矿井通风系统设计

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1、第八章矿井空气调节概论矿井空气调节是改善矿内气候条件的主要技术措施之一。其主要内容包括两方面：一是对冬季寒冷地区，当井筒入风温度低于2时，对井口空气进行预热；二是对高温矿井用风地点进行风温调节，以达到规程规定的标准。本章将重点讨论高温矿井的空气调节技术，同时对冬季寒冷矿区的井口空气加热问题也做一简单介绍。第一节井口空气加热本节主要介绍井口空气加热设计的一般方法及步骤。一、井口空气加热方式井口一般采用空气加热器对冷空气进行加热，其加热方式有两种。1. 井口房不密闭的加热方式当井口房不宜密闭时，被加热的空气需设置专用的通风机送入井筒或井口房。这种方式按冷、热风混合的地点不同，又分以下三种情况：（

2、1）冷、热风在井筒内混合这种布置方式是将被加热的空气通过专用通风机和热风道送入井口以下2m处，在井筒内进行热风和冷风的混合，如图8-1-1 所示。（ 2）冷、热风在井口房内混合这种布置方式是将热风直接送入井口房内进行混合， 使混合后的空气温度达到 2以上后再进入井筒，如图 8-1-2 所示。（ 3）冷、热风在井口房和井筒内同时混合这种布置方式是前两种方式的结合，它将大部分热风送入井筒内混合，而将小部分热风送入井口房内混合，其布置方式如图8-1-3 所示。以上三种方式相比较，第一种方式冷、热风混合效果较好，通风机噪声对井口房的影响相对较小，但井口房风速大、风温低，井口作业人员的工作条件差，而且井

3、筒热风口对面井壁、上部罐座和罐顶保险装置有冻冰危险；第二种方式井口房工作条件有所改善，上部罐座和罐顶保险装置冻冰危险减少，但冷、热风的混合效果不如前者，而且井口房内风速较大，尤其是通风机的噪声对井口的通讯信号影响较大；第三种方式综合了前两种的优点，而避免了其缺点，但管理较为复杂。1图 8-1-1图 8-1-21通风机房； 2空气加热室； 3空气加热器；1 通风机房； 2空气加热室；4通风机； 5热风道； 6井筒3空气加热器； 4通风机； 5井筒图8-1-31通风机房；2空气加热室；3空气加热器；4通风机； 5热风道； 6井筒。2. 井口房密闭的加热方式当井口房有条件密闭时， 热风可依靠矿井主要

4、通风机的负压作用而进入井口房和井筒，而不需设置专用的通风机送风。采用这种方式，大多是在井口房内直接设置空气加热器，让冷、热风在井口房内进行混合。对于大型矿井，当井筒进风量较大时，为了使井口房风速不超限，可在井口房外建立冷风塔和冷风道，让一部分冷风先经过冷风道直接进入井筒，使冷、热风即在井口房混合2又在井筒内混合。采用这种方式时，应注意防止冷风道与井筒联接处结冰。井口房不密闭与井口房密闭这两种井口空气加热方式相比，其优缺点见表8-1-1 。表 8-1-1井口空气加热方式的优缺点比较表井口空气加热优点缺点方式1井口房不要求密闭；1井口房风速大、 风温低， 井口作业井 口 房2可建立独立的空气加热室

5、， 布置人员工作条件差；不 密 闭较为灵活；2通风机运行噪声对井口房通讯有影时3在相同风量下， 所需空气加热器响；的片数少。3设备投资大，管理复杂。井 口 房1井口房工作条件好；1井口房密闭增加矿井通风阻力；2不需设置专用通风机， 设备投资2井口房漏风管理较为麻烦。密闭时少。二、空气加热量的计算1. 计算参数的确定(1) 室外冷风计算温度的确定。 井口空气防冻加热的室外冷风计算温度， 通常按下述原则确定：立井和斜井采用历年极端最低温度的平均值；平硐采用历年极端最低温度平均值与采暖室外计算温度二者的平均值。(2) 空气加热器出口热风温度的确定。 通过空气加热器后的热风温度， 根据井口空气加热方式

6、按表 8-1-2 确定。表8-1-2空气加热器后热风温度的确定送风地点热风温度送风地点热风温度 ()( )立井井筒60 70正压进入井口20 30房斜井或平40 50负压进入井口10 20硐房2. 空气加热量的计算井口空气加热量包括基本加热量和附加热损失两部分，其中附加热损失包括热风道、通风机壳及井口房外围护结构的热损失等。基本加热量即为加热冷风所需的热量，在设计中，一般附加热损失可不单独计算，总加热量可按基本加热量乘以一个系数求得。即总加热量 Q，可按公式（ 8-1-1 ）计算：QMC p (th tl ) ， KW(8-1-1)式中 M 井筒进风量， Kg/s ；热量损失系数，井口房不密闭

