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国内外矿井降温技术的现状分析
来源:《中小企业管理与科技》供稿文/顾宁忠
[导读]矿井降温技术时早就兴起的项目，但是降温技术也是在逐步完善中的，本文介绍了各种矿井降温技术以及分析了优缺点，为技术人员做一个参考。
摘要：矿井降温技术时早就兴起的项目，但是降温技术也是在逐步完善中的，本文介绍了各种矿井降温技术以及分析了优缺点，为技术人员做一个参考。
关键词：降温 制冷 技术 应用
& 防治矿井热害技术自20世纪20年代即已兴起，至今已有80余年的历史；但是，迅速发展并广泛应用是在20世纪70年代以后。我国开展降温技术研究也近50年，目前国内外矿井降温技术，可分为非机械制冷降温技术，机械制冷降温技术，机械制冰降温技术和空气压缩式制冷技术。
1 非机械制冷降温技术
从矿井开拓部署到工作面生产的每个环节都可能对矿井风流的温度产生或多或少的影响，归纳起来可分为如下几个方面：①矿井开拓部署和采区巷道布置；②采矿方法及顶板管理方式；③增加通风量。前苏联乌克兰科学院院士谢尔班AH，日本工学博士平松良雄和前西德埃森矿山研究院的福斯教授提出的矿内风流温度预测模型，能够比较明显地体现增加巷道通风量，巷道风温下降的趋势，从理论上证明了增加风量具有降温作用。大量的现场实验也说明增加风量具有较好的降温作用，最经济的通风量为巷道长度的0.56～0.84倍。兖矿集团东滩煤矿研究表明原岩温度每增加1℃，工作面气温约增加0.5～0.6℃&；&当生产水平岩温为34.8℃时，风量在m3/min降温效果较为明显，当综采工作面的风量增加到1600m3/min后，可计算出采煤工作面的风温仍在30℃左右&；再增加风量也不会使工作面风温降到我国《煤矿安全规程》规定的26℃；
2 机械制冷降温技术
从20世纪70年代，人工制冷降温技术开始迅速发展，使用越来越广泛、越来越成熟。德国、南非、印度、波兰、俄罗斯和澳大利亚等国家多采用该项技术，该种降温技术已经成为矿井降温的主要手段。包括：蒸气压缩式循环制冷空调，主要是以氟里昂和氨为制冷剂的冷水机组，主要是制取冷水；以热电站为热源的溴化锂制冷、串联压缩式制冷机组或氨吸收式制冷机组制取冷水；第2类：空气制冷空调，又有涡轮式空气制冷、变容式空气制冷、涡流管式空气制冷和压气引射器制冷等形式；第3类：冰冷却空调系统
2.1 机械制取冷水降温空调 矿井机械制冷降温空调系统由制冷机、空冷器、冷媒管道、高低压换热器、水泵及冷却塔组成。分为制冷、排热、输冷、散冷四大系统组成，目前国外的绝大部分矿井空调属于此类。机械制取冷水空调（蒸气压缩式循环制冷空调、热电站为热源的吸收式制冷机组）利用制冷机制备的冷冻水作为供冷媒质，通过空冷器冷却风流，从而向采掘工作面供冷，这两种空调系统根据制冷站的安装位置、冷却矿内风流的地点、载冷剂的循环方式等，可分为井下集中空调系统、地面集中空调系统、井上下联合空调系统和井下分散局部空调系统四类。矿井降温技术主要有：井下集中式、地面集中式、井下地面联合集中式、分散式。德国和我国实践表明：负荷小于2MW的矿井，以采用分散式最优；负荷大于2MW的矿井，才采用集中式；集中式的3种型式，又以井上、下联合集中系统投资费用较高，地面集中式和井下集中式系统基本相同。井下集中式系统的致命弱点是冷凝热排放困难；地面集中式和井上下联合集中式系统必须使用高低压转换设备，此设备在冷冻水转换过程中会产生3～4℃的温度跃升。
2.1.1 蒸气压缩式循环制冷空调 矿井降温的技术装备主要有矿用制冷、空调设备，矿用空气冷却器，矿用供冷管道的保冷技术以及矿用水冷却装置等。我国已建的空调系统的装备和材料如表2.2～2.7所示。①矿用制冷机：目前国内外使用的矿用制冷机主要有四类：活塞式（往复式）、螺杆式（回转式）、离心式和吸收式。往复式制冷量较小，一般用作矿用移动式冷水机组，如LFJ-160矿用移动式冷风机组。在大制冷量的情况下，多采用离心式、螺杆式制冷机组。②矿用空冷器：矿用空冷器主要分为两大类：表面式空冷器和直接接触式空冷器(也称喷淋式空冷器)。表面式空冷器由于结构紧凑、体积小、不污染井下工作环境、适应性强等优点而倍受青睐。表面式空冷器为了提高其换热效率，在肋管上增设翅片以增加换热面积。这种翅片式空冷器由于矿井井下条件恶劣、粉尘浓度高，使其很难发挥应有的效率。因此，德国等一些国家又改用传热效率低的光管式空冷器，以适应井下恶劣环境；我国、南非等一些国家仍以翅片式空冷器为主，而致力于空冷器清洗装置的研制。③国内应用现状：新汶矿区的孙村煤矿、河南的平顶山矿区、安徽的淮南矿区等地方也都使用的效果较好。但是根据我国目前矿井空调使用的整体情况来看，主要存在如下问题：a制冷系统可靠性低、降温效果差，冷损高达45%以上，系统复杂，维护困难、投入大、运营成本高；b矿用空冷器规格种类比较少，未形成系列产品。肋片冲压成型和胀管机械设备与技术水平还不高；空冷器的制造材料质量还不能完全过关；传热系数和换热效率比较低，防尘和清洗问题也一直没有彻底解决。其配套装置包括安全保护和自控装置的研制和开发几乎一片空白。c井下高温、高湿、高尘、受限空间的四大特点，对制冷系统的制冷剂循环、冷却水循环、冷冻水循环等的影响，认识不充分；d井下系统的冷凝热排放问题和地面系统高低压转换的温度跃升问题一直没有很好的解决；e冷冻水循环水量大调节困难问题、管道的冷损较大；f没有形成系统性的产品，缺乏实用性。
2.1.2 热电站为热源的吸收式冷水机组 矿井降温冷源与煤矿热电站联产。采用大电网电力即外购电制冷的矿井空调系统，不仅本身电耗大，费用高，且加重矿区电力紧张、电费昂贵的局面，由此引起的煤炭成本升高将导致煤矿经济效益下降。热电站，除满足煤矿所需的热电能量外，可以配置以热电站为热源的吸收式制冷机，生产高温矿井和地面建筑所需的冷量，将大大提高煤矿的经济效益，且能改善矿区环境。用吸收式冷水机组制取冷水进行降温在日本（池岛矿）、德国等有应用。
2.2 空气压缩式制冷技术 1973年煤科院抚顺分院研制了YP-100型矿用环缝式压力引射器、涡流管制冷器；1993年平顶山矿务局和原中国航空工业总公司609研究所联合研制了KKL101型矿用无氟空气制冷机；该机组在平煤五矿进行了应用。1989年南非一金矿建成了压缩空气制冷系统。
