（安全技术及工程专业论文）高温矿井降温技术研究及其经济性分析.pdf

s u b j e c t ：t h er e s e a r c ho ft h ec o o l i n gt e c h n o l o g yi nh i g h - t e m p e r a t u r e m i n ea n di t se c o n o m i ca n a l y s i s s p e c i a l t y ：s a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g n a m e ：f e n g x i a o k a i i n s t r u c t o r ：j i c h a n g f a a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) w i t ht h ei n c r e a s eo fm i n i n gd e p t ha n dt h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fm e c h a n i z a t i o n , h e a t d i s a s t e ri nm i n e sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s ，i th a sb e c a m eab i gp r o b l e mt ol i m i tn o r m a l p r o d u c t i o na n di m p a c te c o n o m i cb e n e f i t so fm i l l e r e c e n t l y , c o o l i i l gt e c h n o l o g i e si nm i l l ei s d e v e l o p i n gf a s t e ra n d t h e r ea r em a n ye x a m p l e so f m i n ec o o l 崦t e c h n o l o g i e sa p p l i c a t i o n s i nt h i sp a p e r , a c c o r d a n c ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em a i nh e a ts o u r c e ) a n a l y s i st h e i m p a c t i o nf o rt h eh e a te n v i r o n m e n t a l i nm i n e b a s eo nt h ep r i n c i p l eo fh u m a nt h e r m a l c o m f o r ti nb u i l te n v i r o n m e n ta n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fu n d e r g r o u n dt h e r m a le n v i r o n m e n t ， p r o v i d et h em e t h o do fe v a l u a t i o nf o rm i n e rt h e r m a lc o m f o r t b a s e d o nt h ei n f l u e n c ea n a l y s i s o fh e a ts o u r c ea n dm i n e r st h e r m a lc o m f o r t ，s u g g e s tc a l c u l a t eh e a tf r o mh e a ts o u r c ew i t h r e g i o n c o m p a r et h i sr e s u l ta n dh e a tc o o l i n gl o a di nt h em i n ef a c e ，t oc o n f i r mt h em i n e c o o l i n gl o a d a c c o r d i n gt oc o n t r a s ta g e n t ，e f f e c to fc o o l i n g ，e q u i p m e n tp l a c e m e n ta n dc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nf o rk i n d so fc o o l i n gt e c h n o l o g i e s ，g e tt l l ei d e ao fd i f f e r e n tt h e r m a lc o o l i n g t e c h n o l o g ya n dp r o g r a m sf o