张小楼煤矿高温热害现状及防治设计专题报告

张小楼煤矿高温热害现状及防治摘要：地温升高是深部开采无法回避的地质灾害问题。在深部开采条件下，地温升高是井下工作条件恶化的重要原因，持续的高温将对人员的健康和工作能力造成极大的伤害，使劳动生产率大大下降和生产事故大大增加，同时还会降低井下设备的工作性能，减少井下设备的使用寿命。张小楼煤矿采深达到1000米以下，矿井所开采煤层原始岩石温度都大于30，为高温区。本文主要研究分析了影响原岩温度的若干因素，矿井高温所带来的危害，以及矿井高温地热的防治措施。关键字：深部开采；高温热害；治理技术1 张小楼煤矿高温热害现状1.1张小楼井概况庞庄煤矿张小楼井位于徐州市西北铜山县柳新镇和刘集镇境内，距徐州市区13km。东邻江苏天能集团柳新煤矿，西邻徐州矿务集团夹河煤矿，南邻庞庄井。矿区铁路专用线在夹河站与陇海线和夹符线相连，矿井东邻京福高速公路，东距京杭大运河8km，徐沛公路从井田内穿过，交通十分便利（见图1-1矿井交通位置图）。庞庄煤矿张小楼井现隶属于徐州矿务集团有限公司，企业性质为省属国有煤矿。井田范围：南部（浅部）以F1断层与庞庄井田为界，北部（深部）至京福高速公路保护煤柱线；东部以苏煤司基（87）第252号文规定的西1、西2和西3三个座标点的连线及其延长线与柳新井田为界，西部以苏煤司基（84）第579号文规定点连线与夹河井田深部为邻。整个井田东西长约5.0Km、南北宽约3.4Km，井田面积16.944Km2。本区属南温带鲁南气候区，具有长江流域和黄河流域气候过渡的性质，日照充足，年降水量充沛，冬寒干燥，夏热多雨，春、秋季短，并有寒潮、霜冻、冰雹、旱风等自然灾害。(一)降水量由于本区地处中纬度副热带和暖温带的过渡区，因此，降水有集中性高、年变化大的特点，平均年降水量841.9mm，最大1297.0mm (1958年)；最小500.6mm (1988年)。夏季平均雨量(68月)466.03mm，约占全年降水量的55，其中以7、8月份雨量最多，形成了冬干、春秋旱频繁、盛夏常发生旱涝急转，易涝、易旱的气候特点。(二)蒸发量 1440mm年。(三)风向、风速全年多偏东风，平均风速3.2ms，最大风速24.3ms (1959年6月)。(四)气温年平均气温14.13。1月份最低，平均气温-0.6；7月份最高，平均气温27.4。(五)冻土 冻土深度平均为29cm。(六)霜期 历年平均初霜期为10月下旬，终霜期4月上旬。图1-1 矿井交通位置图1.2张小楼井下高温热害问题本井是徐州矿区高温矿井之一，-750m水平巷道气温达28，最高可达32；-1000m水平巷道气温31，最高可达34。矿井通风路径为：新大井主副井1025轨道大巷1025小湖系皮带下山（-1166轨道下山）-1025胶带石门-1025西一下山采区各用风地点-1025七煤区段回风道-1025回风石门-1025小湖系回风上山-880回风上山-1025西一轨道上山（-1025西一回风上山）-750总回风上山 -400新总回风道风井。从井底车场到工作面回风全年每月平均温度和湿度见表1-1。工作面平均温度为28.1，回风巷温度平均为31.3。热害情况较为严重。 同时从表1-2中可以看出，-800米以上的岩温基本均高于34.2。随着新大井的建成投产，矿井开采深度不断增加，热害问题将更加突出。 表1-1 矿井工作面温度表月份 地点井底车场进风大巷工作面回风巷114142628214142628315152529416162530520202631625252932729293235829293235928283133102626313311232429321217182530图1-2 矿井工作面温度分布图 表1-2 各钻孔相同深度温度对比表 单位： 深 度孔 号500m800m1000m1200m131426.032.437.442.414225.130.534.1-14526.933.638.342.914626.934.438.543.6152927.534.739.945.0153027.133.339.144.7161327.334.238.843.3162127.834.939.744.5162327.135.040.546.1162528.736.541.847.2162628.736.641.947.3171726.933.839.344.8172027.735.240.545.8172128.936.340.045.7181226.633.0-181427.033.638.042.3平 均25.128.927.330.538.934.234.141.939.242.328.944.81.3张小楼井高温热害治理的必要性张小楼井-800水平平均岩温为34.2，-1000米水平平均岩温高达39.2。张小楼井是徐州矿区高温矿井之一，-750m水平巷道气温达28，最高可达32；-1000m水平巷道气温31，最高可达34。