深部煤矿开采工作面气温场动态建模与优化降温策略设计——提升热害控制效能与职业健康保障

本综述创新性地建立了基于移动网格法的深部采煤工作面气温场动态数值模型（验证误差<2%），系统揭示了采动扰动下气温时空演化“缓-陡-缓”上升模式及指数转线性衰减规律；通过量化气温（Tb）、冷负荷（Qc）与关键参数（Tin, vin, T0）的耦合关系，首次发现冷负荷随送风速度的临界转变现象（临界温度与岩温线性相关），并基于此开发了多变量耦合的优化降温设计方程，现场应用实现工作面降温9.5℃、月增产9.3万吨，为深部矿井热害精准防控（Heat-safe）提供了理论范式与工程决策支持。

　　

Highlight

本研究通过动态网格技术构建了采煤工作面气温场演化模型，揭示了采动条件下气温时空分异规律：空间上沿风流路径呈"缓-陡-缓"上升趋势，工作面段梯度达1.18℃/100m；时间上呈指数衰减后转为线性下降（0.19℃/100m）。量化了气流温度（T_b）与冷负荷（Q_c）对关键参数（冷却风温T_in、风速v_in、原岩温度T₀）的响应机制：T_b与T_in、T₀呈线性正相关，与v_in呈指数负相关；首次发现冷负荷与风速的关联性存在临界转变（临界温度与岩温线性相关），低于临界值时负相关，高于时反转。基于此开发的多元耦合降温模型在现场应用中实现工作面平均降温9.5℃，热风险降至"热安全"水平，单面月增产9.3万吨。

Section snippets

Establishment of the mathematical model

为探究采矿扰动下气温场时空演化，采用以下假设：围岩均质各向同性；气流为弱可压缩牛顿流体且无相变；壁面接触热阻可忽略。如图1所示，三个区域存在差异热力学机制：进风巷（AB段）以气流对流（Q_air1）和岩-气对流换热（Q_r1）为主导；工作面（BC段）受机械生热（Q_m）、垮落煤岩放热（Q_cg）及采空区漏风热交换（Q_g）耦合作用；回风巷（CD段）则主要体现为绝对热源散热（Q_q）与残余围岩换热（Q_r2）。

Physical model description

数值模型基于河南某矿33190工作面建立，采面长750m、走向长230m，开采6m厚水平煤层。直接顶底板为砂质泥岩（厚19.8m/21m），巷道沿顶板布置。模型尺寸（770m × 280m × 44m）包含巷道断面5m×4m，网格动态更新步距10m/循环。岩体热物性参数通过现场钻孔测温与实验室测试确定：岩体导热系数k_s=2.3W/(m·℃)，比热容C_ps=980J/(kg·℃)；气流初始温度28℃，风速1.5m/s，相对湿度85%。

Spatiotemporal evolution of air temperature field in coal mining face

图6展示了通风路径及关键位点（工作面入口、中点、出口）的气温时空演化。空间上（图6a），温度受绝对热源与围岩动态放热驱动呈"缓-陡-缓"上升趋势，工作面段梯度达1.18℃/100m——是进风巷0.17℃/100m的7-9倍。时间上（图6b），降温过程呈现典型两阶段特征：初始20天内呈指数衰减（衰减系数0.12d^-1），之后转为线性下降（斜率0.05℃/d），此规律为降温设备启停策略提供了理论依据。

Engineering applications

基于前述多元耦合关系开发的优化降温策略，通过模型优化三大参数（总冷量、制冷机组数量与布局）平衡了控温精度与能耗效率。核心原则采用分段式降温：进风巷预冷降低风流焓值，工作面区域针对性补偿热扰动，回风巷余冷回收。现场实施后工作面平均温度从38.2℃降至28.7℃，湿度控制在70%以下，工人热应激症状发生率下降76%，采矿工效提升23%。

Conclusions

针对高温采煤工作面气流温度场演化机制不明与冷负荷预测精度不足的问题，基于动态网格法建立了气流温度场动态模型，并通过现场测量验证了可靠性。进一步量化了变岩温条件下气流温度、冷负荷、冷风温与风速的关联规律，揭示了冷负荷随风速的临界转变现象。所开发的优化降温策略在现场应用中显著改善了热环境，实现了职业健康与经济效益的双重提升。