rt h ed i f f e r e n tt h em i n es i t u a t i o n b a s eo nt h et a r g e to fm m e c o o l i n g ，l i s tt h ee c o n o m i ce v a l u a t i o nm e t h o d sa n di n d i c a t o r so fc o o l i n gs y s t e mi n m i n e e s t a b l i s ht h em o d e lo fe c o n o m i ce v a l u a t i o no ft h em i n ec o o l i n g a tl a s t ，c h o o s ej ie rm i n ea s e x a m p l e s ，u s et h em e t h o d sa n de c o n o m i cm o d e l ，i n d i c a t o r s ，c o m p a r ew i t hd i f f e r e n t m i n e c o o l i n gp r o g r a mw i t ht e c h n i c a la n de c o n o m i c ，c o m et ot h ec o n c l u s i o nt h a tt h em a n 。m a d ei c e c o o l i n gp r o g r a mi sm o s ta p p r o p r i a t ef o rt h i sm i n e k e yw o r d s ：m i n ec o o l i n gt e c h n o l o g y t h e r m a lc o m f o r t c o o l i n gl o a d e c o n o m i ca n a l y s i s t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西娄料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：之釉，觊日期：多秒z 爹砂 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章。律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：场n ，凯指导教师签名：斫蛳 1 ” 日 1 绪论 l 绪论 1 1 课题的提出 矿井热害是指井下风流的温度、湿度、风速和焓值达到一定状态后，致使人体散热 困难，工人感到闷热，劳动生产率下降，进而出现大汗不止、体温升高、头昏、虚脱、 呕吐等中暑症状，甚至死亡的自然灾害。煤矿安全规程第1 0 2 条明确规定“生产矿 井采掘工作面空气温度不得超过2 6 ，机电设备峒室的空气温度不得超过3 0 。当空 气温度超过时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇。采掘工 作面的空气温度超过3 0 ，机电硐室的温度超过3 4 时，必须停止作业。”矿井热害不 仅影响井下作业人员的工作效率，影响矿山的经济效益，而且严重地影响井下作业人员 的身体健康和生命安全，严重地影响矿山的安全。人在高温条件下从事繁重体力劳动时， 如果周围环境的冷却能力不足以吸收人体散发的热量，就会使人体产热量和散热量之间 的热平衡受到破坏，从而引起人体不良的生理、心理反应，过高的热环境可以使人体的 温度调节机能失调，导致体温升高、头昏、呕吐等中暑症状，甚至造成死亡。据前苏联 和德国的调研资料介绍，矿内作业环境的气温超标1 ，劳动生产率则下降6 8 ，当气 温超过2 8 时，事故发生率将增长2 0 。日本7 个矿井的调查结果表明：3 0 3 7 工 作面比3 0 以下工作面的事故率增加了1 1 5 2 1 3 倍，高温热害已被认为是除水、火、 瓦斯之外的第四大矿井灾害。所以，矿井热害严重危及井下作业人员身体健康和劳动安 全，必须采取切实可行的技术措施加以防治。 地球是个热体，它不断地把热量散发到空间，同时又接受太阳的辐射热量，散热和 吸热之间的平衡关系，决定了地壳最上层的温度场。通过对太阳辐射和大地热流值引起 的温升以及附加的地温梯度对地壳最上层温度的综合研究，人们划分了变温带、恒温带 和增温带。地壳表层的温度受地面温度的影响呈周期性的变化，但这种影响随着深度的 增加而逐渐减弱，到一定深度，这种影响基本消失，从而地温基本保持恒定。地温常年 保持恒定的带称为恒温带。在恒温带以上，地温受太阳辐射热的影响而具有周期性的变 化规律，故称为变温带。在恒温带以下，地温的变化受大地热流场的影响，随着深度的 增加而不断增温，故称为增温带。恒温带则是变温带与增温带的分界面。由于恒温带的 深度大都只有十余米或数十米，而矿井生产的深度大都为数百米，甚至超千米，远远深 于恒温带的深度，这就造成了矿井围岩表面放热。