深井高温热害的形成及防治专题报告

深井高温热害的形成及防治摘要 在深部采矿工程中，矿井高温热害及其治理被国内外采矿界视为两大科技难题之一，矿井降温研究工作对推动采矿业发展具有极其重要的意义。本文阐述了矿井热害对煤矿安全生产的危害，理论分析影响矿井热害产生的各主要因素及其作用机理，分析了新汶华丰煤矿和平煤五矿工作面的需冷情况，考虑矿井自然条件，在华丰煤矿利用加大通风量的办法为工作面制冷。在平煤五矿，利用北山低温淋水排放制冷系统凝，设计矿井降温系统降温系统：采用机械制冷降温为主，采面上部冷水喷淋降温为辅，回风巷安装抽放管抽放采面上隅角热量，以及隔热疏排热水的综合治理降温措施，空冷器采用串联布置方式，每三台为一组，体积小，安装运输方便。采用加大通风量和综合治理降温措施，改善了工作面风流的温度和湿度，采面温度平均降低4和4.8，基本达到了降温设计的要求，取得了较好的降温效果和经济效益。关键词 高温; 热害; 矿井降温1 概况1.1深井高温的危害1.1.1 深井高温热害问题的提出 在我国的华东及华北地区，随着煤炭开采量增大，一些老的矿井开采深度不断增加。而且随着东部地区煤炭储量的减少，被迫开采的煤层深度也有增加的趋势。随之而来，越来越多的矿井出现了不同程度的热害问题。在全国，煤矿平均开采深度也正以每年15米的速度增加，按我国平均地温梯度3.5/hm计算，矿井围岩温度每年增加0.5，千米深井岩温在35以上。开采深度的增加和机械化程度 的提高，使我国高温矿井的数目越来越多，热害问题日趋严重。如新汶矿务局的孙村矿采深576-776米，原岩温度25-35，掘进面气温34.5，回采面气温32.5;平煤集团八矿采深673米，岩温31-33，掘进面33。据不完全统计，我国目前已有130多对矿井采掘工作面风流温度超过30，许多矿井的开采深度超过800米，其中新汶孙村矿延深水平的深度达1300米。在我国预测的总储量中，有73.2%的储量埋深超过1000m。随着采矿工业的发展，开采深度的增加，我国高温矿井数目还会不断增加，高温热害问题会更加突出。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。随着开采深度的增加，地温也逐渐的升高，当地温超过其一温度时，就将引起矿井高温热害问题。因此可以说，高温热害是矿井生产向深部发展过程中不可避免的问题。随着矿井采深的增加 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，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。因此，调节和改善矿井气候条件已经成为我国煤矿安全生产中的一个重要课题。1.1.2 深井高温热害的危害（1）高温热害严重影响矿工身体健康人是一架热机，它所摄入食物经过生化作用产生的能量 ，一部分作为人体的活动机械能，另一部分转化为热能，即新陈代谢，使体温保持在36左右，维持正常的生理功能 ，人体通过辐射、对流和汗液蒸发向环境大气散热。只要人体皮肤温度高于环境大气温度，辐射散热即可进行，而对流和蒸发散热则取决 于环境空气的干球温度、湿球温度和风速，在高温高湿环境中，汗液蒸发冷却是最主要的散热方式。当环境气温太高时，相对湿度大于60%，散发到空气中的热量小于新陈代谢产生热量时，就出现体温升高，实际上身体处于吸热状态。随着热不平衡和程度和维持时间的增加，人体将出现下属三个阶段的结果：a、心率加快，流向皮肤的血液增加，出汗量也增加，由于皮肤温度的增高及出汗蒸发的作用，可以恢复身体的热平衡，不会出现太大的不舒适感。b、调节器官处于极度紧张状态，则出现明显不舒服感，工作效率降低。c、热不平衡继续下去，身体获得热量导致体温过高，即蓄热状态，出现头疼、恶心、中暑、昏迷，直到死亡。（2）高温高湿影响矿井安全生产 采掘工作面环境条件极差，大部分职工裸体工作，仍汗流浃背。严重的高温高热环境使职工 出现注意力不集中、心跳加快、头晕等现象，甚至严重的出现使职工中暑而晕倒人的现象，极易细皮嫩肉安全事故。并且高温热害细皮嫩肉的事故与一般局部区域的安全事故相比，具有引发的事故较广，涉及人员较多的特点，加些严重影响矿井生产。据日本调查统计，3040气温的工作面，比低于30时的事故率高3.6倍;南非多年的调查统计，当矿内作业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。