礦井熱害防治(礦井災(zāi)害防治系列)

礦井熱害防治礦內(nèi)高溫、高濕環(huán)境嚴(yán)重影響井下作業(yè)人員的身體健康和生產(chǎn)效率,已形成了煤礦的一類新的災(zāi)害——熱害。熱害已逐漸成為與瓦斯、煤塵、頂板、火、水一樣需要認(rèn)真處理的煤礦井下自然災(zāi)害之一。一、礦井熱源礦井主要熱源大致分為以下幾類:.地表大氣井下的風(fēng)流是從地表流入的,因而地表大氣溫度、濕度與氣壓的日變化和季節(jié)性變化勢必影響到井下。地表大氣溫度在一晝夜內(nèi)的波動稱為氣溫的日變化,它是由地球每天接受太陽輻射熱量和散發(fā)的熱量變化造成的。雖然地表大氣溫度的日變化幅度很大,但當(dāng)它流入井下時,井巷圍巖將產(chǎn)生吸熱或散熱作用,使風(fēng)溫和巷壁溫度達(dá)到平衡,井下空氣溫度變化的幅度也逐漸地衰減。因此,在采掘工作面上,基本上察覺不到風(fēng)溫的日變化情況。當(dāng)?shù)乇泶髿鉁囟劝l(fā)生持續(xù)數(shù)日的變化時,這種變化才能在采掘工作面上察覺到。地表大氣的溫、濕度的季節(jié)性變化對井下氣候的影響要比日變化大得多。研究表明,在給定風(fēng)量的條件下,無論是日變化還是季節(jié)性變化,氣候參量的變化率均與其流經(jīng)的井巷距離成正比,與井巷的截面積成反比。地面空氣溫度直接影響礦內(nèi)空氣溫度,尤其對于淺井,影響就更為顯著。地面空氣溫度發(fā)生著年變化、季節(jié)變化和晝夜變化。地面氣溫周期性變化,使礦井進(jìn)風(fēng)路線上的氣溫也相應(yīng)地周期性變化,井下氣溫的變化要稍微滯后于地面氣溫的變化。.流體自壓縮（或膨脹）嚴(yán)格來說,流體的自壓縮并不是一個熱源,它是空氣在重力作用下位能轉(zhuǎn)換為焓時出現(xiàn)的溫度升高現(xiàn)象。由于在礦井的通風(fēng)與空調(diào)中,流體的自壓縮溫升對井下風(fēng)流的參量具有較大影響。礦井深度的變化,使空氣受到的壓力狀態(tài)也隨之而改變，當(dāng)風(fēng)流沿井巷向下（或向上）流動時,空氣的壓力值增大（或減?。??？諝獾膲嚎s（或膨脹）會放熱（或吸熱）,從而使風(fēng)流溫度升高（或降低）。.圍巖散熱當(dāng)流經(jīng)井巷的風(fēng)流溫度不同于巖溫時,就要產(chǎn)生換熱,即使是在不太深的礦井里,巖溫往往也比風(fēng)溫高,因而熱流一般是從圍巖傳給風(fēng)流。在深井里,這種熱流是很大的,甚至超過其他熱源的熱流量之和。圍巖向井巷表面?zhèn)鳠岬耐緩接袃蓚€:一是通過熱傳導(dǎo)自巖體深處向井巷表面?zhèn)鳠?二是經(jīng)裂隙水將熱量帶到井巷。井下未被擾動的巖石的溫度（原巖溫度）隨著距地表的距離加大而上升,原巖溫度的具體數(shù)值取決于地溫梯度與埋藏深度。在大多數(shù)情況下,圍巖主要以傳導(dǎo)方式將熱傳給巷壁。在井下,井巷圍巖里的熱傳導(dǎo)是非穩(wěn)態(tài)過程,即使是在井巷壁面溫度保持不變的情況下,由于巖體本身就是熱源,所以自圍巖深處向外傳導(dǎo)的熱量值也隨時間而變化。隨著時間的推移,被冷卻的巖體逐漸擴(kuò)大,因而需要從圍巖的更深處將熱量傳遞出來。.運(yùn)輸中煤炭及矸石的散熱運(yùn)輸中的煤炭以及矸石的散熱量,實(shí)質(zhì)上是圍巖散熱的另一種表現(xiàn)形式,其中以在連續(xù)式輸送機(jī)上的煤炭的散熱量最大,致使其周圍風(fēng)流的溫度上升。