1、专题部分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
2、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
3、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
4、.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
5、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11414262821414262831515252941616253052020263162525293272929323582929323592828313
6、3102626313311232429321217182530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500m800m1000m1200m131426.032.437.442.414225.130.534.1-14526.933.638.342.914626.934.438.543.6152927.534.739.945.0153027.133.339.144.7161327.334.238.843.3162127.834.939.744.5162327.135.040.546.1162528.736.541.847.2162628.736.64
7、1.947.3171726.933.839.344.8172027.735.240.545.8172128.936.340.045.7181226.633.0-181427.033.638.042.3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
8、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
9、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
10、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
11、，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
12、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
13、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