表1-1为南非金矿井下温度与事故率的关系。 表1-1 井下温度与事故率的关系作业地点气温27293132工伤频次（次/千人）0150300450（3）高温引发机电设备故障率增加矿井高温、高湿对机电设备的正常运转产生较大的负面影响 ，致使机电设备故障频发。井下任何机电设备、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工作环境温度为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大增。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。如平顶山煤业集团公司五矿1997年6月，西三采区一采面回风顺槽（气温35，相对湿度96%）电缆由于环境高温高湿致使其绝缘降低并漏电，击毙两人。图1-1 工作效率与采掘工作面温度的关系（4）矿井高温热害降低劳动生产率在矿井高温高湿环境条件下，造成矿工的劳动生产率下降。据有关资料统计，在风速2m/s，气温30时，劳动生产率降低为72%，32时降低为62%。采掘工作面的气温每超过规定指标（规定26）1，劳动生产率降低6-8。图1-1是工作效率与采掘工作面温度的关系图，由图1-1可以看出：当采掘工作面风速小于2m/s，湿球温度超过30以后，矿工的劳动工作效率下降较快。1.2 国内外高温矿井降温理论的研究 世界上矿井热害最严重的是南非金矿、德国煤矿和苏联煤矿。矿井开采最深的是南非金矿，开采深度已超过3000米，最深达3862米，原岩温度36-58，最高的普列登斯汀矿达63。德国煤矿是世界煤矿业开采最深的，1993年平均采深为930米，最深的依本比伦矿采深已达1530米，矿井岩温平均43，最高达60。前苏联和煤矿平均采深为650米，许多矿井采深已达1200-1400米，彼德罗夫煤矿采深1200米，岩温45-50。比利时有5对高温矿井平均采深1400米，平均原岩温度51法国东北部的矿井平均采深1000-1300米，岩温45-55。英国近10多年来，有11对矿井采深超过1000米，原岩温度超过40。波兰煤矿平均采深575米，原岩温度30-43.5。在亚洲，以日本、中国和印度的矿井高温比较突出。日本的赤平煤矿采深350-693米，原岩温度35-52。印度 的两个矿井平均采深2500-3000米，原岩温度57-66。矿井降温的基础理论涉及到工程热力学、流体力学、地热学、地质学及水文地质学、劳动卫生学及环境工程学等多种学科。这些学科的相互渗透便形成了矿井降温的基本理论。据文献记载，国外研究矿井高温问题最早是1740年在法国Belfort附近的矿山进行的地温测定。十八世纪末，英国开始系统地进行井巷围岩温度的观测，从而得出地温随着深度的增加而升高。南非早在1919年就开始了矿井风流热力学规律的研究。上世纪二十年代，矿内热环境问题的最初理论开始形成。1923年德的Heise Drekopt假定巷道壁面温度为稳定周期变化条件下，解析了围岩内部稳定的周期变化，提出了调热圈等概念，这是研究矿内热环境问题的最初理论。三、四十年代，矿井风流预测计算理论开始发展。1934-1941年间，南非的Biccard Jappe发表了深井风温预测等四篇论文，提出了风温计算的基本想法，这是近代风温预测计算的雏形。五十年代，矿井风温计算理论进一步发展。1951年英国的Van Heerden、日本的平松，1952年德国的Koning、日本的天野等人结合平巷围岩与风流热交换，在理想化条件下得出围调热圈温度场 的理论解，与传热领域中1939年英国Carslaw等人用拉普拉斯变换得出的理论解是一致的。1953年苏联epaH提出较精确的不稳定换热系数和调热圈温度场的计算方法同，1955年平松良雄又提出围岩与风流组成体系的传热方程式随时间变化的风流温度的近似计算法。六十年代，逐步应用计算机技术进行风温预测计算。1961年苏联的BopoaeB、1966年德国的Npttrot等人用数值计算法描述调热圈温度场。矿内热环境测试技术也进入了实用阶段，如1964年德国的Mucke用园板状试块测定稳态导热的岩石导热系数;1967年Sherrat在现场对一段巷道强制加热，实测围岩中的温度分布，从实测值与理论计算值对比中求出热常数。