由于工人长时间在高温、潮湿的气候环境中作业，体力消耗大，平均劳动效率比在正常气候条件下工作时下降20%30%，职工出勤率低。特别应该指出的是工人因在高温环境下作业引起的综合症头晕眼花精神恍惚、疲乏恶心等，中暑现象时有发生，伤病工人多，而且随着开采深度的增加，热害问题将会愈来愈严重。根据所测结果，进入夏季，井下采掘作业场地气象条件进一步恶化，井下作业人员受高温煎熬，治理热害已成为当务之急。2 矿井高温热害的概况2.1矿井高温产生的原因造成矿井气温升高的热源很多,主要有相对热源和绝对热源。相对热源的散热量与其周围气温差值有关,如高温岩层和热水散热；绝对绝源的散热量受气温影响较小,如机电设备、化学反应和空气压缩等热源散热。高温岩层散热是影响矿井空气温度升高的重要原因,它主要通过井巷岩壁和冒落、运输中的矿岩与空气进行热交换而造成矿井空气温度升高；另外当矿井中有高温热水涌出时,也将影响整个矿井的微气候,而使矿井空气温度略有升高。2.1.1地表大气状态变化对井下气温的影响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)所示：t=t0+A0sin()， (2-1)式中t。为地面年平均气温，；为周期变化函数的初相位，ard；A。为地面气温年波动振幅()它可以按照式(2-2)计算： (2-2)其中tmax为最高月平均温度，tmin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。2.1.2空气的自压缩升温对井下气温的影响矿井深度的变化，使空气受到的压力状态也随之而改变。当风流沿井巷向下(或向上)流动时，空气的压力值增大(或减小)。空气的压缩(或膨胀)会出现放热(或吸热)，从而使矿井温度升高(或降低)。由矿内空气的压缩或膨胀引起的温升变化值可按式(2-3)计算： (2-3)其中n为多变指数，对于等温过程，n=1，对于绝热过程，n=1.4；g为重力加速度，9.8m/s2；R为普氏气体常数，对于干空气，R=287J/(kg.K)。在绝热情况下，n=1.4，则式(2-4)可简化为 (2-4)上式表明，井巷垂深每增加102m，空气由于绝热压缩释放的热量使其温度升高1；相反，当风流向上流动的时候，则又因绝热膨胀，使其温度降低。实际上，由于矿内空气是湿空气，空气的含湿量也随着压力的变化而变化，因此热湿交换的热量有时掩盖了压缩(或膨胀)放出(或吸收)的热量，所以实际的温升值与计算值是略有差别的。2.1.3井下围岩的散热对空气温度的影响 围岩向井巷传热的途径有二，一是借热传导自岩体深处向井巷传热，二是经裂隙水借对流将热传给井巷。井下未被扰动的岩石的温度(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。原始岩温的具体数值决定于温度梯度与埋藏深度。在大多数情况下，围岩主要以传导方式将热传给巷壁，当岩体向外渗流时则存在着对流传热。 在井下，井巷围岩里的传导传热是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，由于岩体本身就是热源，所以自围岩深处向外传导的热量值也随时间而变化。随着时间的推移，被冷却的岩体逐渐扩大，因而需要从围岩的更深处将热量传递出来。 由于地质和生产上的原因，围岩向风流的传热是一个非常复杂的过程，计算也非常烦琐，不同的学者提出了不同的计算方法，为了使理论计算成为可能，一般要进行下列假设： (1)井巷的围岩是均质且各向同性的。 (2)在分析开始时，岩石温度是均一的，且等于该处岩石的原始岩温。 (3)巷道的横断面积是圆形的，且热流流向均为径向。 (4)在整条巷道壁面，换热条件是一样的；在其周长上，热交换的条件也是一样的。 (5)在所分析的巷段里，空气的温度是恒定不变的。 当上述5条假设条件均能够满足时，则单位长度巷道的围岩热流量可用式(2-5)进行计算： (2-5)式中: q单位长度巷道的围岩所传递的热流量，W/m； 为围岩的导热率，w/(m*K)； 围岩的原始岩温度，； 巷道壁面的温度，； T(Fo)考虑到巷道通风时间、巷道形状以及围岩特性的时间系数，可用傅立叶数来描述: （2-6） Fo傅立叶数； 巷道通风时间，s； r巷道的半径，m； 围岩的导温系数(热扩散系数)，m2/s 2.1.4井下机电设备的散热对空气温度的影响 大量的机电设备在井下使用时，克服摩擦阻力作功所消耗的这部分能量就会转化为热能向风流释放，使风温度升高。要准确地计算出机电设备的散热量也是相当困难的，因为散热量并不是与电动机的功率成正比。某些机电设备的功率，如提升、排水之类，其提高位能的那部分功率是不能转化为热的，计算的时候应予以排除。机电设备的散热量可以按式(2-7)计算： , Kw (2-7)此处Ni为电机的额定功率，kw；n为机电设备的台数。 新近的观测表明，回采工作面上有约占30%的热量要进入随着被采下并被加热的煤炭中运出采区，所以采面的环境要略好一些，但回采机械的放热仍是使采面气候条件恶化的主要原因之一，能使风流温度上升5一6。 