1、2022-5-15河南理工大學(xué)河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院安全科學(xué)與工程學(xué)院高建良高建良 牛國慶牛國慶圍巖對流換熱熱參數(shù)測算圍巖對流換熱熱參數(shù)測算與工作面熱環(huán)境預(yù)測與工作面熱環(huán)境預(yù)測2022-5-151.1.礦山熱害及其危害礦山熱害及其危害2.2.圍巖對流換熱熱參數(shù)測算圍巖對流換熱熱參數(shù)測算3.3.掘進(jìn)工作面熱環(huán)境預(yù)測掘進(jìn)工作面熱環(huán)境預(yù)測4.4.熱環(huán)境預(yù)測存在問題熱環(huán)境預(yù)測存在問題1. 1. 礦山熱害及其危害礦山熱害及其危害 煤炭資源開發(fā)的日益加強煤炭資源開發(fā)的日益加強, , 礦井的礦井的開采深度開采深度不斷增大。目前不斷增大。目前, , 世界各主要采煤國家相繼世界各主要采煤國家相繼進(jìn)入進(jìn)入

2、深部開采深部開采, , 開采深度的逐步增加開采深度的逐步增加, , 地溫地溫也隨之升高也隨之升高。 德國和俄羅斯德國和俄羅斯的一些礦山開采深度己達(dá)的一些礦山開采深度己達(dá)140014001500m; 1500m; 德國德國伊本比倫煤礦采伊本比倫煤礦采深達(dá)深達(dá)15301530 m, m, 井底井底巖溫可達(dá)巖溫可達(dá)6060 加拿大加拿大超千米超千米的礦井有的礦井有3030 座座, , 美國美國有有1111 座座 南非南非金礦開采深度達(dá)金礦開采深度達(dá)38003800m,m,豎井井底己達(dá)豎井井底己達(dá)地地表以下表以下4146m4146m，原始巖溫度達(dá)，原始巖溫度達(dá)6363以上。以上。 日本菱刈金礦測得鉆孔

3、孔底溫度達(dá)日本菱刈金礦測得鉆孔孔底溫度達(dá)8282 羽豐鉛鋅礦巖石（礦體）溫度羽豐鉛鋅礦巖石（礦體）溫度130-160130-1601. 1. 礦山熱害及其危害礦山熱害及其危害 我國我國煤礦開采深度平均煤礦開采深度平均每年以每年以101030m30m 的速的速度增加度增加, , 最深達(dá)到最深達(dá)到1501m1501m，千米深井，千米深井4747對對。 統(tǒng)計資料表明統(tǒng)計資料表明, 我國已有我國已有140余對余對礦井出現(xiàn)了礦井出現(xiàn)了不同程度的熱害問題不同程度的熱害問題, 其中采掘工作面風(fēng)溫其中采掘工作面風(fēng)溫超過超過30的礦井已超過的礦井已超過60對對。1. 1. 礦山熱害及其危害礦山熱害及其危害井下井

4、下適宜溫度適宜溫度為為15152020 適宜相對濕度適宜相對濕度為為50%50%60%60%井下空氣的相對濕度大多為井下空氣的相對濕度大多為80%80%90%90%左右左右 總回風(fēng)道和回風(fēng)井內(nèi)的相對濕度接近總回風(fēng)道和回風(fēng)井內(nèi)的相對濕度接近100%100%。濕度大的原因：井巷濕度大的原因：井巷壁面水分壁面水分和和礦井水礦井水( (含生含生產(chǎn)用水產(chǎn)用水) ) 的的蒸發(fā)蒸發(fā)。 1. 1. 礦山熱害及其危害礦山熱害及其危害井下高濕對人體的危害井下高濕對人體的危害 高濕高濕是指：相對濕度是指：相對濕度80%80%。 炎熱的季度炎熱的季度, ,人日人日排汗量約為排汗量約為1 1升升 在高溫礦井中從事在高溫

