高温矿井热环境特性及液态CO2制冷降温技术研究

• 作 者: 宋东平
• 机 构: 辽宁工程技术大学
• 出 处: 辽宁工程技术大学
• 发表日期: 2018年期
• 关键词: 采煤工作面

随着煤矿开采深度增加，矿井热害加剧，矿井降温方法和降温模式有待于进一步发展以满足矿井降温需要。论文以流体力学、传热传质学、工程热力学等理论为指导，采用理论分析、数值模拟、现场实测、实验研究以及工业性试验相结合的方法，研究了井巷围岩与风流热湿传递规律，探讨了巷道主动隔热降温机理，结合采掘工作面的空间特征、工艺特点和热环境分布特征，研发了矿用液态CO2制冷降温技术，并针对传统全风流降温模式能耗大的弊端，提出了采煤工作面新型节能降温模式。主要研究成果如下：
　　（1）井巷围岩与风流热湿传递规律研究。采用隐式差分法分别构建了干燥巷道围岩一维无因次导热控制方程和三维轴对称巷道围岩与风流的热湿耦合传递方程的数值解法，模拟得到干燥巷道围岩温度场由傅里叶数Fo和毕渥数Bi共同决定，无因次不稳定换热系数随傅里叶数Fo的增加而减小，随毕渥数Bi的增加而增大；湿交换增加了风流对围岩温度场扰动强度；巷道风流温度与壁面潮湿率成反比，与风流的相对湿度成正比；风流温度和含湿量随着风速的增加而减小，增风降温有合理经济的最优风速区间。
　　（2）煤岩热物性参数实验与主动隔热降温机理研究。实验得到煤与岩石的热扩散系数、导热系数和比热容随温度的变化关系式；模拟分析得到围岩调热圈半径和壁面过余温度分别与热扩散系数的平方根和蓄热系数呈线性关系递增；隔热层通过改变围岩内部的温度梯度来减缓围岩向风流散热；隔热层厚度越大，导热系数越小，隔热效果越明显，隔热层减少的围岩散热量与隔热层厚度、隔热层导热系数呈幂函数关系。
　　（3）提出了矿用液态CO2制冷降温方法，自行设计了液态CO2制冷降温实验装置探究了该降温方法的可行性和有效性。实验研究表明随着液态CO2流量的增加，风流温度和含湿量的降幅越大，液态CO2降温效果越明显；液态CO2冷量的有效利用率均在90%以上，液态CO2输运过程中的平均沿程百米冷损率约为5.5%。换热器的析湿系数与进风流的相对湿度呈正比，与进风流的温度呈反比；换热器的空气侧压降随其换热系数的增加而增大；换热器的传热系数随液态CO2干度的增加而减小，随液态CO2质量流量的增加而增大。
　　（4）矿用液态CO2制冷降温与防灭火一体化技术工业性试验。现场实测得到了52305掘进工作面热环境分布特征及热源构成，设计了52305掘进工作面液态CO2制冷降温与防灭火一体化系统，工业性试验表明52305掘进工作面迎头风流温度降低6.9℃，含湿量减少4.94g/kg，液态CO2冷量有效利用率为77.36%，52303工作面采空区氧化带宽度明显减小，液态CO2制冷降温系统能够对降温地点实现有效降温，同时能够有效预防采空区自然发火。
　　（5）提出了采煤工作面局部风量降温定位送风新型降温模式。通过现场实测分析得到了采煤工作面热环境分布特征，采用数值模拟方法研究得到局部风量降温定位送风降温模式能够为采煤工作面创造足够的热舒适区域；舒适区范围与送风量呈正比，与环境温度呈反比，优化送风量分配方式能够明显增加舒适区范围；新型降温模式具有明显的节能优势。