提升运输设备主要是运送人员、材料以及提升矿物、岩石。在运送人员中，提升运输设备的净做功为零；与提升的矿物、岩石量相比，下送材料的数量一般可以略而不计，所以它的放热量也可以忽略不计。提升设备的功率同它所释放的热量之间的关系取决于提升机械的工作方式。 其次还有如扇风机的放热，从热力学的概念来说，扇风机并不做有用功，所以其电动机所消耗的电能全部转换为热能并传给风流。因此流经扇风机风流的焙增量应该等于扇风机输入的功率除以风流的质量流量，并直观表现为风流的温升。根据空气的特性，风流流经扇风机后，其湿球温度的增量要比干球温度的增量大。2.1.5煤岩氧化放热及热水放热对井下气温的影响 运输中的煤炭以及研石的放热，实质上是围岩散热的另一种表现形式，其中以在连续式输送机上的煤炭的放热量最大，在以进风通道为运输道时，对进风流的加热就具有特别重要的意义。根据测定，在高产工作面的长距离运输巷道里，这种放热量可达230kw或更高一些。 煤炭的氧化放热是一个相当复杂的问题，很难将它与其他的热源分离开来进行单独计算。实测表明，煤炭的氧化放热并不会对井下气候产生显著的影响。但当煤层中或者顶底板里含有大量的硫化铁时，其氧化放热可能达到相当可观的程度。在一般情况下，一个回采工作面的煤炭的氧化放热量很少超过30kw。当井下发生火灾时，根据火势的强弱以及范围的大小，可形成大小不等的热源，但这一般属于短时的现象。在隐蔽的火区附近，则有可能使局部岩温上升。 井下热水的放热量主要是由水量和水温来决定。当热水大量涌出时，可对附近的气候条件造成很大的影响，所以应尽可能地予以集中，并用管路将其排走，最低限度也要用加盖板的水沟排走。2.2矿井高温热害的影响2.2.1矿井高温对安全的影响由于湿热环境能引起人的中枢神经失调，从而使人精神恍惚、昏昏欲睡，导致采煤工作面的事故率增多。据日本北海道七个矿井的调查统计，气温在30以上的工作面事故率比气温在30的高1.52.3倍。据南非多年的调查统计，当矿内作业地点的空气当矿内作业地点的空气湿球温度达到28.9时（相当于干球温度30），开始出现中暑死亡事故。图2-2为南非金矿井下温度与事故率关系。图2-2 南非矿井下温度与事故率的关系中国矿业大学（北京）岩土工程中心以何满潮教授为首研究团队所做的深部煤岩T-P耦合瓦斯解析实验结果表明，深井温度变化将会引起煤层内吸附瓦斯逸出增加，从而使得井巷中的瓦斯浓度升高，容易发生瓦斯爆炸，严重威胁生命和财产安全。实验结果见图2-3至图2-7。图2-3 煤温25.1时气体逸出测试结果图2-4 煤温40.9时气体逸出测试结果图2-5 煤温55.7时气体逸出测试结果图2-6 逸出气体中甲烷含量值随温度变化关系图2-7 逸出气体中二氧化碳含量值随温度变化关系2.2.2矿井高温对人体的危害人们长期在矿井下高温环境中作业，高温可能使人产生一系列生理功能的改变，根据医学研究成果，井下不同的温度热环境对人的危害如下：30汗腺开始启动，在这种温度下工作2-3小时，人体“空调”汗腺就开始启动，通过微微渗汗散发积蓄的体温。31散热机制立刻反应，这时浅静脉扩张，皮肤微微出汗，心跳加快，血液循环加速，对于井下工作的工人而言，应采取降温措施，同时应限制体弱者在井下工作。32人体自我冷却，一级报警，在这个温度下，人体通过蒸发汗水散发热量进行“自我冷却”，每天大约排出5升汗液，可带走钠15克、维生素C50毫克及其它矿物质，血容量也随之减少。此时，一定要注意补充含盐、维生素及矿物质的饮料，以防电解质紊乱，同时动用可能的降温措施。33多脏器参与降温，二级报警，一旦气温升至33，人体通过汗腺排汗已非常困难，且难以保证正常体温，不仅肺部急促“喘气”以呼出热量，就连心脏也要加快速度，输出比平时多60%的血液至体表，参与散热。这时降温措施、心脏药物保健及治疗不可有丝毫松懈。34汗腺濒临衰竭，三级报警，汗腺疲于奔命地工作，已经无能为力并趋于衰竭，这时很容易出现心脏病猝发的危险。35大脑顾此失彼，四级报警，高温直逼生命中枢，大脑已经顾此失彼，以致头昏眼花、站立不稳。人必须立刻移至阴凉地方或借助空调降温。36危及生命的休克温度，排汗、呼吸、血液循环，一切能参与降温的器官，在开足马力后已接近强驽之末。此时生命临危，刻不容缓地需要救护措施。另外，井下湿度达95%100%的高湿环境给工人带来极大的危害，人们长期在高湿的矿井下作业，将会使人产生一系列的生理功能改变，影响人的正常生理功能，使人的机理不能有效地散发热量，出现中暑晕倒，严重的会出现死亡。另外，矿工长期在高湿的矿井下作业，会使人患上风湿病、皮肤病、皮肤癌、心脏病及泌尿系统和消化系统等疾病，还会使人产生心绪不宁、心情浮燥，诱发人精神方面的疾病，严重影响矿工的身心健康。