《Case Studies in Thermal Engineering》：Study on a cascade cooling method for fully mechanized top-coal caving faces in high-temperature mines
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随着开采深度的增加，原始岩温升高加剧了气流与围岩之间的热交换，导致综合机械化放顶煤（fully mechanized top-coal caving）工作面热环境恶化。因此，精确的冷负荷评估和高效的冷却策略对于矿井热害控制至关重要。本研究通过现场实测，表征了沿
随着开采深度的增加，原始岩温升高加剧了气流与围岩之间的热交换，导致综合机械化放顶煤（fully mechanized top-coal caving）工作面热环境恶化。因此，精确的冷负荷评估和高效的冷却策略对于矿井热害控制至关重要。本研究通过现场实测，表征了沿工作面的气流温度、湿度和焓的空间变化特征。基于空间非均匀的热环境，研究人员开发了一种分区冷负荷计算方法，能够量化不同区域的冷却需求。为了适应受限空间和液压支架的连续推进，研究人员开发了一种集成了空冷器和风机的移动式冷却装置。此外，通过将冷却能力与热负荷的空间分布相匹配，研究人员建立了一种需求导向的级联冷却策略，包括进风巷的全风流预冷、工作面的逐步冷却以及回风巷的局部冷却。进风巷和工作面所需的制冷量分别为2222.19 kW和1682.34 kW。六台450 kW的空冷器将工作面入口的气流温度降低至21.8 °C，而集成移动式冷却装置实现了2.6–3.0 °C的局部降温，并将含湿量降低了约20%。该级联冷却系统使回风温度降低了约5 °C，总气流焓值降低了28%。所提出的方法为深部地下综放工作面的空间匹配冷负荷评估和冷却系统优化提供了一个综合框架。
1. 研究背景与问题
随着煤炭开采向深部延伸，地热温度显著升高，导致矿井热害问题日益严峻。高温环境不仅威胁矿工的生命安全，也严重影响作业效率。矿井气流与地下热源（如高温围岩、机电设备等）通过对流、传导和热辐射等方式进行热交换，使得工作面热环境持续恶化。目前已有多种冷却方法，如非机械通风冷却、机械局部冷却和机械集中冷却，但这些方法各有局限。例如，传统空冷器与风机匹配不佳，导致冷却能力不足；同时，井下空间有限，尤其是综放工作面，液压支架的移动会干扰冷却设备的运行。因此，亟需针对高温矿井综放工作面的特点，开发一种高效、精准且适应性强的冷却方案。本研究旨在提出一种基于空间热环境差异的分区冷负荷计算方法，并据此设计一套由新型冷却设备和级联冷却策略组成的综合热害控制系统。
2. 研究方法
为实现上述目标，研究人员采用了一套结合理论分析与现场验证的研究方法。首先，在中国山东省巨野某煤矿的高温综放工作面进行了现场实测，利用干湿球温度计、空盒气压计、机械风速计和红外测温仪等仪器，沿工作面布点监测气流的温度、湿度等热力学参数。其次，基于实测数据，研究人员提出了基于焓差法的分区冷负荷计算方法，用于量化不同区域的冷却需求。再次，针对井下空间限制，研究人员设计了一体化的移动式冷却装置，其核心部件为采用双螺旋同心布置的H65黄铜换热管的空冷器，并通过计算壳侧当量直径、雷诺数等参数，优化了空冷器与风机的匹配参数。最终，研究人员建立了需求导向的级联冷却策略，即根据热负荷的空间分布，在进风巷、工作面和回风巷分别部署不同的冷却方式。
3. 研究结果
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高温工作面气流热状态： 现场测量显示，工作面气流干球温度从进风端的28 °C上升到回风端的33.4 °C，湿球温度从27.4 °C上升到32.4 °C。相对湿度在工作面前半段为91%-96%，后半段则波动于96%-98%。气流焓值在工作面前半段近似线性增长，在后半段中部保持稳定，但在回风隅角附近再次上升。
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空冷器与风机匹配参数：
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冷却空冷器设计： 为解决传统空冷器与风机不匹配的问题，研究人员开发了一款采用双螺旋结构H65黄铜换热管的空冷器，以增大换热面积并提高效率。其设计参数为：进口干球温度33.2 °C，出口干球温度26.7 °C，盘管长度800 mm。
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冷却风机设计： 研究人员设计了一款功率为5.5 kW、风量为4800-8200 m3/h、风压为120-800 Pa的强制送风风机，其进风口采用弧形喇叭口集流器以减少流动损失。
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匹配参数计算： 研究人员通过公式推导，计算了空冷器壳侧的流通体积、当量直径、质量流速和雷诺数（Res），以确保空冷器的通风阻力与风机的性能曲线相匹配，从而实现最佳冷却效果。
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级联冷却策略与效果：
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级联冷却策略： 基于计算结果，研究人员提出了“进风巷全风流预冷 → 工作面逐步冷却 → 回风巷局部冷却”的级联冷却策略。进风巷和工作面的所需制冷量分别为2222.19 kW和1682.34 kW。
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冷却效果： 通过在进风巷安装6台450 kW的空冷器，成功将进入工作面的气流温度降至21.8 °C。同时，在工作面内部署的集成移动式冷却装置可实现2.6–3.0 °C的局部降温，并将空气含湿量降低约20%。整个级联系统使回风温度降低了约5 °C，气流总焓值降低了28%。
4. 总结与结论
研究人员指出，随着开采深度增加，井下热源散热加剧，必须探索适用于综放工作面的制冷冷却方法，并精确确定不同区域的冷却需求。本研究的结论认为，所提出的基于焓差法的分区冷负荷计算方法能够有效指导冷却系统的优化配置。开发的集成移动式冷却装置解决了传统设备在狭小空间内适应性差、与风机匹配不佳的问题。最终，通过实施需求导向的级联冷却策略，即进风巷预冷、工作面逐步降温和回风巷局部冷却相结合的方式，可以显著改善工作面的热环境，实现显著的降温除湿效果。该研究为深部矿井热害治理提供了一种新的、集成的技术途径。