随着矿井采掘深度增加，在恒温带以 下，地温随矿井开采深度的增加而升高。如西德伊本比伦煤矿现采深度达1 5 3 0 m ，井底 岩温可达6 0 。据我国煤田地温观测资料表明，地温梯度大多为2 - 4 l o o m ，矿井围 岩表面放热是矿井热害的主要热害成因i l 】。 西安科技大学硕士学位论文 除此之外，矿物氧化放热( 一些矿物主要是指硫化矿容易和周围介质的氧气结合放 出大量热量。开采这类矿物时产生的粉尘由于其与空气接触面积增大，能助氧化并放 热) 、矿内热水放热( 位于断层附近的矿井，某些地点地下循环水的温度很高，甚至超 过地岩温度，成为热水型矿井，从裂隙流动的热水向空气大量放热) 、井下机电设备、 电力照明设备的散热以及人体散热等也是矿井热害的成因。矿井热害成因的主次程度因 地理位置，气候条件以及矿井深度的不同而不同，要根据具体矿井的具体情况来进行分 析。 随着矿井开采深度的增加和采掘机械化程度的不断提高，深井高温热害已经成为制 约煤矿安全开采的重大问题之一，相关专家认为未来矿山的极限开采深度将取决于矿井 降温技术和装备的发展水平。我国煤矿大约以每年l o m 左右的速度向下延伸，近年来我 国高温矿井的数目日益增多，而且热害程度日趋严重。在2 0 世纪5 0 年代，我国只有少 数矿井出现高温热害问题，矿井降温也只是个别矿井的需要，而且所出现的高温问题也 不是矿井的开采深度所致；到7 0 年代我国高温矿井的数目开始增多，进入9 0 年代以后 我国矿井高温热害问题就更加突出，引起了我国矿山界的广泛重视。在我国的中部和北 部地区，大部分高温矿井( 约占9 0 ) 是由于开采深度大、岩石温度高所致。据不完全统 计，目前我国国有重点煤矿采深大于7 0 0 m 的矿井有6 0 多处，最深矿井己超过1 0 0 0 m 。 已有8 0 多对矿井出现了不同程度的热害，其中有3 8 对矿井采掘工作面的气温超过3 0 。 比如，新汉矿业集团孙村煤矿自2 0 世纪8 0 年代初进入6 0 0 m 水平生产后，就进入了一 级热害区，8 0 0 m 水平西区和1 0 5 0 m 水平区属二级热害区。因此，调节和改善矿井气候 条件己经成为我国煤矿安全生产中的一个重要课题。 1 2 课题研究目的和意义 目前，用于调节和改善矿井气候条件的矿井降温技术主要分为非人工制冷降温技 术，人- r n 取冷降温技术( 空调降温技术) 两大类。非人工制冷降温技术首先应用于矿 井降温。通常通过采用合理的开拓方式以及增加通风量的方法来达到矿井降温的目的， 在热害不严重或采掘深度较浅的矿井，确实取得了不错的效果。然而，采用非人工制冷 的降温方法对矿井降温是存在一定限度的。事实证明，由于受到井巷风速和通风机能力 的制约，风量不可能无限制地增加。而且，当风量达到一定值以后，继续增加风量对矿 井降温的效用明显下降。所以，在矿井开采深度不断增加的今天，非人- r _ n 冷的降温方 法显然不能满足那些深井矿的降温需要。 人工制取冷降温技术( 空调降温技术) 在上世纪7 0 年代开始蓬勃发展，是在通风 降温不能起到良好降温作用的情况下采用的降温方法。人工制取冷降温技术根据其热力 学特点来划分，大约有3 种。第1 种是蒸汽压缩式循环制冷空调；第2 种是空气制冷空 调、有涡轮式空气制冷、透平膨胀制冷等形式；第3 种是冰冷却空调系统。除此以外， 2 1 绪论 根据各个矿井不同的情况，因地制宜，采用以热电站为热源的溴化锂制冷、串联压缩式 制冷机组或氨吸收式制冷机组也是完全可行的降温方案。对在矿井降温中的广泛应用的 传统蒸汽压缩式循环制冷，根据制冷基站设置的位置不同，划分为井下集中式、地面集 中式、井上、井下联合以及局部制冷四种基本形式。各种形式的制冷方式根据其不同的 优缺点适用与不同的矿井条件。井下集中式系统简单，冷冻水管道比较短，但需要开凿 专用的峒室，冷凝热排放不好解决。相对与地面集中式系统，就完全不存在开凿峒室、 冷凝热排放的问题，但管路长，冷量衰减也大。作为综合前两种系统的井上、井下联合 技术，在技术性能上堪称优良，却存在投资过大，运行费用过高的问题。而局部制冷技 术就是移动制冷技术，使用防爆的移动式空调制冷机对需要降温的区域进行降温。在矿 井降温中还使用基于逆布雷顿循环的空气制冷技术。利用高压空气经过膨胀机降压降 温，从而得到制冷效果的一种制冷方法。通常来说，空气制冷系统制冷量小，在系统运 行管理和控制方面有较高的要求。冰冷却空调系统主要原理是利用冰的溶解热，通过冰 的溶解把水冷却到0 。c ，然后把低温水送到各个工作面进行降温。与蒸汽压缩式循环制 冷空调相比，最大的不同就在于冷量输送介质的改变。在众多的矿井空调降温技术中， 如何根据各个矿井的实际情况，采用不同的矿井空调降温组织形式，在满足矿井降温要 求的前提下，达到最好的经济性是现在迫切需要解决的难题之一。高温矿井空调降温技 术及其经济性分析研究就是基于这种现状而提出的。 1 3 高温矿井降温技术国内外研究动态 1 3 1 国内研究动态 我国是个矿山资源丰富的大国，在5 0 年代初期，我国就进行了矿井降温工作的初步 研究。当时，有部分高温矿井开展了地温观测等工作。