1、深部高温矿井热害治理技术研究摘要:本文主要介绍了我国高温矿井的现状，指出了治理高温热害矿井在维护工人健康、提高生产效率、保障生产安全及其经济社会意义；详细阐述了国内外对于矿井热害理论、技术的研究现状，并针对上述理论技术，指出了其存在的不足与改进方向，进而引出井巷喷注隔热材料这一新型井下主动降温方法，并对其进行了初步的实验探究，预计其将有广泛的应用前景。关键词：矿井高温；热害治理；喷注降温1问题的提出与研究意义1.1我国高温矿井现状随着我国煤矿开采年限的增加，浅部资源逐步减少和枯竭，我国煤矿开采平均以812m/a的速度向深部延伸，尤其是近年来煤矿采用更先进的开采技术和采掘机械，开采延伸速度呈现加
2、大趋势，东部以1025m/a的速度发展12。目前一些矿井开采深度已达1000m以下，如开滦矿业集团赵各庄煤矿十三水平开采深度达到1155m，新汶矿业集团孙村矿开采深度达到了1300m，华丰矿开采深度为1070m，徐州矿务集团的旗山矿开采深度为1032m，夹河煤矿开采深度达1100m，张小楼井开采深度己超过1100m。可以预计，我国有大批矿井尤其是中东部地区矿井，将进入1000m以下的深度。二十世纪初国外许多国家逐渐出现了热害问题，世界上矿井热害最严重的是南非金矿，德国煤矿和前苏联煤矿3。南非是当今世界开采深度最大的国家，南非的威特沃特斯兰德盆地极深含金矿礁埋深达3500m5000m4，斯太总统
3、金矿的工作面深度超过3000m，原始岩温高达63；德国的伊本比伦煤矿开采深度达1530m，岩温高达60，前苏联的彼得罗夫煤矿工作面达1200m，原始岩温达到5257。据我国煤田地温观测资料统计，百米地温梯度为24/100m，随着开采深度的逐步增加，深部矿井热害问题已经逐步凸显。近些年来的文献资料和统计资料表明821，我国已有140余个矿井出现了不同程度的高温热害问题，表1.1显示了我国部分矿井的热害情况，同时得到我国矿井热害区划图1.1。由图1.1可见，我国高温矿井主要分布在东部地区，其中热害最为严重的区域，包含我国黄河以南、长江以北的东部各省份，主要是山东、江苏、安徽和河南等省份。该地区开采
4、深度较深，许多矿井开采深度超过800m，已探明未开采煤炭主要在800m1500m之间，地温梯度一般大于2/100m，矿内岩温一般高于30，典型矿区为徐州、兖州、新汶、永城、两淮等。其次在河北、辽宁及内蒙东部地区，开采深度相对较深，部分矿井开采深度超过600m，岩温较高，部分矿井热害现象比较严重，典型矿区为峰峰、开滦、铁法、抚顺等。长江以南的东部各省，热害矿井主要分布在江西、福建和湖南东部。该地区开采深度较大，夏季江南潮热气候，井下热害严重，典型矿区为萍乡、丰城等。表1.1 我国部分矿井热害情况矿井名称采深/m工作面温度/岩温/地温梯度/100m /100m徐州夹河矿1200364012.5徐州
5、三河尖矿10003946.82.753.46徐州张楼煤矿10003540.6徐州旗山矿11003041.91.52.6徐州张小楼矿120033.51.72.7大屯孔庄矿10153740.42.362.42新汶孙村矿13003243.52.7新汶协庄矿1010343123济宁三号井8383335.32.442.96抚顺老虎台7153338423.64.2抚顺东风80033302.74.6长广牛头山9373440.52.28淮南潘一矿65036373淮南潘三矿8103640433.42淮南顾桥矿8003640.13.08淮南丁级矿8263440432.524.02平媒五矿90935503.34平媒
6、八矿6503433.63.4义马跃进矿93031.5331.92河北大城煤田110033573.36图1.1 我国矿井热害区划图1.2矿井热害危害性分析1)危害工人健康矿井高温环境对井下作业人员的健康带来了极大的危害。研究表明，人长时间处在高温环境中生理调节机能将发生严重障碍。表现在：(1)体温升高，参与人体代谢的各种酶随着体温升高其活性减弱，破坏体内热平衡，造成代谢紊乱。(2)温度过高，引起体温调节系统障碍，中枢系统特别是大脑皮层的负担加大，降低其兴奋性，同时引起条件反射活动的紊乱，加深抑制过程，甚至发生高级神经活动的病理变化。(3)高温作业使体表血管扩张，输送皮下血管的血量增多，相应输向内
7、脏的血量减少，返回心脏的血量减少，血压降低，脉搏加快，再加上大量出汗，体内缺水，血液的粘滞度增大，从而影响心脏的功能。(4)在高温环境从事重体力劳动，呼吸浅而急促，氧气供应不足，肺功能的负担增加。如果长期处于这种环境，会引起肺功能职业病。在高温环境中，尤其从事重体力劳动时，容易出现体温升高，代谢紊乱，心跳加快，心律失常，血压升高等现象，人体失去热平衡，易造成热虚脱、热衰竭、热惊厥、中暑等热病，严重甚至危及生命。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。2)降
8、低生产效率长期在井下高温高湿环境中作业，容易破坏体内热平衡，造成代谢紊乱，引起体温调节系统障碍，中枢神经系统失调，出现精神恍惚、疲劳、浑身无力、昏昏沉沉等状况，这是矿山劳动生产率低下的主要原因。据大量的高温矿井统计：采掘工作面气温每超过标准(26) 1时，劳动生产率将下降68%；气温升至32时生产率降低5%左右，升至34将会降低50%。许多高温矿井夏季工人的出勤率明显降低，劳动生产率显著下降，有的甚至被迫停产。我国高温矿井的劳动生产率都较低，有的甚至仅为30%40%。3)威胁生产安全长时间处于高温高湿的作业环境中，会使作业人员对周围的注意力、判断力及反应能力逐渐减退，疲惫乏力、精神烦躁、精力不