同年南非的Starfield等人较充分地论述了潮湿、有质交换条件下的热交换规律。七十年代，一些有关矿内热环境工程的系统专著逐渐问世，形成了完整的学科体系，如1974年平松良雄的通风学，1977年epaH等的矿井热环境调节指南。1971年德国的J.Vo等相继提出一整套采掘工作面风温计算的方法;1975年美国的J.Mcguaid系统地提出了控制矿内热环境的各种技术对策;1977年保加利亚的Shcherban等对掘进工作面的风温计算作了详尽的论述。八十年代，许多国家如美国、苏联、德国、南非、日本、捷克、匈牙利、波兰和保加利亚等国，都争相进行矿内热环境工程的研究工作，从各国发表的文献看，侧重于对关键系数的研究，如风流与围岩间的不稳定交换系数、湿热比、当量热导率及湿度系数进行了观测、统计，并提出了计算图表。在风湿预测上，1980年日本的内野健一用差分法求得不同巷道形状、岩性条件下的调热圈温度场，并提出 了考虑入风流温度变化 、有水影响条件下的风温计算方法;1983年南非的Starfield等又提出更为精确的不稳定传热系数 的计算公式;1985年日本的天野勋三等提出较为完整的矿内热环境工程设计的程序数学模型。我国五十年代初开始矿内热环境的初步形容工作，进行了地温考察和气象参数的观测，抚顺煤得分院对矿内风流的热力状态进行了观测分析。七十年代对许多高温矿井有计划地进行了系统的观测，用数理统计的方法，提出了风温预测的数学模型。1976提杨德源提出 了矿内风流热力计算方法。八十年代，我国的矿山地热研究工作得到了进一步的发展。1981年矿山地热概论一书问世。有关高校的矿山通风与安全等相关专业加强了热环境工程的课程和研究内容，科研单位也以此作为研究课题。到八十年代末，国内外对矿井风温的预测精度均达到了1.5的高水平。1.3国内外高温矿井降温技术的现状及发展趋势 目前，国内外矿井降温措施很多，但归纳起来有两个方面：其一，非人工制冷降温措施;其二，人工制冷降温措施。1.3.1 非人工制冷降温措施（1）改善通风 矿井降温可以措助增加风量来实现。随着流过巷道风量的增加，从岩体放出的氧化热和其他热源放出的热量分散到更大体积的空气里，从而使风流的温度降低。 虽然风速的增加会使巷道的放热加强，致使空气的总吸热量增加，但在其他条件相同的情况下风流的温升却会有所降低。同时，巷道围岩冷却带的形成速度也加快了，增加风量除了能降低风流的温升外，还能为进一步降低围岩的放热强度创造条件。当然，增加风量时应当注意风速不应超过安全规程的最高允许风速（煤矿安全规程明确规定工作面不能超过4m/s）（2）减少各种热源放热 a.减少氧化放热 在矿井热平衡中，氧化放热和局部放热起了很大的作用。最大限度减少巷道中的煤尘含量，实行坑木代用，缩短从工作面到地面的运煤时间以及采用专门的材料涂沫巷壁可以降低其氧化放热。当煤岩的运输量很大时，由被运故物释放热而引起的风流焓增可能占总焓增的10%，再考虑到电机车本身的放热，该焓增可达15-17%。因此，把运输设备移到回风水平，这是减少煤的氧化和在井下运输煤时冷却放热的重要措施。如果根据矿井的开拓条件不允许，应设法加快煤炭的运输，减少待运量，采用绝热矿车和利用绝热席覆盖矿物炭面等方法。 b.排除机械放热 通常，固定设备（如主排水泵、绞车等）是布置在用新风流通风的专用房间中。一般流经这些房间而被加热的空气均进入流向工作面的主风流，这样就使井下空气加热。如果这些回风排至总回风流中，便可大大减少由机械放热引起的风流加热，大多数情况下这在技术上是可行的。 c.巷壁绝热 计算分析表明，巷道绝热在新掘出的巷道中有一定效果，在较老的通风干线中巷壁绝热是不合理的，因为经过短时间通风后放热量将变得很小。 巷壁绝热可以在深矿井及中探矿井中热害严重的区段作为辅助手段与其他降温措施配合使用。同时应看到进行巷壁绝热的费用，特别是必须扩大巷道断面时，会大大提高吨成本。因此巷壁绝热只是在技术、经济上合理的基础上采用的。 d.防止放湿 风流的焓增高，会导致其冷却效果的减弱，防止风流受湿主要是干燥空气部分受热，使风湿增高，这时，岩体的放热取决于它与风流的温差。防止巷道滴水和利用与风流隔绝的排水沟是防止 井下空气受湿的最普通方法。 e.防止压风管道 的加热 从压风机送到敷设于井筒中的管道的压风通常温度达70-80，也能使风流升温。