泉店煤礦14010 工作面高溫熱害防治研究及應用

尹站穩(wěn)

（河南神火煤電有限公司泉店煤礦，河南 許昌 461000）

泉店煤礦14010 工作面位于礦井西翼14 采區(qū)東北部，東鄰二1-12070 工作面，西鄰14 采區(qū)三條上山，南鄰二1-14030 綜采工作面。工作面地面標高+118.1～ +120.5 m，井下標高-386.7～ -237.7 m，主采二1 煤層，平均傾角約27°，煤厚1.5～6.5 m。回采期間工作面溫度過高，在31 ℃以上，嚴重影響工人作業(yè)環(huán)境和生產(chǎn)安全。

1 工作面熱量來源分析

1.1 原始巖溫的影響

隨著地殼深度的增加，巖體溫度逐漸升高，這主要是地心由內(nèi)至外的熱流造成的[1-2]。地熱增加按一定地溫梯度變化，泉店煤礦的平均地溫梯度約為2.3 ℃/hm，14010 工作面埋深約500 m，工作面較地面溫度高11.5 ℃。另外工作面裂隙水溫度較高，約37 ℃。故埋深和高溫的裂隙水是造成工作面地溫較高的主要原因之一。

1.2 空氣流動自壓縮放熱及人體發(fā)熱

空氣流動的自壓縮放熱，是由于地球重力場作用，空氣沿井巷向下流動時，其位能轉化為焓，致使溫度升高。一般可知空氣自壓縮發(fā)熱量與風量、風流高差均成正比[3-4]，如公式（1）。

式中：Q壓為空氣流動自壓縮放出的熱量，kJ；MB為風量，m3/min；ΔH為風流流動的高差，m。

當?shù)孛鏈囟仍?5 ℃時，14010 工作面入風口所處位置的氣體溫度達27 ℃左右。也就是說，由于空氣的自壓縮效應，工作面的溫度增加了2 ℃。

1.3 工作面風量偏小引起的溫度升高

14010 工作面初采時的風量按照標準配風為1000 m3/min，綜采工作面平均空間面積為9.3 m2，換算成平均風速為1.79 m/s，比較適合井下環(huán)境的適宜風速。

理論和實踐證明：在其他條件相同時，流過巷道的風量增加，從巖體中及其他熱源放出的熱量分散到更多體積的空氣中，風流溫度會降低。在巖石溫度較高時，提高回采工作面風量，可有效地改善工作面微氣候條件，當工作面入風風流的溫度低于圍巖溫度時，其降溫效果比較明顯。故風量偏小也是溫度升高的原因之一。

1.4 工作面破落的煤體散熱

14010 工作面煤壁斜長L=201 m，平均煤厚M=4.34 m，煤壁溫度分地段不一致，高的地段可達30 ℃左右，而煤壁內(nèi)實體煤的溫度還會更高。工作面煤炭平均日產(chǎn)量為2800 t，大量破落的煤體散熱是工作面高溫的主要來源之一。

實測工作面檢修班不出煤時的出風口的平均溫度比入風口的平均溫度高0.8 ℃，正常生產(chǎn)時出風口的平均溫度比入風口的平均溫度高2.3 ℃。也就是說，由于出煤時的散煤散熱使工作面的溫度增加了1.5 ℃。

1.5 井下機械設備散熱

工作面及下順槽的采煤機、刮板輸送機、轉載機、皮帶機等大功率動力電機及照明設備等工作時都會產(chǎn)生熱量[5-8]，使風流溫度提升。井下實測顯示工作面設備運行后周邊溫度升高1.3 ℃左右。工作面主要設備散熱引起的周邊空氣溫升數(shù)據(jù)見表1。

表1 井下設備運行時周圍溫升情況

2 工作面降溫措施研究

通過對14010 工作面熱量來源的分析，原始巖溫和空氣流動自壓縮放熱無法人為控制，其他熱量可通過采取針對性措施實施有效降溫[9-10]。

2.1 工作面風量調(diào)節(jié)

通常情況下，隨著工作面的風量增大降溫效果越好。風量的上限值一是考慮不能超過巷道最大風速，二是考慮降溫效果及經(jīng)濟效益?；陲L流通過井巷熱交換的基本規(guī)律，得出工作面溫度與風量變化的關系，找到最佳結合點是風量調(diào)節(jié)的關鍵。風流通過巷道熱交換基本規(guī)律是基于風流為穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程，風流沿巷道流動示意圖如圖1。假設質量流量為G通過巷道，在入口處能量為E1（kJ/s），在出口處能量為E2（kJ/s），在流動過程中熱交換能量為Q（kJ/s），風流能量E可由風流內(nèi)能（U=Gu）、位能（Ew=GgZ）、動能（Ed=Gv2/2）和流動功（Gpv）表示，則熱力學第一定律可表示為：

