巷道围岩温度分布及调热圈半径的影响因素分析

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

2005年2月China安全

Safety科学Science学报Vol.15No.2

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁JournalFeb.2005巷道围岩温度分布及调热圈半径的影响因素分析

高建良󰀁

教授

(河南理工大学科技产业处)

学科分类与代码:620󰀁4099

󰀁󰀁󰀁

杨󰀁明

(河南理工大学资源与材料工程系)

󰀁摘󰀁要󰀁󰀂分析了巷道壁面水分蒸发情况下通风时间、岩石的热物理性质、巷道几何尺寸、巷道风流与围岩

壁面的对流换热系数、壁面湿度系数与风流相对湿度的变化对围岩温度分布及调热圈半径的影响。随着通风时间的延长,围岩冷却范围逐渐向围岩内部推移,推移速度逐渐降低;巷道壁面水分蒸发和风流相对湿度对靠近壁面处

围岩温度分布影响很大,但对深部围岩温度分布的影响逐渐变小,所以对调热圈半径的影响很小;岩石导温系数对调热圈半径及其内部的温度分布影响较大。巷道壁面风流与围岩的换热系数和巷道的几何尺寸对巷道围岩的冷却范围影响非常小。

󰀁关键词󰀁󰀂围岩温度场;调热圈;壁面湿度系数;风流相对湿度;导温系数

AnalysisoftheFactorsInfluencingTemperatureDistributionof

SurroundingRockandCooledZoneRadius

GAOJian-liang,Prof.󰀁YANGMing

(HenanPolytechnicUniversity)

Classificationandcodeofdisciplines:620.4099

Abstract:󰀁Temperaturedistributionofthesurroundingrockanditsvariationwithventilationtime,airwayscale,temperature

conductivity,heatconvectioncoefficient,wetnessfactorandrelativehumidityofairflowareanalyzedwithtakingconsiderofthe

waterevaporationontheairwaysurface.Cooledzoneexpandswiththeincreaseoftheventilationtime,buttheexpandingspeeddecreaseswiththeventilationtimeelapse.Thewaterevaporationonairwaysurfaceandrelativehumidityofairflowhaveagreatin-fluenceonthetemperaturedistributionofthesurroundingrockneartheairwaysurface,buthavealittleeffecttothetemperaturedistributionofthesurroundingrockindeeperarea.Temperatureconductivityofrockhasagreatinfluenceoncooledzoneradiusandthetemperaturedistributionincooledzone.Heatconvectioncoefficientandairwayscalehavelittleinfluenceontheareaofcooledzonebyventilation.

Keywords:󰀁Temperaturedistribution󰀁Cooledzone󰀁Wetnessfactor󰀁Relativehumidity󰀁Temperatureconductivity

职工湿疹患者达210人,晕倒35人次,约为近10年以来全国煤矿井下中暑晕倒人数的总和[2]。

矿山热害越来越成为影响矿井安全高效生产的一个急需解决的问题。在矿井热源中,围岩散热占相当大的比例,水平巷道内风流干、湿温度的增加主要是由于围岩散热引起的。研究围岩调热圈内的温度分布规律,是掌握围岩向风流的散热量、巷道风流热参数预测计算和矿内空气调节的基础。

国内外许多学者对围岩温度场及调热圈内温度的分布进行了大量的研究,了解和掌握了在不考虑巷道壁面水分蒸发情况下围岩温度分布规律。调热圈半径的大小一般随着巷道通风时间的增长而增加。在巷道开挖初期,围岩与风流的热交换量大,调热圈内围岩的温度变化率非常大;随着通风时间的增长,围岩冷却范围逐渐向围岩内部扩展。当巷道1󰀁引󰀁言

随着矿井开采深度的增加,地温不断增高,致使矿内气温不断升高。在高温环境下作业,人们的出汗量可达常温作业的5~10倍,大量的氮化钠、水溶性维生素、矿物盐随之排出,人体的正常水盐代谢被破坏,从而出现热痉挛等病变。人在温热的空气中较长时间劳动,会发生中暑、昏倒、呕吐和湿疹等疾病。由于湿热环境会引起人的某种机能障碍,如昏昏欲睡、性情烦躁等,导致事故发生,影响人身安全。