7、时 1.05 1.10 ，密闭时 1.10 1.15 ；3t h冷、热风混合后空气温度，可取2；t l 室外冷风温度，；CP空气定压比热， Cp 1.01 KJ/（Kg K）。三、空气加热器的选择计算1. 基本计算公式(1) 通过空气加热器的风量M 1Mt ht l ，Kg/s（ 8-1-3 ）th 0tl式中M1通过空气加热器的风量，Kg/s ；t h0加热后加热器出口热风温度，按表8-1-2 选取；其余符号意义同前。(2) 空气加热器能够供给的热量?Q kSt p， KW(8-1-4)式中 Q 空气加热器能够供给的热量，KW；? K 空气加热器的传热系数，2KW/（mK）；? S 空气加热

8、器的散热面积，2m；t p热媒与空气间的平均温差，。当热媒为蒸汽时：t pt v-(t l +t h0)/2 ，(8-1-5)当热媒为热水时：t p(t w1+t w2)/2-(te+t ho)/2，(8-1-6)式中 t v饱和蒸汽温度，；t w1、 t w2热水供水和回水温度，；其余符号意义同前。空气加热器常用的在不同压力下的饱和蒸汽温度，见表8-1-3 。表 8-1-3不同压力下的饱和蒸汽温度蒸汽压力 (KPa) 3098196245294343392饱和蒸汽温度 ( )100119.6132.8138.2142.9147.21512. 选择计算步骤空气加热器的选择计算可按下述方法和步骤

9、进行：4(1) 初选加热器的型号初选加热器的型号首先应假定通过空气加热器的质量流速(v ) ，一般井口房不密闭时(v ) 可选 48Kg/m2.s, 井口房密闭时 (v ) 可选24Kg/m2 .s 。然后按下式求出加热器所需的有效通风截面积 S：S2(8-1-7) M1/(v ) ，m在加热器的型号初步选定之后，即可根据加热器实际的有效通风截面积，算出实际的(v ) 值。(2) 计算加热器的传热系数表 8-1-4 中列举了部分国产空气加热器传热系数的实验公式，供学习时参考， 更详细的资料请查阅有关手册。如果有的产品在整理传热系数实验公式时，用的不是质量流速（v），而是迎面风速 vy, 则应根

10、据加热器有效截面积与迎风面积之比值（ 称为有效截面系数），使用关系式 v y( v ) ，由 v求出 vy 后，再计算传热系数。如果热媒为热水，则在传热系数的计算公式中还要用到管内水流速VW。加热器管内水流速可按下式计算：VWM 1C p (th 0t1 )， m/s(8-1-8)SwC(tw1t w2 )103式中 V W加热器管内水的实际流速，m/s；2S w空气加热器热媒通过的截面积，m；C 水的比热， C 4.1868KJ/Kg K。其余符号意义同前。(3) 计算所需的空气加热器面积和加热器台数空气加热器所需的加热面积可按下式计算：S1Q1,m2(8-1-9)Kt p式中符号意义同前。

11、计算出所需加热面积后，可根据每台加热器的实际加热面积确定所需加热器的排数和台数。(4) 检查空气加热器的富余系数，一般取1.15 1.25 。(5) 计算空气加热器的空气阻力H，计算公式见表 8-1-4 。5(6) 计算空气加热器管内水阻力 h，计算公式也见表 8-1-4 。表8-1-4部分国产空气加热器的传热系数和阻力计算公式表加热器型号热媒传热系数空气阻力热水阻力 h(KPa)2H(Pa)K(W/m K)5 、6、10D14 6(v ) 0.491.76(v ) 1.998D型：5 、6、10Z0.491.981.9614 6(v )1.47(v )15.2V WSRZ型 5、6、10X蒸

12、汽14 5(v ) 0.5320.88(v ) 2.12Z、 X型：7D14 3(v ) 0.512.06(v ) 1.1715.2V W1.967Z14 6(v ) 0.492.94(v ) 1.527X15.1(v ) 0.5711.37(v ) 1.917B A/2蒸汽15.2(v ) 0.501.71(v ) 1.67SRL型 B 15.1(v ) 0.433.03(v ) 1.62A/316.5(v ) 0.241.5(v ) 1.58BA/2热水14.5(v ) 0.292.9(v ) 1.58BA/32注 : v 空气质量流速,Kg/m .s ； V 水流速， m/s。W第二节矿

