回风温升模型试验

技术概述

回风温升模型试验是矿井通风安全领域一项重要的热环境测试技术，主要用于研究矿井回风系统中的温度变化规律及其对井下作业环境的影响。该试验通过构建缩比例物理模型或数值仿真模型，模拟实际矿井通风系统中回风风流的温度升高过程，为矿井热害治理、通风系统优化设计提供科学依据。

在矿井开采过程中，随着开采深度的不断增加，地温逐渐升高，加之井下机电设备散热、矿石氧化放热、空气自压缩等多种热源的综合作用，导致井下作业环境温度显著升高。回风温升作为矿井热环境评价的重要指标，直接关系到井下作业人员的热舒适性和安全生产。通过系统的回风温升模型试验，可以准确掌握回风温度的时空分布特征，为矿井降温工程设计提供关键参数。

回风温升模型试验的理论基础源于传热学和流体力学的基本原理。在矿井通风系统中，风流在流动过程中与围岩、设备、水体等进行复杂的热湿交换，导致风流的温度和湿度发生变化。回风温升是指风流从进风口到回风口之间的温度差值，这一参数综合反映了矿井热源强度和通风散热能力。通过模型试验研究回风温升的变化规律，对于预测深井热害发展趋势、制定合理的降温措施具有重要意义。

回风温升模型试验的方法主要包括物理模拟试验和数值模拟试验两种类型。物理模拟试验是在实验室条件下构建矿井通风系统的缩比例模型，通过控制边界条件和热源参数，测量风流温度在模型系统中的分布和变化。数值模拟试验则借助计算流体力学软件，建立矿井通风系统的三维数学模型，通过数值求解获得风流温度场、速度场等详细信息。两种方法各有优势，常结合使用以相互验证和补充。

检测样品

回风温升模型试验的检测样品主要包括以下几类，不同类型的样品对应不同的试验目的和测试需求：

• 矿井空气样品：采集矿井进风、回风流中的空气样品，用于测定空气的温度、湿度、流速等基本参数，以及气体成分分析，了解风流热湿变化特征。
• 围岩岩芯样品：从矿井不同深度、不同位置采集围岩岩芯，用于测定岩石的热物理参数，如导热系数、比热容、热扩散率等，这些参数是计算围岩散热量的基础数据。
• 水体样品：采集矿井地下水、生产用水等水体样品，测定水温及水质参数，分析水体对井下热环境的影响程度。
• 煤岩氧化样品：采集具有自燃倾向性的煤岩样品，通过实验室测试确定其氧化放热特性参数，评估煤岩氧化对回风温升的贡献。
• 机电设备散热测试样品：针对井下大型机电设备，如通风机、提升机、采煤机等，进行散热特性测试，获取设备运行时的散热量数据。

在进行检测样品采集时，需要严格按照相关标准和规范进行操作。样品的代表性是保证试验结果可靠性的关键因素，应当根据矿井地质条件、开采布局、通风系统特点等综合确定采样点的位置和数量。对于围岩岩芯样品，需要在不同深度、不同岩性层位分别取样；对于空气样品，应当在矿井进风井口、回风井口、主要运输巷道、回采工作面等关键位置进行多点采集。

样品的保存和运输也是影响检测结果的重要环节。岩芯样品应当密封保存，防止水分散失影响热物理参数测定结果；空气样品应当在现场即时测定或在规定时间内送至实验室分析。所有样品都应当标注详细的采集信息，包括采样时间、采样地点、采样深度、地质描述等，为后续数据分析提供依据。

检测项目

回风温升模型试验涉及的检测项目较多，涵盖了气象参数、热物理参数、热源参数等多个方面，具体包括以下内容：

• 干球温度测定：测量空气的干球温度是计算回风温升的基础，需要在进风口、回风口及沿程各监测点分别测定风流温度。
• 湿球温度测定：湿球温度与干球温度配合可计算空气的相对湿度、含湿量、焓值等热湿参数，全面评价井下热环境。
• 风流速度测定：测定巷道内风流速度分布，计算风量，分析风量变化对回风温升的影响。
• 大气压力测定：测定井下各监测点的大气压力，用于校正空气密度和其他热物理参数。
• 围岩温度测定：测定巷道围岩的原始温度，分析围岩散热对风流温度的影响。
• 围岩热物理参数测定：包括导热系数、比热容、热扩散率等参数，这些参数决定围岩与风流之间热交换的能力。
• 机电设备散热量测定：测定井下主要机电设备的散热功率，评估其对井下热环境的贡献。
• 氧化放热量测定：针对煤岩氧化、硫化矿石氧化等放热过程，测定其氧化放热强度。
• 水体散热量测定：测定井下涌水、生产用水的温度和流量，计算水体散热量。
• 热应力指标计算：根据测得的气象参数计算比冷却力、湿球黑球温度、热强度指数等热应力评价指标。