因此，冷却压风机排出的压风，使其降到井筒风流的平均温度，或把压风管道布置在回风井筒和回风水平的巷道中，便能减少这种温升。1.3.2 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入热较严重的浅部开采的矿井，采用人工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年才开始迅速发展，并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。德国最早于1924年在拉德博德煤矿的地面安设一台冷冻机，井下最早是1953年在洛伯尔格矿安装大型风流冷却设备。巴西莫罗维罗矿和南非的鲁滨逊深井于三十年代采用集中冷却井筒入风流和方法降温，六十年代南非便开始了大型矿井集中式空调降温。七十年代苏联、日本等国矿井开始应用制冷降温。 我国1964-1975年在淮南九龙岗设计了第一个矿井局部制冷降温系统，1981-1985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2326Kw，选用重庆通用机器厂生产的-JBF-500型离心式制冷机（制冷量为581Kw）。1986年，“平顶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4652Kw，采用-JBF-1000型离心式制冷机（制冷量为1163Kw）。(1)冷水机组制冷降温 该矿井降温技术主要有：井下集中式、地面集中式、井下地面联合集中式、分散式。德国实践表明：负荷小于2MW的矿井，以采用分散式最优;负荷大于2MW的矿井，采用集中式;集中式的3种形式中，井上、下联合集中系统费用最低，地面集中式系统次之，井集中式系统最高。我国淮南煤田谢桥矿，所进行的矿井降温方案的经济技术比较也表明，地面集中式系统的总费用 也是最小的（没有考虑井上下联合集中方案）。经济方面地面集中式和井上下联合集中式具有其优越性;在技术上3种集中式系统 各有千秋：井下集中式系统的致命弱点是冷凝热排放困难;地面集中式和井上下联合集中式系统 必须使用高低压转换设备，此设备在冷冻水转换过程中会产生3-4的温度跃升。井下系统 的半信半疑热排放问题和地面系统高低压转换的温度跃升问题，各国研究机构都在进行不懈努力。井下系统的半信半疑热排放，经历了井下回风流排热、井下回风流加喷淋水到利用地面制冷机组的冷冻水排热的过程。地面系统的高低压转换器，则经历了储水池、降压阀、高低压换器到高低压转换器，其转变的过程 实际上是尽可能地消除高低压转换器温度跃升的过程，国外研制的一种新型水能回收高低压转换器，其温度跃升可从一般的4-6降低到0.2。图1-2 冰冷却系统图（2）空气压缩式制冷降温 1973年煤科院抚顺分院研制了YP-100型矿用环缝式压力引射器、涡流管制冷器：1993年平顶山矿务局和原中国航空工来总公司609研究所联合研制了KKL101型矿用无氟空气制冷机;1989年南非一金矿建成了压缩空气制冷系统 。由于空气 压缩制冷徨的制冷系数、单位质量制冷工质的制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太是屈指可数的。而压力引射器、涡流管制冷器等装置，实际上仅是一种空气膨胀装置，它必须与地面空气压缩机联合使用。(3)冰冷却空调降温 冰冷却系统的主要原理是利用冰的溶解热，通过浊的溶解把水冷却到0，然后把冷却水送到各个工作面，系统由冰的制备、冰的输送和冰的溶解三个部分组成。图1-2为冷却系统简图。 a.冰的制备冰冷却系统深井降温技术的主要特点是制冰设备安装在地面。制冰速度由井下所需制冷量确定。例如，制冷量为5MW(R)的制冷设备若用冰冷却系统 代替，相应 的制冰厂生产能力为日产1000t冰，制出的冰经破碎后输送到井下的溶冰室中溶解。b.冰的输送图1-3为输冰系统简图，制冰机制的冰，通过旋转阀粉碎成块后，进入 空气动力管道输送到井下溶冰室冰床上。实验表明，通过空气动力管道连续向井下输送冰不产生高压：冰通过沿竖敷高的管道后，不需要任何动力，可以沿水平管道输送相当远的距离（井下水平管道应是连续的）;井下管道不产生高压，因而可以采用塑料管道不仅可以避免上述弊端，而且可以避免管道的腐蚀。图1-3 输冰系统简图c.冰的溶解溶冰闲置设置在井下。