圖1 風流沿巷道流動示意圖

其中：u1、u2分別為風流入口、出口的內(nèi)能，J/kg；p1、p2分別為風流入口、出口的壓強，J/kg；ρ1、ρ2分別為風流入口、出口的比容，m3/kg；Z1、Z2分別為風流入口、出口的標高，m；v1、v2分別為風流入口、出口的風速，m/s；g為重力加速度，m/s2。

又知Gg（Z1-Z2）為風流高差的自壓縮熱，可歸入總熱量交換中，風流流過巷道將熱量一部分轉化為顯熱，一部分轉化為潛熱，其和為焓，則可表示為：

式中：t1、t2分別為井巷風流入口、出口的干球溫度，℃；Δt為干球溫度變化量，℃；Δd為巷道出入口的含濕量變化量，g/kg；cp為空氣的質量定壓熱容，為常數(shù)，一般取1.005 kJ/（kg·℃）。

結合工作面放熱量來源，列出熱平衡方程，可得到工作面不同風量和干球溫度的關系，如圖2，可知工作面干球溫度在27 ℃時，工作面最佳風量約為22 m3/s。

圖2 工作面干球溫度與風量關系曲線

2.2 工作面下行通風

研究表明，煤層傾角較大時，工作面采用下行通風方式可適當降低工作面溫度。14010 工作面傾角為28 ℃，為大傾角工作面，實施上順槽進風、下順槽回風，可在以下方面降低工作面風流溫度：

（1）主要運煤設備工作時產(chǎn)生的熱量。由表1可知，主要運煤設備工作時產(chǎn)生熱量可提高周圍溫度1.3 ℃，其主要放置在下順槽，下行通風時將該部分熱量直接帶入回風大巷中，不再進入工作面。

（2）采空區(qū)散熱。實測表明，采用下行風時工作面后方采空區(qū)的漏風量比采用上行風時減少20%左右。由于漏風量的降低，使得采空區(qū)由于漏風而帶入工作面的熱量也同樣降低。

（3）散煤運輸產(chǎn)生的熱量。如公式（4）所示，工作面采落煤體散熱量計算得出136.88 kcal/h，當上行通風風流逆煤流而行，將散發(fā)的熱量再次帶入工作面，下行通風時將煤體散發(fā)熱量直接帶入回風大巷。

式中：Qs為采落煤炭放熱量，kcal/h；Gy為工作面產(chǎn)煤量，取160 kg/h；CY為煤的比熱，取1.16 kcal/kg·℃；t0、tB分別為原煤溫度和風流溫度，分別取31 ℃、29 ℃；J、J0為系數(shù)，分別可取0.8、0.45。

2.3 噴霧灑水降溫

灑水管道將地面的水流至工作面，沒有受到自壓縮放熱的影響，溫度較低。實測表明，地面空氣溫度25 ℃時，灑水池內(nèi)的水溫23 ℃，水流至工作面時溫度24 ℃，工作面入風口處的氣溫要低3 ℃左右。在工作面進風巷中設置兩道水霧棚，利用水吸熱蒸發(fā)物理屬性，噴霧灑水可降低工作面0.5 ℃左右。

2.4 機械制冷降溫

當夏季地面溫度到達28 ℃及以上時，采取機械降溫措施輔助降溫[9-10]。機械制冷是在主井附近建立制冰站用于制取冰片，通過輸送管路將冰片輸送至井底融冰池，融冰池的泵將低溫的水通過管路輸送至工作面的空冷器，將工作面的熱量吸收后重新返回融冰池，部分冷水用于冷卻工作面的機械設備和噴霧灑水等。泉店礦輸冰系統(tǒng)采用SL-400型螺旋輸冰裝置，井下輸冷散冷系統(tǒng)采用MD155-30X9 水泵，融冰池采用MD155-30*8 型水泵。

3 現(xiàn)場應用及結論

根據(jù)研究的結果，14010 工作面采用將風量調(diào)節(jié)為1380 m3/min，風路采取上順槽進風、下順槽回風的下行風方案，在進風巷設置兩道噴霧灑水設施等措施后，當?shù)孛鏈囟鹊陀?5 ℃時，14010 工作面的溫度可保持在28 ℃左右，夏季時，地面溫度超過28 ℃時，采用機械制冷輔助降溫，保障工作面溫度不超過30 ℃。工作面作業(yè)環(huán)境明顯改善，不僅保證了生產(chǎn)安全，同時保證了工人的作業(yè)環(huán)境和工作效率。