5、礦井中從事繁的體力勞動繁的體力勞動時時, ,8 8小時小時內(nèi)人內(nèi)人的排汗量可達(dá)的排汗量可達(dá)8 81010升升 高濕的礦井作業(yè)高濕的礦井作業(yè), ,嚴(yán)重影響礦工的身心健康。嚴(yán)重影響礦工的身心健康。 1. 1. 礦山熱害及其危害礦山熱害及其危害體溫調(diào)節(jié)發(fā)生障礙體溫調(diào)節(jié)發(fā)生障礙, ,表現(xiàn)為表現(xiàn)為體溫和皮溫升高體溫和皮溫升高鹽、水代謝出現(xiàn)紊亂鹽、水代謝出現(xiàn)紊亂, ,有機體的機能受影響有機體的機能受影響; ;神經(jīng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)和泌尿系統(tǒng)神經(jīng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)和泌尿系統(tǒng)等均會因高溫下機體等均會因高溫下機體大量失水大量失水 , ,改變正常的改變正常的功能功能 , ,甚至致病甚至致病產(chǎn)生熱疲勞、

6、中暑、熱衰竭、熱虛脫、熱痙產(chǎn)生熱疲勞、中暑、熱衰竭、熱虛脫、熱痙攣、熱疹攣、熱疹, ,甚至死亡甚至死亡1. 1. 礦山熱害及其危害礦山熱害及其危害 湖南省冷水江某礦調(diào)查統(tǒng)計表明湖南省冷水江某礦調(diào)查統(tǒng)計表明 , ,礦工長期在高礦工長期在高濕的礦井下作業(yè)濕的礦井下作業(yè) , ,患風(fēng)濕病、皮膚病、皮膚癌、心臟患風(fēng)濕病、皮膚病、皮膚癌、心臟病的比例很高病的比例很高 風(fēng)濕病風(fēng)濕病的比例為的比例為186186人人/ /千人千人 心臟病心臟病的比例為的比例為7979人人/ /千人千人 皮膚病皮膚病的比例的比例121121人人/ /千人千人 皮膚癌皮膚癌的比例為的比例為4545人人/ /千人千人1. 1. 礦山

7、熱害及其危害礦山熱害及其危害中樞神經(jīng)系統(tǒng)受到抑制，使注意力分散，降中樞神經(jīng)系統(tǒng)受到抑制，使注意力分散，降低了動作的準(zhǔn)確性和協(xié)調(diào)性。低了動作的準(zhǔn)確性和協(xié)調(diào)性。1. 1. 礦山熱害及其危害礦山熱害及其危害工作環(huán)境逐漸惡化工作環(huán)境逐漸惡化, ,致使致使工作效率大大降低工作效率大大降低嚴(yán)重威脅井下嚴(yán)重威脅井下安全作業(yè)安全作業(yè), ,并易引發(fā)并易引發(fā)災(zāi)害和事災(zāi)害和事故故 日本日本1979 1979 年全國調(diào)查統(tǒng)計顯示年全國調(diào)查統(tǒng)計顯示, ,在在303040 40 氣溫氣溫的工作面的工作面, ,比低于比低于30 30 時的事故率高時的事故率高3.6 3.6 倍。倍。 南非金礦井下溫度與事故率的關(guān)系南非金礦井

8、下溫度與事故率的關(guān)系1. 1. 礦山熱害及其危害礦山熱害及其危害湖南煤礦湖南煤礦19961996年年19981998年年3 3年調(diào)查統(tǒng)計年調(diào)查統(tǒng)計, ,井下作業(yè)地點溫井下作業(yè)地點溫度與工傷頻次的關(guān)系為度與工傷頻次的關(guān)系為: :1. 1. 礦山熱害及其危害礦山熱害及其危害氣溫氣溫29 29 , ,工傷頻次為工傷頻次為155 155 次次/ / 千人千人氣溫氣溫30 30 , ,工傷頻次為工傷頻次為231 231 次次/ / 千人千人氣溫氣溫31 31 , ,工傷頻次為工傷頻次為320 320 次次/ / 千人千人氣溫氣溫32 32 , ,工傷頻次為工傷頻次為486 486 次次/ / 千人千人