13、井主要热源及其散热量要进行矿井空调设计，首先就必须了解引起矿井高温热害的主要影响因素。能引起矿井气温值升高的环境因素统称为矿井热源。本节将重点讨论这些矿井主要热源及其散热量的计算方法。一、井巷围岩传热1围岩原始温度的测算围岩原始温度是指井巷周围未被通风冷却的原始岩层温度。在许多深矿井中，围岩原始温度高，往往是造成矿井高温的主要原因。由于在地表大气和大地热流场的共同作用下，岩层原始温度沿垂直方向上大致可划分为三个层带。在地表浅部由于受地表大气的影响，岩层原始温度随地表大气温度的变化而呈周期性地变化，这一层带称为变温带。随着深度的增加，岩层原始温度受地表大气的影响逐渐减弱，而受大地热流场的影响逐渐

14、增强，当到达某一深度处时，二者趋于平衡，岩温常年基本保持不变， 这一层带称为恒温带， 恒温带的温度约比当地年平均气温高1 2。在恒温带以下，由于受大地热流场的影响，在一定的区域范围内，岩层原始温度随深度的增加而增加，大致呈线性的变化规律，这一层带称为增温带。在增温带内，岩层原始温度随深度的变化规律可用地温率或地温梯度来表示。地温率是指恒温带以下岩层温度每增加1，所增加的垂直深度，即：6?g rZZ 0 ?，m/(8-2-1)t rtr 0地温梯度是指恒温带以下，垂直深度每增加100m时，原始岩温的升高值，它与地温率之间的关系为：? G r 100/g r ， /100m(8-2-2)式中 g

15、r 地温率， m/；? Gr 地温梯度， /100m；Z 0 、Z恒温带深度和岩层温度测算处的深度，m；tr0 、t r 恒温带温度和岩层原始温度，。若已知 gr 或 Gr及Z0、t r0 ，则对式（ 8-2-1 ）、式（ 8-2-2 ）进行变形后 , 即可计算出深度为Zm的原岩温度 t r 。表 8-2-1? 列出的我国部分矿区恒温带参数和地温率数值，仅供参考。?表8-2-1我国部分矿区恒温带参数矿 区 名恒温带深度 Z 0(m)恒温带温度地温率 g r (m/ )称t y0( )辽宁抚顺25 3010.530山东枣庄4017.045平顶山矿区2517.231 21罗河铁矿区2518.959

16、 25安徽淮南潘集2516.833.7辽宁北票台吉2710.640 37广西合山2023.140浙江长广3118.944湖北黄石3118.843.3 39.82围岩与风流间传热量井巷围岩与风流间的传热是一个复杂的不稳定传热过程。井巷开掘后，随着时间的推移，围岩被冷却的范围逐渐扩大，其所向风流传递的热量逐渐减少；而且在传热过程中由于井巷表面水分蒸发或凝结，还伴随着传质过程发生。为简化研究，目前常将这些复杂的影响因素都归结到传热系数中去讨论。因此，井巷围岩与风流间的传热量可按下式来计算：?QrKUL(t-t) ， KW(8-2-5)rm式中 Qr 井巷围岩传热量， KW；2K 围岩与风流间的不稳定

17、换热系数，KW/(m ) ；U 井巷周长， m；L 井巷长度， m；7t rm平均原始岩温，；t 井巷中平均风温，。围岩与风流间的不稳定传热系数K是指井巷围岩深部未被冷却的岩体与空气间温差为21时，单位时间内从每m?巷道壁面上向空气放出( 或吸收 ) 的热量。它是围岩的热物理性质、井巷形状尺寸、通风强度及通风时间等的函数。由于不稳定传热系数的解析解相当复杂，在矿井空调设计中大多采用简化公式或统计公式计算。限于教材篇幅，此处不再赘述。应用时，请参阅有关专著或手册。二、机电设备放热在现代矿井中，由于机械化水平不断提高，尤其是采掘工作面的装机容量急剧增大，机电设备放热已成为这些矿井中不容忽视的主要热

18、源。1. 采掘设备放热采掘设备运转所消耗的电能最终都将转化为热能，其中大部分将被采掘工作面风流所吸收。风流所吸收的热能中小部分能引起风流的温升，其中大部分转化成汽化潜热引起焓增。采掘设备运转放热一般可按下式计算：?Qc N，KW(8-2-6)式中 Q c 风流所吸收的热量， KW；采掘设备运转放热中风流的吸热比例系数；值可通过实测统计来确定。N 采掘设备实耗功率， KW。2. 其它电动设备放热电动设备放热量一般可按下式计算：Qe (1- t ) mN， KW(8-2-7)式中 Qe电动设备放热量， KW；N 电动机的额定功率， KW； t 提升设备的机械效率，非提升设备或下放物料t 0； m电