其结构可分为三部分，如图1-4所示，冰块堆放在溶冰室的冰床上，工作面回水从上部喷淋下来，经过冰层后，流入下部冷水池，冷水池内的水（温度接近0）送往工作面作为冷却用水。而回水的一部分可以作为井下辅助用水，另一部分作为循环水重新返回溶冰室。 向井下空调系统输送同样的冷量时，冰的质量流量约为水的1/4-1/5。因此需要排往地面的水量与水冷系统比较可以大大减少，相应的排水管路、设备以及水泵的负荷都可减少。冰冷却系统，在井下没有制冷设备，其他机电设备也很少，因此与水冷系统比较，具有工艺简单、操作与维修简便的优点。 南非某研究机构的研究表明，矿井开采深度越深，冰冷却降温系统的经济效益越明显。冰冷却降温系统将成为很有前途的深井降温技术之一。图1-4 溶冰装置结构图2 深井高温的形成机制本章着重诗集影响矿内气候条件的一些热源地表大气、空气自压缩、围岩散热、机电设备放热等，并介绍它们各自的计算方法。2.1 微气候四要素 环境能否保障人的各种生理过程正常进行，取决于该环境能容纳人体热量的能力，即该环境对人体的冷却能力。评价环境对人体冷却能力的参数是空气的温度、湿度、流速（风速）及周围物体表面温度（热辐射）。该参数合称微气候的四要素。2.1.1空气温度 在微抽个四要素中，气温通常是指空气 的干球温度。它是评价微气候的主要参数，对人体热调节起主要作用。当气温较低时，辐射和对流传导散热是人体主要散热方式;当气温逐渐升高后，人体汗腺活动越来越显著，汗液蒸发散热就逐渐成国主要散热方式。在一定范围内发汗速度与环境气温成正比。据上海第一医学院研究，当气温在32以上时，人体出汗开始显著增加，当气温在33以上时，出汗几乎成为人体唯一散热方式。在高温环境中若滞留时间过长，发汗速度 会急剧下降，这是由于汗腺疲劳所致。2.1.2空气湿度 空气相对湿度对人体热平衡和温热感有着重要作用，特别是在气温高的条件下作用就更为明显。高温时，人体主要依靠汗液蒸发散热保持热平衡，如果环境气温很高，而相对湿度却较低，此时由于淖液蒸发较快，体热易散发，如果相对湿度很大，即使气温不太高，也将妨碍汗液蒸发，使人体散热受到阻碍。体热由于不易散发而积蓄于体内，于是对散热中枢刺激增强，结果便分泌汗液速度增加，大量发汗，并以成滴的汗珠流淌。这种情况下汗液不能直到蒸发散热的作用，因为汗液只有在皮肤表面蒸发，吸收汽化潜热才能携带走较多的热量。在高温高湿的矿井环境中从事重体力蔻，虽大量出汗，但汗液有效蒸发率却很低，使散热量少能等于或大于蓄热量，从而导致人体热平衡破坏。蒸发散热效率的高低是由皮肤与周围环境之间水蒸汽压力差（称为生理饱和差）及风速所决定的。由于皮肤温度相对稳定，大势已去以生理饱和差主要取决于周围环境水蒸汽分压力。不同风速下生理饱和差记为（56.22-Pa）mbar与蒸发散热量关系如图2-1所示。2.1.3风速 风速显著地影响人体对流散热。空气温度低于人体温度时，网速越大，汗液越易蒸发，人体散热热量越大。空气温度高于体温时，人体反而从空气中得到对流热。风速与空气温度、相对湿度共同影响人体散热，应综合考虑三者之间的影响。2.1.4热辐射 当周围物体周围表面温度高于人体表面温度时，则向人体散发热量，称为正辐射，反之称为负辐射。空气温度并不影响人体辐射散热，影响人体辐射散热的是周围物体表面温度。 2.2 引起矿内气温升高的因素分析 地面空气进入矿井后，沿井巷流动过程中不为和矿内各种热源进行热、湿交换，使其状态参数（压力、温度、湿度）发生变化。2.2.1 地表大气状态的变化 井下风流是自地表流入的，地表大气温度与湿度的日变化与季节变化必然要影响井风流状态。 地表大气温度在一昼夜内的波动称之为气温的日变化，它是由地球每天接受太阳辐射热和散发的热量变化造成的。地球吸收太阳的辐射热。使靠近地表大气的温度升高，下午2-3点钟气温达到全天的最高值;夜晚，地面将吸收的太阳辐射热向大气散发，黎明前是地表散热热的最后阶段，一般凌晨4-5点钟气温最低。地表气温的日变化是以24小时为周期的周期性波动，但不全是谐波，因为全日最低温度与最高温度间的间隔小时数，不一定等于下一个最高温度与最低温度间的间隔小时数。 气温的季节性变体也是周期性的，我国最热的时间一般在7-8月，最冷的时间一般在元月，所以也不是谐波，但在实际计算中，将它们的周期性变化挖的看作是正弦曲线或是余弦曲线。 