基于太阳能吸附制冷的载/蓄冷充填降温系统性能分析

含冰粒的载/蓄冷充填降温是解决深井热害问题的有效方式,但其制冰能耗大、系统运行费用较高。为此,研发了基于太阳能吸附制冷的矿井载/蓄冷充填降温系统(Mine Cold Load/Storage Backfill Cooling System Based on Solar Adsorption Refrigeration),该系统由地面太阳能集热子系统、吸附制冷子系统和地下输冰子系统组成。通过建立子系统的数学模型和地面系统的TRNSYS模型,分别分析甲醇解吸量、吸附制冷量和吸附制冰量在不同太阳能辐射强度、不同季节和不同地区影响下的变化规律,进而得出太阳辐射强度和太阳辐射连续性是造成制冰量差异的主要原因。选取太阳辐射强度和太阳连续性较优的淮南、南宁两区域进行系统制冰能效分析,与传统蒸汽压缩式制冷系统相比,该系统的吸附制冷子系统平均节能效率达到64.71%。研究结果反映出,太阳能吸附制冷与载/蓄冷充填降温相结合的新型矿井降温系统的研发,对于高效解决矿井热害问题有所裨益。

基于MIV-PSO-BPNN的掘进面风温预测方法

目的为防治矿井热害,解决矿井掘进面风温预测问题,方法提出一种MIV算法优化的PSO-BPNN预测模型。通过利用MIV算法确定模型的输入变量,以BP网络建模,使用粒子群优化算法结合BP神经网络实现掘进工作面风流温度的预测,得到预测结果并与BPNN模型、PSO-BPNN模型、SVR模型相比较。结果结果表明:MIV-PSO-BPNN预测模型的相对误差为-0.47%~1.81%,分别优于PSO-BPNN、BPNN、SVR预测模型的-3.96%~1.93%,-5.54%~2.98%,-2.16%~2.95%,预测模型的误差为-0.1~0.5℃,表明预测值与实测值基本一致;与BPNN预测模型、PSO-BPNN预测模型、SVR预测模型相比,MIV-PSO-BPNN预测模型的预测结果平均绝对误差分别减少65%,54%,50%,均方误差分别减少88%,78%,69%,表明该预测模型的预测效果优于其他3种模型。结论所提模型适用于矿井掘进工作面风温的预测。

基于GA_IPSO-GRNN的深井采区工作面含湿量预测研究

深井采区工作面含湿量是衡量工人热舒适性和热应激风险的综合指标。为更科学地控制深井采区工作面热湿环境,降低工人的职业病风险,需准确预测含湿量。依据现有深井采区工作面热害影响因素与气象指标之间存在相关性与耦合性的特点,分析矿山生产规划与管理因素、矿岩热湿交换因素及工作面巷道调热圈因素,选取14项含湿量影响因素指标。将遗传算法、改进型粒子群算法与广义回归神经网络相结合,构建GA_IPSO-GRNN组合预测模型,结合20个样本进行实证分析与对比验证。结果表明:本文提出的组合预测算法平均相对误差约为5.1%,模型预测效果较好,并且具有较好的鲁棒性与泛化性,为深井热害和数字矿山领域的研究提供了新思路。

近千米大直径穿强厚含水层降温管井钻孔设计

制冷降温是深部矿井热害防治的有效技术手段。以核桃峪矿井制冷降温系统建设工程为背景,针对降温管井钻孔深度大,穿过洛河组巨厚强含水层,长距离输送冷媒保冷等技术难题,在分析工程及水文地质条件基础上,确定管井钻孔两次开孔分段设计参数;通过调研管路保冷材料性能,提出复合钢管、静态空气、玻璃微珠增强水泥、钢基复合保温套管四种保冷方法条件下基岩段护壁管设计方案;综合考虑保冷效果、固井可靠性、施工难度等因素,优选工作管采用钢基复合保温套管;并根据套管受力计算,校验护壁管规格参数。工程实施效果表明,井上下降温管始末端温度损失约1℃,可以满足冷媒长距离输送冷量损失要求,对于类似工程具有借鉴价值。