9、高溫?zé)岷σ驯徽J(rèn)為傳統(tǒng)五大災(zāi)害之外高溫?zé)岷σ驯徽J(rèn)為傳統(tǒng)五大災(zāi)害之外的的第六大礦井災(zāi)害。第六大礦井災(zāi)害。 礦井熱害最終將成為制約礦井熱害最終將成為制約礦物開采深礦物開采深度度的決定性因素。的決定性因素。1. 1. 礦山熱害及其危害礦山熱害及其危害圍巖高溫與其他動力災(zāi)害的關(guān)系圍巖高溫與其他動力災(zāi)害的關(guān)系 巖石性質(zhì)變化巖石性質(zhì)變化冒頂、沖擊冒頂、沖擊 瓦斯吸附性能變化瓦斯吸附性能變化瓦斯突出瓦斯突出第第102102條條 關(guān)于空氣溫度的規(guī)定關(guān)于空氣溫度的規(guī)定 進(jìn)風(fēng)井口進(jìn)風(fēng)井口以下的空氣溫度（干球溫度）必須在以下的空氣溫度（干球溫度）必須在22以上。以上。 生產(chǎn)礦井生產(chǎn)礦井采掘工作面采掘工作面空氣溫度不得

10、超過空氣溫度不得超過2626 機電設(shè)備硐室機電設(shè)備硐室的空氣溫度不得超過的空氣溫度不得超過3030 當(dāng)空氣溫度超過時，必須縮短超溫地點工作人員的工作時當(dāng)空氣溫度超過時，必須縮短超溫地點工作人員的工作時間，并給予高溫保健待遇。間，并給予高溫保健待遇。 采掘工作面采掘工作面超過超過3030、機電硐室機電硐室超過超過3434時，必須停止作時，必須停止作業(yè)。業(yè)。 新建、改擴建礦井設(shè)計新建、改擴建礦井設(shè)計時，必須進(jìn)行時，必須進(jìn)行，超溫地點須有制冷超溫地點須有制冷降溫設(shè)計降溫設(shè)計，配齊，配齊降溫設(shè)施降溫設(shè)施1. 1. 礦山熱害及其危害礦山熱害及其危害礦井風(fēng)溫預(yù)測礦井風(fēng)溫預(yù)測：熱參數(shù)、預(yù)測方法：熱參數(shù)、預(yù)測

11、方法 巷道圍巖熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞到巷道壁面巷道圍巖熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞到巷道壁面 圍巖散熱圍巖散熱是礦井的是礦井的主要熱源主要熱源 原始巖石溫度的測定原始巖石溫度的測定 深孔測溫法深孔測溫法 淺孔快速測溫法淺孔快速測溫法 鉆孔深度超過溫度變化帶（冷卻帶），進(jìn)入原始鉆孔深度超過溫度變化帶（冷卻帶），進(jìn)入原始巖溫帶巖溫帶2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算2. 1 原巖溫度測定原巖溫度測定2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算鉆孔測定原巖溫度示意圖鉆孔測定原巖溫度示意圖用鉆機向圍巖內(nèi)打水平測溫孔用鉆機向圍巖內(nèi)打水平測溫孔(深度應(yīng)大于井巷冷卻深度應(yīng)大于

12、井巷冷卻帶厚度帶厚度)，將在實驗室標(biāo)定好的測溫?zé)犭娕继筋^送入，將在實驗室標(biāo)定好的測溫?zé)犭娕继筋^送入孔底孔底,封孔封孔2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算經(jīng)過一定時間經(jīng)過一定時間,測得穩(wěn)定的溫度值即是原巖溫度。測得穩(wěn)定的溫度值即是原巖溫度。 鉆孔溫度鉆孔溫度隨時間變隨時間變化曲線化曲線通風(fēng)時間對圍巖溫度分布的影響通風(fēng)時間對圍巖溫度分布的影響 2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算井巷冷卻帶厚度確定井巷冷卻帶厚度確定巖石導(dǎo)溫系數(shù)對圍巖溫度分布的影響巖石導(dǎo)溫系數(shù)對圍巖溫度分布的影響 - 20.00593/ amh20.00193/ amh2. 圍巖與

13、風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算井巷冷卻帶厚度確定井巷冷卻帶厚度確定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. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算井巷冷卻帶厚度確定井巷冷卻帶厚度確定

14、圍巖掘進(jìn)溫度分布圍巖掘進(jìn)溫度分布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. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算井巷冷卻帶厚度確定井巷冷卻帶厚度確定Rock temperature distribution in front of the working f