19、动机的综合效率，包括负荷率、每日运转时间和电动机效率等因素。三、运输中煤炭及矸石的放热在以运输机巷作为进风巷的采区通风系统中，运输中煤炭及矸石的放热是一种比较重要的热源。运输中煤炭及矸石的放热量一般可用下式近似计算：?Q KmC mt ， KW(8-2-8)8式中 Q k 运输中煤炭或矸石的放热量，KW；m 煤炭或矸石的运输量，Kg/s ；C m煤炭或矸石的比热， KJ/(Kg ) ；t 煤炭或矸石与空气温差，。可由实测确定，也可用下式估算：?t0.00240.8 (trtwm) ，(8-2-9)L式中 L 运输距离， m；t r 运输中煤炭或矸石的平均温度，一般较回采工作面的原始岩温低48；

20、t wm运输巷道中风流的平均湿球温度，。四、矿物及其它有机物的氧化放热井下矿物及其它有机物的氧化放热是一个十分复杂的过程，很难将它与其它热源分离开来单独计算，现一般采用下式估算：?Q0 q0V 0.8UL ， KW(8-2-10)式中 Q 0 氧化放热量， KW；V 巷道中平均风速， m/s；q 0 V1m/s?时单位面积氧化放热量，2-3KW/m；在无实测资料时，可取3 4.6 102KW/m。其余符号意义同前。五、人员放热在人员比较集中的采掘工作面，人员放热对工作面的气候条件也有一定的影响。人员放热与劳动强度和个人体质有关，现一般按下式进行计算：?QW 0nq ，KW(8-2-11)式中Q

21、w0人员放热量， KWn工作面总人数；q每人发热量，一般参考以下数据取值：静止状态时取0.09 0.12KW；轻度体力劳动时取 0.2kw；中等体力劳动时取 0.275kw；繁重体力劳动时取 0.47kw。六、热水放热井下热水放热主要取决于水温、水量和排水方式。当采用有盖水沟或管道排水时，其传热量可按下式计算：92KW/(m ) ；?QWK w S(t wt) ，KW(8-2-12)式中 Q w热水传热量， KW；2K w水沟盖板或管道的传热系数，KW/(m ) ；S 水与空气间的传热面积。水沟排水w222:S B L，m；管道排水 :S D L，m；B w 水沟宽度， m；D 2 管道外径，

22、 m；L 水沟长度， m；tw 水沟或管道中水的平均温度，；t 巷道中风流的平均温度，。水沟盖板的传热系数可按下式确定：?K w1 /(11 )2 ) (8-2-13)12，KW/(m管道传热系数可按下式确定：? K wd 2d 2d 21 )2（ 8-2-14）1 /(ln )1d 12d12， KW/(m式中1 ?水与水沟盖板或管道内壁的对流换热系数，22 水沟盖板或管道外壁与巷道空气的对流换热系数，KW/(m ) ；盖板厚度， m；盖板或管壁材料的导热系数，KW/(m ) ；D 1 管道内径， m；? D2 管道外径， m。第三节矿井风流热湿计算矿井风流热湿计算是矿井空调设计的基础，是采

23、取合理的空调技术措施的依据。一般计算的范围是从井筒入风口至采掘工作面的回风口，可与第五章第五节所述的矿井通风网路解算联合进行。本节主要依据矿井风流热湿交换的基本原理，着重阐述矿井风流热湿计算的基本方法及其应用。一、地表大气状态参数的确定10在矿井空调设计中，地表大气状态参数一般按下述原则确定：地表大气的温度采用历年最热月月平均温度的平均值；地表大气的相对湿度采用历年最热月月平均相对湿度的平均值；地表大气的含湿量采用历年最热月月平均含湿量的平均值。这些数值均可从当地气象台、站的气象统计资料中获得。二、井筒风流的热交换和风温计算研究表明，在井筒通过风量较大的情况下，井筒围岩对风流的热状态影响较小，

24、决定井筒风流热状态的主要因素是地表大气条件和风流在井筒内的加湿压缩过程。根据热力学第一定律，井筒风流的热平衡方程式为：?c p ( t 2t1 )(d 2d1 )g(z1z2 )(8-3-1)式中 C p空气的定压质量比热，KJ/(Kg ) ；水蒸汽的汽化潜热， Kg/KJ；t 1、t 2井口、井底的风温，；?d1、d2井口、井底风流的含湿量，g/Kg ；Z 1、Z2井口、井底的标高， m。在一定的大气压力下，风流的含湿量与风温呈近似的线性关系：?d 622b(t ) ，g/Kg(8-3-2)PPm式中风流的相对湿度，；t 风流温度，；P 大气压力， Pa；b 、Pm与风温有关的常数，由表8-