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，其含湿理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，因而大气的相对温度是踵低、夜晚高。 矿井进风参数对矿内气温有直接影响，尤其是浅井，影响更为显著。地面空气温度在一年之中，随着季节交替而发生周期性变化，一日内的气温也随着时间发生周期性变化，这种变化近似为余弦曲线。地面气温的周期性变化，使矿内气温也发生相应的周期性变化。矿内日气温的变化随着距进风口距离的增加而迅速地衰减，在到达矿内某一点以后，就基本上不再变化。矿井年气温的变化虽也随着距进风口的增加而衰减，与矿内日气温的变化相比 ，衰减速率要缓慢，所以采区巷道内气温仍有季节性变化。但是和地表年气温季节性变化相比，其变化较小且有相位滞后。2.2.2 空气的自压缩升温 流体的自压缩并不是一个热源，它是在地球重力场中制止下落的一个普遍现象，即将其位能经摩擦转换为焓，所以其温升并不是由外界输入热能的结果。 当可压缩的液体沿着井巷向下流动时，其压力与温度有所上升，这样的过程称为“自压缩”过程;在自压缩过程中，如果同外界不发生换热、换湿，而且流体的流速也没有发生变化时，此过程称为“绝热自压缩”过程。根据连续的伯努利能量守恒方程式，可得任一流体从高处向下流动时的焓增为： i-i=g（z-z） （2-1）式中： i，i 分别为风流在终点和始点的焓值，j/kg; z，z分别为风流在始点与终点状态的标高，m; g重力加速度，m/s。（1）对于理想气体（干空气），在任意压力下： d=cdt （2-2） i-i= c（t-t） （2-3）式中： c空气的定压比热容，j/(kgk); t,t分别表示风流在始点及终点时的干球温度，。 从而可以得到： t-t= g（z-z）/ c （2-4） z-z=1000m t-t=9.811000/1005=9.76K/1000m（2）对于湿空气含湿量 d=0.015kg/kg千米焓增 i=9.811.015=9.96KJ/Kg 比热 c=1032J/(KgK)风流的干球温升 t=9.96/1.032=9.65 K/1000m 煤矿井巷里，完全干燥的空气是不存在的，在进行计算时应计及含湿量的影响。 综上，风流在绝热压缩状态下，每垂直向下流动1000米，其温升为9.76k，这是一个相当大的数值。好在实际上并不存在绝热压缩过程，井巷里总是存在水分，因而风流自压缩的部分焓增要消耗在蒸发水分上，用以增大风流的含湿量，所以风流实际的年平均温升没有理论计算值那么大。此外，由于井巷的吸热和散热作用也抵消了一部分风流自压缩温升。2.2.3机电设备发热 大量机电设备在井下使用时，电动机拖动机械设备运转所消耗的能量除变成物料位能、破碎能，压缩能之外，克服摩擦阻力做功所消耗的能量会转换为热能释放给风流，从而使风流温度升高。机电设备放热中，采掘机械放热是最主要的放热的热源，占总机电设备放热理的90%以上。采掘机械从馈电线路上接受的电能几乎全部转化为内热能并传给风流。为了简化计算，我们先假设采掘机械的放热量全部传给风流，从而可以得到下列计算式： Q=mi （2-5）式中： Q风流所获得的热量，w; m风流的质量流量，kg/s; i风流的焓值，j/kg。 当全部热量用以使风流温升时： i= c/t （2-6）式中： t风流的温升，; c空气的定压比热容，j/(kgk)。 如回采工作面的采煤机械装机容量为1500kw，日平均出力为700kw，如果全转化为热能，则可使平均供风量为20m/s的回采工作面的风温约上升28。这是相当高的温升，但井下空气湿度高，很大一部分热量被水分的蒸发吸收。据观测表明，回采工作面有部分热量（约占总量的30%）随着被采下的煤炭支出采区。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。2.2.4 围岩向空气的散热量 围岩是向风流释放主要的热源，其散热量在各种热源散热量中所占的份额最多。围岩与井巷风流热交换是个复杂的不稳定换热过程，其主要热交换方式为导热与对流换热。采掘过程中，当岩体新暴露出来时，新露出的围岩以很快的速率向空气传递热量，随着岩壁逐渐被风流冷却，岩壁向空气传递的热量逐渐减少，最后岩壁温度趋近于空气温度。 回采工作面围岩与风流热交换是一个相当复杂的热、湿交换过程，这不仅是由于围岩物性为非均质各向异性，而且体现在温度场边界随采面前进而移动。