【毕业学位论文】金属矿矿井热害控制技术研究-矿井通风与安全博士论文

博士学位论文 金属矿矿井热害控制技术研究 作 者 姓 名： 胡 汉 华 学 科 专 业： 采 矿 工 程 研 究 方 向： 矿井通风与安全 学 院： 资源与安全工程学院 指 导 教 师： 古德生 院士 中 南 大 学 2007年 10月 分类号 密级 博士学位论文 金属矿矿井热害控制技术研究 者 姓 名： 胡 汉 华 学 科 专 业： 采 矿 工 程 研 究 方 向： 矿井通风与安全 学 院： 资源与安全工程学院 指 导 教 师： 古德生 院士 论文答辩日期 答辩委员会主席 中 南 大 学 2007年 10 月 博士学位论文 摘 要 要 随着矿产资源的不断开发，我国的浅表矿床及开采技术条件相对简单的矿床储量不断消耗，迫使大多数矿山转入深部或复杂矿床的开采。深部矿床开采的技术难点主要集中在三个方面：即深部地压 (岩爆 )预测与控制技术、井下热害控制技术以及强化开采技术集成。井下热害控制技术在我国深井开采技术中占有很重要的地位。 本论文的研究内容和得出主要结论如下： 1. 通过大量文献研究，发现制定高温矿井热害治理方案时，一般需要研究的内容包括：常规通风方案、通风网络优化、气候预测和热环境评价。如果热环境评价结果证明采用常规通风方法不能解决热害治理问题，则依矿井热害严重程度，顺序考虑加强通风、循环通风、个体防护、局部降温和集中制冷。在我国金属矿山中，目前热害最为严重的地点是掘进作业面。最为严重的时期是矿井开拓时期。 2. 矿井开拓时期的巷道掘进，是每一个深热矿井都会遇到的最困难的排热通风问题。通过对独头巷道排热通风规律的研究，从理论和实验上解决掘进作业面排热通风量的确定问题。理论上，独头巷道排热通风在制冷与加大风量通风之间存在最优方案。在大多数高温掘进工作面，最优排热通风量均小于排烟排尘风量。由于加大风量通风的同时加大了围岩与空气间的热湿交换。掘进工作面加大风量通风只能改善人体的散热条件，增加舒适度，对降低工作面的空气温度作用甚微。 3. 在矿山开拓期间，由于主通风系统尚未形成，通风降温无法实现热环境控制的目标，制冷降温又无必要。提出矿井轻便空调室技术可望解决这一难题。矿井轻便空调室技术是利用热帐的隔热作用，将井下工人与热环境隔离开来，再用先进的适于井下使用的空气冷却器向热帐内供冷，使热帐内环境质量达到安全规程规定的要求。 4. 矿井轻便空调室的关键技术是其专用空气冷却器。为此，本文通过理论和实验研究，研制了一种实用矿用空气冷却器。该空气冷却器巧妙地采用水轮机式风机，利用井下高压水的位能为空气冷却器提供通风动力。空气冷却器本身无需耗电，通风与空气冷却一体化，从而消除了电动风机本身发热所带来的博士学位论文 摘 要 且水轮机回收了高压水的大部分位能，消除了这部分位能向热能的转化。 5. 用个体防护技术来解决井下流动人员的高温防护问题，是一种适合我国国情的行之有效的高温矿山降温的新技术和新方法。它具有使用简单、方便。降温成本低的特点。 6. 高温矿井通风网络均是复杂的通风网络。加上深部高温的影响，使得深井矿山井下环境的管理变得异常复杂。本文应用 效地解决了复杂高温矿井通风网络数字化难题。7. 矿井通风系统优化这一领域已有大量的研究成果，但作为高温矿井通风系统，由于其优化是以井下作业面环境舒适度为目标的，其优化方法从理论和应用上均与传统的通风系统优化方法大为不同。本文应用高温矿井热环境计算方法开发出了复杂高温矿井的热环境计算程序。用于预测整个矿井的热环境。这一程序已成功地应用于凡口铅锌矿的矿井通风网络分析和矿井排热通风优化分析。关键词： 矿井降温；空气冷却器；轻便空调室；矿井通风；个体防护；掘进巷道；排热；通风规律 博士学位论文 of in in of so to in or of of in of of in an in in of as 1. It is by a of of in of to be of of in If of be on of of in be in As in in of 2. of is of by In a of in to of by In in is In of is or 士学位论文 it in of 3. t so of be by at it is to So is to It in by by a is to so in be 4. of is So in a by of in so of of to 5. to of in is a is in in is of 6. is a in in in to of is to be to of a in 7. in of is in of in is to 士学位论文 of in So by in a in to in to is to be a in of 目 录 摘 要 . I . 