3Distance from wo

15、rking faceDistance from working faceinto strata rock (m)into strata rock (m)Rock temperature (Rock temperature (0 0C)C)V=6m/dayV=6m/dayV=1m/dayV=1m/dayborehole L= ?Head-endVirgin Rock Temperature?2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算井巷冷却带厚度确定井巷冷却带厚度确定Rock temperature distribution in front of the working f

16、ace围岩热量通过岩石的热传导流向巷道壁面，围岩热量通过岩石的热传导流向巷道壁面，围岩内部热传导遵循围岩内部热传导遵循傅立叶定律傅立叶定律 qgradT 2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算2. 2 岩石导热系数岩石导热系数岩石导热系数岩石导热系数，又称热导率又称热导率。是影响围岩散热的重要参数是影响围岩散热的重要参数一般通过一般通过实验室测定实验室测定得到岩块的导热系数得到岩块的导热系数2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算2. 2 岩石导热系数岩石导热系数 岩石的性质、岩石的成分、致密程度、裂岩石的性质、岩石的成分、致密程度、裂隙发育程度、

17、水分含量隙发育程度、水分含量等等对导热系数影响非常对导热系数影响非常大大 通过实验室测试得到的通过实验室测试得到的试样的导热系数试样的导热系数与与现现场实际差别较大。场实际差别较大。 如何得到符合现场真实情况的导热系数？如何得到符合现场真实情况的导热系数？ 围岩热量在巷道壁面通过对流换热（水分蒸发）散放围岩热量在巷道壁面通过对流换热（水分蒸发）散放到风流中。到风流中。 对流换热的热量计算可采用牛顿冷却公式：对流换热的热量计算可采用牛顿冷却公式：)()(1212121212wpaUlCQ)(wq2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算2. 3 巷道壁面对流换热系数巷道壁面对

18、流换热系数对流换热对流换热影响因素影响因素: : 流体的流动状况流体的流动状况 流体的物理性质流体的物理性质 表面粗糙度等。表面粗糙度等。 苏联学者舍尔巴尼实用式：苏联学者舍尔巴尼实用式： 日本内野等在舍尔巴尼实用式的基础上，分日本内野等在舍尔巴尼实用式的基础上，分别给出了适用于矿井常见的三种支护条件下别给出了适用于矿井常见的三种支护条件下的对流换热系数简化实用式的对流换热系数简化实用式 对混凝土支护巷道：对混凝土支护巷道： 对无支护巷道：对无支护巷道： 对木支护巷道：对木支护巷道： 0.80.205.3d0.80.207.7d0.80.209.3d0 .80 .22GUF2. 围岩与风流对流

19、换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算2. 3 贯通巷道壁面对流换热系数贯通巷道壁面对流换热系数)(wq2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算2. 3 贯通巷道壁面对流换热系数贯通巷道壁面对流换热系数)()()2(121212122112fmwmffpvpamttULttCmmCS可以通过井下实测得到可以通过井下实测得到U U型钢支护、半圆拱巷道壁面对流换热系数型钢支护、半圆拱巷道壁面对流换热系数 2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算平煤集团、义煤集团、鹤煤集团矿井实测、计算结果平煤集团、义煤集团、鹤煤集团矿井实测、计算结果3679. 10

20、855. 412vm9489. 02R工字钢支护、梯形巷道对流换热系数工字钢支护、梯形巷道对流换热系数2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算9871. 06741. 412vm9584. 02R 显热比显热比是矿井风流热湿交换计算中常用的重要是矿井风流热湿交换计算中常用的重要参数之一，通常被定义为风流获得的显热和获参数之一，通常被定义为风流获得的显热和获得的总热量之比。显热比可以用下式来表示：得的总热量之比。显热比可以用下式来表示： lsstsqqqqqq qs s = = 从围岩放散到风流中的从围岩放散到风流中的显热热流量显热热流量；q ql l = = 由于巷道壁面

21、水分蒸发，从围岩放散到由于巷道壁面水分蒸发，从围岩放散到风流中的风流中的潜热热流量。潜热热流量。qt全热量显热qs潜热ql2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算2. 4 显热比显热比 显热比实测计算公式显热比实测计算公式)()(2()(2(QQ1212211221mmLttCmmCGttCmmCGvpvpapvpats2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算 不同巷道显热比的分布范围不同巷道显热比的分布范围2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算一般煤矿巷道一般煤矿巷道: : 0.1 0.10.70.7岩巷岩巷:0.4:0.4