在6 0 年代初开始采用局部制冷空 调，武汉冷冻机厂研制了j k t 7 0 型矿用移动式冷水机组，制冷量为2 3 2 k w 。1 9 6 4 1 9 7 5 年，在淮南九龙岗矿设计了我国第一个矿井局部制冷降温系统；1 9 7 3 年煤科院抚顺分院 研制了y p 1 0 0 型矿用环缝式压力引射器、涡流管制冷器；1 9 9 3 年平顶山矿务局和原中国 航空工业总公司6 0 9 研究所联合研制k k l l o l 型矿用无氟空气制冷机，进行了空气压缩式 制冷技术的尝试。8 0 年代开始建立井下集中制冷空调系统。1 9 8 1 至1 9 8 5 年，新汶矿务局 孙村煤矿在4 0 0 m 水平建立了我国第一个井下集中空调系统，制冷站制冷能2 3 2 6 k w ，设 备选用重庆通用机器厂生产的1 1 - j b f 5 0 x 0 型离心式制冷机，制冷量为5 8 1 k w ；8 6 年平顶 山八矿建立了第二个井下集中空调系统，制冷站制冷能力为4 6 5 2 k w , 采用i i i j b f 1 0 0 x 0 型离心式制冷机，制冷量为1 1 6 3 k w 。1 9 9 3 年7 月，平顶山矿务局科研所和原中国航空工 业总公司第6 0 9 研究所制成k k l l 0 1 矿用无氟空气制冷机。1 9 9 2 1 9 9 5 年，山东新汶矿务 局建立了我国第一个矿井地面集中制冷降温系统，设计制冷能力为5 6 0 0 k w ，可算是亚洲 3 西安科技大学硕士学位论文 最大的矿井制冷降温系统。在此同时，我国在矿山热力学的研究及其应用、矿井输冷技 术、矿井排热技术以及矿井制冷技术等方面的研究工作也取得了重大进展【2 1 。 随着矿井降温系统的组织方式和方法增多，对矿井空调系统的经济性评价越来越重 要。我国对矿井空调系统的经济性分析主要采用提出经济技术指标以及数学法或方案内 容比较法进行经济分析。 1 3 2 国外研究动态 印度等国建立了近百个大型矿井制冷降温系统。世界上采深最大、降温系统规模最 大的当属南非金矿。1 9 7 1 年南非己有4 4 个矿井采用人工制冷降温，总制冷量达1 6 8 万 千瓦。1 9 8 9 年，南非一金矿建成压缩空气制冷空调系统，管道输送被压缩成液态的空气 至井下，经膨胀后与工作面风流掺混，实现对工作风流的冷却。同年，波兰推出了涡流 管式空气制冷装置，在掘进工作面使用取得了一定的空调效果。南非、德国、英国等国 家，在制冷装置和热交换设备的容量、安装地点的选择、设备选型和提高设备制冷效率 等方面的研究较多。目前德国在高温矿井采用机械制冷措施、技术上均居世界领先地位。 目前，国外矿井降温技术发展的特点和趋势是【3 j ： ( 1 ) 建立了系统的矿山热力学的理论体系，并应用其解决采矿工程中的一些重大技 术问题，例如矿床的合理开采深度，合理的开拓系统和开采程序，以及合理的矿井通风 系统和供风量等。 ( 2 ) 应用高科技手段来解决矿井降温的重大技术问题。如板式蒸发器，可调速水泵 以及内隔热保冷管道等；应用智能化控制系统来控制矿井降温系统，使矿井降温系统始 终处在优化的状况下运行。 ( 3 ) 矿用制冷设备性能良好，运行安全可靠。板式蒸发器的使用，可将冷水温度降 到o 。c 左右。大型冷水机组无故障运行时间可达7 0 0 0 0 h ，最高可达成1 2 0 0 0 0 h 。 ( 4 ) 矿井传冷技术发展速度很快。矿用空气冷却器，由2 0 世纪6 0 年代以前的翅片 管式，8 0 年代的板管式到光管式，8 0 年代后期到9 0 年代各国都在试图用喷淋式或混合 式取代表面空冷器等。 1 4 课题研究的内容及技术路线 1 4 1 主要研究内容 本课题在吸取国内外已有研究成果的基础上，主要研究矿井空调降温系统的热负荷 计算方法、降温系统组织形式以及经济性分析，主要研究内容如下： ( 1 ) 根据矿井热害成因以及对矿工热舒适性分析，在原有的矿井热负荷计算的基础 上，提出更准确的切合实际的矿井热负荷计算方法。 4 1 绪论 ( 2 ) 对现有矿井降温技术进行分析，在此基础上，提出适合不同热害矿井的降温技 术和方案。 ( 3 ) 提出矿井降温系统的经济性指标和评价方法，建立矿井空调降温经济性评价的 模型，为矿井降温方案的选择与确定提供参考。 ( 4 ) 结合矿井实例，通过对不同的矿井空调降温系统的技术性、经济性分析，得出 适用于该矿的降温方案。 1 4 2 技术路线 图1 1 技术路线图 1 5 本章小结 本章着重阐述了课题的研究的目的和意义，指出了热害的由来以及解决热害问题的 意义。阐述了现今国内外在矿井空调降温技术方面的发展和研究动态。同时本章介绍了 本论文所要研究的主要内容和所采用的技术路线。 5 西安科技大学硕士学位论文 2 矿井内热源及其对矿井热害影响分析 2 1 矿井内主要热源 与普通民用空调的热源相比，矿井内热源要多得多。而且，不同的热源对不同的矿 井影响程度也有很大差别。一般来说，例如岩体放热、矿物氧化这一类热源，其散发热 量的多少很大程度上取决于流经该热源的风流温度以及水蒸汽分压力，我们称其为相对 热源或者自然热源。而在矿井中散热量不取决风流温、湿度的热源，例如机电设备放热、 人体散热等，称之为绝对热源或人为热源。