2.3 冰冷却空调系统 冰冷却降温系统与水冷却降温系统不同之处：①冰冷却降温系统主要是利用冰的融化潜热降温，获得相同冷量所需的冰量仅为水冷系统水量的1/4～1/5；②冰冷却系统是通过冰与水直接接触换热，换热效率高，可获得1℃左右的低温冷水，送入空冷器的水量相应减少，减少了水泵的输送能耗。南非某矿山研究机构的试验研究表明，井下热负荷为25MW的矿井降温系统，采用冰冷却降温系统，水泵的输送能耗仅为水冷系统的21%左右。③冰冷却降温系统由制冰、输冰和融冰3个环节组成。冰的融化也是冰冷却系统中一个非常重要的环节，它关系到能否获得稳定的低温水和稳定的水流量。南非SheerTJ等人通过融冰试验，提出了融冰槽的结构型式；美国Stewart等人应用有限差分法对定量冰的融化特性进行了静态研究；一般认为连续输冰条件下，当进水温度不变时融冰槽的出水温度与冰层高度、冰粒大小、水流量等因素的关系，发现其中冰层高度、冰粒直径是影响出水温度的主要因素，并得出：当冰层高度在1000mm时，出水温度可接近0℃。
国外应用：南非Harmony金矿在1986年第一个采用冰冷却系统进行矿井降温。
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矿井通风与安全矿井空气调节概论
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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。
第一节 井口空气加热
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：
（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。&&&&
&&&&&&&&&&&&&
&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。
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按表8-1-2确定。
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：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ，KW&&&&&&&&& (8-1-1)
& M─井筒进风量，Kg/s；CP─空气定压比热，Cp=1.01 KJ/（Kg&K）。&─热量损失系数，井口房不密闭时&=1.05～1.10，密闭时&=1.10～1.15；th─冷、热风混合后空气温度，可取2℃；tl─室外冷风温度，℃；
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
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ，Kg/s&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （8-1-3）
&& M1─通过空气加热器的风量，Kg/s；th0─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&＝kS△tp，& KW&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (8-1-4)
&& 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，KW/（m2&K）；S ─空气加热器的散热面积，m2；△tp─热媒与空气间的平均温差，℃。
&当热媒为蒸汽时：△tp=tv-(tl+th0)/2,℃&&&&&&&& (8-1-5)
&当热媒为热水时：△tp=(tw1+tw2)/2-(te+tho)/2，℃&&& (8-1-6)
& tv─饱和蒸汽温度，℃；tw1、tw2─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
2.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进行：
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4～8Kg/m2.s,井口房密闭时(v&)&可选2～4Kg/m2.s。然后按下式求出加热器所需的有效通风截面积S＇：
&&&&&&&&&&&& S＇＝M1/(v&)＇，m2&&&&&&&&&&&&&& (8-1-7)
&& 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，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：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& m/s&&&&&&&& (8-1-8)
VW─加热器管内水的实际流速，m/s；Sw─空气加热器热媒通过的截面积，m2； 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：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& m2&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (8-1-9)
&&& 式中符号意义同前。
& 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。
(6)计算空气加热器管内水阻力△h，计算公式也见表8-1-4。
第二节& 矿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。
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。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：
变温带：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，称为变温带。
恒温带：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℃。
增温带：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。