16、ace圍巖熱量通過巖石的熱傳導(dǎo)流向巷道壁面，圍巖熱量通過巖石的熱傳導(dǎo)流向巷道壁面，圍巖內(nèi)部熱傳導(dǎo)遵循圍巖內(nèi)部熱傳導(dǎo)遵循傅立葉定律傅立葉定律 qgradT 2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算2. 2 巖石導(dǎo)熱系數(shù)巖石導(dǎo)熱系數(shù)巖石導(dǎo)熱系數(shù)巖石導(dǎo)熱系數(shù)，又稱熱導(dǎo)率又稱熱導(dǎo)率。是影響圍巖散熱的重要參數(shù)是影響圍巖散熱的重要參數(shù)一般通過一般通過實驗室測定實驗室測定得到巖塊的導(dǎo)熱系數(shù)得到巖塊的導(dǎo)熱系數(shù)2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算2. 2 巖石導(dǎo)熱系數(shù)巖石導(dǎo)熱系數(shù) 巖石的性質(zhì)、巖石的成分、致密程度、裂巖石的性質(zhì)、巖石的成分、致密程度、裂隙發(fā)育程度、

17、水分含量隙發(fā)育程度、水分含量等等對導(dǎo)熱系數(shù)影響非常對導(dǎo)熱系數(shù)影響非常大大 通過實驗室測試得到的通過實驗室測試得到的試樣的導(dǎo)熱系數(shù)試樣的導(dǎo)熱系數(shù)與與現(xiàn)現(xiàn)場實際差別較大。場實際差別較大。 如何得到符合現(xiàn)場真實情況的導(dǎo)熱系數(shù)？如何得到符合現(xiàn)場真實情況的導(dǎo)熱系數(shù)？ 圍巖熱量在巷道壁面通過對流換熱（水分蒸發(fā)）散放圍巖熱量在巷道壁面通過對流換熱（水分蒸發(fā)）散放到風(fēng)流中。到風(fēng)流中。 對流換熱的熱量計算可采用牛頓冷卻公式：對流換熱的熱量計算可采用牛頓冷卻公式：)()(1212121212wpaUlCQ)(wq2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算2. 3 巷道壁面對流換熱系數(shù)巷道壁面對

18、流換熱系數(shù)對流換熱對流換熱影響因素影響因素: : 流體的流動狀況流體的流動狀況 流體的物理性質(zhì)流體的物理性質(zhì) 表面粗糙度等。表面粗糙度等。 蘇聯(lián)學(xué)者舍爾巴尼實用式：蘇聯(lián)學(xué)者舍爾巴尼實用式： 日本內(nèi)野等在舍爾巴尼實用式的基礎(chǔ)上，分日本內(nèi)野等在舍爾巴尼實用式的基礎(chǔ)上，分別給出了適用于礦井常見的三種支護(hù)條件下別給出了適用于礦井常見的三種支護(hù)條件下的對流換熱系數(shù)簡化實用式的對流換熱系數(shù)簡化實用式 對混凝土支護(hù)巷道：對混凝土支護(hù)巷道： 對無支護(hù)巷道：對無支護(hù)巷道： 對木支護(hù)巷道：對木支護(hù)巷道： 0.80.205.3d0.80.207.7d0.80.209.3d0 .80 .22GUF2. 圍巖與風(fēng)流對流

19、換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算2. 3 貫通巷道壁面對流換熱系數(shù)貫通巷道壁面對流換熱系數(shù))(wq2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算2. 3 貫通巷道壁面對流換熱系數(shù)貫通巷道壁面對流換熱系數(shù))()()2(121212122112fmwmffpvpamttULttCmmCS可以通過井下實測得到可以通過井下實測得到U U型鋼支護(hù)、半圓拱巷道壁面對流換熱系數(shù)型鋼支護(hù)、半圓拱巷道壁面對流換熱系數(shù) 2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算平煤集團(tuán)、義煤集團(tuán)、鶴煤集團(tuán)礦井實測、計算結(jié)果平煤集團(tuán)、義煤集團(tuán)、鶴煤集團(tuán)礦井實測、計算結(jié)果3679. 10