通常来说，主要的矿井热源包括： 矿井空气自压缩放热、井巷围岩传热、地下热水放热、运输中煤炭及矸石的散热、 机械设备以及电力照明设备的散热、人体散热等。此外，矿井风流是自地面流入矿井的， 因此，地表大气对矿井气候的影响也不容忽视。 2 1 1 矿井空气自压缩放热 矿井开采深度的变化，使空气受到的压力状态也随之改变。当风流沿井巷向下流动 时，空气的压力值逐渐增大。空气在压缩过程中会释放热量，从而使矿井温度升高。当 空气沿着井巷向下流动时，在重力场作用下，由于其势能转换为焓值，其压力与温度都 有所上升，这个过程称之为“自压缩过程。 2 1 2 井巷围岩传热 围岩散热是地温型高温矿井的主要热源。风流流经井巷时，当原始围岩温度与风流 温度存在温差时，就要产生热交换。当原始围岩温度低于风温时，围岩对风流有冷却作 用；当原始围岩温度高于风温时，围岩对风流有加热作用。一般对于深井而言，原始围 岩温度都高于风温，所以风流通过井巷时将产生温升。在大多数情况下，围岩主要以热 传导的方式向风流传热。在井下，井巷围岩与风流之间的传热是一个不稳定的传热过程， 即使是在井巷壁面温度保持不变的情况下，自岩体深处向外传导的热量也是随着时间而 变化。而且随着通风时间的延长，围岩被风流冷却的范围逐渐扩大，形成围岩调热圈。 这一调热圈对围岩与风流之间的热传导起着非常重要的作用。 围岩借助热传导自岩体深处向井巷传热。原始岩温的变化是由自地心径向向外的热 流造成的，随深度的增加温度均匀的增高。原始岩温随着深度而上升的速度( 地温梯度) 主要取决于岩石的热传导率与大地热流值，原始岩温的具体数值决定于温度梯度和埋藏 深度。当围岩的原始岩温与在井巷中流动的空气的温度存在温差时，就要产生换热【4 1 。 6 2 矿井内热源及其对矿井热害影响分析 2 1 3 地下热水放热 如果在采区和矿井附近有井下裂隙水，涌水，渗水或喷水，则地热可以通过热对流 将热传给井巷。地下热水由于易于流动，且热容量大，是良好的热载体，地下热水主要 是通过两个途径把热量传递给井巷风流： ( 1 ) 岩层中的热水通过对流作用加热了井巷围岩，围岩再将热量传递给风流；就井 巷围岩的风流而言，这种方式的放热可放在围岩传热中考虑。 ( 2 ) 热水涌入矿井巷道中，直接加热了风流。 2 1 4 运输中煤炭及矸石的散热 运输中煤炭及矸石的散热：运输中的煤炭及矸石的散热实际是围岩散热的另一种表 现形式。实测表明，在机械化程度高的矿井里，煤炭及矸石在运输期间，运输中煤炭及 矸石的散热量的6 0 - 8 0 均散发到风流中去。由于洒水抑尘，输送机上的煤炭及矸石 总是潮湿的，因此在显热交换的同时还伴随着潜热交换。大型的现代化采区的实测表明， 潜热交换量约占风流的总得热量的7 0 8 0 ，从运输煤炭及矸石所散发出来的热量中， 用以煤炭及矸石中的水分蒸发的热量在风流的总得热量中所占的比重是相当大的。但蒸 发所需的热量一部分来自于空气本身，大部分来自于巷道围岩等热源。 2 1 5 机械设备以及电力照明设备的散热 机电设备散热：目前我国煤矿井下所使用的能源几乎全部采用的是电源，压缩空气 及内燃机的使用量都很少。机电设备所消耗的能量除了部分用以做有用功处，其余全部 转换为热能并散发到周围的介质中去。井下机电设备主要有采掘机械、提升运输设备、 扇风机、电机车、变压器、水泵、照明设备等。 2 1 6 人体散热 相对矿井围岩传热等，人体散热量是比较小的。但在作业人员比较多的采掘工作面， 人员放热对工作面的气候条件也有一定的影响。根据矿井的具体来进行计算。 2 1 7 其它热源放热 除上述热源外，井下还存在：矿物氧化放热、爆炸放热、风机放热、水泵放热、风 动工具放热、岩层移动摩擦放热、辅助工序中的摩擦空气放热、进风井筒中的压风管放 热、因空气静压头的损失而放热等热源，但这些热源所释放的热量在整个矿井高温热害 中所占的比重很小或属于突发性热源，通常依据矿井具体情况来计算。 7 西安科技大学硕士学位论文 2 1 8 地表大气 地表大气温度与湿度的日变化与季节变化必然要影响到井下。 空气的相对湿度取决于空气的干球温度和含湿量，如果空气的含湿量保持不变，则 空气的相对湿度就和它的干球温度成反比，干球温度高时相对湿度低，干球温度低时相 对湿度高。就地表大气而言，其含湿量一昼夜内的变化基本不大，而其干球温度却是正 午高、夜晚低，因而大气的相对湿度是中午低、夜晚高。 虽然地表大气温度的日变化幅度很大，但当它流入井下时，井巷围岩将产生吸热或 散热作用，使风温和巷壁温度达到平衡，井下空气温度变化的幅度就逐渐的衰减。因此， 在采掘工作面上，基本上觉察不到风温的日变化情况。地表大气的温度与湿度的季节性 变化对井下气候的影响要比开变化深远的多，甚至在回采工作面的出口处也能测量到这 种变化。对于矿井的气候条件来说，风流含湿量的年变化要比温度的年变化重要的多， 这是由于水的气化潜热远比空气的比热大得多造成的【5 】。 地面空气温度直接影响矿内空气温度。尤其对浅井，影响就更为显著。地面空气温 度在一年之中，随着季节的变化发生周期性的变化，即使一昼夜的气温，也随着时间发 生周期性变化。