深部矿井高温采煤工作面热源及温度场演化规律分析

深部矿井开采面临严重的热害问题,其成因复杂且防治难度大。研究高温采煤工作面热源及温度场演化规律对深部矿井热害防治具有重要意义。以平煤股份十矿为工程背景,对己_(17)-24090采煤工作面风流热力参数进行现场调研,分析了工作面热源及其对井下温升的贡献度,并进一步建立采煤工作面温度场数值模型,明确了采煤工作面温度场演化规律。研究结果显示,引起井下温升的主要热源是围岩散热和机电设备散热,散热量分别占总热源散热量的28.2%和20.6%;地表大气对己_(17)-24090采煤工作面的温度场影响不大,风流在到达工作面之前已经趋于热力学稳定状态;在同一通风时间下,距离机巷口越远,温度越高;在距离相同时,随着通风时间的增加,温度上升幅度有所减缓。研究成果可为深部矿井热害治理工作及降温工程设计提供参考和理论依据。

高温掘进巷道中双压风筒布设位置及降温效果研究

为解决高温掘进巷道中冷却方法和冷却成本问题,量化分析双压风筒布置方式对巷道中人工作业区的通风降温效果,利用Fluent软件对不同通风布置模型进行数值模拟。首先,提出双压风筒通风降温思路,并分别建立3种风筒布置巷道的三维几何模型;其次,在送风速度v=8 m/s,送风温度T=293.15 K且相同环境模拟参数的条件下,对不同布置方式的降温效果进行对比研究;最后,分析得出布置2模型的温度场分布及降温效果最好,并总结其在不同送风温度时的降温规律,确定经济适用的通风降温方案。研究表明:风筒布设位置是决定巷道温度分布的关键因素,双压风筒的间距影响风流流向的对称性,而风筒位置高度影响温度均匀分布的距离;当送风速度v=8 m/s时,布置2通风降温效果明显且满足矿井通风需求标准,送风温度T=298.15 K时能为矿山生产最大限度节约经济成本。

回风井口成雾原因及除雾技术研究

针对井口雾气污染工作环境,危害工人身体健康,造成井下设备及构筑物严重损害等问题,以云南某铅锌矿为工程背景,通过理论分析、室内试验、数值模拟及现场工业试验等方法,分析了温度、相对湿度及回风量对井口成雾析水量的影响规律,提出了Ⅰ级+Ⅱ级折流板除雾器除雾方法。研究结果表明:风流及温度均能引起空气中水蒸气析出,在严冬风流上行越高,雾气越大;井口成雾析水量随回风量增加呈线性增加,随温度及相对湿度增加呈线性降低;温度、相对湿度及回风量平均每下降1℃,1%,1 m3/s,井口成雾析水量分别增加84、17.2、5 g/s,说明温度是井口成雾析水量的主要影响因素,各因素对井口成雾析水量影响由大到小排序为温度>相对湿度>回风量。采用Ⅰ级+Ⅱ级折流板除雾器除雾时,回风井巷道内压降为300 Pa,表明气流通过除雾器时会产生压力损失。与加入喷淋试验相比,不加喷淋的双级除雾器除雾方法经济成本显著降低,并且现场除雾效果更显著,因而推荐该矿采用不加喷淋的Ⅰ级+Ⅱ级折流板除雾器除雾方法。

