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 。
图 8-1-2
1─通风机房; 2─空气加热室;
3─空气加热器; 4─通风机; 5─井筒
图 8-1-1
1─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
图 8-1-3
1─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。
井口空气加
热方式 优 点 缺 点
井口房不密
闭时
1.井口房不要求密闭; 2.可建立
独立的空气加热室,布置较为灵活;
3.在相同风量下,所需空气加热
器的
片数少。
1.井口房不要求密闭;
2.可建立独立的空气加
热室,布置较为灵活;
3.在相同风量下,所需
空气加热器的片数少。
井口房密闭

1.井口房工作条件好; 2.不需设
置专用通风机,设备投资少。
1.井口房密闭增加矿井
通风阻力;
2.井口房漏风管理较为
麻烦。
表 8-1-1 井口空气加热方式的优缺点比较表
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 。
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
口房
20~ 30
斜井或平硐 40~ 50 负压进入井
口房
10~ 20
表 8-1-2 空气加热器后热风温度的确定
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) 。 α─ 热量损失系数, 井口房不密闭时 α= 1.05~
1.10,密闭时 α= 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, ℃ ;
)( lhp ttMCQ ?? ?
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 。
lh
lh tt ttMM ????
0
1 ?
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:
(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
(vρ) ’,一般井口房不密闭时 (vρ) ‘可选 4~ 8Kg/m2.s,井
口房密闭时 (vρ) ’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/(vρ) ', 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
蒸汽压力 (KPa) ≤30 98 196 245 294 343 392
饱和蒸汽温度 (℃ ) 100 119.6 132.8 138.2 142.9 147.2 151
表 8-1-3 不同压力下的饱和蒸汽温度
( 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
( vρ ), 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 α 值 ( α 称为有效截面系数 ), 使用关系式,
由 vρ 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
21
101
10)(
)(
??
??
www
hp
W ttCS
ttCMV
加热器型号 热媒 传热系数
K(W/m2·K)
空气阻力 ΔH(Pa) 热水阻力 Δh(KPa)
5,6,10D
5,6,10Z
SRZ型 5,6,10X
7D
7Z
7X
蒸汽 14,6(vρ)0.49
14,6(vρ)0.49
14,5(vρ)0.532
14,3(vρ)0.51
14,6(vρ)0.49
15.1(vρ)0.571
1.76(vρ)1.998
1.47(vρ)1.98
0.88(vρ)2.12
2.06(vρ)1.17
2.94(vρ)1.52
1.37(vρ)1.917
D型:
15.2VW1.96
Z,X型:
15.2VW1.96
B× A/2
SRL型 B× A/3
B× A/2
B× A/3
蒸汽
热水
15.2(vρ)0.50
15.1(vρ)0.43
16.5(vρ)0.24
14.5(vρ)0.29
1.71(vρ)1.67
3.03(vρ)1.62
1.5(vρ)1.58
2.9(vρ)1.58
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
注, vρ─空气质量流速,Kg/m2.s; VW ─水流速,m/s。
( 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。
,11
ptK
QS
???
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。
0
0
rr
r tt
ZZg
?
??
矿区名称 恒温带深度 Z0(m) 恒温带温度 tr0(℃ ) 地温率 gr(m/℃ )
辽宁抚顺
山东枣庄
平顶山矿区
罗河铁矿区
安徽淮南潘集
辽宁北票台吉
广西合山
浙江长广
湖北黄石
25~ 30
40
25
25
25
27
20
31
31
10.5
17.0
17.2
18.9
16.8
10.6
23.1
18.9
18.8
30
45
31~ 21
59~ 25
33.7
40~ 37
40
44
43.3~ 39.8
表 8-2-1 我国部分矿区恒温带参数
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 。
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= Kτ UL(trm-t),KW (8-2-5)
Qr─ 井巷围岩传热量, KW;
Kτ ─ 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 Kτ 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= ψN, KW (8-2-6)
Qc─ 风流所吸收的热量, KW;
ψ─ 采掘设备运转放热中风流的吸热比例系数; ψ 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-η t)η mN,KW (8-2-7)
Qe─ 电动设备放热量, KW; N─ 电动机的额定功率, KW;
η t─ 提升设备的机械效率, 非提升设备或下放物料 η t=0;
η 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·℃ );
Δt ─ 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, ℃ 。
tmCQ mK ??
)(0 0 2 4.0 8.0 wmr ttLt ???
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 。
ULVqQ 8.000 ?
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。
nqQ 0W ?
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= πD2L, 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)
)( ttSKQ wwW ??
)11/(1K
21w ?
??????
管道传热系数可按下式确定:
KW/(m2·℃) ( 8-2-14)
α 1─ 水与水沟盖板或管道内壁的对流换热系数,KW/(m2·℃) ;
α 2─ 水沟盖板或管道外壁与巷道空气的对流换热系数,
KW/(m2·℃) ;
δ─ 盖板厚度,m;
λ─ 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。
)1ddln2ddd/(1K
21
22
11
2w
??????