實(shí)測表明,在高產(chǎn)工作面的長距離運(yùn)輸巷道里,煤巖散熱量可達(dá)230kW或更高一些另外,由于酒水抑塵,致使輸送機(jī)上的煤炭及石總是潮濕的,所以其顯熱交換同時總伴隨著潛熱交換。大型現(xiàn)代化采區(qū)的測試表明,風(fēng)流的顯熱增量僅為風(fēng)流的總得熱量的15%~20%,而由于風(fēng)流中水蒸氣含量增大引起的潛熱交換量約占風(fēng)流的總得熱量的80%-90%,即運(yùn)輸煤炭及矸石所散發(fā)出來的熱量中,煤炭及矸石中的水分蒸發(fā)散熱量在風(fēng)流總得熱量中的比重很大。隨著機(jī)械化程度的提高,煤礦中采掘工作面機(jī)械的裝機(jī)容量急劇增大。機(jī)電設(shè)備所消耗的能量除了部分用以做有用功外,其余全部轉(zhuǎn)換為熱能并散發(fā)到周圍的介質(zhì)中去?；夭蓹C(jī)械的放熱是工作面氣候惡化的主要原因之一,能使風(fēng)流溫度上升5-6℃。.自燃氧化物散熱煤炭的氧化放熱是一個相當(dāng)復(fù)雜的問題,很難將煤礦井下氧化放熱量同井巷圍巖的散熱量區(qū)分開來。實(shí)測表明,在正常情況下,一個采煤工作面的煤炭氧化放熱量很少能超過30kW,所以不會對采面的氣候條件產(chǎn)生顯著的影響。但是當(dāng)煤層或其頂板中含有大量的硫化鐵時,其氧化放熱量可能達(dá)到相當(dāng)可觀的程度。.熱水對于大量涌水的礦井,涌水可能使井下氣候條件變得異常惡劣,我國湖南的711鈾礦和江蘇的韋崗鐵礦就曾因井下涌出大量熱水,迫使采礦作業(yè)無法安全、持續(xù)地進(jìn)行,經(jīng)采用超前疏干后,生產(chǎn)才得以恢復(fù)。因而在有熱水涌出的礦井里,應(yīng)根據(jù)具體的情況,采取超前疏干、阻堵、疏導(dǎo)等措施,或者使用加蓋板水溝排出,杜絕熱水在井巷里漫流。在一般情況下,涌水的水溫是比較穩(wěn)定的,在巖溶地區(qū),涌水的溫度一般同該地區(qū)初始巖溫相差不大。如在廣西合山里蘭煤礦,其頂、底板均為石灰?guī)r,煤層頂板的涌水量較當(dāng)?shù)爻跏紟r溫低1-2℃;底板涌水溫度約較當(dāng)?shù)爻跏紟r溫高1-2℃。如果涌水是來自或流經(jīng)地質(zhì)異常地帶的話,水溫可能升高,甚至可達(dá)80-90℃。.人員放熱井下工作人員的放熱量主要取決于他們所從事工作的繁重程度以及持續(xù)工作的時間。一般煤礦工作人員的能量代謝產(chǎn)生熱量為：體息時每人的散熱量為90-15W;輕度體力勞動時每人的散熱量為250洶；中等體力勞動時每人的散熱量為275W；繁重體力勞動時（短時間內(nèi)）每人的散熱量為470W。二、礦井熱害防治技術(shù)措施（一）通風(fēng)降溫.合理的通風(fēng)系統(tǒng)按照礦井地質(zhì)條件、開拓方式等選擇進(jìn)風(fēng)風(fēng)路最短的通風(fēng)系統(tǒng),可以減少風(fēng)流沿途吸熱,降低風(fēng)流溫升。在一般情況下,對角式通風(fēng)系統(tǒng)的降溫效果要比中央式好。.改善通風(fēng)條件增加風(fēng)量,提高風(fēng)速,可以使巷道壁對空氣的對流散熱量增加,風(fēng)流帶走的熱量隨之增加,而單位體積的空氣吸收的熱量隨之減少,使氣溫下降。