由传热学基本原理，围岩散热量可用下式表示： q=（t-t） （2-7）式中 折算对流换热系数，=+173.3; 对流换热系数，W/m; 对流质交换系数，kg/smp; 水的汽化潜热，kj/kg; t壁面温度，; t空气温度，。也可用下式表示： q=k（t- t） （2-8）式中： q围岩散热强度，即热流通量，w/ m; k围岩不稳定换热系数，W/m; t同不高原始岩温，; t空气温度，。 这里介绍的是从理论上计算围岩向一段巷道传递热量的问题。为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;（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，换热投机倒把是一样的，在其周长上，热交换的条件也是一样的;（5） 在所分析的巷道里，空气的温度是恒定不变的。2.2.5 其它热源（1）运输中煤炭及矸石的放热 运输中的煤炭及矸石的放热，裨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岩浆的放热量最大，以进风道运输时，对进风流的加热就具有特别重要的作用。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。实际上，运输中煤炭 的放热量大于风流的得热量，后者约为前者60-80%。对煤炭或矸石的放热量可以用下式进行计算： Q=mct （2-9） t=0.00 （2-10）式中： Q运输中煤炭或（和）矸石的放热量，kw; m煤炭或（和）矸石的运输量，kg/s; c煤炭或（和）矸石的比热容kj/kgk（对煤炭来说c1.25kj/kgk）; t运输道始、终点煤炭或（和）砖石折温差，即煤炭或（和）矸石被冷却的温度，; L运输的距离，m; t运输中煤炭的平均温度，; t运输巷道里风流的平均湿球温度，。 实测表明，在风流的热量增量中，用以提高风流干球温升的约占总热量的10-20%，余下的用以蒸发水分。因而风流的干球温升可用下式进行计算： t=Q/m c （2-11）式中： t风流的干球温升，; m风流的质量流量，kg/s; c空气的定压比热容，kj/kgk。 根据上述运输中煤炭放热量的分配情况，可用下式计算风流的干球温升与湿增： t=0.70.15Q/m c （2-12） d=0.70.85Q/m （2-13） 式中 d空气的含湿增量，kg/kg; 水的汽化潜热，kj/kg。 (2)氧化放热 矿内有些矿物、坑木、充填材料、油垢、面料等都能氧化放热，使矿内气温升高，其中以煤的氧化放热量最为显著。因此，矿井巷道中氧化放热量的大小主要取决于巷道岩石特性。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。（3）热水放热 矿井地层中如果有高温地下水流动、热水涌出或排水沟等，都会成为井下较大热源，使风流气温升高。热水与矿内风流不仅有热交换，而且还存在碰上质交换，热质交换过程中使空气的热能增加，气温升高。（4）人员放热 人体向周围环境散发的热量与湿量人体的热平衡，在相同活动强度条件下，人体散发的显热随周围环境温度的升高而减少，潜热则随着周围环境温度的升高而增加，并且人体散热与散湿是同时发生的。 一般人员的能量代谢产热量为：休息时 90-115w轻体力劳动时 200w中等体力劳动时 275w繁重体力劳动时 470w 可以根据一个工作地点人员的总数来计算其放热量，但其放热量很少，一般不会对气候条件造成显著影响，可以忽略不计。3 实例分析3.1实例一、新汶华丰煤矿热害分析及降温系统华丰煤矿通风系统为中央分列式，有6个进风井1个回风井，回风井即排气坑风井。排气坑风井安装G4-73-11NO28D型主要通风机两台，配套电机功率800kw。2005年7月份矿井总回风量9400m/min，负压2403Pa，矿井计划需风量9102 m/min.-750m以下延深水平局部采掘地点风流温度高达29。3.1.1 课题提出 2005年7月，华丰矿根据2006年的生产接续情况，对矿井通风困难程度和高温热富而无骄易丢了预测，提出对深部矿井通风降温技术研究的课题。 1、矿井通风能力紧张，矿井风量不足 2004年，矿井新投产工作面多，矿井需要风量为11500-12000 m/min，排气坑主要通风机最大提风量为10088 m/min，能风能力不能满足矿井通风的需要。 