如安徽淮南九龙岗煤矿（深830m，工作面气温28左右），工人中高血压及心悸病患者较多，1974年，平顶山八矿东一石门（深510m，气温30左右）工作面出现了温度为36的热水，水量仅12m3/h，竟使工作面气温上升至3334，施工的工程兵战士中曾多次发生中暑昏倒及呕吐的病例，凡是在那里工作的人均患有传染性湿疹，几无幸免者，冬季感冒的发病率也特别高；广西合山矿务局里兰矿，由于井下有2835的热水涌出，巷道内气温在2229.6之间，出水点附近可达33，据1976年统计，井下工人有415人患有各种皮肤病，也发生过多起中暑昏倒病例。据调查有以下典型案例，1996年7月25日，湖南省邵阳某矿因回采工作面风温高达32，相对湿度达98%以上，一个班就有5名矿工因中暑晕倒在工作地点，经抢救才幸免于难；湖南省冷水江某矿多年调查统计表明，矿工长期在高湿的矿井下作业，患风湿病、皮肤病、皮肤癌、心脏病的比例很高，并有如下调查结果：患风湿病的比例为186人/千人，患心脏病的比例为79人/千人，患皮肤病的比例为121人/千人，患皮肤癌的比例为45人/千人。2.2.3矿井高温对机电设备的危害矿井里任何机电设备、电缆均是通过与环境的对流来散发本身所产生的热量，其工作环境温度、湿度超过规定的限值或长期处在限值附近时，必将导致设备散热困难，以致发生设备故障。一般情况下，按常规方法难以查明发生事故的原因。机电设备的环境温度要求：我国矿用一般型机电设备的工作环境温度为40；矿用隔爆型机电设备的45。但这并不等于说，只有到了上述限值才会发生设备故障，如果机电设备长期处在上述限值附近，则机电设备故障率将急剧上升。日本通产省的调查统计表明：机电设备在相对湿度90%以上、气温为3034的地点工作时，其事故率比低于30的作业地点高3.6倍。我国平顶山煤业集团公司五矿1997年6月，己3采区一采面回风顺槽（气温35C，相对湿度96%）电缆由于环境高温致使其绝缘漏电，击毙两人；而在未降温的采掘工作面却屡屡发生作业人员中暑、热击事故，给生产带来很大影响。2.2.4矿井热害的综合影响温湿环境对人的劳动生产率是有影响的。国内外研究统计表明，气温每增加1，矿井生产效率则降低68%。根据孙村矿2002年7月份的统计，工作面工人定员40人只有7人出勤，同时每年的高温季节6-9月份，矿井生产几乎陷于停顿状态，对生产影响非常大。气温每增加1，矿工劳保医疗费增加810%；徐州夹河矿7446工作面温度高达3436，湿度高达100%，2006年因高温热害现场晕倒172人次，死亡时有发生。根据南非的最新统计，在湿球温度32.833.8下工作的工人，千人中暑死亡率为0.57。以30为标准，气温每增加1，井下机电设备的故障率增加1倍以上。实际上庞庄煤矿张小楼矿内，高温作业地点的工作效率相对低下，也是客观存在的。2.3国内外研究现状热害是矿井的自然灾害之一，是矿井向深部开采不可避免的问题，在矿业发达国家，热害问题出现早。如南非、最深金矿已经达到4000m左右；印度、巴西的金属矿井有的己经超过2000m，俄罗斯、德国、英法等国的超千米煤矿较多。另外，在某种特殊条件下，矿井虽然深度不大，但也会遇到较高的岩温或水温。国外关于矿山地热和区域性地温预测方面，尚未见到系统的研究资料。在我国，己有的降温技术研究，都是在矿井建井期内或生产遇到热害之后进行的。但这种研究受矿井设计条件的限制。实践使人们认识到，热害矿山的治理，必须在新矿井设计时，按照一定的设计原则进行综合考虑，才能取得最佳的技术经济效果。这就要求人们预先探知井田的地温条件和预计井下的气候状况。矿井空气与围岩(包括其他热源)热交换计算技术的发展，已使对矿井热害程度的预测成为可能。有关高温矿井的文献可追溯到16世纪。1740年，法国曾有人对金属矿的地温进行过观测。18世纪末，英国开始系统地进行矿井巷道的温度观测，从而看出温度随深度的增加而升高。钻孔测温始于19世纪后半叶，在1882一1900年间，欧洲打了两个深孔，一个深1959m，孔底温度为69.3；另一个孔深222lm，孔底温度为83.4。两钻孔的全孔增温梯度都是3.12/l00m。所以在一个相当长的时期内，都认为地壳的增温梯度大体为3/100m。后来，不同地质条件下的钻孔测温资料日渐增多，由不同岩石组成的剖面都有了测温数据之后，这一概念才得到修正。矿山地热工作是把地温作为一种矿产开采条件进行研究的。地温测定和热害治理是矿山地热工作的两个核心。我国煤田勘探中的钻孔测温，始于上世纪60年代川。1974年，平顶山矿务局与中国科学院地质研究所地热室合作，对平顶山八矿，后扩大到整个平顶山矿区进行了为期4年的研究工作。1978年提出研究报告。同年5月，前煤炭工业部地质局在平顶山召开了由各省、自治区煤田勘探技术人员参加的地温会议，决定在全国煤田勘探中开展测温工作，会议为此草拟了一个暂行规定并立即颁发试行，会议还讨论确立了划分一、二级热害区的概念，并组织有关人员着手编写矿山地热概论一书。1980年，上述暂行规定被纳入部颁煤炭资源地质勘探规范(试行)，地温条件评述已成为地质报告中的规定内容之一，地温已被正式认定为煤矿的一个新的开采技术条件。