1、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
2、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
3、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
4、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
5、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，
6、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
7、、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
8、，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199
9、7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。（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。 图1-1 工作效率与采掘工作面温度的关系 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
10、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，
11、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
12、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
13、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Starfie
14、ld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
15、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