鹤壁六矿回采工作面风温高达32󰀁,相对湿度达99%以上,1984年8月30日,一个班就有4名矿工中暑倒在工作地点[1]。平顶山五矿己三采区最高气温达35󰀁,空气相对湿度94%~100%,据统计,1995年6~8月份,该采区采煤一队󰀁74󰀁

中国安全科学ChinaSafetyScience学报第15卷

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Journal2005年m󰀁󰀁󰀁风流的平均水蒸气含量;

󰀁󰀁󰀁󰀁壁表面的质量交换系数,可以根据局部换热系

数󰀁,按照Lewis公式计算出来[7],

󰀁=

󰀁

Cpa(SC/Pr)2/3(5)

通风一定时间后,通风时间对围岩温度及调热圈半径的影响甚微,几乎可以认为不变

[3~6]

。

在实际矿井巷道中都有水分存在,巷道壁面或顶底板的水分不断向风流中蒸发。围岩温度分布除受通风时间、岩石热物理性质影响外,还受壁面水分蒸发、风流相对湿度等因素影响。巷道表面水分的蒸发对围岩与风流的热交换起着重要作用。因此有必要对考虑巷道壁面水分蒸发时通风时间、壁面湿度系数、风流相对湿度及岩石热物理性质等因素对围岩温度分布及调热圈半径的影响进行分析。

式中,Cpa󰀁󰀁󰀁空气的定压比热;

Sc󰀁󰀁󰀁空气的Schmidt数;Pr󰀁󰀁󰀁空气的Prandtl数。

空气的饱和水蒸气含量是温度的单值函数,与温度的关系近似为线性的,所以风流的饱和水蒸气含量近似为

m=b0+b1T

式中,b0,b1󰀁󰀁󰀁常数。

相对湿度为󰀁的风流中水蒸气含量m为:

m=󰀁(b0+b1T)

(7)

如果壁面完全被液态水覆盖,可以假设非常接近巷道壁面的地方的空气是饱和的,所以完全湿润壁面的水蒸气含量mw就等于壁面温度为Tw时的饱和水蒸气含量。

mw=b0+b1Tw

(8)

通常巷道壁面并不是完全被水覆盖。对于部分湿润的

(6)

2󰀁围岩与风流热湿交换的计算方法

假设巷道为圆形、无限扩展,围岩岩石各向同性,岩石的热传导率和热交换系数与温度无关,如果不考虑围岩壁面的热辐射作用可以建立巷道围岩岩石中的热传导、巷道壁面和风流之间热湿交换的数学模型。

2󰀁1󰀁围岩内的热传导

巷道围岩内原岩的温度分布服从傅立叶传导微分方程,即

󰀁T󰀁2T1󰀁T=a(2+󰀁)󰀁tr󰀁r󰀁r

式中,a󰀁󰀁󰀁巷道围岩的热扩散系数;

r󰀁󰀁󰀁围岩距巷道轴心的距离;t󰀁󰀁󰀁通风时间。

(1)

巷道壁面,通常用湿度系数f来表示巷道壁面的湿润程度。湿度系数f被定义为从部分湿润巷道表面蒸发的水蒸气量与假设巷道壁面完全湿润时蒸发的水蒸气量的比值。则从部分湿润巷道壁面单位面积向风流传递的水蒸气质量为

ms=f󰀁(mw-m)

故单位壁表面积散发到风流的潜热热流密度q1为

ql=f󰀁Lv(mw-m)

式中,Lv󰀁󰀁󰀁水的蒸发潜热。

在定常状态下,当巷道壁面温度设定为常数时,可以直接由以上公式求出围岩与风流之间的显热和潜热的交换量。非定常条件下巷道壁面的温度不是常数,可以根据能量守恒原理,建立壁面能量守恒方程,求解围岩与风流之间的热交换量、巷道壁面温度值及围岩内部各点的温度。

(10)(9)

2󰀁2󰀁壁面对流换热

在井下实际巷道中,一般都存在水分的蒸发,当巷道壁面有水分蒸发时,从围岩放出的一部分热量消耗于水分蒸发所需的潜热ql,一部分用于风流温度升高所需的显热qs。

qt=qs+ql

2

(2)