1981年，矿山地热概论问世。1982年，国务院颁发了矿山安全条例，其中规定了地质勘探报告应对有热害的矿山提供地热资料的种类和名称：1986年，由国家储委修订颁发的煤炭资源地质勘探规范也将地温测量工作、地温条件评价的有关规定纳入相应条文。从上世纪70年代初至80年末，中国科学院地质研究所地热室与原煤炭工业部合作，先后对开滦、充州的东滩、平顶山、黄县煤矿以及豫西等六个矿区进行了专题研究，所取得的成就可以归结为以下几点： （l）与矿山地热有关的地热基础理论知识在采矿和勘探部门得到一定程度的普及。（2）研制了地热测量所需的仪器装备，如精度较高的测温仪器和岩石热物理性质测试装备，为地温测量提供了手段。（3）以钻孔热平衡理论为基础，建立了稳态测温、近似稳态测温和简易测温方法，在矿产勘探中已广泛应用。 （4）对典型高温的平顶山矿区进行了地温评价和深部地温预测，预测精度经验证达到1一2的高水平，所推出的预测方法具有普遍意义。（5）总结了矿山地热的研究方法，提出并改进了矿山地温类型的划分标准，这对地质勘探和矿井地质工作中的地热工作，有较大的指导意义。1978年以后，煤田地质勘探全面开展地温测量，这标志着矿山地热工作步入新阶段。测温工作的普遍开展，一方面迅速改变了煤田和矿区严重缺乏地温资料的状况，为矿山的建设和远景规划提供了资料;另一方面，在普及地温测量的实践中，也出现了一些新的问题，暴露出在地温勘探方法上存在的某些缺陷，有待解决。因此。改进、完善地温勘探方法是当前面临的一个大的任务。我国对矿山热害的治理研究工作起步于50年代初期。当时，煤炭科学研究院抚顺研究所就对抚顺煤矿用的充填料干溜过的油页岩的放热、井上下气温变化和地温进行过调查、测定。此后还在抚顺、淮南、合山、平顶山、北票、长广、新汉等矿务局(矿)进行了井下热源考察和风流温度预测，并开展了大小型号的制冷机、空冷器及其它降温器材的研制和试验工作，协助新汉矿务局孙村煤矿建立了我国第一个井下集中制冷站，在平顶山八矿建立了井下制冷系统。中国医学科学院劳动卫生研究所曾应前煤炭部的邀请，先后在京西、开滦、淮南、合山、北票等矿务局进行了井下热气候对人体危害及各工种代谢产热量的调查。此外，马鞍山钢铁设计院、长沙有色金属设计研究院、淮南矿业学院、山东矿业学院、中国矿业大学、河北煤矿建筑工程学院、湖南711矿、江苏韦岗铁矿、三河尖煤矿等也做了一些调查、研究和试验工作。在矿山热害的治理中，需要预先计算出采掘工作地点将出现怎样的气候条件，为了使气候条件符合劳动卫生要求，需采取哪些合理措施和供给多少冷量。这就是井下气流与围岩以及其它各种人为、天然地热源的热交换计算问题。引起井下风流状态参数发生变化的因素很多，如进风的状态参数、风流的自然压缩、围岩的传热散湿特性和局部热源、矿井水的传热散湿特性等等，而这些因素本身又是多变的，给热交换计算带来许多困难。在围岩传热中，多利用傅里叶热传导方程，并假定:原始地温场是稳定的，围岩是均质各向同性的，巷道断面是圆形的，采面为半无限平板等初始条件和边界条件，并引进傅里叶数和毕奥数来表述无因次不稳定传热系数，使井下围岩传热的计算成为可能。这种计算异常繁琐，但由于采用了电子计算机，可将BF值贮存起来，也可以用经验公式计算，加之将巷道和采面分成小段，分段引入实测的围岩热导率，使之取得了较好的效果。在局部热源计算中，过去是将机电设备产生的热量直接全部加入风流中，但实际上，机电设备时用时停，负荷多变，停机时，曾被围岩吸收的部分热量又会散发出来。风流与水的热交换计算困难较多。岩体的裂隙有的含水，有的不含水或弱含水。有些肉眼观察似乎相当干燥的岩壁在风流通过后也可测到风流中水分的增减，这意味着这里仍有水的蒸发或冷凝。但水的蒸发热或冷凝热并不一定都完全取自或传给风流，也可能部分取自或传给围岩。所以，机械地采用湿壁系数(巷道潮湿面积与其总面积之比值)来计算，已被证明是不准确的。此外，围岩由于相变、含水、受压开裂造成热物理性质变化，采面的长度、采高、矿层厚度变化引起的热交换面积的变化，采空区漏风造成的风量变化、煤层氧化条件的变化等等，均给气候条件预测计算造成困难。3 矿井高温热害防治技术自六十年代初，在抚顺煤矿安全研究所的指导下，我国一些高温矿井开始进行了防治热害的实践和研究。高温矿井热害治理措施, 包括开拓开采措施,改善通风系统以及机械制冷降温等很多方面。根据国内现有高温矿井治理热害的措施及其使用效果, 从经济效益以及简便易行的角度考虑, 结合具体情况可以选择以下几个途径。3.1非制冷降温措施3.1.1通风降温 选择合理的通风系统加强通风, 增加风量是改善矿井湿热条件最简便易行的方法, 效果比较显著, 也较经济, 在矿井热害不太严重的情况下, 应该首先从加强通风管理着手。改善通风系统,包括缩短进风段的风路长度，有条件时采用下行风以及井下机电炯室单独回风等方面,目的是使热量少进入进风流，并使新鲜风流流径最短, 使工作地点获得足够的风量和合理的风速。