20、855. 412vm9489. 02R工字鋼支護(hù)、梯形巷道對流換熱系數(shù)工字鋼支護(hù)、梯形巷道對流換熱系數(shù)2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算9871. 06741. 412vm9584. 02R 顯熱比顯熱比是礦井風(fēng)流熱濕交換計算中常用的重要是礦井風(fēng)流熱濕交換計算中常用的重要參數(shù)之一，通常被定義為風(fēng)流獲得的顯熱和獲參數(shù)之一，通常被定義為風(fēng)流獲得的顯熱和獲得的總熱量之比。顯熱比可以用下式來表示：得的總熱量之比。顯熱比可以用下式來表示： lsstsqqqqqq qs s = = 從圍巖放散到風(fēng)流中的從圍巖放散到風(fēng)流中的顯熱熱流量顯熱熱流量；q ql l = = 由于巷道壁面

21、水分蒸發(fā)，從圍巖放散到由于巷道壁面水分蒸發(fā)，從圍巖放散到風(fēng)流中的風(fēng)流中的潛熱熱流量。潛熱熱流量。qt全熱量顯熱qs潛熱ql2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算2. 4 顯熱比顯熱比 顯熱比實測計算公式顯熱比實測計算公式)()(2()(2(QQ1212211221mmLttCmmCGttCmmCGvpvpapvpats2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算 不同巷道顯熱比的分布范圍不同巷道顯熱比的分布范圍2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算一般煤礦巷道一般煤礦巷道: : 0.1 0.10.70.7巖巷巖巷: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巖巷以外的礦井巷道，巖巷以外的礦井巷道，顯熱比大多集中在顯熱比大多集中在0.20.20.40.4左右左右 巷道壁面是完全濕潤巷道壁面是完全濕潤: :巷道壁面完全被水膜覆蓋巷道壁面完全被水膜覆蓋部分濕潤部分濕潤: :巷道壁面并不是完全被水覆蓋巷道壁面并不是完全被水覆蓋濕度系數(shù)濕度系數(shù) f : 被用來表示巷道壁面的濕潤程度。被用來表示巷道壁面的濕潤程度。 濕度系數(shù)濕度系數(shù) f 被定義為從被定義為從部分濕潤部分濕潤巷道巷道表面蒸表面蒸發(fā)的水蒸氣量發(fā)的水蒸氣量與假設(shè)巷道壁面與假

23、設(shè)巷道壁面完全濕潤時完全濕潤時蒸發(fā)蒸發(fā)的水蒸氣量的水蒸氣量的比值的比值。2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算2. 5 濕度系數(shù)濕度系數(shù) f 斷面斷面1 1到到2 2之間巷道壁面進(jìn)入風(fēng)流的顯熱之間巷道壁面進(jìn)入風(fēng)流的顯熱)(1212121212rwsUlq1212121212Ulqsrw2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算12121222111212()wmpvUl fQ mQmmmC)()(662. 0121212wvatwvwPPPm22111212121212()()pvwmQ

24、mQm CfUlmm 濕度系數(shù)與顯熱比的關(guān)系濕度系數(shù)與顯熱比的關(guān)系1712.05153.04329.02xxy壁面壁面看上去干燥看上去干燥，并且底板無積水的巷道：濕度系，并且底板無積水的巷道：濕度系數(shù)在數(shù)在0.01-0.060.01-0.06范圍內(nèi)范圍內(nèi)底板有底板有少量積水少量積水的巷道：濕度系數(shù)在的巷道：濕度系數(shù)在0.06-0.10.06-0.1左右左右6793. 02R2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算2. 5 濕度系數(shù)濕度系數(shù) f 風(fēng)筒內(nèi)壁面的換熱系數(shù)風(fēng)筒內(nèi)壁面的換熱系數(shù) 風(fēng)筒材料的導(dǎo)熱系數(shù)風(fēng)筒材料的導(dǎo)熱系數(shù) 風(fēng)筒外表面的換熱系數(shù)風(fēng)筒外表面的換熱系數(shù)21111