22、0.70.7煤巷煤巷:0.1:0.10.40.4上下山上下山:0.2:0.20.40.4采面采面: :0.10.10.40.4岩巷以外的矿井巷道，岩巷以外的矿井巷道，显热比大多集中在显热比大多集中在0.20.20.40.4左右左右 巷道壁面是完全湿润巷道壁面是完全湿润: :巷道壁面完全被水膜覆盖巷道壁面完全被水膜覆盖部分湿润部分湿润: :巷道壁面并不是完全被水覆盖巷道壁面并不是完全被水覆盖湿度系数湿度系数 f : 被用来表示巷道壁面的湿润程度。被用来表示巷道壁面的湿润程度。 湿度系数湿度系数 f 被定义为从被定义为从部分湿润部分湿润巷道巷道表面蒸表面蒸发的水蒸气量发的水蒸气量与假设巷道壁面与假

23、设巷道壁面完全湿润时完全湿润时蒸发蒸发的水蒸气量的水蒸气量的比值的比值。2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算2. 5 湿度系数湿度系数 f 断面断面1 1到到2 2之间巷道壁面进入风流的显热之间巷道壁面进入风流的显热)(1212121212rwsUlq1212121212Ulqsrw2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算12121222111212()wmpvUl fQ mQmmmC)()(662. 0121212wvatwvwPPPm22111212121212()()pvwmQ

24、mQm CfUlmm 湿度系数与显热比的关系湿度系数与显热比的关系1712.05153.04329.02xxy壁面壁面看上去干燥看上去干燥，并且底板无积水的巷道：湿度系，并且底板无积水的巷道：湿度系数在数在0.01-0.060.01-0.06范围内范围内底板有底板有少量积水少量积水的巷道：湿度系数在的巷道：湿度系数在0.06-0.10.06-0.1左右左右6793. 02R2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算2. 5 湿度系数湿度系数 f 风筒内壁面的换热系数风筒内壁面的换热系数 风筒材料的导热系数风筒材料的导热系数 风筒外表面的换热系数风筒外表面的换热系数21111

25、ddk 2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算2. 6 风筒的综合换热系数风筒的综合换热系数kd建立从断面建立从断面1 1到断面到断面2 2间巷道内风流和风筒内间巷道内风流和风筒内风流的热交换平衡方程：风流的热交换平衡方程：)22(2)2)(2121212121221ddrrddddpvpaddklRmmCCQQ)()(2)2)()(121212121221ddrrdddpvpadddlRmmCCQQk可以推导出计算风筒的综合换热系数的公式可以推导出计算风筒的综合换热系数的公式2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算2. 6 风筒的综合换热系数风筒

26、的综合换热系数kd38/635135. 46851. 4vKd8982. 0R风筒综合换热系数风筒综合换热系数随着巷道内随着巷道内平均风速平均风速的增大的增大线性增大线性增大。2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算2. 6 风筒的综合换热系数风筒的综合换热系数kd风筒综合换热系数与巷道平均风速之间关系风筒综合换热系数与巷道平均风速之间关系 一直一直起着重要的作用起着重要的作用 ( (热的表面连续不断的被揭露热的表面连续不断的被揭露) ) 随位置在很随位置在很大范围内变化大范围内变化 q q ( (热流密度热流密度) ) 的的测量非常困难测量非常困难 有必要寻求计算局部换

27、热系数的有必要寻求计算局部换热系数的方法方法qiqjqkik2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算2. 7 局部通风工作面壁面的局部通风工作面壁面的 局部换热系数局部换热系数 数值模拟得到数值模拟得到工作面流场工作面流场（光滑壁面光滑壁面） 根据流场得到根据流场得到光滑壁面光滑壁面局部对流换热系数分布局部对流换热系数分布 可得到可得到局部换热系数与贯通风流换热系数局部换热系数与贯通风流换热系数的的比值比值 根据根据贯通巷道换热系数（贯通巷道换热系数（粗糙壁面粗糙壁面） 得到得到粗糙壁面粗糙壁面局部换热系数及分布局部换热系数及分布2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风

28、流对流换热热参数测算2. 7 局部通风工作面壁面的局部通风工作面壁面的 局部换热系数局部换热系数 0光光滑滑光滑光滑 RFzyxzyx0),(),(关键关键: : 的计算的计算 壁面和风流之间的热交换壁面和风流之间的热交换AyTTCQppwwallpaas)2/(2/ppawallwyC)(pwsmmfmAmmLfQpwvl)( 热交换系数热交换系数 显热显热 壁面的质量交换壁面的质量交换 壁面散发潜热壁面散发潜热 AyTTQswst2/AyTTQQswsls2/2/pyxpy2/sysyPSwQ 从从 S S 到壁面的热传导到壁面的热传导 壁面的能量平衡方程式壁面的能量平衡方程式wall2.