1 章 绪论 .题的提出 .究现状 . 通风系统优化 . 循环通风 . 控制热源 . 特殊方法降温 . 个体防护 .需解决的问题 .论文的研究内容与技术路线 . 研究内容 . 技术路线 .章小结 . 2 章 掘进巷道排热通风规律研究 .述2829.进工作面排热方案的优化 . 掘进工作面的热平衡分析 . 掘进工作面排热通风方案优化原理 . 掘进工作面排热通风方案的优化 .瓜山铜矿掘进工作面排热通风实验研究 . 研究方法选择 . 实验条件 . 实验布置 . 实验结果 .章小结 .士学位论文 目 录 3 章 高温矿井个体防护技术研究 .内热环境的危害 . 危害人体健康 . 降低生产效率 .体的热平衡 . 人体产热 . 人体散热 . 人体热平衡方程式 .体防护技术 . 个体防护原理 . 冷却服的冷却介质选择 .水冷却服的研制 . 冰水的储冷量与人体的散热量 . 冷却服的结构参数 . 冷却服的性能试验 .章小结 . 4 章 矿井轻便空调室技术研究 .井轻便空调室技术的基本原理 .井轻便空调室关键参数的计算分析 . 矿井轻便空调室的工作环境 . 矿井轻便空调室的热平衡计算 . 矿井轻便空调室需冷量计算 . 热帐的结构 .便空调室专用空气冷却器的研制 . 结构形式的选择 . 轻便空调室专用空气冷却器的可行性分析 .井轻便空调室专用空气冷却器的试验研究与改进方向 . 空气冷却器结构优化试验研究 . 空气冷却器存在的问题及改进方向 .士学位论文 目 录 帐的保温效果试验研究 . 实验布置 . 试验结果 .井轻便空调室技术在冬瓜山铜矿的应用 .井轻便空调室的经济可行性分析 . 矿井轻便空调室的应用范围 . 应用矿井轻便空调室技术的经济效益分析 .章小结 . 5 章 高温矿井的通风系统管理研究 .热矿井通风网络数字化62. 复杂高温矿井通风网络数字化的意义 . 复杂高温矿井通风网络原始数据的采集 . 程技术在复杂高温矿井通风网络数字化技术中的应用 81 温矿井热环境预测 . 分支预测计算 . 网络预测计算 .热矿井通风网络分析实例 . 矿区概况 . 深部环境预测计算 . 排热通风优化方案 . 小结 .章小结 . 6 章 全文总结 .要结论 .文的主要创新点 .究展望 .表 .考文献 .谢 .士学位论文 目 录 .读博士学位期间公开发表的论文 .读博士学位期间参加的科研项目 .读博士学位期间获奖情况 .士学位论文 第1章 绪论 1第 1 章 绪论 题的提出 随着矿产资源的不断开发，我国的浅表矿床及开采技术条件相对简单的矿床储量不断消耗，迫使大多数矿山转入深部或复杂矿床的开采。目前，许多硬岩矿床已进入或接近深部开采的范畴，据统计，我国有三分之一的矿山即将进入深部开采。深部矿床开采的技术难点主要集中在三个方面：即深部地压 (岩爆 )预测与控制技术、井下热害控制技术以及强化开采技术集成。在深部矿床开采技术领域内，国内的研究工作起步较晚，没有成熟的技术和经验可借鉴。在“九五”期间，虽然开展了部分前期研究工作，但现有的采矿技术不能有效地解决深部矿床开采的问题。目前，急需研究开发适应于深部矿床开采的新工艺与新技术，同时对现有的技术进行集成与提升，以满足我国不断涌现的深部矿床开采的需要。 由此可以看出，井下热害控制技术在我国深井开采技术中占有很重要的地位。 究现状 在国外 , 南非是当今世界开采深度最大的国家。南非的威特沃特斯兰德盆地极深含金矿礁埋深达 3500m5000m1。在深井环境控制方面取得了大量经验，其主要经验是：在井下开拓时最大限度地优化通风系统；研制各种新型高效的粉尘、炮烟和废气净化装置，以供井下进行循环通风时利用；采取各种手段尽量隔绝井下热源向井下通风风流的热流流动，以求降低井下风温，在特别困难的情况下，采用制冷空调技术降低风温。 国内自解放以来才开始深井地温研究2。 20世纪 50年代初，煤科院抚顺分院最先开始地温观测， 1974年中科院地质所对平顶山矿区的地热问题进行过研究。“九五”期间，由长沙矿山研究院承担“九五”攻关课题“深井矿山环境控制研究”为解决我国深井开采的环境问题提供了良好的理论基础。但由于我国深井开采问题尚在萌芽阶段，高温矿井的环境控制问题尚未获得很好的解决。 