上述检测项目之间存在内在联系，需要综合分析才能准确把握矿井回风温升的形成机理和变化规律。例如，围岩散热是矿井主要热源之一，其散热量取决于围岩温度、风流温度、围岩热物理参数、巷道几何参数及通风时间等多种因素。通过系统测定上述参数，可以建立围岩散热数学模型，预测不同通风条件下围岩散热量的变化。

检测项目的选择应当根据矿井具体情况和试验目的确定。对于深井热害严重的矿井，应当重点关注围岩散热、空气自压缩热等主要热源；对于存在煤自燃隐患的矿井，应当加强氧化放热检测；对于机电设备密集的矿井，应当详细测定设备散热特性。合理的检测项目设置是获得可靠试验结果的前提。

检测方法

回风温升模型试验的检测方法主要包括现场实测法和模型试验法两大类，各类方法有其特定的适用范围和技术要求。

现场实测法是在实际矿井通风系统中直接进行参数测量的方法，具有结果真实可靠的优点。现场实测时，应当在矿井通风网络的关键节点布置监测点，包括进风井口、主要进风巷道、采区进风口、工作面进回风口、主要回风巷道、回风井口等位置。每个监测点需要测定干球温度、湿球温度、风流速度、大气压力等基本参数，并记录测定时间。对于大型矿井，可以考虑建立长期监测系统，实现数据的连续采集和远程传输。

现场实测的数据处理包括以下几个方面：首先，对原始数据进行质量检验，剔除异常值和错误数据；其次，计算各监测点之间的温度差值，得到各区段的温升值；然后，分析温升与风量、巷道长度、围岩温度等因素的关系，建立经验公式或拟合曲线；最后，结合热源调查结果，分析各热源对回风温升的贡献比例。

物理模型试验法是在实验室构建矿井通风系统的缩比例模型，模拟实际通风过程和热交换过程。物理模型的设计需要遵循相似准则，确保模型与原型在几何相似、运动相似和动力相似方面的一致性。常用的相似准则包括雷诺数相似、弗劳德数相似、阿基米德数相似等，根据模型试验的具体目的选择适用的相似准则。物理模型的材料选择、加工精度、边界条件控制等都会影响试验结果的可靠性，需要严格按照相关技术规范执行。

数值模拟试验法是利用计算流体动力学软件进行矿井通风热模拟的方法，具有成本低、周期短、可获取全场信息等优点。数值模拟的关键在于建立准确的几何模型、网格模型和物理模型。几何模型应当真实反映矿井通风系统的空间布局；网格模型需要满足计算精度和计算效率的平衡；物理模型包括湍流模型、热传递模型、多孔介质模型等，需要根据实际问题选择合适的模型组合。数值模拟的边界条件设置至关重要，应当根据现场实测数据确定进口风速、进口温度、围岩温度等边界条件。

综合试验方法是将现场实测、物理模型试验和数值模拟相结合的方法，发挥各种方法的优势，克服单一方法的局限性。具体流程为：首先进行现场实测，获取实际矿井通风热参数；然后建立数值模型，以现场数据为边界条件进行模拟计算，验证模型的正确性；在此基础上进行工况模拟，预测不同通风方案下的回风温升变化。综合试验方法是目前应用最广泛、结果最可靠的方法。

检测仪器

回风温升模型试验需要使用多种检测仪器，以保证测量结果的准确性和可靠性。以下为常用的检测仪器设备：

• 干湿球温度计：用于测量空气的干球温度和湿球温度，是计算空气湿度参数的基础仪器。电子式干湿球温度计具有响应快、精度高、可自动记录等优点，应用较为广泛。
• 热式风速仪：用于测量风流速度，具有测量范围宽、精度高的特点，适用于巷道风流速度的测定。热线式和热球式是常用的两种类型。
• 气压计：用于测量大气压力，空盒气压计和数字气压计是常用的仪器类型，数字气压计具有读数直观、精度高的优点。
• 红外热像仪：用于测量巷道壁面温度分布，可快速获取大范围壁面温度信息，直观显示温度异常区域。
• 岩石热物理参数测试仪：用于测定岩石样品的导热系数、比热容、热扩散率等参数，常用的方法包括热线法、激光闪射法等。
• 热流计：用于测量通过围岩表面的热流量，可直接获取围岩散热强度数据。
• 数据采集系统：用于多通道信号的自动采集和存储，可实现温度、湿度、风速等参数的同步测量和长期监测。
• 通风参数综合测试仪：集成温度、湿度、风速、压力等多种传感器的便携式测试仪器，适用于现场快速检测。
• 热应力监测仪：专门用于测定井下热环境参数并计算热应力指标的仪器，可直接显示WBGT、热强度指数等评价指标。

检测仪器的选择应当根据检测项目、测量范围、精度要求、使用环境等因素综合考虑。矿井井下环境特殊，存在高湿、高尘、瓦斯等不利条件，选用的仪器应当具备相应的防护等级和防爆性能。仪器的校准和维护也是保证测量精度的重要环节，应当按照规定的周期进行检定和校准，建立仪器使用台账和校准记录。