29、 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算x (m)x (m)x (m)x (m)- -2 2- -1 10 01 12 23 34 45 56 67 78 89 91 10 00 00 0. .6 61 1. .2 21 1. .8 8- -2 2- -1 10 01 12 23 34 45 56 67 78 89 91 10 00 00 0. .6 61 1. .2 21 1. .8 8- -2 2- -1 10 01 12 23 34 45 56 67 78 89 91 10 00 00 0. .6 61 1. .2 21 1. .8 82 2. .4 4- -2 2-

30、-1 10 01 12 23 34 45 56 67 78 89 91 10 00 00 0. .6 61 1. .2 21 1. .8 82 2. .4 4a. Simulation result (y=0.0 m)b. Experimental result (y=0.0 m)(Tomita, 1995)d. Experimental result (y=0.6 m)(Tomita, 1995)c. Simulation result (y=0.6 m) z (m) z (m) z (m) z (m)模拟解算结果模拟解算结果和实验结果的对比模拟解算结果模拟解算结果 (y=0)模拟解算结果模

31、拟解算结果(y=0.6m)实验结果实验结果 (y=0) (Tomita,1995)实验结果实验结果(y=0.6m) (Tomita,1995)Y (m)Z (m)1.50.51.00.50.01.02.00 . 4 8m2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算 具有贯通风流光滑壁面圆管内壁的热交换系数具有贯通风流光滑壁面圆管内壁的热交换系数 0 0 DPRre/023.0333.08.00 / /0 0 - -无量纲热交换系数无量纲热交换系数模拟解算结果表明模拟解算结果表明 / /0 0 - 风流速率对其几乎没有影响风流速率对其几乎没有影响 在给定的巷道内随位置在很在给定

32、的巷道内随位置在很大大 范围内变化范围内变化0光光滑滑光滑光滑2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算假设假设巷道壁面粗糙度对工作面壁面的换热系数巷道壁面粗糙度对工作面壁面的换热系数的影响与对贯通风流巷道壁面的换热系数的影的影响与对贯通风流巷道壁面的换热系数的影响相同响相同 RFzyxzyx0),(),(工作面粗糙壁面的热交换系数工作面粗糙壁面的热交换系数 0光滑壁面光滑壁面粗糙壁面粗糙壁面RF(x,y,z)(x,y,z)RFzyxzyx0),(),(无量纲无量纲局部换热系数局部换热系数2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算无量纲局部换热系数的分布

33、无量纲局部换热系数的分布 /0 0 平均平均 /0 = 5.6 Head-end 6.6Roof 9.30Floor 5.08Side-wall 3.50Overall 5.46 A A . . R R o oo of fX X ( (m m ) )顶板顶板Y(m)C C . . S S i id d e e- -w w a al ll lX X ( (m m ) )侧壁侧壁Z(m)B B . . F Fl lo oo o r rX X ( (m m ) )Y(m)底板底板D D . . H H e ea a d d - -e en n d dY Y ( (m m ) )Z Z ( (m m

34、) )迎头迎头Z(m)2. 围岩与风流对流换热热参数测算围岩与风流对流换热热参数测算3.1 局部通风工作面的热特性局部通风工作面的热特性 岩石内岩石内3 3维热传导维热传导 热热 和质量交换和质量交换 风筒内风流和巷道内风流之间风筒内风流和巷道内风流之间 湿壁面和巷道内风流之间湿壁面和巷道内风流之间 风筒的漏风风筒的漏风 工作面向前推进工作面向前推进 热交换系数热交换系数漏风漏风热热 和和 质量交换质量交换duct3. 掘进工作面热环境预测掘进工作面热环境预测岩石中岩石中)(222222zyxat巷道内风流巷道内风流 )(2)()(dddwpvpakRdlxmCCQ风筒内风流风筒内风流, ,

35、当当 ffLXx)(2ddddkRx3.2 3.2 数学模型数学模型ductqdRoadway airflowd3. 掘进工作面热环境预测掘进工作面热环境预测边界条件边界条件: : )()(2/mmLfrwvwDrvtyxtzxtzyt),(),(),(, 00),(0ctttModccftttLXX/ )(00000, 0QQxdd初始条件初始条件: :0tvtzyx),(0tt 0XXf3. 掘进工作面热环境预测掘进工作面热环境预测3.3 3.3 风筒中风流和巷道风流间的热交换风筒中风流和巷道风流间的热交换 k kd d -风筒的综合换热系数风筒的综合换热系数在日本在日本菱刈金矿菱刈金矿的