基于PSO-Elman神经网络的井底风温预测模型

目前井下风温预测大多采用BP神经网络,但其预测精度受学习样本数量的影响,且容易陷入局部最优,Elman神经网络具备局部记忆能力,提高了网络的稳定性和动态适应能力,但仍然存在收敛速度过慢、易陷入局部最优的问题。针对上述问题,采用粒子群优化(PSO)算法对Elman神经网络的权值和阈值进行优化,建立了基于PSO-Elman神经网络的井底风温预测模型。分析得出入风相对湿度、入风温度、地面大气压力和井筒深度是井底风温的主要影响因素,因此将其作为模型的输入数据,模型的输出数据为井底风温。在相同样本数据集下的实验结果表明:Elman模型迭代90次后收敛,PSO-Elman模型迭代41次后收敛,说明PSO-Elman模型收敛速度更快;与BP神经网络模型、支持向量回归模型和Elman模型相比,PSO-Elman模型的预测误差较低,平均绝对误差、均方误差(MSE)、平均绝对百分比误差分别为0.376 0℃,0.278 3,1.95%,决定系数R^(2)为0.992 4,非常接近1,表明预测模型具有良好的预测效果。实例验证结果表明,PSO-Elman模型的相对误差范围为-4.69%~1.27%,绝对误差范围为-1.06~0.29℃,MSE为0.26,整体预测精度可满足井下实际需要。

局部制冷降温技术在井下长距离掘进中的应用

为解决玲珑金矿深部长距离掘进巷道的高温问题,结合井下低温涌水条件,通过对输冷方式和换热方式进行分析,制定了以水源热泵技术为基础的局部制冷降温技术方案,采用理论计算和模拟仿真方法,模拟不同供风温度和供风量条件下巷道的温度场变化情况,分析得出了最佳制冷参数,并开展了制冷系统的设备选型和现场应用。结果表明:-750 m中段长距离掘进工作面的制冷最佳温度为10℃,供风量为5.0 m3/s;根据制冷方案和制冷参数分析结果对局部制冷降温技术进行了应用,有效解决了系统供水不足和供风沿途冷损大等难题,掘进工作面温度由37.0℃降至26.2℃,降幅达10.8℃,距工作面50 m范围内运输巷道温度平均降幅分别为8.9℃和2.9℃,掘进巷高温环境得到明显改善。该局部制冷通风降温技术的应用对类似矿山的深部热害治理具有技术参考价值。

多层隔热下工作面进风巷围岩传热特性

深部矿井热害问题日益凸显,严重威胁作业人员生命健康,进一步影响矿井生产效益。本文通过围岩钻孔实验方法,研究了门克庆煤矿2102工作面、3100工作面、3106工作面及3107工作面进风巷围岩温度随径向深度变化规律;基于ANSYS软件,对膨胀玻化微珠水泥隔热材料与空气夹层协同隔热效果进行研究。研究结果表明:围岩温度与径向深度之间的关系符合ExpAssoc模型,相关系数R2为0.99106;膨胀玻化微珠水泥隔热材料与空气夹层厚度均为3 cm、6 cm、9 cm、12 cm、15 cm、18 cm时,材料-空气协同隔热顺序与空气-材料协同隔热顺序相比,原巷道壁面温度更高,调热圈半径更小,隔热效果更好;材料-空气协同隔热时,空气夹层厚度在12 cm内对隔热效果影响更大,材料层厚度在6~18 cm内对隔热效果影响更大;对流换热系数与隔热层厚度呈反比,空气夹层厚度在12 cm内其变化幅度大,而受材料层厚度影响较小。本文研究结果可为矿井多层隔热降温提供参考。

井下移动热源对深部巷道风流环境影响研究

为探究深部巷道内移动热源对巷道风流环境的影响,以新城金矿为工程背景,对深部某中段运输巷道进行风温风速监测,通过现场调研和理论公式计算新城金矿深部巷道燃油设备放热量,基于Fluent有限元软件,模拟不同风流情况下移动热源的动态响应,分析移动热源对深部巷道风流环境的影响。结果表明:监测段巷道平均风速为1.91 m/s,平均风温为33.38℃;热源在顺风移动时对前端和尾部风温均产生影响,风温随距离增加逐渐减小,在热源前端15 m处趋于稳定,稳定风温为33.75℃,并在热源尾部2 m范围内持续产生高温;热源逆风移动时仅对尾部风温产生影响,风温在热源尾部0~20 m逐渐变小,并在热源尾部20 m处趋于稳定,稳定风温为34.12℃;热源逆风移动时对风流的影响范围比顺风移动时大,逆风移动时风温比顺风移动时高0.37℃。

