一种高温矿井进风顺槽空冷设施优化布置方法

摘要

本发明公布了一种高温矿井进风顺槽空冷设施优化布置方法，所述空冷设施包括局部通风机、空冷器、风筒三部分，该优化计算方法以空冷器出口断面至风筒出口断面为热力系统，依据能量守恒定律分析风筒内风流、风筒外风流以及巷道围岩三者之间的耦合热交换关系，分别建立风筒内、外风流热平衡方程，采用有限差分法对该热平衡方程进行数值离散求解，可获得风筒内和风筒外沿程风流温度以及风筒内风流和风筒外风流混合后的风流温度。该优化计算方法能实现对单台或多台空冷设施布置位置及方式的优化计算，可对空冷器与采煤工作面之间距离、空冷器后接风筒长度以及布置多台空冷设施时各个空冷设施相距位置进行计算优化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于矿井降温领域的技术方法，尤其涉及一种高温矿井进风顺槽空冷设施优化布置方法。

背景技术

随着煤矿开采深度逐渐的增加，矿井热害问题日趋突出，采煤工作面是井下受高温热害威胁最严重的场所之一。当前，采煤工作面制冷降温措施主要是通过在其进风顺槽布置合理的空冷设施进而冷却采煤工作面进风风温，从而对工作面实施降温，因而进风顺槽内空冷设施的布置位置、数目以及匹配风筒的长度等均对采煤工作面的进风温度有很大的影响。因此，科学合理的优化布置进风顺槽内空冷设施显得尤为重要。然而，大部分矿井对空冷设施布置方式上往往采取经验的方式，缺少足够的科学依据，往往造成一段时间内需要对空冷设施实施多次搬移，大大增强的工人的劳动强度。为更加科学合理的实施高温矿井采煤工作面进风顺槽空冷设施的布置，本发明以能量守恒定律为理论基础对风筒内风流、风筒外风流以及巷道围岩三者之间的耦合热交换关系进行科学的分析，提出了进风顺槽内空冷设施优化布置的计算方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于高温矿井进风顺槽空冷设施布置的优化方法，通过该计算方法可以对进风顺槽内的空冷设施实施科学合理的布置方式，以摒除以往经验式的布置方式，能提高进风顺槽内空冷设施利用效率，减少空冷设施的搬迁次数，降低工人劳动强度，进而使得矿井降温技术措施的实施具有更强的科学依据。

本发明解决上述问题是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种高温矿井进风顺槽空冷设施优化布置方法，其所述的空冷设施由局部通风机、空冷器以及风筒三部分组成；所述计算方法以空冷器出口断面至风筒出口断面的热力系统为研究对象，通过现场调研获取该热力系统内进风风流、巷道围岩以及空冷器等热力学基本参数，采用能量守恒的原理对该热力系统内风筒内风流、风筒外风流以及巷道围岩三种之间的耦合热交换关系进行分析，进而分别获得风筒内、外风流热平衡方程，然后利用有限差分法分别对风筒内、外风流热平衡方程进行数值离散求解，可得到风筒内、外沿程风流的温度，忽略风筒出口处内外风流的混合长度，依据能量守恒原理，最终可获得风筒内风流和风筒外风流混合后的风流温度。

所述的高温矿井进风顺槽空冷设施，其工作原理为在局部通风机的作用下，由高温矿井进风顺槽内的热风流经过空冷器进行冷却降温，经风筒输送到用风地点如采煤工作面。

所述的高温矿井进风顺槽空冷设施优化布置计算方法，其风筒外风流热平衡方程的建立考虑巷道围岩散热、风筒内风流漏风、风筒内风流热传导以及风流位能变化的影响，风筒内风流热平衡方程的建立考虑风筒外风流热传导以及风流位能变化的影响。

所述的高温矿井进风顺槽空冷设施优化布置方法，适用于对单台空冷设施或多台空冷设施的混合布置进行计算优化，对于单台空冷设施，能实现空冷器与采煤工作面之间的距离以及空冷器后接风筒长度的计算优化，而对于两台或两台以上的空冷设施，除上述情况外，还包含空冷设施与空冷设施相距位置的计算优化。

所述的高温矿井进风顺槽空冷设施优化布置方法，其优化准则为空冷设施风筒出口处混合温度应符合《煤矿安全规程》规定空气干球温度不得超过26℃。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种高温矿井进风顺槽单台空冷设施布置方式示意图。

图2为本发明实施例提供的优化布置方法中有限差分法节点离散方式示意图。

图3为本发明实施例提供的一种高温矿井进风顺槽两台空冷设施布置方式示意图。

图4为本发明实施例提供的一种高温矿井进风顺槽三台空冷设施布置方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。