地温率：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：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&& m/℃&& (8-2-1)
地温梯度：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：
&&& Gr=100/gr&&&&&& ℃/100m&&& (8-2-2)
& gr─地温率，m/℃；Gr─地温梯度，℃/100m；
& Z0、Z─恒温带深度和岩层温度测算处的深度，m；tr0、tr─恒温带温度和岩层原始温度，℃。若已知gr或Gr及Z0、tr0，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tr。
2．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：
& Qr＝K&UL(trm-t)，& KW&&& (8-2-5)
&& Qr─井巷围岩传热量，KW；
&& K&─围岩与风流间的不稳定换热系数，KW/(m2&℃)；
&& U─井巷周长，m； L─井巷长度，m；
&& trm─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1℃时，单位时间内从每m2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。
二、机电设备放热
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)
& Qc─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)
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：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&& KW&&&&&&&&&&&& (8-2-8) Qk─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；
&& Cm─煤炭或矸石的比热，KJ/(Kg&℃)；
& &Dt ─煤炭或矸石与空气温差，℃。可由实测确定，也可用下式估算：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ℃&&&&& (8-2-9) L─运输距离，m； tr─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4～8℃；
& twm─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：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& KW&&&&&&&&&&&&& (8-2-10)
式中& Q0─氧化放热量，KW
&&&&& V─巷道中平均风速，m/s；
&&&&& q0─V＝1m/s时单位面积氧化放热量，KW/m2；在无实测资料时， 可取3～4.6&10-3 KW/m2。
&&&&& 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：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& KW&& (8-2-11)
&& Qw0─人员放热量，KW
& 　n─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：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& KW&& (8-2-12)
&& Qw─热水传热量，KW；
&& Kw─水沟盖板或管道的传热系数，KW/(m2&℃)；
&& S─水与空气间的传热面积。水沟排水:S＝BwL，m2；管道排水:S＝&D2L，m2；
&& Bw─水沟宽度，m；D2─管道外径，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：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& KW/(m2&℃)&& (8-2-13)&
&&& 管道传热系数可按下式确定：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& KW/(m2&℃)&& （8-2-14）
&&1─水与水沟盖板或管道内壁的对流换热系数，KW/(m2&℃)；
&&2─水沟盖板或管道外壁与巷道空气的对流换热系数，KW/(m2&℃)；
& &─盖板厚度，m；
& &─盖板或管壁材料的导热系数，KW/(m2&℃)；
& D1─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，是采取合理的空调技术措施的依据。
一、地表大气状态参数的确定
& 地表大气状态参数一般按下述原则确定：
& 温度采用历年最热月月平均温度的平均值；
& 相对湿度采用历年最热月月平均相对湿度的平均值；
& 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，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：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (8-3-1)
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：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& g/Kg&&&&&&&&&&& (8-3-2)
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8-3-1确定。
令 ：&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