黄金矿山深部开采井下热源分析

为量化黄金矿山深部开采过程中释放的热量,进而给出热害治理建议,分析了矿区原岩温度随深度的变化并对爆破、围岩、设备等热源散热量进行了计算。研究结果表明:矿区地温梯度约为1.7℃/100 m,进入-752 m中段生产时,原岩温度将达到34.3℃;深部开采过程中,夏季主要散热源为机械设备(电能)及空气压缩散热,分别占比38.18%及26.56%,冬季主要散热源为围岩散热及机械设备,分别占比38.74%及24.81%;深部开采通风量为67.9 m^(3)/s时,可保证深部开采过程中整体环境适宜性,当局部出现高温时,可以针对性采用加大通风进行降温。

基于采空区热源的工作面风温变化规律及控制

针对采空区高温热源漏风携热及机电设备影响工作面温度的问题,以济宁二号矿3302工作面为例,采用数值分析方法,建立了工作面物理模型,研究了基于采空区热源下工作面风流温度的变化情况,分析了不同热源位置、供风量对工作面温度场的影响规律,依据附面层理论及模拟云图,确定了最佳挡风帘尺寸。通过现场实测,布置20 m+10 m风帘的阻隔效果最佳,布置后工作面风温降低2.3℃,能够有效防治采空区内高温热源携热漏风。

煤矿井下干混砂浆吨包的应用

在矿山井巷,采用与锚杆支护相结合的喷射混凝土支护,是将水泥、砂、石、按一定的比例混合搅拌后,送入混凝土喷射机中,用压缩空气将干拌合料压送到喷头处,在喷头的水环处加水后,高速喷射到巷道围岩表面,起支护作用的一种支护形式和施工方法[1]。煤矿井下利用干混砂浆,将减少井下喷浆作业工人,能取消井下现场人工卸料、拌料、上料工作流程。使用干混砂浆(沙子、水泥)后,两个人利用单轨吊,将干混砂浆吨包吊起,通过吨包下料口,流入喷浆机上料口即可操作完成。众所周知含土量高的沙子,搅拌混凝土不结实,影响施工质量,泥土量超过3%的沙子要经过处理,所以,干混砂浆制作过程中,除尘系统将烘干过程中沙子里的土排走,提高了沙子的纯度,使用干粉砂浆喷射混凝土的强度高于井下现场人工搅拌沙子水泥混凝土强度。

高温矿井制冷降温管网解算及优化方法研究

高温矿井采用井下集中式制冷降温系统受采掘范围的影响,冷冻水输送管网复杂,导致末端冷量供给不足,严重影响系统降温效果。为提高矿井降温系统冷量利用率,以赵楼煤矿井下制冷降温管网为例,基于图论原理建立井下降温管网拓扑模型,采用水力基本方程计算管段流量、节点阻力和水力损失,得到降温管网水力特性;通过管网节点温升的计算,确定冷冻水输送过程的冷量损失;结合管网水力、热力特性,对降温管网进行优化。结果表明:赵楼煤矿井下制冷降温管网末端工作面冷冻水流量最小为0.001 m^(3)/s,管网水力损失大的位置为一集轨道下山、7302运输巷和中部辅运大巷。降温系统分别给五采区和七采区共4个工作面供冷,冷量损失为1.22×10^(6) J/s,其中七采区降温系统冷量损失占88.15%,管网摩擦和传热冷量损失分别为5.39×10^(5)、6.805×10^(5) J/s,末端冷冻水最高输水温度为13.9℃。提出管道-泵阀联调优化方法,采用动态平衡阀对南部1号辅助运输大巷和二集辅助巷冷冻水流量恒定在0.022~0.04 m^(3)/s,实现末端空冷器流量稳定;采用静态平衡阀调节管网支路阻力,将工作面冷冻水流量增大至0.005 m^(3)/s;南部1号辅助运输大巷、南部2号辅助运输大巷和二集辅助巷的管径增加至0.325 m,管网总水力损失从30.93 m减少到20.44 m,减少了35%;将离心泵扬程调整为183~195 m、流量为0.085~0.112 m^(3)/s,离心泵高效运行。