2

式中,qt󰀁󰀁󰀁巷道壁面上围岩向风流散热的总热流密度(w/m);

qs󰀁󰀁󰀁从巷道壁面进入风流的显热热流密度(w/m);ql󰀁󰀁󰀁从巷道壁面进入风流的潜热热流密度(w/m2)。2󰀁2󰀁1󰀁从壁面进入风流的显热

根据对流换热定律,可以计算出从壁面进入通风风流的显热热流密度:

qs=󰀁(Tw-T)

式中,Tw󰀁󰀁󰀁巷道壁面的温度;

T󰀁󰀁󰀁巷道内风流的平均温度;󰀁󰀁󰀁󰀁巷道壁面的换热系数。2󰀁2󰀁2󰀁从壁面进入风流的潜热

在壁面完全湿润的条件下(假设巷道壁面完全被水膜覆盖),从巷道壁面进入巷道风流的水蒸气质量可以通过下式计算出来:

ms=󰀁(mw-m)

质量;

mw󰀁󰀁󰀁完全湿润壁面近旁空气的水蒸气含量;

(4)

式中,ms󰀁󰀁󰀁单位时间内从单位面积壁表面蒸发的水分

(3)

3󰀁解算实例及结果分析

假设空气密度为1.2kg/m3,温度为25󰀁,相对湿度为75%的风流通过半径为2.0m的圆形巷道,围岩初始温度为50󰀁,岩石的导热系数为3.2kcal(m2󰀁h󰀁󰀂),岩石的导温系数为5.93󰀁10-3m2/h,壁面与风流间的换热系数为12.0kcal(m2󰀁h󰀁󰀂)。笔者定义井巷围岩温度降低值超过原岩温度0.1%的区域为巷道围岩的冷却范围,即调热圈。下面通过实例解算分析通风时间、岩石的热物理性质、巷道几何尺寸、巷道风流与围岩壁面的对流换热系数、壁面湿度系数及风流相对湿度的变化对围岩温度分布及围岩冷却范围的影响。

3󰀁1󰀁通风时间对围岩温度分布的影响

当通风巷道内风流相对湿度为75%,壁面湿度系数f=0.5,巷道通风不同时间时的围岩温度分布及调热圈半径随时间的变化如图1所示。从图中可以看出,随着通风时间第二期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁高建良等:巷道围岩温度分布及调热圈半径的影响因素分析的增长,围岩温度逐渐降低,围岩调热圈半径逐渐向围岩深部扩展,调热圈半径向深部扩展的速度逐渐降低。

󰀁75󰀁

75%,壁面湿度系数f=0.5,其他条件不变时,在3种不同情况下巷道围岩冷却范围随通风时间的变化关系如图4所示。由图可见,巷道壁面的对流换热系数对巷道围岩的冷却范围几乎没有什么影响。

图1󰀁巷道围岩中温度分布

3󰀁2󰀁岩石导温系数对围岩温度分布的影响

岩石的导热系数与岩石中所含水分有很大的关系,在含水饱和状态下的岩石导热系数值是干燥状态下的150%~200%。当通风巷道内风流相对湿度为75%,壁面湿度系数f=0.5,两种导温系数情况下,通风6个月后围岩温度分布如图2所示。导温系数直接影响到岩石内部温度分布,岩石导温系数越大,热传导越快,围岩的温度下降速度也快。从图3中可以看出两种导温系数情况下调热圈半径随通风时间的变化关系,导温系数对调热圈半径的影响十分显著,岩石导温系数越大,温度传导和岩石冷却速度越快,调热圈半径越大。

图4󰀁对流换热系数对调热圈半径的影响

3󰀁4󰀁巷道尺寸对围岩冷却范围的影响

当通风巷道内风流相对湿度为75%,壁面湿度系数f=0.5,其他参数不变时,3种不同几何尺寸巷道的巷道围岩冷却范围随通风时间的变化关系如图5所示。纵坐标为调热圈边界到巷道壁面的距离(R为调热圈半径,r为巷道半径)。从图中可以看出,巷道的几何尺寸对围岩的冷却范围有一定的影响,但是影响很小。