地面空气温度的变化对于每一天都是随机的，但遵守一定的统计规律， 这种规律可以近似地以正弦曲线表示，如式( 2 1 ) 所剥6 】： f ：”4 f 笔+ c o o1 ( 2 1 ) j o ) 式中：幻地面年平均气温，； 周期变化函数的初相位，a r d ； a o 地面气温年波动振幅( ) 。 小生手 ( 2 2 ) t m 舣为最高月平均温度，t m i n 为最低月平均温度。地面气温周期性变化，使矿井进风 路线上的气温也相应地周期性变化。但是这种随着距离进风口的距离增加而衰减，并且 在时间上，井下气温的变化要稍微滞后于地面气温的变化。 2 2 矿井内热源对井下热环境的影响 通常而言，造成矿井热害的主要原因是自然热源，一般占到整个矿井降温需冷量的 5 0 - - 7 0 ，其中地温影响要占到约4 0 以上。据调研，上述各热源对风温的影响程度， 没有统一的、一致的具体数据和比例来描述，不同的矿、不同的地点，结果亦不相同。 2 2 1 井巷围岩传热及地下热水放热对井下热环境的影响 8 2 矿井内热源及其对矿井热害影响分析 井巷围岩传热和地下热水放热同属地温加热型的热源，其热量来源于地壳内部岩石 的放射性活动以及重力能向热能的转换。 井下未被扰动岩石的温度( 原始岩温) 是随着与地表的距离加大而上升的，其温度的 变化是由自地心径向向外的热流造成的。在一个不大的地区内，大地的热流是相当稳定 的，一般为6 0 - - 一7 0 m w m 2 。原始岩温随着深度而上升的速度( 地温梯度) 主要取决于岩石 的热导率与大地热流值，原始岩温的具体数值决定于温度梯度与埋藏深度。 影响区域地温场的主要因素包括： ( 1 ) 不同岩性对区域地温场的影响 如果地壳由若干不同热导率的水平岩层组成，各岩层是均质和各向同性的，则其热 导率值仅随深度而变化。在有限的深度内，在稳态条件下，某一深度的温度为： - a _ r = 厶+ 口r 竺 ( 2 3 ) ” - d 石 式中：q 大地热流( 常数) 。 厚度为函、热导率为石的彼此连续水平层，其第i 层底面的温度为： i r o nj f ，：厶+ q y 竺 ( 2 4 ) ”智元 以上两式表明，地温随着深度的增加与热导率成反比，故在地温剖面中，各条等温 线是互相平行的。在热导率高的岩层中，等温线稀疏；在热导率低的岩层中，等温线密 集。在钻孔中，穿过岩性均一的岩层时，热导率可视为定值，钻孔的深度温度曲线是 一条平滑的直线，即地温梯度为定值。当钻孔穿过岩性差异较大即热导率差异大的岩层 时，钻孔深度温度曲线则成折线，地温梯度值明显发生变化，曲线的转折处与不同岩 性的分界面相对应。 一般来说，同一个钻孔，低热导率的岩层具有较大的地温梯度，高热导率的岩层具 有较小的地温梯度，根据大地热流的概念，在没有附加热源的情况下，钻孔各段的地温 梯度与岩石热导率有互为消长的关系。 ( 2 ) 岩浆活动对地温场的影响 在地质历史中，曾发生过多期岩浆活动。评定岩浆活动对现今地温场的影响，主要 从两方面来考虑。一为岩浆侵入或喷出的地质年代，时代越新，所保留的余热就越多， 在高温岩浆余热的影响下，对现今地温场的影响就越来越强烈，并有可能形成地热异常 区。另一为岩浆体规模、几何形态以及围岩的产状和热性质等，它们对岩浆体的冷却速 率有很大影响。以岩浆体的大小而言，冷却过程的延续时间与岩体半径平方成正比，即 岩体半径增加一倍，冷却时间延长4 倍。 一般认为，近期的岩浆活动对当地的温度场有大的影响，而在第四纪以前发生的岩 浆活动，由于经过长时间的冷却，岩浆余热散失殆尽。岩浆体温度变化对围岩的影响速 9 西安科技大学硕士学位论文 度很慢。围岩接受侵入体热量而产生明显温度变化的范围也很有限。一个侵入体冷却下 来需要的时间很长，但从地质年代的尺度来看，则有是很快的。 设侵入体为球体、圆柱体和板状体等三种规则的几何形态，侵入体的初始温度为f 1 ， 侵入区原始岩温为t 2 ，应用芒德雷( 1 9 6 8 ) 根据热传导方程推出的下列解，可以计算侵 入体中心处的温度f 。 球体( 深成岩体) 1 7 】： 一上 于= p 矿( 去) 一p 1 6 班2 ( 2 5 ) fo 圆柱体： l f = 1 一e - 一4 p o( 2 6 ) 板状侵入体( 岩盖) ： 1 b p r f ( 高) ( 2 7 ) 各式中：r ：旦；其中f o ：乓r ； 一乞 ， 卜岩石的热扩散率； 卜球体或圆柱体的半径； 卜侵入岩体的冷却时间。 ( 3 ) 地下水活动对地温场的影响 地下水是最活跃的地质因素，在地壳浅部广泛分布，易于流动，且热容量大，对地 温场有重要的影响。地下水对围岩温度的影响主要分为下行水流对围岩温度的影响和深 循环上升地下水的影响。 下行水流对围岩温度的影响 这是低温下行水流活动区的特征，发生在地下水补给、径流条件良好的中小型地下 盆地及某些大型地下水盆地的边缘地带，从补给区流入的温度较低的地下水。在下降和 流动过程中，不断吸取围岩的热量，从而降低了围岩的温度。