如图1所示为一种高温矿井进风顺槽单台空冷设施布置方式示意图，其中包括进风顺槽01、巷道围岩02、局部通风机03、空冷器04、风筒05、风筒内风流06、风筒外风流07、采煤工作面08。所述的空冷设施由局部通风机03、空冷器04以及风筒05三部分组成，本发明所述优化方法是以空冷器04出口断面A至风筒05出口断面B之间所组成的热力系统为研究对象，通过现场实际调研分别获取该热力系统的相关热力参数主要包括空冷器04出口断面处风筒内风流06和风筒外风流07的温度、湿度、空气质量流量，巷道围岩02的原始岩温、断面周长、不稳定换热系数以及风筒05的直径等，采用能量守恒的原理对该热力系统内风筒外风流07、风筒内风流06以及巷道围岩02三种之间的耦合热交换关系进行分析。

以空冷器04布置位置为坐标原点，沿进风顺槽01中心线为x轴，并以风筒外风流07方向作为x轴正方向。在A-B断面之间任取一微元段dx，该微元段风流温度变化为dT，分别列出其间风筒内风流06和风筒外风流07的热平衡方程。

(1)风筒内风流06热平衡方程

M₁C_PdT₁＝(T₂-T₁)kπDdx-M₁g>

(2)风筒外风流07热平衡方程

M₂di₂+(i₂-i₁)dM₁＝(T₁-T₂)kπDdx+k_τ(T_gu-T₂)Udx-M₂g>

式中：M₁、M₂为风筒内风流06和风筒外风流07的质量流量，kg/s；T₁、T₂为风筒内风流06和风筒外风流07的温度，℃；i₁、i₂为风筒内风流06和风筒外风流07的焓值，KJ/kg；D为风筒05直径，m；k为风筒05内外间热交换系数，KW/m²·℃；k_τ为巷道围岩02不稳定换热系数，KW/m²·℃；T_gu为巷道围岩02原始岩温，℃；U为巷道围岩02断面周长，m；g为重力加速度，m²/s；θ为巷道围岩02开采倾角。

(3)根据相关热力学知识，将风筒内风流06和风筒外风流07相对湿度、含湿量、焓等参数表达式分别代入风筒外风流07热平衡方程式

式中：C_p为干空气的定压比热容，常取C_p＝1.005kJ/(kg·℃)；r为水蒸汽的汽化潜热，常取r＝2501kJ/kg；风筒内风流06和风筒外风流07始端相对湿度；为风筒内风流06和风筒外风流07相对湿度变化率；c为风筒05平均漏风率，m³/m；ρ为空气密度，kg/m³；d₁为风筒内风流06含湿量，kg/kg；b、ε′、p_m为与风流温度有关的常数。

为简化分析，令：

B₃＝k_τU

因此，风筒外风流07热平衡方程式可表示为：

B₁dT₂＝B₂(T₁-T₂)+(T_gu-T₂)B₃+B₄-B₅T₂

(3)边界条件

式中：T_in为空冷器04出口风筒内风流06温度，℃；T_out为空冷器04出口处风筒外风流07，℃。

上述完成了对进风顺槽01单台空冷设备时物理模型和数学模型的描述，对于进风顺槽布置多台空冷设施时，可以采用同样的原理方法进行描述。本发明采用有限差分方法对上述方程分别进行离散处理。假定A-B断面之间的距离为L，将其之间的巷道围岩02及风筒05均等分为n-1段，则每段长度为Δx＝L/(n-1)，令风筒外风流07节点编号i均为偶数，风筒内风流06节点编号j均为奇数，如图2所示。

(4)风筒外风流07热平衡方程离散

-B₂T_i-3+(-2B₁+B₂+B₃+B₅)T_i-2-B₂T_i-1

+(2B₁+B₂+B₃+B₅)T_i＝2B₃T_gu+2B₄,(i＝4,6...2n)

(5)风筒内风流06热平衡方程离散

即上述完成了进风顺槽01中布置单台空冷器04时风温计算数学模型，求解该数学模型即可得到风筒外风流07以及风筒内风流06各节点的温度。

(6)风筒05出口内外风流混合后的温度

忽略风流空冷长度，假设风筒内风流06与风筒外风流07在风筒05出口处即充分混合，则可建立风流混合前后热平衡方程。

M₁i₁+M₂i₂＝(M₁+M₂)i₃

将风筒外风流07和风筒内风流06相对湿度、含湿量、焓等参数表达式分别代入风流混合前后能量平衡方程中。

式中：i₃为风筒内风流06和风筒外风流07混合后风流的焓，KJ/kg；T₃为风筒05出口处巷道、风筒及混合风流的温度，℃；为风筒内风流06和风筒外风流07混合后风流的相对湿度。

对上述方程式整理可得：

在实际应用过程中，对于单台空冷设备通过调整进风顺槽内空冷设施的空冷器04与采煤工作面之间的距离以及风筒05的长度，进而确定最优的布置方式。

上述仅仅对单台空冷设备位置优化计算进行了论述，对于进风顺槽内布置多台空冷设备时，亦可采用相同的计算方法，但是在对优化布置计算的过程中，除了考虑上述情况外，还应考虑不同空冷设备之间的位置优化。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。