25、ddk 2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算2. 6 風(fēng)筒的綜合換熱系數(shù)風(fēng)筒的綜合換熱系數(shù)kd建立從斷面建立從斷面1 1到斷面到斷面2 2間巷道內(nèi)風(fēng)流和風(fēng)筒內(nèi)間巷道內(nèi)風(fēng)流和風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)流的熱交換平衡方程：風(fēng)流的熱交換平衡方程：)22(2)2)(2121212121221ddrrddddpvpaddklRmmCCQQ)()(2)2)()(121212121221ddrrdddpvpadddlRmmCCQQk可以推導(dǎo)出計算風(fēng)筒的綜合換熱系數(shù)的公式可以推導(dǎo)出計算風(fēng)筒的綜合換熱系數(shù)的公式2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算2. 6 風(fēng)筒的綜合換熱系數(shù)風(fēng)筒

26、的綜合換熱系數(shù)kd38/635135. 46851. 4vKd8982. 0R風(fēng)筒綜合換熱系數(shù)風(fēng)筒綜合換熱系數(shù)隨著巷道內(nèi)隨著巷道內(nèi)平均風(fēng)速平均風(fēng)速的增大的增大線性增大線性增大。2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算2. 6 風(fēng)筒的綜合換熱系數(shù)風(fēng)筒的綜合換熱系數(shù)kd風(fēng)筒綜合換熱系數(shù)與巷道平均風(fēng)速之間關(guān)系風(fēng)筒綜合換熱系數(shù)與巷道平均風(fēng)速之間關(guān)系 一直一直起著重要的作用起著重要的作用 ( (熱的表面連續(xù)不斷的被揭露熱的表面連續(xù)不斷的被揭露) ) 隨位置在很隨位置在很大范圍內(nèi)變化大范圍內(nèi)變化 q q ( (熱流密度熱流密度) ) 的的測量非常困難測量非常困難 有必要尋求計算局部換

27、熱系數(shù)的有必要尋求計算局部換熱系數(shù)的方法方法qiqjqkik2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算2. 7 局部通風(fēng)工作面壁面的局部通風(fēng)工作面壁面的 局部換熱系數(shù)局部換熱系數(shù) 數(shù)值模擬得到數(shù)值模擬得到工作面流場工作面流場（光滑壁面光滑壁面） 根據(jù)流場得到根據(jù)流場得到光滑壁面光滑壁面局部對流換熱系數(shù)分布局部對流換熱系數(shù)分布 可得到可得到局部換熱系數(shù)與貫通風(fēng)流換熱系數(shù)局部換熱系數(shù)與貫通風(fēng)流換熱系數(shù)的的比值比值 根據(jù)根據(jù)貫通巷道換熱系數(shù)（貫通巷道換熱系數(shù)（粗糙壁面粗糙壁面） 得到得到粗糙壁面粗糙壁面局部換熱系數(shù)及分布局部換熱系數(shù)及分布2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)

28、流對流換熱熱參數(shù)測算2. 7 局部通風(fēng)工作面壁面的局部通風(fēng)工作面壁面的 局部換熱系數(shù)局部換熱系數(shù) 0光光滑滑光滑光滑 RFzyxzyx0),(),(關(guān)鍵關(guān)鍵: : 的計算的計算 壁面和風(fēng)流之間的熱交換壁面和風(fēng)流之間的熱交換AyTTCQppwwallpaas)2/(2/ppawallwyC)(pwsmmfmAmmLfQpwvl)( 熱交換系數(shù)熱交換系數(shù) 顯熱顯熱 壁面的質(zhì)量交換壁面的質(zhì)量交換 壁面散發(fā)潛熱壁面散發(fā)潛熱 AyTTQswst2/AyTTQQswsls2/2/pyxpy2/sysyPSwQ 從從 S S 到壁面的熱傳導(dǎo)到壁面的熱傳導(dǎo) 壁面的能量平衡方程式壁面的能量平衡方程式wall2.