对于深热矿井，为了改善其热环境，依其热害严重程度，一般按如图 1 博士学位论文 第 1章 绪论 2 图 1害治理措施技术路线图 矿井通风 在热害不十分严重的情况下，通过加大风量通风，优化通风系统，利用调热风道等措施一般均能改善井下热环境。 隔绝热源 在热害比较严重的局部地段，例如掘进工作面，可考虑采用隔绝热源的方法。 个体防护 在热害较重又无法采用制冷措施降温时，可用冷却服对部分接触热害时间较长的作业工人进行个体防护。 局部制冷 在热害比较严重的局部地段，例如掘进工作面，也可以采用局部降温措施。 集中制冷 在上述手段不能奏效的条件，作为最有效的方法就是采用矿井集中制冷。 在我国金属矿山，目前开采深度才接近千米，热害尚不十分严重，一般不需要集中制冷降温3。因此本研究只涉及非集中制冷内容。本章将对矿井非集开始 常规通风网络优化气候预测热环境评价 加强通风 循环通风 个体防护 局部降温 集中制冷 分析通风 降温成本 结束 环境达标环境未达标博士学位论文 第1章 绪论 3中制冷降温的研究动态加以论述。 风系统优化 一、 开拓和通风方式 分区开拓方式可以有效地缩短矿井入风流线路长度，有热害的矿井开拓设计应充分考虑到这一有利降温条件。 开拓储量大，生产能力大的矿床时，确定通风方式和选定风井位置要尽可能缩短入风风流线路的长度，达到降低入风风流的目的。一般而言，中央式通风方式入风线路较长，对降低风温是不利的。如表 1矿床走向长度相同的条件下，因采用的通风方式不同，从井底车场算起，入风风流所走过的线路也将不同。 表 160速取 2， 3， 4， 5m/s，同中央式通风方式比较，当风速相同时，侧翼式方式的温度低 混合式方式低 2。 表 1同通风方式的入风流风流路线长度 (风方式 矿床走向长度 /央式 侧翼式 混合式 5 6 7 8 1同的通风方式风温预算比较 通风方式 中央式 侧翼式 混合式 风速 /m四月 七月 一月 四月 七月 一月 四月 七月 2 3 4 5 、 开采顺序 巷道中的风流温度与通风时间有关。采准巷道存在时间长短取决于采用何种开采方式，后退式开采布置方式的采准巷道维护时间较长，初期入风线路也博士学位论文 第 1章 绪论 4 较长，回采工作面的入风温度比前进式布置为高，另一方面，漏风对风流温度有一定的影响，后退式开采的漏风较少，前进式开采的漏网量大，有时漏风量可达入风量的 20 30%。漏风把采空区中岩石散热和矿岩氧化生热带出来，使回采工作面入风温度升高。为了满足降温要求，确定开采顺序时，要权衡具体情况而定。 三、 通风方式 对于采区通风，通常认为不宜采用下行通风方式，因为下行存在下列缺点： 1） 风流通过井下巷道被加热，产生向上的自然风压，采用下行通风，扇风机风压和自然风压相反，从而导致下行通风工作面的风量相对减少，特别是当扇风机发生故障时，由于扇风机风压降低，下行通风工作面风量将大大减少，或者停风，甚至反风。 2） 在煤矿，由于瓦斯比重小，下行通风入风侧的上部巷道中有积聚的危险。 3） 如果井下某处发生火灾，火风压使风流不稳定，甚至会出现反风。 四、 加大风量通风 风量不仅是影响矿内气候条件的一个重要的、起决定性作用的因素，而且是通过适当手段就能奏效的少数措施之一，有时费用也比较低。 理论研究和生产实践都充分地表明，加大采掘工作面风量对于降低风温、改善气候条件，效果是明显的。但当风量加大到一定限度后，风温的降低就不太明显了。但由于风速的增加，人体的散热条件仍可得到改善。 风量的增加，虽然会使围岩的放热量加大，致使风流总的加热量增大，但在其他条件相同的情况下，风流的温升却有所降低，同时，围岩的冷却速度也加快了。因此，增加风量除了能降低风流温升外，还能为进一步降低围岩的放热强度创造条件。但是，增加风量的可能性受许多条件的制约，其一，受矿内最高允许风速 (巷道横截面积 )的限制，其二，风机的功率与风量呈三次方关系，风量增加到一定程度时，在经济上是不合理的，其三，当风量增加到一定程度时，对风温的影响不大。 美国比尤铜矿通过改善通风系统，改善了井下环境，该矿采用混合通风方博士学位论文 第1章 绪论 5式，单路进风，风巷断面 来把单路进风改为平行双路进风，并对有支护的进风巷道壁贴塑料胶合板降阻。同时把地表原有的低压风机全部更换为高压风机，其总功率高达 7355取上列措施后，风巷阻力减少，风机送风能力增加。 日本别子山铜矿调整通风系统和增大主风机功率收到良好降温效果。该矿原岩温度高达 54，原来采用抽出式通风方式，利用 28中段的探矿平巷作回风