25、3-1 确定。令 ：A622bPPm则：dAt(8-3-3)将式 (8-3-3)代入式 (8-3-1)可解得：?t 2(1E11 ) t1F ，(8-3-4)(1E2 2)其中组合参数 ( 只是为了简化公式而设的，没有任何物理意义) ：? E 12.4876A1；E2 2.4876A2?A1622b/(P 1-Pm) ； A2622b/(P 2Pm) ；11? F (Z 1 Z2)/102.5 (E2 2 E1 1 ) 。式 (8-3-4) 即为井底风温计算式。式中P 1、 P2 井口、井底的大气压力，?对于井底大气压力可近似按式（8-3-5 ）推算：P2 P1gp (Z 1-Z 2) ，Pa

26、 (8-3-5)gp压力梯度，其值为11.3 12.6 ，Pa/m；1 、2 井口、井底空气的相对湿度，。表 8-3-1 b 、 、 Pm参数取值表风温 /bPm井下地面1 1061.9789.3241016.12734.1611 1750.27419.9791459.011053.3617 23144.305-3.7702108.051522.0823 29197.838-8.9883028.412187.8529 35268.328-14.2884281.273105.5535 45393.015-22.9586497.054692.24当井筒中存在水分蒸发时，由于水分蒸发吸收的热量来源于

27、风流下行压缩热和风流本身，这部分热量将转化为汽化潜热，所以当风流沿井筒向下流动时，有时井底风温不仅不会升高，反而还可能有所降低。三、巷道风流的热交换和风温计算风流经过巷道时，由于与巷道环境间发生热湿交换，使风温随距离逐渐上升。其热平衡方程式为：M bC p (t 2t1 ) M b (d2d1 )(8-3-6) K U (t rt) K tU t (t tt ) K xU x (t t x ) K w Bw (tw t ) LQm式中Mb 风流的质量流量，Kg/s ；2K 风流与围岩间的不稳定换热系数，KW/(?m ) ；U 巷道周长， m；tr 原始岩温，；2?Kt 、Kx分别为热、冷管道的

28、传热系数，KW/(?m ) ；?Ut 、Ux分别为热、冷管道的周长，m；?t t 、t x分别为热、冷管道内流体的平均温度，?；2Kw巷道中水沟盖板的传热系数，KW/(?m ) ；? Bw水沟宽度， m；12? t w 水沟中水的平均温度，；? Qm巷道中各种绝对热源的放热量之和，KW；? L 巷道的长度， m。式 (8-3-6) 通过变换整理可改写成：(RE 2 )t 2(RE1 N)t 1 MF(8-3-7)由式 (8-3-7)可解得：?（R E1N）t1M F，(8-3-8)t 2E 2）（R其中组合参数：E2.4876A；?NK UL； N tK tU t L； N xK x U x

29、L；M bCpM b C pM b C pN wK w B w L ； t Nx Nw；R10.5N；M b C pN NN?M N tNtNt Nt；21 ； rt tx xww? ?FQmE。M b Cp式中1、 2 巷道始末端风流的相对湿度，。式(8-3-8) 即为巷道末端的风温计算式。如果巷道中的相对热源只有围岩放热，则式 (8-3-8)? 还可简化为：?t 2(R E1N )t1Ntr F ， (8-3-9)( RE2 )四、采掘工作面风流热交换与风温计算1. 采煤工作面风流通过采煤工作面时的热平衡方程式可表示为：? M b C p (t 2 t1 ) M b (d 2 d1 ) K

30、 UL (tr t) (QkQm ) (8-3-10)式中 Q k 运输中煤炭放热量， KW；其余符合意义同前。将式 (8-2-6)和式 (8-3-3)代入式 (8-3-10) ，经整理即可得出采煤工作面末端的风温计算式，其形式和式 (8-3-9)完全一样，只是其中的组合参数略有不同。对于采煤工作面：13?K UL6.67 104 CmmL0.8NM b C p；Qm2.33 10 3 CmmL0.8FM bCPE式中 m 每小时煤炭运输量， mA ， t/h ；A 工作面日产量， t ；每日运煤时数， h。当要求采煤工作面出口风温不超过规程规定时，其入口风温可按下式确定：?t1( R E2

31、)t 2NtrF ，(8-3-11)RE 1N2. 掘进工作面风流在掘进工作面的热交换主要是通过风筒进行的，其热交换过程一般可视为等湿加热过程。现以如图 8-3-1? 所示的压入式通风为例进行讨论。?图8-3-1(1) 局部通风机出口风温确定风流通过局部通风机后，其出口风温一般可按下式确定：14t 1 t 0 K bN e ，(8-3-12)M b1式中 K b 局部通风机放热系数，可取0.55 0.7 ；t 0 局部通风机入口处巷道中的风温；N e 局部通风机额定功率，KW；Mb1 局部通风机的吸风量，Kg/s 。(2) 风筒出口风温的确定：根据热平衡方程式，风流通过风筒时，其出口风温可按下