则：&&&&& ?&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (8-3-3)
将式(8-3-3)代入式(8-3-1)可解得：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ℃&&&&&&&&&&& (8-3-4)
& 组合参数(只是为了简化公式而设的，没有任何物理意义)：
&&&&& E1＝2.4876A1；E2＝2.4876A2
&&&&& A1＝622b/(P1-Pm)；A2＝622b/(P2－Pm)；
&&&&& F＝(Z1－Z2)/102.5－(E2－E1)&＇。
&(8-3-4)即为井底风温计算式。
& P1、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＝P1＋gp(Z1-Z2)，Pa&&&&&&&&& (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，％。
& 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：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (8-3-6)
式中&&&& Mb─风流的质量流量，Kg/s；
&& 　&&& K&─风流与围岩间的不稳定换热系数，KW/(m2&℃)；
&&&&&&&& U─巷道周长，m；&&&&&&&& tr─原始岩温，℃；
　　&&&& Kt、Kx─分别为热、冷管道的传热系数，KW/(m2&℃)；
　　&&&& Ut、Ux─分别为热、冷管道的周长，m；
　　&&&& tt、tx─分别为热、冷管道内流体的平均温度，℃；
&&&&&&&& Kw─巷道中水沟盖板的传热系数，KW/(m2&℃)；
&& 　&& Bw─水沟宽度，m；
&&&&&&& tw ─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：
&&&&&&&&&& (R＋E)t2＝(R＋E－N)t1＋M＋F&&&&&&&& (8-3-7)
由式(8-3-7)可解得：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ，℃&&&&&& (8-3-8)
其中组合参数：
&&&&&&&&&&&& E＝2.4876A；
&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&& ；&&&&&&&&&&&& ；&&&&&&&&&&&&&& ；
&&&&&&&&&&&&&&&&& ；N＝N&＋Nt＋Nx＋Nw；R＝1＋0.5N；
&&&&&&&&
&& M＝N&tr＋Nttt＋Nxtx＋Nwtw；&&&&&&&&&&&&&&& ；
&&&  
&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 。
&&& 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：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ，℃&&&& (8-3-9)&&
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&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (8-3-10)
式中& Qk─运输中煤炭放热量，KW；其余符号意义同前。
&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：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ；
&&&&&&&&&&&&&
式中& m─每小时煤炭运输量，&&&&&&& ，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：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ，℃&&&&&&&& (8-3-11)
2.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。&&&&
(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：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ，℃&&&&&&&&&&& (8-3-12)
&&&&&&&& Kb ─局部通风机放热系数，可取0.55～0.7；
&&&&&&&&&&&&&& t0 ─局部通风机入口处巷道中的风温；℃；
&&&&&&&&& Ne ─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，其出口风温可按下式确定：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ，℃&&&&&&&&&& (8-3-13)
&&& 其中：
对于单层风筒：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& KW/m2&℃&&&& (8-3-14)
对于隔热风筒：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& KW/m2&℃& (8-3-15)
式中& tb ─风筒外平均风温，℃；
&&&&&& Z1 ─风筒入口处标高，m；
&&&&&& Z2 ─风筒出口处标高，m；
&&&&&& Kt ─风筒的传热系数，KW/(m2&℃)；
&&&&&& St ─风筒的传热面积，m2；
&&&&&& p ─风筒的有效风量率,；
&&&&&& Mb2 ─风筒出口的有效风量，Kg/s；
&&&&& &1─风筒外对流换热系数，KW/(m2&℃)；
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (8-3-16)
&& &2─风筒内对流换热系数，KW/m2&℃；&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (8-3-17)