在我国范围内，低处燕山 南部、太行山东部、泰山北部、嵩山箕山的许多煤矿区和煤产地，与煤系地层之下有 较厚重下古生界石灰岩铺底，其岩溶裂隙发育，地下水循环交替强烈，对上覆地层起着 冷却降温的作用。在这样的条件下，煤系地层以及上覆地层的地温梯度比正常情况下， 一般在2 l o o m 左右。 深循环上升地下水的影响 深循环的地下水，在循环过程中被岩温加热之后，在有利的地质构造条件下，如果 l o 2 矿井内热源及其对矿井热害影响分析 沿着高角度断裂带或急倾斜的透水层向上涌流，在通道周围及其上方形成局部热异常。 在沉积盆地中，在覆盖层掩盖之下的相对高温承压水的排泄区，热水上升活动可形成一 定范围的连片高温异常。这类异常的出现往往与潜伏的阻水构造有关，有时可能与基底 部隆起区域一致。在缺乏排泄通道时，相对高温的承压水向上顶托渗透，这样的影响造 成地温梯度增加。地下水活动带本身地温梯度表现为降低，而侧向径流和低温下行水流 活动带的下方和高温上升水流活动带的上方，在一定范围内，地温梯度都有增加。 ( 4 ) 地下水通道及其周围温度场的特征 热水上升活动均有一定的通道，最常见的是断裂系统。张性断裂有着良好的开启性， 是构成热水活动通道的主要类型。然而，热水活动也与压性断裂有关。压性断裂主应力 作用下，断裂深、规模大。压性断裂的存在，对于深部循环的地下径流起着阻水作用， 促成地下热水的聚积，致使地下水顺着张性断裂和压性断裂相对开启的部位向上运移。 往往有张性断裂与压性断裂交汇部位岩石破碎，裂隙最发育，是热水上升的良好通道。 因此，热水活动是由构造控制的。在通道中流动的热水，以其高于围岩的温度差，构成 一个附加的热源，插于岩体之中。故通道周围的温度场实际上是由正常温度场与热水附 加的温度场叠加而成。文献中的从热水活动区域实测温度剖面中可以看到：热水活动带 的等温线向上凸出，如通道直立，两侧温度场呈对称状；如通道倾斜，则其上下盘的温 度状况有异。在其上盘，由上而下越接近通道，等温线越密集，梯度也越大；远离通道 温度梯度递减变缓。穿过通道进入下盘，在一定范围内，温度降低，出现负梯度；远离 通道，温度递减较快。在距离通道较远的区域，又转为温度自上而下增加的正常梯度状 况，两区域之间，存在着梯度为零的转折。 井巷围岩的传热状况可以用井巷围岩调热圈来表示。 岩体在未开掘巷道前，各点温度都处于平衡状态，保持原始岩温。当开掘巷道通风 后瞬间起，这种热平衡状态遭到破坏，围岩由于与风温存在温差，岩体从深部向巷壁产 生热移动，围岩内各点的温度将随风流流动而递减，但距井巷中心某一距离的围岩深部， 围岩仍保持着原来的原始温度，未受通风温度的影响，我们把未受通风温度影响的边界， 即原始岩温等温线所包围的范围称为井巷岩温调热圈，又称冷却带，调热圈内的温度分 布称为调热圈温度场。调热圈温度场的等温线是一组近似的同心圆。等温线的距离，因 巷道形状、热交换状况的不同而并不相等，受大地热流方向性的影响，一般巷道底部等 温线比巷道上方密集，如图2 1 所示。 西安科技大学硕士学位论文 f3 厂、 旒辩： 、躞戮j s 岳一 。，。 。 s 0 3 图2 1 井巷i 嗣岩凋热圈温度场( 通风3 5 年) 从井巷中心到调热圈极限边界( 原始岩温等温线) 的距离称为调热圈半径，其大小 除受原始岩温、风温、岩石热物理性质、通风量等多种因素影响外，还决定于通风经过 的时间f 。因此，调热圈的大小是变化的，新掘进的巷道r 小，调热圈半径r 。小；随着 通风时间f 增长，井巷围岩受冷却范围扩大，尺。变大；如果通风时间有足够长( 约2 年) 。 可以认为围岩与风流已充分完成热交换，风接近最大值而达到相对稳定。同时还容易理 解：在原始岩温相同的同一水平巷道中，由于入风段风流与围岩的温差比下风侧大，所 以r 。向下风侧逐渐变小。显然，调热圈起着缓冲作用，它使岩体内的巨大热量不是突然 而是渐渐地散放给风流。 在我国，开采深度主要集中在5 0 0 - - 8 0 0 m 部分矿井已经达到1 0 0 0 m 的开采深度， 井下气温集中在3 0 。而导致矿井温度过高的主要原因是由于围岩温度过高，如表2 1 所示。围岩通过热传导和热辐射的方式把热量传递给壁面风流，壁面风流通过对流的方 式把热量传递给巷道风流。 2 2 2 矿井空气自压缩放热对井下热环境的影响 空气在井下受到重力的影响，一部分势能转换成焓值。压力和温度都随之增大。但 在矿井中，完全干燥的空气根本不存在。所以，空气的自压缩热中相当一部分被转化成 湿空气的潜热，对矿井气候环境的温升作用没有理论计算( 详见4 1 1 ) 出来的那么明显。 该因素引起的风流温度上升对井下各处有相同的规律。 2 2 3 矿井机械以及电力照明设备对井下热环境的影响 随着机械化、生产集中化程度的提高和产量的增大，机电设备的容量大大增加，其散 热量也增大很多，机电设备的放热也是井下温升的主要因素，但不同地点影响不同，其 影响主要表现在采掘工作面和机电硐室；有的工作面机电设备放热甚至是温升的主要原 因，这与装机容量有关，一般炮采工作面机电设备装机总容量为9 0 0k w ，综采工作面 为1 1 0 0k w ，但没有统一的标准，各矿各工作面机电设备装机容量不同，其放热所占的 比例也不同。