32、式确定：t 22N t t b (1N t ) t1 0.01( Z1 Z 2 ) ， (8-3-13)1 N t其中： N tK t Ft1) M b1C p(K对于单层风筒：Kt1112(8-3-14)()， KW/m12对于隔热风筒：Kt11D 2D 2lnD1)12 (8-3-15)(D12D 2， KW/m21式中 tb风筒外平均风温，；Z 1 风筒入口处标高， m；Z 2 风筒出口处标高， m；2K t 风筒的传热系数， KW/(m ) ；2S t 风筒的传热面积， m；p风筒的有效风量率 , pM b 2 ；M b1M b2 风筒出口的有效风量，Kg/s ；21 风筒外对流换热系

33、数，KW/(m ) ；10.006(11.4710.6615V b1.6D 1 0. 5 ) (8-3-16)22 风筒内对流换热系数，KW/m；20.00712D 2 0.25V m0.75(8-3-17)D1隔热风筒外径，m；15D 2 风筒内径， m； 隔热层的导热系数， KW/m；V b 巷道中平均风速；V b0.4167 (K1) M b1 / S ，m/s(8-3-18)V m 风筒内平均风速；V m0.5308(K1) M b1 / D 22 ，m/s(8-3-19)2S掘进巷道的断面积， m。(3) 掘进头风温确定风流从风筒口射出后，与掘进头近区围岩发生热交换，根据热平衡方程式

34、，掘进头风温可按下式确定：t31(1 E 2M )t 2 2Mt rF ，(8-3-20)R其中： MZK 3S3； Z( 2KM b1C p )1；R 1M E 3 ； F Z Q m3 E。式中 K 3掘进头近区围岩不稳定换热系数，2；KW/mS 3掘进头近区围岩散热面积，2m；Qm3掘进头近区局部热源散热量之和，KW。其余符号意义同前。掘进头近区围岩不稳定换热系数可按下式确定：K 32(8-3-21)，KW/m1.77 R 3F03其中：1 1.77F03 ； R 3R 0 l 3R02 ； R0 0.564 S； F03a 3。R20式中 岩石的导热系数， KW/m；2a 岩石的导温系

35、数， m/h ； 3掘进头平均通风时间，h；l 3掘进头近区长度， m。五、矿井风流湿交换当矿井风流流经潮湿的井巷壁面时，由于井巷表面水分的蒸发或凝结，将产生矿井风流的湿交换。根据湿交换理论，经推导可得出井巷壁面水分蒸发量的计算公式为：16Wmax(t t s )ULP ，Kg/s(8-3-22)P0式中井巷壁面与风流的对流换热系数；2.728 10 3m Vb0.82， KW/m (8-3-23)水蒸气的汽化潜热， 2500 KJ/Kg ；t 巷道中风流的平均温度，；t s巷道中风流的平均湿球温度，；U 巷道周长， m；L 巷道长度， m；P 风流的压力， Pa；P 0 标准大气压力， 10

36、1325Pa；V b 巷道中平均风速， m/s；m巷道壁面粗糙度系数，光滑壁面m=1；主要运输大巷m =1.00 1.65 ；运输平巷 m =1.652.5 ；工作面m =2.5 3.1 。由湿交换引起潜热交换，其潜热交换量为：QqWmax(tts )UL P ，KW(8-3-24)P0式中符号意义同前。必须指出：公式 (8-3-22) 是在井巷壁面完全潮湿的条件下导出的，所以由该式计算出的是井巷壁面理论水分蒸发量。实际上，由于井巷壁面的潮湿程度不同，其湿交换量也有所不同，故在实际应用中应乘以一个考虑井巷壁面潮湿程度的系数，称为井巷壁面潮湿度系数，其定义为：井巷壁面实际的水分蒸发量与理论水分蒸

37、发量的比值，用f 表示，即：fM b d(8-3-25)Wmax该值可通过实验或实测得到。求得井巷壁面的潮湿度系数后，即可求得风流通过该段井巷时的含湿量增量：fW maxd(8-3-26)M b由含湿量增量，即可求得该段井巷末端风流的含湿量和相对湿度：d 2d1d(8-3-27)17Pv2100%(8-3-28)PS式中 P v 水蒸气分压力，可用下式计算：P2 d 2，Pa(8-3-29)Pvd2622P s 饱和水蒸气分压力，可用下式计算：PS 610.6 exp(17.27t 2 ) ， Pa(8-3-30)237.3 t 2本节介绍了矿井风流热湿计算的基本公式，根据这些公式即可逐段地计