改善通风系统工程量大, 涉及面广, 最好在矿井设计时, 根据地质报告统盘考虑。加大风量提高风速虽然可以调节人体的散热条件, 但其降温范围是有限的, 当风速增大到一定程度, 会引起风速超限, 岩粉飞扬, 有碍安全, 进而要求扩大断面而且过高的风速对人体也有影响。根据有关资料,工作地点的风速为11.5 米每秒比较合适,温度高时取上限, 温度低时取下限。当风速超过2米每秒时, 人会感到难受。在干球温度超过人的体温时, 高风速可使汗水的蒸发速度超过人体出汗的速度, 外部热会通过皮肤传入内。当风速高到3米每秒或更高时, 人的皮肤就会有烧灼感, 甚至导致中暑、晕倒以致死亡。因此保证高温矿井工作地点有合理的风速是十分重要的。 将上行风改为下行风, 有利于改善工作面的气候条件。这是因为下行通风时, 运输机布置在回风道, 煤岩在运输过程中放出的热量、水蒸气及运输机电设备的放热不再返回工作面, 从而改善工作面入风流的空气状态；其次, 新鲜风流从围岩温度较低的上部水平进入采区, 风流从围岩获得的热量较少。平顶山一矿丁十采区1103 工作面改用下行风后， 气温由31 降到26 。根据国内外试验表明，同上行通风相比，下行风一般可使工作面入口气温降低3 ，工作面出口处气温降低1 。 下行通风方式不利于工作面内的瓦斯管理及火灾时期的灾变处理；另外, 运输机电设备都处在回风流中, 给生产带来了不安全因素。因此, 采用下行通风时, 必须采用相应的安全措施, 有一定的局限性。3.1.2疏干热水由于地下水热容量大, 水与空气的热交换条件好, 即使只有少量热水也可严重恶化井下环境, 对空气起到增火含增湿增温的作用, 为此在以热水型为主的高温矿井中, 应首先治理热水。治理热水的原则是防止热量和水蒸气进入风流中去。其主要方法是超前疏放, 将其水位降低到开采深度以下。疏放的热水应用隔热管路排至地面或排至水仓或经过有隔热盖板的水沟导入水仓, 然后排至地面。对于裂隙喷淋的热水采用打钻孔, 注射水泥浆或化学浆液封堵, 或开掘专用的流热水巷道排放。其目的都是防止热量和水蒸气进入进风流中。有的矿在井下封堵出水点, 缩小热害范围, 取得了较好效果。还有的矿准备打专门钻孔, 将热水单独引入回风道, 减少热交换。3.1.3减少湿源, 降低矿内空气湿度矿内空气的气象条件, 可由温度、湿度以及风速三个指标综合评价, 相对湿度直接影响人体蒸发散热。当相对湿度超过80%时, 人体蒸发散热已感到困难, 人就感到闷热难受, 相对湿度低于30%时人就感到干燥，发生粘膜开裂。最适宜的相对湿度为50%一60% ，而多数高温矿井相对湿度都达到80一100%。降低矿井空气的湿度，对改变矿井气象条件是非常必要的。据日本资料介绍，在高温井下湿度降低1.7%等于气温降低0.7。因此高温矿井不仅要重视采取降温措施，也要积极采取降湿措施。矿内空气增湿主要是井下水以及井巷淋水蒸发造成的。要达到降湿目的, 必须加强对井下水的管理, 如封闭潮湿巷道的岩壁,在掘凿巷道时同时做好水沟并设水沟盖板,对有淋水的巷道设置截水沟, 把水集中到水沟走等。总之尽量防止水蒸气进入风流中去, 减少矿内空气增湿的条件。空调制冷也是降低矿内湿度的有效措施, 因为空调制冷的过程, 既降温又降湿。据有关资料, 制冷机在降温的同时, 可使空气湿度由90%降到80% 左右。3.1.4用隔热材料喷涂巷壁减少围岩散热地热型热害矿井,热源主要来自高温岩层并通过井巷岩壁散热, 因此可用某种隔热物质喷涂于巷壁上,以防止围岩向巷道传热。据国外资料介绍, 隔热材料有赛璐路泡沫, 硬质氨基甲酸抱沫等。在围岩壁敷喷涂料后, 短期内隔热效果可能较好, 但随着通风时间的延长, 其隔热作用逐渐降低, 特别在有淋水或温度较大的巷道内, 由于水分渗入涂料层, 其隔热作用将消失得更快。目前我国还没有进行过喷涂隔热层的试验, 对隔热涂料选择及其使用效果尚需进行实践。3.1.5降低矿井进风温度在夏季进入矿井的风温较高, 应考虑降低矿井进风温度的措施。如当地表或井下有丰富的低温水源时, 可将这种低温水直接送往井下高温工作面, 通过热交换器冷却进风。由于围岩和空气的热交换随通风距离增大而加强, 已经冷却的风流在到达工作地点时由于沿途加热可能升温, 因此热交换器应尽量接近工作面, 并对风筒采取相应的隔热措施。如某矿在地面轰置制冷站, 将制出的5左右的低温水用隔热管道送到井下，通过热交换器降低风流温度，热交换器设在距掘进工作面100米左右，低温水管和回水管均用聚氯乙烯泡沫塑料层包扎，回水水温15左右。德国的惠斯普荷来矿，在全长900 米的巷道中，架设冷水管，把5100米3 /分的进风冷却到5.6 。3.1.6加强个体防护人体防护就是在矿内某些气候条件恶劣的地点, 由于技术和经济上的原因, 不宜采取风流冷却措施时, 可让矿工穿上冷却服, 以实现个体保护。研究表明, 穿着冷却服是保护个体免受恶劣气候环境危害的有效措施。它的作用是: 当环境的温度较高时, 可以防止其对身体的对流和辐射传热, 使人体在体力劳动中所产生的新陈代谢热能, 较容易地传给冷却服中的冷媒。