在进行回风温升模型试验时，应当编制详细的测试方案，明确测试仪器、测点布置、测试频次、数据记录格式等内容。测试人员应当经过培训，熟悉仪器操作规程和数据处理方法。对于重要测试项目，建议采用多点平行测量或重复测量的方式，提高数据的可靠性。

应用领域

回风温升模型试验在多个领域具有重要应用价值，为相关工程设计和安全管理提供技术支撑，主要应用领域包括：

• 深井热害治理：随着浅部资源的逐渐枯竭，深部开采已成为矿业发展的必然趋势。深井高地温问题日益突出，回风温升模型试验为深井热害预测和治理方案设计提供依据，确定合理的降温负荷和降温方式。
• 矿井通风系统优化：通过回风温升模型试验，可以分析通风系统各环节的热交换特征，识别通风系统存在的问题，为通风系统改造优化提供指导，实现节能降耗与安全的统一。
• 降温工程设计：矿井降温工程投资巨大，设计方案的合理性直接影响工程效果和经济效益。回风温升模型试验可提供准确的热源参数和热负荷数据，为降温工程设计奠定基础。
• 矿井安全评价：井下高温环境不仅影响作业效率，还存在热辐射、高温灼伤等安全风险。回风温升模型试验是矿井热环境安全评价的重要技术手段。
• 地下工程通风设计：除矿井外，地下铁路、公路隧道、水电站地下厂房等地下工程也面临通风散热问题，回风温升模型试验方法同样适用。
• 职业病防治：长期在高温环境中作业可能导致中暑、热衰竭等职业病，通过回风温升模型试验评价作业环境热强度，为职业病防治提供依据。

随着我国能源结构的调整和深地开发的推进，回风温升模型试验的应用范围将进一步扩大。在非常规油气开发、地热资源利用、深地科学实验等领域，回风温升模型试验技术都将发挥重要作用。相关技术标准和规范也在不断完善，推动该技术的规范化和标准化发展。

在智能化矿山建设背景下，回风温升模型试验正在与物联网、大数据、人工智能等新技术深度融合。通过在矿井通风系统中部署分布式传感网络，实现回风温度的实时监测和智能预警；结合数值模拟和机器学习算法，建立回风温升预测模型，为通风系统智能调控提供决策支持。这些新技术应用将进一步拓展回风温升模型试验的功能和应用场景。

常见问题

在回风温升模型试验实践中，经常会遇到一些技术问题，以下为常见问题及其解答：

问：回风温升的正常范围是多少？

答：回风温升的正常范围因矿井条件而异，一般受开采深度、地温梯度、通风风量、巷道长度等因素影响。浅井的回风温升通常在3-8摄氏度，深井可能达到10摄氏度以上。当回风温升过大导致回风温度超过规定限值时，需要采取降温措施。

问：回风温升模型试验的相似准则如何确定？

答：相似准则的确定是物理模型试验的关键。对于以温度分布为主要研究对象的回风温升模型试验，需要同时满足几何相似、运动相似和热相似条件。常用的相似准则包括雷诺数、普朗特数、努塞尔数等，需要根据模型试验的具体目的和条件选择主控相似准则。实际操作中，很难同时满足所有相似条件，通常采用近似相似的方法。

问：如何提高数值模拟的准确性？

答：提高数值模拟准确性的措施包括：建立准确的几何模型，真实反映通风系统的空间结构；选择合适的湍流模型和热传递模型；采用高质量的网格划分；设置准确的边界条件，边界条件应当基于现场实测数据；进行网格无关性验证和模型验证；采用二阶或更高阶的离散格式。

问：围岩散热如何计算？

答：围岩散热计算是回风温升分析的核心内容之一。常用的方法包括解析法、数值法和经验公式法。解析法基于热传导方程的解析解，适用于简单几何条件；数值法可以处理复杂边界条件和非稳态过程；经验公式法基于实测数据拟合，计算简便但适用范围有限。计算时需要考虑围岩原始温度、风流温度、巷道形状尺寸、通风时间、岩石热物理参数等多种因素。

问：模型试验结果如何验证？

答：模型试验结果的验证是确保试验可靠性的重要环节。验证方法包括：将模型试验结果与现场实测数据进行对比；将物理模型试验结果与数值模拟结果进行对比；与已有研究成果进行对比分析；进行重复性试验验证结果的一致性。当多种验证方法的结果吻合较好时，可以认为模型试验结果具有较高的可信度。

问：回风温升的主要影响因素有哪些？

答：回风温升的影响因素主要包括：地温条件，开采深度越大、地温越高，围岩散热越强；通风风量，风量越大，单位质量空气的热容量越大，温升越小；巷道长度和断面，巷道越长、断面越小，热交换越充分，温升越大；通风时间，新掘巷道的围岩散热强于老巷道；井下热源，机电设备、氧化、水体等热源直接影响回风温度；地面气象条件，进风温度的季节性变化影响回风温度。