38、算出井巷末端风流的温度和相对湿度。第四节矿井降温的一般技术措施当矿井气候值超过标准而出现热害时，就必须采取降温措施加以改善。矿井降温的一般技术措施是指除了矿井空调技术外，其他各种用于调节和改善矿井气候条件的措施。它主要包括：通风降温、隔热疏导、个体防护等，本节仅介绍其中几种主要措施。一、通风降温加强通风是矿井降温的主要技术途径。通风降温的主要措施就是加大矿井风量和选择合理的矿井通风系统。1加大风量实践证明，在一定的条件下（如原风量较小），增加风量是高温矿井最经济的降温手段之一。加大风量不仅可以排出热量、降低风温，而且还可以有效地改善人体的散热条件，增加人体舒适感。所以在高温矿井采用通风降温是矿

39、井降温的基本措施之一。但增风降温并不总是有效的。当风量增加到一定程度时，增风降温的效果就会减弱。同时增风降温还受到井巷断面和通风机能力等各种因素的制约，有一定的应用范围。2选择合理的矿井通风系统从降温角度出发，确定矿井通风系统时，一般应考虑下列原则：（ 1）尽可能减少进风路线的长度在井巷热环境条件和风量不变的情况下，井巷进风的温升是随其流程加长而增大，风路越长，风流沿途吸热量越大，温升也越大。所以，在高温矿井应尽量缩短进风路线的长度。同时在进行开拓系统设计时，要注意与通风系统相结合，避免进风巷布置在高温岩层中和不必要地加长进风路线的长度，以增加其温升。18（ 2）尽量避免煤流与风流反向运行在选

40、择采区通风系统时，尽量采用轨道上山进风方案，避免因煤流与风流方向相反，将煤炭在运输过程中的散热和设备散热带进工作面。根据原西德的经验采用轨道上山（平巷）进风与运输上山（平巷）进风相比，回采工作面进风流的同感温度可降低45。（ 3）回采工作面采用下行风在条件许可时，回采工作面可采用下行风。因为回采工作面采用下行风时，风流是从路程较短的上部巷道进入工作面，且减少煤炭放热影响，故可降低工作面的进风温度。二、隔热疏导所谓隔热疏导就是采取各种有效措施将矿井热源与风流隔离开来，或将热流直接引入矿井回风流中，避免矿井热源对风流的直接加热，从而达到矿井降温的目的。隔热疏导的措施主要有：1巷道隔热巷道隔热主要用

41、于矿井局部地温异常的区段。目前较为可行的方法是，在高温岩壁与巷道支架之间充填隔热材料，如高炉或锅炉炉渣等。近年来，我国煤矿还试验用聚氨脂泡沫塑料喷涂岩壁，喷涂厚度为10mm时，就能产生较好的隔热效果；国外有些国家也曾采用聚乙烯泡沫塑料、硬质氨基甲酸泡沫、膨胀珍珠岩等隔热材料喷涂岩壁，也取得较好效果。但因巷道隔热费用较高；而且隔热层的时效性较差，随着时间的推移，隔热层的作用将变小；同时还必须注意防火、防毒等安全问题。由于这些原因限制了这种方法的应用。今后应当重视开发和研究高效、无毒、时效性长，而且廉价的巷道隔热材料。2管道和水沟隔热对高温矿井，温度高的压气管道和排热水管应尽量设在回风流中，如果必

42、须设在进风流中时应采取隔热措施。尤其是对热水型高温矿井，对排热水管进行隔热，应防止热水对风流的增温增湿作用。对热水涌出量大的矿井可超前将热水疏干，将水位降低到开采深度以下。对局部地点涌出的高温热水，可在出水点附近打排水钻孔，将热水用隔热管道直接排至地面。3井下发热量大的大型机电硐室应独立回风现代矿井井下大型机电硐室的发热量很大，如果这些设备的散热直接进入进风流，将引起矿井风流较大的温升。所以对高温矿井，井下大型机电硐室（如中央变电所、泵房和绞车房等）应建立独立的回风系统。19三、个体防护对个别气候条件恶劣的地点，由于技术或经济上的原因， 如不能采取其他降温措施时，对矿工进行个体防护也是一种有效

43、的方法。矿工个体防护的主要措施就是让矿工穿戴轻便、冷却背心或冷却帽，其作用是防止环境热对流和热辐射对人体的侵害；同时使人体自身的产热量传给冷却服或冷却帽中的冷媒。国外一些国家已研制出了许多种适合井下使用的矿工冷却服和冷却帽， 例如南非加尔德 - 来特公司研制生产的一种干冰冷却背心，干冰用量为4Kg，冷却功率为 10680W，冷却时间可达 68h。再如由原西德米塔尔公司生产一种冰水冷却背心，其用冰量为 5Kg，没有冷媒循环系统和运动部件，在冷却功率为 220W的条件下，持续工作时间可达 2.5h 以上。近年国内一些科研单位也研制出了同类产品，在煤矿井下试用也取得较好效果。除了上述措施之外， 还有