图5󰀁巷道几何尺寸对调热圈半径的影响

图2󰀁岩石导温系数对围岩温度分布的影响

3󰀁5󰀁壁面湿度系数对围岩温度分布的影响

当通过巷道的风流相对湿度为75%,不同的壁面湿度系数情况下,围岩调热圈内及巷道壁面的温度变化规律如图6、图7所示。从图6中看出,壁面水分蒸发对巷道岩石表面温度影响非常大,在巷道壁面完全干燥情况下(f=0.0),无论通风时间多长,壁面温度都保持在风流温度25󰀁以上;当壁面有水分蒸发时,壁面的温度有时会降低至25󰀁以下,低于风流的温度,这表明风流所吸收的热量为负值,即风流不是吸收热量,而是散热。该现象并不意味着风流向岩石散热,而是由于岩石的壁面温度低于风流的温度,壁面水分吸

图3󰀁岩石导温系数对调热圈半径的影响

收风流的热量和岩石的热量而蒸发的结果。壁面湿度系数越大,壁面温度越低,相同条件下完全干燥壁面与完全湿润壁面之间的温度差达4󰀁左右。随着向围岩内部的深入,巷道壁面水分蒸发对岩石温度分布的影响逐渐变小。

3󰀁3󰀁对流换热系数对围岩冷却范围的影响

巷道壁面风流与围岩的对流换热系数直接影响到巷道壁面风流和围岩的热湿交换,当通风巷道内风流相对湿度为󰀁76󰀁

中国安全科学ChinaSafetyScience学报第15卷

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Journal2005年

图6󰀁壁面湿度系数对围岩温度分布的影响

图9󰀁风流相对湿度对调热圈半径的影响

图7表明巷道壁面完全干燥和完全湿润两种状态下巷道围岩冷却范围与通风时间的关系。巷道壁面湿度系数对巷道围岩的冷却范围影响很小。

4󰀁结󰀁论

笔者通过对巷道壁面存在水分蒸发情况下围岩与风流的热湿交换过程进行解算分析,可以看出围岩的热传导率、巷道与风流的对流换热系数、通风时间、壁面湿度系数和风流相对湿度等参数影响到巷道围岩的温度分布。

(1)随着通风时间的增长,围岩冷却范围逐渐向围岩深部扩展,调热圈半径向深部扩展的速度逐渐降低。

(2)岩石的导温系数对巷道围岩的冷却范围有很大的影响,岩石导温系数越大,温度传导和岩石冷却速度越快,调热圈半径越大。

(3)巷道壁面风流与围岩的换热系数和巷道的几何尺寸对巷道围岩的冷却范围影响非常小。巷道壁面湿度系数和风流的相对湿度对靠近壁面区域内的围岩温度分布影响较大,但是对围岩的冷却范围影响很小。

(收稿:2004年11月;作者地址:河南省焦作市高新区世纪大道2001号;河南理工大学科技产业处;邮编:454003)

图7󰀁壁面温度系数对调热圈半径的影响

3󰀁6󰀁风流相对湿度对围岩温度分布的影响

当壁面湿度系数为f=0.5,通风6个月后,不同风流相对湿度情况下围岩中的温度分布如图8所示。风流中的水蒸气含量对巷道围岩内温度分布,特别是对壁面附近区域的温度分布有很大的影响。这是由于巷道表面水分蒸发不仅与壁面湿度系数有关,还依赖于风流中空气的湿度。风流相对湿度越低,巷道表面的水分蒸发就越多,从围岩向风流中传递的热量也就越多,围岩降温就越快。

参考文献

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2󰀁李振顶,彭辉仕.矿井热害的治理方法及效果[J].煤炭科学技术,2002,30(1):22~24

3󰀁余恒昌.矿山地热与热害处理[M].北京:煤炭工业出版社,1991

4󰀁张汉君.地温预热过程中井巷调热圈若干问题的探讨[J].黄金,1992,13(6):19~20

5󰀁侯祺棕,沈伯雄.调热圈半径及其温度场的数值解算模型[J].湘潭矿业学院学报,1997,12(1):9~16

图8󰀁风流相对温度对围岩温度分布的影响不同相对湿度条件下巷道围岩的冷却范围随通风时间的变化规律如图9所示。巷道风流的相对湿度对围岩的冷却范围影响很小。

6󰀁周西华,单亚飞,王继仁.井巷围岩与风流的不稳定换热[J].辽宁工程技术大学学报,2002,21(3):264~2657󰀁清华大学,西安冶金建筑学院等.空气调节(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,1986