2、局部地点风流温度超标 华丰矿开采深度已经达到-1200m，地温高，-1100m水平围岩温度为34，局部用风地点风流温度高达29，超过煤矿安全规程规定。 3、回风过于集中，通风阻力大 矿井只有一个回风井，全矿井风量自-210m水平汇入排气坑风井排出地面，最大通风路线9707m。因矿井地压大，多采用U型棚支护，造成巷道有效通风断面小，阻力高，回风段通风阻力占全矿井的63%。 4、通风网路复杂，调整困难 矿井东翼有3个进风井，西翼有2个进风井，中部有一个进风井，多翼进风井几乎贯穿整个矿井的开采深中，从网络结构上看，-750m以上水平是由多个角联网络构成，造成矿井2条水平大巷内多处地段风流不稳定。 5、矿井通风降温技术研究实施方案 （1）进行矿井通风系统阻力测定。 （2）分析矿井通风系统现状，明确矿井通风降温技术研究重点和解决的主要问题。 （3）通过对方案的网路解算和技术、经济比较，确定通风降温工程实施方案。 （4）采用计算机模拟矿井通风降温工程实施效果。 3.1.2 矿井通风降温技术方案的确定 经多次研究方案，认为采取提高矿井总回风量，采掘工作面按照降温需求配风，能够满足生产需要。随后确定了若干技术方案，进行阻力测定，由山东科技大学进行网路解算，根据微机解算结果确定了最优方案。3.1.2.1可行的技术方案 以矿井需要风量12000 m/min为前提，共提出了6种系统优化改造方案。（1）更换排气坑风井主要通风机配套电动机 现主要通风机配套电动机功率800kw，额定转速为600r/min。新方案更换配套电动机，将通风机转速提高到730r/min，电动机功率1250kw。（2）更换排气坑主要通风机 考虑新风机运行工况点的合理性，选择了两类风机。（1）将主要通风机更换为BDK-6-NO32A轴流式主要通风机，叶片安装角30;（2）将主要通风机更换为BDK-6-NO32B轴流式通风机，叶片安装角35。（3）补掘回风斜井，不更换主要通风机 自-210m-地面再施工一个回风斜井与排气坑风井并联，新施工的风井断面12m，长度约900m，新风井计算通风阻力系数值为0.0205kg/m。（4）补掘回风斜井，更换主要通风机配套电动机 自-210m-地面再施工一个回风斜井与排气坑风井并联，同进更换排气坑主要通风机配套电动机。（5）补掘回风斜井，同时更换主通风机 自-210m-地面再施工一个回风斜井与排气坑风井并联，同进更换排气坑主要通风机。考虑新风机运行工况点的合理性，选择了两类风机。（1）将主要通风机更换为BDK-6-NO32A轴流式主要通风机，叶片安装角30;（2）将主要通风机更换为BDK-6-NO32B轴流式通风机，叶片安装角35。（6）将管子井改为回风井，新安装两套主要通风机，与原风井系统并联运行。3.1.2.2方案的比较 华丰矿通风系统改造方案，首先要满足两个前提条件：（1）保证矿井风量;（2）施工周期短，满足生产接续的要求。从经济、施工工期方面对两个方案进行比较，根据网路解算结果进行了比较分析，认为方案五、六较为可行。 方案五： （1）购买购机及配套设备，资金为400万元; （2）补掘回风斜井900m，资金为270万元; （3）施工工期约24个月。 方案六：（1） 购买风机及配套设备，资金为247.2万元;（2） 补掘风井通道约100m，资金为270万元;（3） 工期3个月。 从以上2个方案在技术、经济、施工工期3个方面进行比较，方案六工程量小、工期短、投资少，能缓解华丰矿风量紧张的局面，缺点是2个风井主要通风机运行负压高，给矿井日常通风管理带来不利，需要在井下继续进行巷道降阻工作，以降低矿井负压。3.1.3通风降温方案的实施 1、矿建工程施工。在-210m水平新掘回风联络通道38米，断面14m。对-210m至地面管子井落底进行巷修，长度1000m，平均落底深度0.4m，对管子井沿途12处区段老巷密闭重新建组合墙，中间充填水泥砂浆，充填厚度1.0m，减少了漏风。为降低系统通风阻力，对-210m北石门及原前一回风道扩修复棚350m，通风断面由4.6m扩大至9 m。 2、通风设备。选用BDK65-8-NO24对旋式风机2台，配套电机功率2502kw。2006年8月6日，设备安装调试、试运转工作全部结束。 3、地面土建工程。地面新建风机房、配电室、扩散塔、风道、防爆