9、集中，从而增加了事故的发生率。表1-2显示了矿井温度与事故率的关系。据日本北海道7个矿井的调查资料，3034的工作面事故发生率比30以下高1.52.3倍。表1.2 矿井温度与事故率的关系作业地点气温/27303233工伤频次/次/千人0150300450同时矿井高温可引发瓦斯、煤尘爆炸、煤炭自燃等重大灾害事故，给矿井安全生产带来极大威胁。目前矿井高温已成为与瓦斯、煤尘、火灾、水灾并列的重大自然灾害。4)我国矿内气候标准我国煤矿安全规程中第108条对煤矿井下的作业环境提出了明确的规定：(1)生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26，机电设备铜室的空气温度不得超过30；(2)在超温的个别地点，经采取
10、加大风量、局部降温等措施后，仍超过本条文所规定的空气温度时，报省(区)煤炭局批准，可以适当超过空气温度的规定，在超温地点的工作人员应缩短工作时间，并给予高温保健待遇；(3)采掘工作面的空气温度超过30、机电铜室的空气温度超过34时，必须停止作业；(4)新建、改扩建矿井设计时，必须进行矿井风温预测计算，超温地点必须有制冷降温设计，配齐降温设施。1.3 矿井热害研究意义1)矿井工人健康、生产效率、安全意义由上一小节的分析可知，人长时间处在高温环境中可能使人产生一系列生理功能的改变，严重影响矿工的身心健康；高温矿井劳动生产率低下且严重影响矿井安全。所以，治理矿井热害，适度降低矿井温工人作业环境温度，
11、可以保护工人的健康，提高劳动生产率，减少矿井安全事故。2)经济社会意义中国煤由地质总局第三次全国煤炭资源预测，在全国5个赋煤区、85个含煤区、542个煤田/煤产地中，共圈定了2554个预测区，预测总面积39.3X104km2，垂深2000m以浅的预测资源量为4.55 X 1012t，垂深1000m以浅的预测资源量为1.84X1012t，垂深600m以浅的预测资源量为0.94X 1012t。埋深大于1000m的占全国预测总量的59.5%。河北、山西、内蒙古、江苏、安徽、山东、河南、陕西等重要产煤省(区)，埋深1000m以下的预测资源分别占该省(区)预测总量的65.5%92.4%，说明这些产煤地区
12、埋藏较浅的煤炭资源潜力已经有限，深部煤炭资源所占的比例非常高。深部资源的开采，可以解决东部沿海省份煤炭资源的缺口。可以说，深部高温矿井开采技术，在一定程度上决定着我国的经济的可持续发展和国家安全战略的实施。2国内外研究现状2.1 国外研究现状在矿业发达国家，由于开采时间长、矿井深，热害问题出现较早。据资料文献记载，最早研究矿井高温问题是1740年在法国Belfort地区的矿山进行的低温测定。二十世纪初，许多国家逐渐出现了矿井热害问题，开始了高温矿井的基础研究及降温技术研究。1915年，巴西的莫劳约里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，把空调器应用于井下。随后，南非在1
13、919年也开始了矿井风流热力学规律的研究。二十年代，矿内热环境的最初理论开始形成。1923年，英国的彭德尔顿煤矿是第一个在采区安设制冷机，冷却采面风流，首开局部制冷先河。同年，德国Heise Drekopt假定巷道壁面温度为稳定周期变化，解析分析围岩内部稳定的周期变化，提出了调热圈概念，此成果是矿内热环境问题研究领域的最初理论。三、四十年代，矿井风温预测计算理论开始发展。在1939-1941年间，南非Biccard Jappe连续发表了四篇关于“深井风温预测”的论文，提出了风温计算的基本思想，被称为近代风温预测计算的基础。二十世纪五十年代矿井风温计算理论进一步发展。1951年英国的Van He
14、erden35、日本的平松良雄36，1952年德国的Knig等人结合平巷围岩与风流热交换，在理想条件下提出围岩调热圈温度场的理论解。1953年，南非首次在洛博尔矿安装大型风流冷却设备。同年苏联学者提出较精确的不稳定换热系数和调热圈温度场计算方法。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，采用计算机技术进行风温预测的计算。1961年苏联的BopoaB、1966年德国的Npttrot等人采用数值计算方法来描述调热圈温度场。1964年Mcke用圆板状试块测定岩石稳态的导热系数。1967年Sherrat在现场对一段巷道强制加热，实测围岩中的温度分
15、布，从实测值与理论计算值对比中求出一些热参数。同年，南非的Starfield42等人初步探讨论述了潮湿、有质交换条件下的热交换规律。在此期间，南非也开始采用了大型矿井集中式空调，苏联、日本等国的矿井也随后应用制冷降温。矿井降温理论开始向实用化的方向发展。七十年代，一些矿内热环境工程的系统专著逐渐问世，形成了学科理论体系。1974年日本的平松通风学，1977年epaH的矿井热环境调节指南，福斯的矿井气候等都对矿井降温理论做了较系统的阐述。随着学科研究的发展，矿井降温技术的各方面都提高到一个新水平，问题的研究也深入到解决最核心的采掘工作面、井筒等降温问题。西德从1970-1980年，制冷能力剧增15倍。日本从1975-1985年，制冷机总的制冷能力达到4528MW，制冷系统亦向大型化发展，单个系统的最大制冷量已达50MW。进入二十世纪八十年代以后，美国、苏联、德国、日本、南