施工隧道台车周边热环境营造与回用风出流角优化

为改善施工隧道二衬台车周边热环境,将湿式空气净化装置应用于天巴高速公路拾贰坡隧道。围绕装置回用风高效利用问题,以拾贰坡隧道为工程原型,利用Fluent软件建立了0°、15°、30°、45°、60°、75°6种不同出流角的混合式通风计算流体力学模型。基于上述模型进行了数值模拟计算,抽取出二衬台车工作段5个切面的温度—速度场数据,进一步引入体感温度公式作为评价指标,量化出流角变化对台车工作区域速度—温度场的影响,优选了回用风出流角。研究结果表明:出流角过小导致流场紊乱,致使回用风效率降低,不利于环境营造;增大出流角至30°以上时,回用风利用效率明显提高,风速大幅上升,温度出现下降;至45°时,回用风有效利用率接近极限,但降温效果仍随着角度增大而提升;至60°时,降温效果最佳,降低约1.5℃;至75°时,风速降低,温度升高,体感温度降低趋势逆转而升高。结合实测数据,发现回用风出流角为60°时,可最大限度改善隧道施工热环境,保障施工人员职业健康安全。上述分析结果为湿式空气净化装置迭代优化提供了量化参考。

基于CFD数值模拟的相变储能泵送湿喷混凝土热性能研究

随着世界各大金矿开采深度的增加,高温围岩向巷道风流传递大量热量,从而显著提高风温。对巷道表面进行隔热材料的围护已被证明是改善地下作业场所热环境的有效手段。采用前期研发的用于巷道支护的相变储能泵送湿喷混凝土(PWS-MPCM),使用流体动力学数值模拟手段从围岩内部温度分布的角度对其功能性进行了验证。结果表明:PWS-MPCM对围岩内部温度分布影响显著,且具有良好的隔热和控温性能,论证了PWS-MPCM可为深井金矿热害治理方案提供“釜底抽薪”的解决方案。

矿井余热利用技术研究及应用分析

针对矿井乏风余热和涌水余热对风井场地井口和建筑物供暖进行了研究,以陕西陕煤曹家滩矿业有限公司为例,对该矿的用热需求、供热现状和余热量进行了分析,使用直冷式深焓取热乏风热泵与矿井涌水余热利用技术相结合的方法,提出了余热利用系统的设计方案,重点分析了该系统运行效果、经济和环境效益。研究结果表明,矿井乏风余热和涌水余热可满足矿井用热需求,并能获得显著的经济效益和环境效益。

静态主动除湿系统在煤矿环境中的应用研究

为了降低矿井中的温度与湿度,通过分析矿井采煤过程中产生的热源与湿源,构建了基于液体除湿的静态主动除湿系统。应用结果表明:风流中干球温度与湿球温度均降低了10℃左右,相对湿度降低了30%左右;将研究系统与空冷器进行对比,发现研究系统处理后的温度与湿度降低更明显。

空气源分体式热管-热泵供暖系统在煤矿井口防冻中的特性研究

为提高空气源热泵的性能,同时更好地满足煤矿井口防冻特殊工艺要求,将空气源热泵与热管技术相耦合,使用小压比热泵机组搭建了空气源分体式热管-热泵供暖系统实验平台。该耦合系统中蒸发器和冷凝器两端均采用相变传热的方式,并对其进行不同运行工况下的性能特性研究,结果表明:该耦合供暖系统即使在0℃左右的室外条件下,耦合机组的系统制热性能仍可达到4.5以上,远远优于传统空气源热泵机组。