29、 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算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)模擬解算結(jié)果模擬解算結(jié)果和實驗結(jié)果的對比模擬解算結(jié)果模擬解算結(jié)果 (y=0)模擬解算結(jié)果模

31、擬解算結(jié)果(y=0.6m)實驗結(jié)果實驗結(jié)果 (y=0) (Tomita,1995)實驗結(jié)果實驗結(jié)果(y=0.6m) (Tomita,1995)Y (m)Z (m)1.50.51.00.50.01.02.00 . 4 8m2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算 具有貫通風(fēng)流光滑壁面圓管內(nèi)壁的熱交換系數(shù)具有貫通風(fēng)流光滑壁面圓管內(nèi)壁的熱交換系數(shù) 0 0 DPRre/023.0333.08.00 / /0 0 - -無量綱熱交換系數(shù)無量綱熱交換系數(shù)模擬解算結(jié)果表明模擬解算結(jié)果表明 / /0 0 - 風(fēng)流速率對其幾乎沒有影響風(fēng)流速率對其幾乎沒有影響 在給定的巷道內(nèi)隨位置在很在給定

32、的巷道內(nèi)隨位置在很大大 范圍內(nèi)變化范圍內(nèi)變化0光光滑滑光滑光滑2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算假設(shè)假設(shè)巷道壁面粗糙度對工作面壁面的換熱系數(shù)巷道壁面粗糙度對工作面壁面的換熱系數(shù)的影響與對貫通風(fēng)流巷道壁面的換熱系數(shù)的影的影響與對貫通風(fēng)流巷道壁面的換熱系數(shù)的影響相同響相同 RFzyxzyx0),(),(工作面粗糙壁面的熱交換系數(shù)工作面粗糙壁面的熱交換系數(shù) 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),(),(無量綱無量綱局部換熱系數(shù)局部換熱系數(shù)2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算無量綱局部換熱系數(shù)的分布

33、無量綱局部換熱系數(shù)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 ) )頂板頂板Y(m)C C . . S S i id d e e- -w w a al ll lX X ( (m m ) )側(cè)壁側(cè)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、) )迎頭迎頭Z(m)2. 圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算圍巖與風(fēng)流對流換熱熱參數(shù)測算3.1 局部通風(fēng)工作面的熱特性局部通風(fēng)工作面的熱特性 巖石內(nèi)巖石內(nèi)3 3維熱傳導(dǎo)維熱傳導(dǎo) 熱熱 和質(zhì)量交換和質(zhì)量交換 風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)流和巷道內(nèi)風(fēng)流之間風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)流和巷道內(nèi)風(fēng)流之間 濕壁面和巷道內(nèi)風(fēng)流之間濕壁面和巷道內(nèi)風(fēng)流之間 風(fēng)筒的漏風(fēng)風(fēng)筒的漏風(fēng) 工作面向前推進(jìn)工作面向前推進(jìn) 熱交換系數(shù)熱交換系數(shù)漏風(fēng)漏風(fēng)熱熱 和和 質(zhì)量交換質(zhì)量交換duct3. 掘進(jìn)工作面熱環(huán)境預(yù)測掘進(jìn)工作面熱環(huán)境預(yù)測巖石中巖石中)(222222zyxat巷道內(nèi)風(fēng)流巷道內(nèi)風(fēng)流 )(2)()(dddwpvpakRdlxmCCQ風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)流風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)流, ,

35、當(dāng)當(dāng) ffLXx)(2ddddkRx3.2 3.2 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型ductqdRoadway airflowd3. 掘進(jìn)工作面熱環(huán)境預(yù)測掘進(jìn)工作面熱環(huán)境預(yù)測邊界條件邊界條件: : )()(2/mmLfrwvwDrvtyxtzxtzyt),(),(),(, 00),(0ctttModccftttLXX/ )(00000, 0QQxdd初始條件初始條件: :0tvtzyx),(0tt 0XXf3. 掘進(jìn)工作面熱環(huán)境預(yù)測掘進(jìn)工作面熱環(huán)境預(yù)測3.3 3.3 風(fēng)筒中風(fēng)流和巷道風(fēng)流間的熱交換風(fēng)筒中風(fēng)流和巷道風(fēng)流間的熱交換 k kd d -風(fēng)筒的綜合換熱系數(shù)風(fēng)筒的綜合換熱系數(shù)在日本在日本菱刈金礦菱刈金礦的