冷却服的适用范围很广, 即可以是独头高温工作面, 又可以是井下各种大型设备操作人员和未采用中央制冷空调时的井下游动工作人员和生产管理者。个体防护的制冷成本仅为其它制冷成本的1/5 左右, 因而世界各国争相开展冷却服的研制, 走在技术前列的有德国、南非、美国、澳大利亚。 另外矿工医院应当定期对井下高温工作面作业人员经行体检，加大后勤服务力量，提高班中餐食物能量，供应绿豆水或含K+，Na+等离子电解质饮料。单位也应当严格执行劳动法，工人按时上下班，不加班加点，由“三八”制改为“四六”作业制，同时该工人每月集中轮休制为上班3天休息1天，缩短劳动时间，加强休息，使工人的体力迅速恢复，提高劳动能力、效率，降低事故率。3.2人工制冷降温措施非人工制冷降温仅能用于热害不太严重的矿井或作为人工制冷降温的辅助措施。在矿井深部开采或地处热带及氧化放热较严重的浅部开采的矿井,采用人工制冷降温( 制冷降温)是必不可少的。矿井空调虽然已有80 余年的历史, 仅在近30 年才得到较为广泛的应用。1920 年在巴西的莫劳约理赫金矿建立了世界上第一个矿井空调系统, 在地面建立了集中制冷站。英国是世界上最早在井下实施空调技术的国家, 1923年英国的彭德尔顿煤矿第一个在采区安设制冷机, 冷却采面风流。德国于1924 年在拉德博德(Radlod)煤矿的地面安设一台冷冻机, 1953 年在洛伯尔格矿井下安装大型风流冷却设备。巴西莫罗维罗(MorroVelno) 矿和南非的鲁滨逊深井于20 世纪30 年代采用集中冷却井筒入风流的方法降温，60 年代南非便开始了大型矿井集中式空调降温，70年代苏联、日本等国矿井开始应用制冷降温。我国19641975 年在淮南九龙岗使用第一个矿井局部制冷降温系统，19811985 年在新汶矿务局孙村煤矿建立了我国第一个井下集中降温系统，制冷站制冷能力为2326 kW， 选用重庆通用机器厂生产的II- JBF- 500型离心式制冷机(制冷量为581 kW)。1986年，“平山八矿矿井降温技术研究”被列为国家第七个五年计划的科技攻关项目，该矿建立了我国第二个井下集中降温系统，制冷站制冷能力4652 kW，采用III-JBF-1000型离心式制冷机( 制冷量为1163 kW) 。3.2.1空气压缩式制冷矿井空调系统空气制冷空调有涡轮式空气制冷、变容式空气制冷、涡流管式空气制冷和压气引射器制冷等形式；由于后三种形式使用的局限性，使得涡轮式空气制冷是目前最常用的矿井空调系统。空气压缩制冷循环的制冷系数、单位质量制冷工质的致冷能力均小于蒸汽压缩制冷系统，在产生相同制冷量的情况下，空气压缩式制冷系统需要较庞大的装置，并且单位制冷量的投资和年运行费用均高于蒸汽压缩式系统。因此，全矿井采用空气压缩式制冷系统降温的矿井降温的矿井很少。涡轮式空气制冷利用压缩空气经过涡轮绝热膨胀做功，从而使空气制冷。1993年7 月，平顶山矿务局科研所和609研究所大胆借鉴空气制冷技术在航空、制氧、石油等工业上的成功应用经验，联合研制成KKL - 101无氟空气制冷机，为我国矿井空调开辟了一条新的途径。KKL -101 无氟空气制冷机主要由涡轮膨胀机、水冷却器、水分离器、消音隔热风筒、阀门和压力表组成。从井下压缩空气主管来的压缩空气经过限流环将压力减小到0-22M Pa 以下, 然后进入涡轮膨胀机的压气机端增压。压气机的动力来自涡轮中空气膨胀时的输出功, 空气在压气机中增压的同时, 温度也随着升高；接着进入水冷却器与冷却水进行热交换冷却, 使空气的温度降到接近压气机进口的空气温度。为防止空气中游离水进入涡轮膨胀机的涡轮端, 在水冷却器出口处安装了水分离器, 除去水的空气进入涡轮膨胀降温后流入隔热风筒, 与风筒内的空气混合后输往工作面降温。涡轮膨胀机为二轮升压式结构, 涡轮与压气机装在同一轴上, 转速达50 000r/ min。压气机叶轮为离心式，涡轮叶轮为向心径流式。采用滚动轴承支承, 油芯式润滑。水冷却器为单程叉流式, 其换热芯片是由高密度波纹板、边条、隔板和端板在高真空度的真空炉中钎焊而成。连接端盖、接头等是由手工氩气保护焊焊成。具有结构紧凑、单位体积内传热面积大、质量小等优点。涡轮式空气制冷机系统用空气制冷机作为高温矿井空调终端，如图3-1所示，它相当于冷水机组系统中的空冷器，其优点如下：系统简单，没有高低压换热器和空冷器，输冷管道少，承压小，材质要求低, 施工技术难度低等；空气制冷机本身无需电力驱动, 无防爆问题, 空气既是制冷剂又是载冷剂, 取之不尽, 用之不竭, 又无环境污染问题, 在高温、高沼气煤矿具有很好的应用前景。但也有其缺点: 该系统需要矿井具有充足的压缩气源, 与蒸气压缩式空调系统相比投资和年运行费用较高。随着空气压缩制冷的发展，1989年南非一金矿建成了压缩空气制冷系统，这作为一种新型矿井压气空调系统是在传统的矿井空调系统的基础上发展起来矿井空调系统，其基本原理是利用压气作为供冷媒质，直接向采掘工作面喷射制冷。