與此同時,巷道圍巖的冷卻圈形成的速度又得到加快,有利于氣溫緩慢升高。適當(dāng)加大工作面的風(fēng)速,還有利于人體對流散熱。在可能的條件下,可以采用采煤工作面下行風(fēng)流,使工作面運(yùn)煤方向和風(fēng)流方向相同和縮短工作面的進(jìn)風(fēng)路線等措施。實(shí)踐證明,采用這些措施,有利于降低工作面的氣溫。另外,采煤工作面的通風(fēng)方式也影響氣溫。在相同的地質(zhì)條件下，由于W型通風(fēng)方式比和Y型能增加工作面的風(fēng)量，所以降溫效果較好。.調(diào)熱巷道通風(fēng)利用調(diào)熱巷道通風(fēng)一般有兩種方式:一種是在冬季將低于攝氏零度的空氣由專用進(jìn)風(fēng)道通過淺水平巷道調(diào)熱后再進(jìn)入正式進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)。在專用風(fēng)道中應(yīng)盡量使巷道圍巖形成強(qiáng)冷卻圈若斷面許可還可灑水結(jié)冰,儲存冷量。當(dāng)風(fēng)溫向零度回升時,即予關(guān)閉,待到夏季再啟用淮南九龍崗礦曾利用-240m水平的舊巷作為調(diào)熱巷道,冬季儲冷,春季封閉,夏季使用總進(jìn)風(fēng)量的一部分被冷卻，使-540m水平井底車場降溫2℃。另外一種方式是利用開在恒溫帶里的淺風(fēng)巷作調(diào)溫巷道。.其他通風(fēng)降溫措施采用下行風(fēng)對于降低采煤工作面的氣溫有比較明顯的作用，對于發(fā)熱量較大的機(jī)電硐室,應(yīng)有獨(dú)立的回風(fēng)路線,以便把機(jī)電設(shè)備所產(chǎn)生熱量直接導(dǎo)人采區(qū)的回風(fēng)流中。在局部地點(diǎn)使用水力引射器或壓縮空氣引射器,或使用小型局部通風(fēng)機(jī),以增加該點(diǎn)風(fēng)速也可起降溫的作用。向風(fēng)流噴灑低于空氣濕球溫度的冷水也可降低氣溫，水溫越低效果越好（二）礦內(nèi)冰冷降溫礦井降溫系統(tǒng)一般分為冰冷降溫系統(tǒng)和空調(diào)制冷降溫系統(tǒng),其中,空調(diào)制冷降溫系統(tǒng)為水冷卻系統(tǒng)。所謂冰冷降溫系統(tǒng),就是利用地面制冰廠制取的粒狀冰或泥狀冰,通過風(fēng)力或水力輸送至井下的融冰裝置,在融冰裝置內(nèi),冰與井下空調(diào)回水直接換熱,使空調(diào)回水的溫度降低。20世紀(jì)80年代中后期,在南非的一些金礦開始采用冰冷系統(tǒng)進(jìn)行井下降溫。例如,年,南非東蘭德礦山控股公司在梅里普魯特一號井建成了冰冷系統(tǒng)，冷卻功率為29MW。冰冷降溫對深井降溫效果明顯（三）礦內(nèi)空調(diào)的應(yīng)用目前國內(nèi)外常見的冷凍水供冷、空冷器冷卻風(fēng)流的礦井集中空調(diào)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模式如圖3-10所示。如圖310所示,礦井集中空調(diào)系統(tǒng)是由制冷、輸冷、傳冷和排熱四個環(huán)節(jié)所組成。由這四個環(huán)節(jié)的不同組合,便構(gòu)成了不同的礦井空調(diào)系統(tǒng)。這種礦井空調(diào)系統(tǒng),若按制冷站所處的位置不同來分,可以分為以下三種基本類型:.