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:
)zz(g)dd()tt(c 211212p ??????
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 φ ─ 风流的相对湿度,%;
t─ 风流温度,℃ ;
P─ 大气压力,Pa;
b,ε ',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)
mPP
tbd
?
?? )'(622 ??
mPP
bA
?? 622
? ??? ??? tAd
)E1(
Ft)E1(t
22
1112
??
????
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)ε '。
(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;
φ 1,φ 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。
风温 /℃ b ε' Pm
井下 地面
1~ 10
11~ 17
17~ 23
23~ 29
29~ 35
35~ 45
61.978
50.274
144.305
197.838
268.328
393.015
9.324
19.979
-3.770
-8.988
-14.288
-22.958
1016.12 734.16
1459.01 1053.36
2108.05 1522.08
3028.41 2187.85
4281.27 3105.55
6497.05 4692.24
表 8-3-1 b,ε',Pm参数取值表
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;
Kτ ─ 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。
mwwwxxxtttr
bpb
QLttBKttUKttUKttUK
ddMttCM
??????????
???
)]()()()([
)()( 1212
?
?
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= Nτ + Nt+ Nx+ Nw; R= 1+ 0.5N;
M= Nτ tr+ Nttt+ Nxtx+ Nwtw; ;

)(
)(
2
112
ER
FMtNERt
??
??????
pbCM
ULKN ?? ?
pb
ttt
CM
LUKN ?
pb
xxx CM LUKN ?
pb
www CM LBKN ?
12 ????????????? E
CM
QF
pb
m
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 。
)(
)(
2
11
2 ?
?
ER
FNttNERt r
?
?????
)()()()( 1212 mkrbpb QQttULKddMttCM ???????? ??
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;
τ─ 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 。
pb
m
CM
mLCULKN 8.041067.6 ???? ?
?? ???????
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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:
,℃ (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:
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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;
α 1─ 风筒外对流换热系数, KW/(m2·℃ );
(8-3-16)
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α 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;
λ ─ 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。
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S/M)1K(4167.0V 1bb ??
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(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 Kτ 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,; ; ; 。
λ─ 岩石的导热系数, KW/m·℃ ; a─ 岩石的导温系数, m2/h; τ 3─ 掘进头
平均通风时间, h; l3─ 掘进头近区长度, m。
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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 α─ 井巷壁面与风流的对流换热系数;
,KW/m2·℃ (8-3-23)
γ─ 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;
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ε m─ 巷道壁面粗糙度系数, 光滑壁面 ε m=1;主要运输大巷
ε m =1.00~ 1.65;运输平巷 ε m =1.65~ 2.5;工作面 ε 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)
0
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b
W
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b
m ax
M
fWd ??
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)
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S
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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 。
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。
图 8-5-3制冷站设在井下,井下排除冷凝热
1─压缩机; 2─蒸发机; 3─冷凝器; 4─节流阀;
5─水池; 6─冷水泵; 7─冷却水泵; 9─冷却塔;
10─空冷器。
图 8-5-4 制冷站设在井下,地面排除冷凝热
1─压缩机; 2─蒸发机; 3─冷凝器; 4─节流阀;
5,11─冷水泵; 6,9,12─冷水管; 7─冷水池;
8,10─空冷器; 13─高低压换热器; 14─冷却水管;
15─冷却水泵; 16─冷却塔; 17─换热器。
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 。
图 8-5-5 井上、下联合式空调系统
1~ 4─制冷机; 5─空气预冷器; 6─高低压换热器; 7~ 9─空冷器; 10─冷却塔。
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
制冷站位置 优 点 缺 点
地 面 1.厂房施工、设备安装、维护、
管理方便;
2.可用一般型的制冷设备,安全
可靠;
3.冷凝热排放方便;
4.冷量便于调节;
5.无需在井下开凿大断面硐室;
6.冬季可用天然冷源。
1,高压载冷剂处理困难;
2,供冷管道长, 冷损大;
3,需在井筒中安装大直径管道;
4.空调系统复杂。
井 下 1,供冷管道短, 冷损小;
2,无高压冷水系统;
3,可利用矿井水或回风流排热;
4.供冷系统简单,冷量调节方
便;
1,井下要开凿大断面的硐室;
2,对制冷设备要求严格;
3.设备安装、管理和维护不方便;
联 合 1.可提高一次载冷剂回水温度, 减少
冷损;
2.可利用一次载冷剂将井下制冷机的
冷凝热带到地面排放 。
1,系统复杂;
2.设备分散,不便管理。
表 8-5-1 矿井集中式空调系统技术比较表
四、制冷站负荷的确定和制冷设备的选择