44、其它一些措施诸如煤层注水预冷煤体、 在进风巷道放置冰块、利用调热圈巷道进风等都可起到一定的降温作用。由于矿井的高温原因各不相同，热害程度也轻重不一。因此，在作矿井降温设计时，应对具体问题作具体分析，要因地制宜、有针对性地采取降温措施，才能受到良好效果。第五节矿井空调系统设计简介当采用一般的矿井降温措施，不能有效地解决采掘工作面的高温问题时，就必须采用矿井空调技术。所谓矿井空调技术就是应用各种空气热湿处理手段，来调节和改善井下作业地点的气候条件，使之达到规定标准的一门综合性技术。本节将简单介绍矿井空调系统设计的基本原理和一般方法。一、矿井空调系统设计的依据矿井空调系统设计的主要依据是行业法规（如

45、煤矿安全规程等）和上级主管部门的书面批示。此外还必须收集下列资料或数据：(1) 矿区常年气候条件，如地表大气的月平均温度、月平均相对湿度和大气压力等；(2) 矿井各生产水平的地温资料和等地温线图；(3) 矿井设计生产能力、服务年限、开拓方式、采区布置和年度计划等；(4) 采掘工程平（剖）面图、通风系统图和通风网路图；(5) 矿井通风系统阻力测定与分析数据，如井巷通风阻力、风阻、风量等；(6) 井巷所穿过各岩层的岩石热物理性质，如导热系数、导温系数、比热和密度等；20(7) 矿井水温和水量。二、设计的主要内容与步骤矿井空调系统设计是一项非常复杂的工作，其主要设计内容和步骤如下：(1) 矿井热源调

46、查与分析， 查明矿井高温的主要原因及热害程度， 并对矿井空调系统设计的必要性作出评价；(2) 根据实测或预测的风温， 确定采掘工作面的合理配风量， 并计算出采掘工作面的需冷量，做到风量与冷量的最优匹配，以减少矿井空调系统的负荷；(3) 根据采掘工作面的需冷量、 已采取的一般矿井降温措施及生产的发展情况， 确定全矿井所需的制冷量，并报请有关部门核准；(4) 根据矿井具体条件，拟定矿井空调系统方案，包括制冷站位置、供冷排热方式、管道布置、风流冷却地点的选择等，并进行技术经济比较，确定最佳方案；(5) 根据拟定的矿井空调系统方案，进行供冷、排热设计，并进行设备选型；(6) 进行制冷机站（硐室）的土建

47、设计，选取合理的布置方式；(7) 制冷机站（硐室）内自动监控与安全防护设施的设计，制定设备运行、维护的管理机制；(8) 概算矿井空调的吨煤成本和其它经济性指标。上述设计内容非常广泛，它涉及到采矿、通风、空调、制冷、土建等相关学科。设计中即要注意采用先进的技术和设备，又不能忽视实际经验，更要适合当前我国的技术经济条件和可能的发展趋势，只有这样才能做好一个大型的矿井空调系统设计。三、矿井空调系统的基本类型目前国内外常见的冷冻水供冷、空冷器冷却风流的矿井集中空调系统的基本结构模式如图 8-5-1 所示。它是由制冷、输冷、传冷和排热四个环节所组成。由这四个环节的不同组合，便构成了不同的矿井空调系统。这

48、种矿井空调系统，若按制冷站所处的位置不同来分，可以分为以下三种基本类型：1地面集中式空调系统它将制冷站设置在地面，冷凝热也在地面排放，而在井下设置高低压换热器将一次高压冷冻水转换成二次低压冷冻水，最后在用风地点上用空冷器冷却风流。其结构如图 8-5-2所示。这种空调系统还可有另外两种形式，一种是集中冷却矿井总进风，这种形式，在用风地点上空调效果不好，而且经济性较差；另一种是在用风地点上采用高压空冷器，这种21形式安全性较差。实际上后两种形式在深井中都不可采用。图8-5-1 矿井空调系统结构模式1制冷站； 2冷水泵； 3冷水管； 4局部通风机；5空冷器；6风筒； 7冷却水泵； 8冷却水管；9冷却塔。图8-5-2 地面集中空调系统1 压缩机； 2蒸发机； 3冷凝器； 4节流阀； 5、15水池； 6、7、14 水泵； 8冷却塔； 9冷却水管；10热交换器；11、 13、 17冷水管； 12高低压换热器；16、 18空冷器。2井下集中式空调系统井下集中式空调系统如按冷凝热排放地点不同来分，又有两种不同的布置形式：一是制冷站设置在井下，并利用井下回风流排热，如图8-5-3 所示。这种布置形式具有系统比较简单，冷量调节方便，供冷管道短，无高压冷水系统等优点，我国孙村煤矿曾采用这种布置方式