地面集中式空調(diào)系統(tǒng)地面集中式空調(diào)系統(tǒng)將制冷站設(shè)置在地面,冷凝熱也在地面排放,而在井下設(shè)置高低壓換熱器將一次高壓冷凍水轉(zhuǎn)換成二次低壓冷凍水,最后在用風(fēng)地點(diǎn)上用空冷器冷卻風(fēng)流。這種空調(diào)系統(tǒng)還可有另外兩種形式:一種是集中冷卻礦井總進(jìn)風(fēng),在用風(fēng)地點(diǎn)上空調(diào)效果不好,而且經(jīng)濟(jì)性較差;另一種是在用風(fēng)地點(diǎn)上采用高壓空冷器,這種形式安全性較差。實(shí)際上后兩種形式在深井中都不可采用。地面集中式空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：(1)廠房施工、設(shè)備安裝、維護(hù)、管理方便(2)可用一般型制冷設(shè)備,安全可靠(3)冷凝熱排放方便(4)冷量便于調(diào)節(jié)(5)無需在井下開鑿大斷面硐室(6)冬季可用天然冷源。地面集中式空調(diào)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：(1)高壓載冷劑處理困難(2)供冷管道長,冷損大(3)需在井筒中安裝大直徑管道(4)空調(diào)系統(tǒng)復(fù)雜。.井下集中式空調(diào)系統(tǒng)井下集中式空調(diào)系統(tǒng)如按冷凝熱排放地點(diǎn)分又可分為以下兩種不同的布置形式：(1)制冷站設(shè)置在井下,并利用井下回風(fēng)流排熱。這種布置形式優(yōu)點(diǎn)是:系統(tǒng)比軟簡單,冷量調(diào)節(jié)方便,供冷管道短,無高壓冷水系統(tǒng);缺點(diǎn)是:由于井下回風(fēng)量有限,當(dāng)?shù)V并需冷量較大時,井下有限的回風(fēng)量就無法將制冷機(jī)排出的冷凝熱全部帶走,致使冷凝熱排放困難,冷凝溫度上升,制冷機(jī)效率降低,制約了礦井制冷能力的提高。由上述優(yōu)缺點(diǎn)可知這種布置形式只適用于需冷量不太大的礦井(2)制冷站設(shè)在井下,冷凝熱在地面排放。這種布置形式雖可提高冷凝熱的排放能力但需在冷卻水系統(tǒng)增設(shè)一個高低壓換熱器,系統(tǒng)比較復(fù)雜。井下集中式空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：(1)供冷管道短、冷損少；(2)無高壓冷水系統(tǒng)；(3)可利用礦井水或回風(fēng)流排熱；(4)供冷系統(tǒng)簡單,冷量調(diào)節(jié)方便。井下集中式空調(diào)系統(tǒng)缺點(diǎn)是：(1)井下要開鑿大斷面的硐室；(2)對制冷設(shè)備要求嚴(yán)格；(3)設(shè)備安裝、管理和維護(hù)不方便。.井上、下聯(lián)合式空調(diào)系統(tǒng)這種布置形式是在地面和井下同時設(shè)置制冷站,冷凝熱在地面集中排放。它實(shí)際上相當(dāng)于兩級制冷,并下制冷機(jī)的冷凝熱借助于地面制冷機(jī)冷水系統(tǒng)冷卻。聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是(1)可提高一次載冷劑回水溫度,減少冷損；(2)可利