[发明专利]一种长壁开采工作面多单元水冷降温方法

权利要求书

1.一种长壁开采工作面多单元水冷降温方法，其特征在于，降温结构包括：

进水主管，沿开采工作面的回风巷布置，并连接水冷器的进水端；

回水主管，沿开采工作面的进风巷布置，并连接所述水冷器的回水端；

水冷器，所述水冷器有多个，多个所述水冷器间隔分布，并设置于开采工作面液压支架上；

软联管，用于对各所述水冷器进行连通；

其中，通过所述进水主管向所述水冷器供入冷却水，以使开采工作面的热量与冷却水发生热交换，并随冷却水的流动带走开采工作面的热量；

降温方法包括：

在煤层中掘进两个巷道作为开采工作面的回风巷与进风巷；

在所述回风巷和所述进风巷内布设管路的同时分别安设进水主管和回水主管；

连通所述回风巷与所述进风巷的其中一端，形成开采工作面；

在开采工作面内架设开采工作面液压支架，并在开采工作面液压支架上设置水冷器；

将位于开采工作面边部的两个水冷器分别与进水主管和回水主管对应连接，其余的水冷器之间采用软联管连接，软联管采用快速接头与水冷器连接；

对所述进水主管供给冷却水，使冷却水流经多个水冷器，以使开采工作面的热量与冷却水管发生热交换，并随冷却水的流动带走开采工作面的热量，冷却水由回水主管流出开采工作面；

多个所述水冷器对应分布于开采工作面液压支架的前腿柱之间，所述水冷器的布置数量和布置方式根据需冷量进行确定；

单一通风条件下，风流通过整个工作面带走的热量为Q₁，采取冷水降温措施后，风流出口温度降低了，那么风流带走的热量为Q₂，这之间热量差即为冷水管提供的需冷量Q_w；

(1)需冷量计算：

Q₁和Q₂按照对流换热的基本公式，即牛顿冷却公式进行计算；

Q₁＝K·A_h·(T_h-t_f) (1)

Q₂＝K·A_h·(T_h-t′_f) (2)

Q_w＝k₁·(Q₁-Q₂) (3)

式中，Q₁和Q₂分别为降温前后的热量，kW；Q_w为需冷量，kW；K为风流与工作面围岩的表面传热系数，kW/(m²·℃)；A_h为工作面总传热面积，m²；T_h为围岩表面平均温度，℃；t_f为采取水冷降温前的风流平均温度，℃；t_f’为采取水冷降温后的风流平均温度，按照规定不大于26℃；k₁，补偿系数，考虑到冷损影响，范围取1.1-1.3；

(2)冷水流量计算：

根据需冷量公式可以计算水冷器管内的流量；

Q_w＝SH·De·F·DT/60 (4)

式中，SH为水的比热，4.2kj/kg·℃；De为水的比重，1kg/L；F为流量，L/min；DT为水冷器进出口温差，t_w2-t_w1，℃；t_w1为水冷器供水温度，℃；t_w2为水冷器回水温度，℃；

(3)水冷器总传热面积计算：

牛顿冷却公式转换后为：

式中，A为水冷器的总传热面积，m²；K_w为水冷器管道的传热系数，kW/(m²·℃)；D为管道外径，单位为m；d为管道内径，单位为m；t_w为水冷器管内水的平均温度，℃，(t_w2+t_w1)/2，a₁为水和管道内壁的对流换热系数，kW/(m²·℃)；a₂为管道外壁与空气的对流换热系数，kW/(m²·℃)；λ为管壁的导热系数，kW/(m·℃)；

(4)水冷器的个数计算为

式中，N为水冷器个数；S为单个水冷器的面积，m²；

(5)单个水冷器的面积S计算

单个水冷器的表面积包括水冷器的表面积和配套软联管的表面积，其中水冷器的表面积由单管表面积s₁、肋片表面积s₂、配套软联管的表面积为s₃；则：

S＝k₂·(s₁+s₂+s₃) (9)

单管表面积s₁为单管周长与有效管程的乘积，有效管程等于整个管程减去肋片厚度，而整个管程包括水冷器两端进出水口长度、直管长度、弯管长度，则s₁为：

s₁＝π·D·(2l₁+m·l₂+m′*l₃) (10)

其中弯管长度l₃可根据弯管的中线长度确定，l₃为：

故，式(10)转换为：

肋片的高度为h，宽为δ，长度为l_c，每个肋片穿了m根单管，肋片数量为n，则单个水冷器肋片的表面积s₂为

每个水冷器配一根软联管，软联管的表面积s₃为：

s₃＝π·D′·l_r (14)

式中，k₂为有效面积系数，考虑到水冷器与风流之间的接触程度，范围取0.7～1.0；s₁为单管面积，m²；l₁为进出水接口长度，单位为m；l₂为直管长度，单位为m；l₃为弯管长度，单位为m；m为直管个数；m＇为弯管个数；n为肋片个数；h为肋片的高度，单位为m；δ为肋片的宽度，单位为m；l_c为肋片的长度，单位为m；l_r为软联管的长度，单位为m；D＇为软联管直径，单位为m。