&& D 1─隔热风筒外径，m；
&& D2 ─风筒内径，m；
&& & ─隔热层的导热系数，KW/m&℃；
&& Vb ─巷道中平均风速；
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ，m/s&&&& (8-3-18)
&& Vm ─风筒内平均风速；
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ，m/s&&& (8-3-19)
&& S ─掘进巷道的断面积，m2。
(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，掘进头风温可按下式确定：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ，℃&&&&& (8-3-20)
其中：&&&&&&&&&&& ；&&&&&&&&&&&&& ；&&&&&&&&&&& ；
式中&& K&3 ─掘进头近区围岩不稳定换热系数，KW/m2&℃；
&&&&&& S3 ─掘进头近区围岩散热面积，m2；
&&&&&& &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：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ，KW/m2&℃&&&&&&&&& (8-3-21)
其中：&&&&&&&&&&& ；&&&&&&&&&& ；&&&&&&&&& ；&&&&&&&& 。
&─岩石的导热系数，KW/m&℃；a─岩石的导温系数，m2/h；&3─掘进头平均通风时间，h；l3─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：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ，Kg/s&&&&&&&&& (8-3-22)
式中& &─井巷壁面与风流的对流换热系数；
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ，KW/m2&℃&&&& (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，℃；
&&&&& ts─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；
&&&&& P0─标准大气压力，101325Pa，Vb─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 =1.65～2.5；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：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ，KW&&&&&&&&&&&&&& (8-3-24)
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发量的比值，用f表示，即：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (8-3-25)
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：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (8-3-26)
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：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (8-3-27)
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (8-3-28)
式中& Pv ─水蒸气分压力，可用下式计算：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& Pa (8-3-29)
&&&&& Ps ─饱和水蒸气分压力，可用下式计算：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& Pa&& (8-3-30)&&&
第四节 矿井降温的一般技术措施
& 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
&&& 1．加大风量
&&& 2．选择合理的矿井通风系统
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
&&& 2．管道和水沟隔热
&&& 3．井下发热量大的大型机电硐室应独立回风
三、个体防护
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。
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《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；
&(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。
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。
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 ;二是制冷站设置在井下， 但冷凝热在地面排放，如图8-5-4所示。这种布置形式虽可提高冷凝热的排放能力，但需在冷却水系统增设一个高低压换热器，系统比较复杂。
3．井上、下联合式空调系统&&&&&&&
&&& 这种布置形式是在地面、井下同时设置制冷站，冷凝热在地面集中排
放，如图8-5-5所示。它实际上相当于两级制冷，井下制冷机的冷凝热是
借助于地面制冷机冷水系统冷却。
&&& 上述三种集中式矿井空调系统相比，在技术上的优缺点见表8-5-1&&&&&&&&
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