如平顶山八矿综采工作面的装机容量高达3 0 0 0 k w 左右，其散热量为 1 2 2 矿井内热源及其对矿井热害影响分析 6 4 0 k w ，占该采面内总热量的7 2 7 ，一般在2 5 左右。从采面开采规模的发展来看机 电设备的装机容量是越来越大的，目前世界最大装机容量达到8 2 1 0 k w 。神东煤炭分公 司上湾煤矿西二盘区5 1 2 0 2 综采工作面，该工作面采高约6 3 米、工作面长3 0 1 5 米， 推进长度4 4 6 3 米。工作面采煤机为德国进口e i c k h o f fs l l 0 0 0 煤机，液压支架采用 郑州煤业集团生产的双柱支撑掩护式液压支架，仅工作阻力就达到2x5 4 0 0 k n 。 2 2 4 地表大气对井下热环境的影响 在我国中北部地区，矿井地面气温对井下气温变化影响气温变化影响显著；随着地 面气温季节性的变化，井下采掘工作面的气温也是同步变化的，地面气温的季节性影响 是很明显的。 地表大气状态变化对井下气候的影响规律有以下几点： ( 1 ) 冬天，井上气温低，井下气温也较低；夏天，井上气温很高，井下气温也升高； 上下波动幅度是3 - - 1 0 。地面气温对井下采掘工作面风温的影响在4 - - 1 0 月份比较严 重，尤其在6 - 8 月份最为突出；在1 3 和1 l 1 2 这5 个月份地面气温对井下采掘工 作面风温几乎无影响，采掘工作面的风温保持在某一恒定区间内，即：2 3 2 6 。据调 研，在此5 个月，矿井即使有降温系统也不用运行。但随着矿井开采深度的逐渐增大， 井下季节性温差则越来越小。有的局部地点的温度会超过规定温度。需要采取局部降温 措施。山东新汶矿区、兖矿、河南平顶山矿区等属于此列。 ( 2 ) 矿井地面空气相对湿度对井下空气相对湿度的影响是非常明显的；地面空气相 对湿度对井下采掘工作面空气相对湿度的影响在7 1 2 月份比较严重，在1 - 6 这六月 份地面空气相对湿度对井下采掘工作面相对湿度几乎无影响； ( 3 ) 矿井地面大气压力对井下空气压力程度影响较小；井下空气压力随着矿井深度 的变化而同步变化。 1 3 球蚺草萍冲咏石页十咏宙事_丈 姗_萄晕：井时煳漤籁薄瓣媳墨瘫甾 蔼骘 繇 辩 耕 辫 书书书书 盏黼 将 酋 蔫 吨 弼 粤精 急漓藏涟流 南i 电 海藕牿滚 i 【口盏 j 上 h h h h 时 日 赘 曲或q+灿 嫩嫩嫩 曳q岛qq i t i p目盈 琳 ，一 氆毪氆甍曳 警炮嫩筒筒筒 磬 麓酋菪 酋 酋 藩 u 瘩建 斟戮斟 讲 褂滑蚪 哥丑甜斟璐耐 础峭峭书峭书 瞄 簧蔫蔫寮弗茹斟辫簇骘 斗 崮氨澍蜀澍 赢 簧璐璐毒主啡 葛簿 = 岫_ _ 寻 ee 海 流 流 蒋 藕滤 渝滚溢蒋流滴滴流流藕南 qqqq越q曳 甍曳q氆岛岛q遵 海 iiiil - i i- i i 一鲁 潮 一 l ，- 岔 、j q 一 0 0 一 l 小小u au i s 潲 一 o o l 、i l o l u 墨 * o 乙hl oou o ou oo oo西oo o oo o o oo o o 刍譬 o j o jo j 萼娄豢 o j o j o ju o jo j o o jo j o j o j o j a 筋引 oo jo j o j土-上-上- 。 0 0 菇滟 o jo jn uo juo jo jo j筋 箭 o o u 河引 uo j a筒 、ju小l ho j 一 l al h 口、o、口 河彗 o u 毒 琴 蔷 岔 ? 心口 ? 口、o 、j小u u l、ju 口 a u a a o j o 斟半 o j 2 uu jo jo jo jo jo ju j懿 叫 u l u jo u 凸0 0、ju 昏河如 uo jo jo jo j上- ： 筋淘 厶u o j u 口上o o j上- u l上- 一河址 q_ 崎 o 小 一 。j 。 书 0 0 u o j 一 小 g 苗 o jo j 苫 溉筋 7 乙 o jo 。 蒜 ? o j 西 0 0u -上 藩 滟 藩 藩藩藩藩藩 懿 冈 懿 懿懿 藩 筋筋筋 ， 藩藩 阿 藩藩 藩 藩藩藩 ， 懿 藩懿箭 国 舒懿 叫 懿懿筋 藩藩 藩藩薛 一 - 啾 - 漤 -叫爿 藩 头 筛蚌 ；磬 藩藩 *筛 玮筛 漤漤 一 刊刊一 画哥跌 q 西哥西哥 口 暾曲哥按 头头 *漤 ；婪；磐 h 十 - *头头煳 漭弹殚 彗耋 ， 胄， 汰 腑 漤漤 薄 殚弹 蓠 殚殚醛 州 筛筛癖 墨 肄 ，殚 法湛漤漤漤 筛癖 漤l ；f |l ；f 【 漤 ，醛， 曲奇螭 地 西奇酗蝻 团 - 酾离 漤群殚 安 弹群辫 辩i q 1 ；r离1 ；f 【 ， 赫藩 咐 龄游 安 游游赫 绺辫m绺辫漤 离绺漤 a漤 绺 慊 辫漤漤 ， a j 笛 ；f 【闭 明l ；f | l ；r ；r| ；f 【离 辫 游爵 游赫游游赫游 漤 漤辫漤漤 2 矿井内热源及其对矿井热害影响分析 矿井中人体散热以及其他热源放热一般对矿井热环境影响较小，通常不做具体分 析。但也不排除在特殊情况下，对矿井热环境影响增大的可能。如在硫化物矿井中，矿 物氧化放热对矿井热环境的影响就相当大。所以