36、掘进巷道的掘进巷道现场测定现场测定 风筒的综合换热系数风筒的综合换热系数kd为为5.0 5.0 到到 14.014.0 w/mw/m2 2 o oC C。 )(dddkqductqdRoadway airflowd3. 掘进工作面热环境预测掘进工作面热环境预测风筒中风流和巷道风流间的热交换风筒中风流和巷道风流间的热交换2/2/211didiiididdikxRq漏风中含有的显热漏风中含有的显热 2/ )(1didipvdpaisiCmCQqiddiQmm风筒的漏风Rockwij1ix1ixAirwayDuct2i1ii1idiqlisiqq2di1didi1diixi-1ii+1i+2漏风中含

37、有的水蒸气质量漏风中含有的水蒸气质量 3. 掘进工作面热环境预测掘进工作面热环境预测1112/2njjiiwijijisRiyxq顶板散发的显热顶板散发的显热1112/ )(2njjiiwijijiRimmmfyxmvRilRiLmq3.4 3.4 围岩表面和风流的热质传递围岩表面和风流的热质传递 Side-wallSide-wallFloorRoofz12y12nk1nj1-nj1-nk1Rockwij1ix1ixAirwayDuct2i1ii1idiqlisiqq2di1didi1diixi-1ii+1i+2顶板散发的潜热顶板散发的潜热顶板蒸发的水蒸气质量顶板蒸发的水蒸气质量3. 掘进工作

38、面热环境预测掘进工作面热环境预测断面断面i i巷道风流的平均湿度巷道风流的平均湿度 iidiiiiQmmQmm/ )(11)()(111pvipaidisisipvipaiiiCmCQqqqCmCQ)()(11pvdpaisidipvdpaididiCmCQqqCmCQ经过时间经过时间 t t后后空气的温度和湿度空气的温度和湿度Rockwij1ix1ixAirwayDuct2i1ii1idiqlisiqq2di1didi1diixi-1ii+1i+2断面断面i i巷道风流的平均温度巷道风流的平均温度断面断面i+1风筒风流的平均温度风筒风流的平均温度3. 掘进工作面热环境预测掘进工作面热环境预测

39、3.5 解算程序解算程序开始开始为变量设定初值为变量设定初值 计算计算qs, 和和 ql 计算风筒中计算风筒中空气的温度和湿度空气的温度和湿度 计算围岩温度计算围岩温度t=tend结束结束tt0Mod(t-t0, tc)= 0工作面向前移动工作面向前移动 Xf=Xf+Lc巷道轴线方向巷道轴线方向重新划分格子重新划分格子YESNOYESNOt=t=t+dtt+dt计算围岩温度计算围岩温度YESNO 用用CFDCFD法计算法计算 3. 掘进工作面热环境预测掘进工作面热环境预测position34simulation (%)4336measurement (%)4541error (%)4.412.

40、2position234simulation(oC)24.6 27.26 30.9measurement(oC)24.5 27.030.1error (%)0.41.02.7temperaturehumidity20253035400204060Distance (m)Air temperature (oC)103050Relative humidity (%)Simulated Air Temperature in DuctMeasured Air Temperature in DuctSimulated Air Temperature in RoadwayMeasured Air Temp

41、erature in RoadwaySimulated Relative Humidity in RoadwayMeasured Relative Humidity in Roadway1243343.6 菱刈金矿现场测定与模拟解算结果对比菱刈金矿现场测定与模拟解算结果对比12343. 掘进工作面热环境预测掘进工作面热环境预测Cyclic variation in heat transfer rate from the surrounding rock into working face daymVCmwkskgQfod/2, 0 . 0,/82. 5,/45. 8, 1 . 02040408

42、0801201201601607207207927928648649369361008100810801080Time since driving strat (hour)Time since driving strat (hour)Heat transfer rate (w/mHeat transfer rate (w/m2 2) )TotalTotalSensibleSensibleLatentLatent60 w/m2=40% of qmax qmax3. 掘进工作面热环境预测掘进工作面热环境预测3.7 随掘进工作面推进随掘进工作面推进散热散热变化规律变化规律Cyclical variation in air temperature and relative humidityin working face with time2m/dayV CmwkskgQfod, 0 . 0,/82. 5,/45.