36、掘進(jìn)巷道的掘進(jìn)巷道現(xiàn)場測定現(xiàn)場測定 風(fēng)筒的綜合換熱系數(shù)風(fēng)筒的綜合換熱系數(shù)kd為為5.0 5.0 到到 14.014.0 w/mw/m2 2 o oC C。 )(dddkqductqdRoadway airflowd3. 掘進(jìn)工作面熱環(huán)境預(yù)測掘進(jìn)工作面熱環(huán)境預(yù)測風(fēng)筒中風(fēng)流和巷道風(fēng)流間的熱交換風(fēng)筒中風(fēng)流和巷道風(fēng)流間的熱交換2/2/211didiiididdikxRq漏風(fēng)中含有的顯熱漏風(fēng)中含有的顯熱 2/ )(1didipvdpaisiCmCQqiddiQmm風(fēng)筒的漏風(fēng)Rockwij1ix1ixAirwayDuct2i1ii1idiqlisiqq2di1didi1diixi-1ii+1i+2漏風(fēng)中含

37、有的水蒸氣質(zhì)量漏風(fēng)中含有的水蒸氣質(zhì)量 3. 掘進(jìn)工作面熱環(huán)境預(yù)測掘進(jìn)工作面熱環(huán)境預(yù)測1112/2njjiiwijijisRiyxq頂板散發(fā)的顯熱頂板散發(fā)的顯熱1112/ )(2njjiiwijijiRimmmfyxmvRilRiLmq3.4 3.4 圍巖表面和風(fēng)流的熱質(zhì)傳遞圍巖表面和風(fēng)流的熱質(zhì)傳遞 Side-wallSide-wallFloorRoofz12y12nk1nj1-nj1-nk1Rockwij1ix1ixAirwayDuct2i1ii1idiqlisiqq2di1didi1diixi-1ii+1i+2頂板散發(fā)的潛熱頂板散發(fā)的潛熱頂板蒸發(fā)的水蒸氣質(zhì)量頂板蒸發(fā)的水蒸氣質(zhì)量3. 掘進(jìn)工作

38、面熱環(huán)境預(yù)測掘進(jìn)工作面熱環(huán)境預(yù)測斷面斷面i i巷道風(fēng)流的平均濕度巷道風(fēng)流的平均濕度 iidiiiiQmmQmm/ )(11)()(111pvipaidisisipvipaiiiCmCQqqqCmCQ)()(11pvdpaisidipvdpaididiCmCQqqCmCQ經(jīng)過時間經(jīng)過時間 t t后后空氣的溫度和濕度空氣的溫度和濕度Rockwij1ix1ixAirwayDuct2i1ii1idiqlisiqq2di1didi1diixi-1ii+1i+2斷面斷面i i巷道風(fēng)流的平均溫度巷道風(fēng)流的平均溫度斷面斷面i+1風(fēng)筒風(fēng)流的平均溫度風(fēng)筒風(fēng)流的平均溫度3. 掘進(jìn)工作面熱環(huán)境預(yù)測掘進(jìn)工作面熱環(huán)境預(yù)測

39、3.5 解算程序解算程序開始開始為變量設(shè)定初值為變量設(shè)定初值 計算計算qs, 和和 ql 計算風(fēng)筒中計算風(fēng)筒中空氣的溫度和濕度空氣的溫度和濕度 計算圍巖溫度計算圍巖溫度t=tend結(jié)束結(jié)束tt0Mod(t-t0, tc)= 0工作面向前移動工作面向前移動 Xf=Xf+Lc巷道軸線方向巷道軸線方向重新劃分格子重新劃分格子YESNOYESNOt=t=t+dtt+dt計算圍巖溫度計算圍巖溫度YESNO 用用CFDCFD法計算法計算 3. 掘進(jìn)工作面熱環(huán)境預(yù)測掘進(jìn)工作面熱環(huán)境預(yù)測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 菱刈金礦現(xiàn)場測定與模擬解算結(jié)果對比菱刈金礦現(xiàn)場測定與模擬解算結(jié)果對比12343. 掘進(jìn)工作面熱環(huán)境預(yù)測掘進(jìn)工作面熱環(huán)境預(yù)測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. 掘進(jìn)工作面熱環(huán)境預(yù)測掘進(jìn)工作面熱環(huán)境預(yù)測3.7 隨掘進(jìn)工作面推進(jìn)隨掘進(jìn)工作面推進(jìn)散熱散熱變化規(guī)律變化規(guī)律Cyclical variation in air temperature and relative humidityin working face with time2m/dayV CmwkskgQfod, 0 . 0,/82. 5,/45.