矿井压气空调系统在技术上具有显著的优点。运行经济合理, 能够有效地解决我国当前矿井集中降温中存在的实际问题, 使工作面上的冷量分布合理, 降温效果好, 而且系统简单, 应用灵活, 可应用于需冷量不太大的小型矿井降温系统, 尤其对我国长壁开采工作面具有很强的适用性。矿井压气空调系统可作为我国今后矿井降温中一条可供选择的新途径。图3-1 涡轮式空气制冷矿井空调系统3.2.2冰冷却制冷矿井空调系统冰冷却空调系统,就是利用地面制冰厂制取的粒状冰或泥状冰, 通过风力或水力输送至井下的融冰装置, 在融冰装置内,冰与井下空调回水直接换热, 使空调回水的温度降低。该系统有其独特的优点。首先, 从井下用泵打回的水量只是水冷却系统水量的1 /4，这大大节约成本；其次，输送到空气冷却器的水和冰直接热交换，具有很高的热交换效率，能产生1 的冷水，这样输送到空气冷却器的水量需求明显减少，从而减少了冷冻水泵的输送能耗；最后，能够很顺利的克服常用矿井空调系统的高静水压力和冷凝热排放困难等问题。实际冷却系统的对比评价证明：目前3 000 m以下的矿井降温系统，即使在地表制冰费用不扉，其最经济的选择方案是在地表安装机组制取冰供井下用。这些都表明冰冷却矿井空调系统的远大的应用前景。南非Harmony金矿在1986年第一个采用冰冷却系统进行矿井降温。现在因为矿井的关闭，降温系统不再运行。最成功的矿井冰冷却降温系统是已经成功运行10年的ERPM矿井系统。ERPM系统的运行提供了宝贵的经验和信息, 它适合于任何其他矿井冰输送系统。任何冰冷却系统的一个重要问题是管道的机械设计。专家发现冰塞延着管道形成并在管道末端激烈释放。冰塞的这种运动引起管道激烈的振动, 从而导致对管道支撑的严重冲击,特别是当管道和支撑有足够的空间时冲击更具有破坏力。当使用低压塑料管时, 通过精密的支撑设计使得冲击力降到最小是非常重要的。另外一个重要的问题是管道堵塞, 主要发生在管道的末端, 它可以通过适当的监控措施来避免。冰冷却空调降温系统由冰的制备、冰的输送和冰的溶解三个环节组成。(1)冰的制备。根据冰的形状可以分为粒状冰和泥状冰, 根据制冰的传热机理可分为直接传热和间接传热。粒状冰冷却系统所采用的冰粒形状有多种, 如立方体、圆柱体、管状和片状等, 其形状主要是由制冰机蒸发器的几何形式所决定的。制取粒状冰需要制冰机有较低的蒸发温度(- 15 - 30 )，这使制冰机的性能系数降低。比较而言, 管状与片状冰的制冰机性能系数要比立方体、锥体等块状冰的制冰机高。粒状冰的优点是较低的蒸发温度使得冰粒具有较大的过冷度, 从而可以减小输送过程中的融化损失, 而且便于输送。粒状冰制冰机的工作过程分为冻结和收冰两个阶段。冻结和收冰的时间影响着制冰机的性能。泥状冰是指水或盐水中混合的小冰晶, 制取时形成的小冰晶从盐水中析出, 冰比生成它的溶液纯净, 这个过程叫做冰冻除盐。用于大规模泥状冰的制备有间接传热法、真空制冰法和直接传热制冰法。(2)冰的输送。冰的输送方式有传送带输送、风力输送、水力输送和重力输送。不同形状的冰和不同的输送位置应采用不同的输送方式。粒状冰从制冰场到竖井井口可采用传送带或风力输送, 竖井内以及井下到融冰糟的水平段可采用重力输送。风力输送属于管道输送的一种方式, 压缩空气的压力应保持在150 kPa 以上，实际应用时可达400 kPa。空气温度宜在8 以下。在实际运行过程中应随时调整输冰速度和压缩空气量, 防止冰块过于密集, 导致管道阻塞或破裂。由于片状冰的表面积与质量比比较大, 容易相互黏连, 而导致管道阻塞, 所以实际应用中应首选管状冰。泥状冰只能采用水力输送, 对管道和泵都没有特殊要求, 其优点是可以直接利用改造后的冷水管道进行输送。为了减轻过高的静水压力对井下设备的影响, 可采用高低压换热器, 也可安装水轮机等水能回收装置, 以减少输送能耗。(3)冰的融化。为了保证冰的融化速度, 必须在井下设置专门的融冰装置, 并需对融冰机理进行研究。融冰机理的分析需要解决的是变冰量条件下的融冰过程分析和连续输冰条件的融冰过程分析。变冰量条件下的融冰过程指的是融冰过程中不再补充新的冰量, 随着融冰的进行, 冰床高度越来越低, 残冰量越来越少。变冰量条件下的融冰过程属于非稳态过程, 研究的主要目的是了解融冰装置内一定量的冰完全融化时所需要的时间。连续输冰条件下的融冰过程指的是随着融冰过程的进行, 冰量不断地补充到融冰装置内, 融冰过程中冰床高度和融冰装置的出水温度保持不变。连续输冰条件下的融冰过程属于稳态过程, 研究的主要目的是探讨融冰装置的出口水温和冰床高度、进水流量、水温以及冰粒形状和大小等之间的关系。在进行系统控制设计时, 应保证产冰量、输冰量和融冰量之间的平衡。作为一项矿井空调的新技术, 冰冷却空调系统在系统运行管理和控制方而有较高的要求。该系统在我国还处于试应用阶段。为在我国真正推广应用冰冷却空调系统, 尚需开展许多工作, 如适合不同冰制备方式的制冰设备的