金属矿山井下热源分析.pdf

文章编号－（）－－10014756200302015304 金属矿山井下热源分析 朱建国 （长沙有色冶金设计研究院，湖南长沙） 410011 摘要 金属矿山井下生产过程中，对劳动者最直接的危害因素主要为温度、湿度、矿尘、有毒有害气体 等，导致温湿度变化的主要因素是井下热源及热应力，因此对井下热源进行调查分析就成为我们改善井下环境 的首要任务。 关键词 金属矿山；井下热源；围岩传热 中图分类号 TD72 文献标识码A 前言0 随着矿山建设的进一步发展，矿山环境保护工作愈来愈引起国家和社会的关心和重视。“消除污 染，保护环境”不仅已成为社会的共识，而且已成为经济建设的一个重要组成部分。在合理进行生产 的同时怎样预测环境污染的发展趋势、有效地改善和控制环境显得日趋重要。金属矿山井下生产存在 多种作业，必然会产生影响井下环境的多种因素，各因素影响程度如何、采取什么控制措施等一系列 问题均需进行调查，只有对井下环境进行充分的调查研究，才能寻找出合理的综合控制措施，为井下 环境的改善做出经济合理的选择。 井下热源分析1 金属矿山井下生产过程中，对劳动者最直接的危害因素主要为温度、湿度、矿尘、有毒有害气体 等，导致温湿度变化的主要因素是井下热源及热应力，因此对井下热源进行调查分析就成为我们改善 井下环境的首要任务。金属矿山井下热源的一般规律为 空气自压缩产生温升形成的井下热源1.1 当空气沿着井巷向下流动时，在重力场作用下，由于其势能转换为焓，其压力与温度都有所上 升，这样的过程称之为“自压缩”过程。根据能量守恒定律，风流在纯自压缩过程中的焓增与风流前 后状态的高差成正比，即 i2 － i1＝g（z1－z 2） 式中i2 与 i1分别为风流在始点与终点时的焓值，；J/kg z1与z2为风流在始点与终点状态下的标 高， ；mg重力加速度， 9.81 m/s2。 对于理想气体d i cpdt，即i2 － i1cp（t2－ t1） 式中cp空气的定压比热容，（ 1 005 J/kg ）；Kt1与t2分别为风流在始点及终点时的干球温 度，℃。 故t2 － t1（0.009 76z1－z2）（ ）K 从上述结论可以看出，自压缩所引起的焓增同风量无关，只与两点标高有关，自压缩这个热源是 无法消除的，而且随着采深的增加而相应增大。 围岩传热1.2 因受地热增温的影响，岩石温度随深度的增加而升高。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将热传给井巷。在大多数情况下，围岩主要以热传导 方式将热传给岩壁，并通过岩壁传给井下空气。 第卷第 期 222 湖 南 地 质 年 月 20036 Vol .22 No.2 HUNAN GEOLOGY June 2003 收稿日期 －－； 20030124 修订日期 －－ 20030411 作者简介朱建国，男，学士，工程师，主要从事地下金属矿山设计工作。 岩石温度随深度而增高的程度决定于岩石成分和岩石的导热性能、水文地质特征和其他一些因 素，一般用地热增温率来表征岩石的增温程度 Tz（Z － Zo） （/t － tp） （℃） m/ 式中Tz 地热增温率，（℃）； 所测定岩石温度之点距地表的深度， ；m/ ZmZo恒温水平 的深度， ；mt深度为 处的岩石温度，℃；Ztp该地区地表空气的年平均温度，℃。 由于地质和生产上的原因，围岩向井巷风流传热是一个非常复杂的过程，计算也非常繁琐，单位 面积巷道上围岩传递给井下风流的热流量为 式中q单位长度巷道的围岩所传递的热流量，（）；W/mA巷道表面积，m2；ρr围岩的密 度，kg/m 3； C r围岩的比热容， （J/kg ）；Kθ巷道通风时间， ；s tgu围岩的原始岩温，℃； tm巷道壁面的温度，℃。 提升机械放热1.3 当提升机械工作时，由于消耗一部分能量克服摩擦阻力而放出热量，机械工作时放出热量使空气 增加的温度按设备的效率而定。 △t＝（ －1η）860N/3600GBCp 式中△t机械工作时放出热量使空气增加的温度， ；K η机械效率；N设备功率，；kw GB流经有机械设备巷道的风量，；kg/sCp空气的定压比热容， （J/kg ）。K 机电设备放热1.4 随着机械化程度的提高，井下大型机械和设备不断增加，机电设备从馈电线路上接受的电能除一 部分用来作功外，另一部分直接转换为热能散发到流经设备的风流中，主要有以下 种热源7 采掘机械的放热1.4.1 采掘机械从馈电线路上接受的电能几乎全部转换为热能并传给风流，简化计算式为 Qwmw△i ； △t Qw / mwCp。 式中Qw风流所获得的热量，；Wmw风流的质量流量，；kg/s△i风流的焓增，；J/kg; △t风流的温升，℃；Cp空气的定压比热容， （J/kg ）。K 运输设备的放热1.4.2 在井下电机车运输过程中，电机车所消耗掉的电能都是以热能的形式散发掉的，电机车运输时每 小时的放热量为 qdK2AcL8604.18 / t 式中qd电机车运输时每小时的放热量，；J/h Ac日生产量，；t/dK2电机车吨公里电能消 耗，kw/t；km L运输距离，；kmt电机车运输的日工作时间，。h/d 扇风机的放热1.4.3 从热力学的角度来说，扇风机并不作有用功，其所消耗的电能全部转换为热能并传给风流，直接 表现为风流的温升 △i i2－i1N/Q 式中N扇风机输出功率，；kw Q流经扇风机的风量，m3。/s 灯具的放热1.4.4 输入灯具的电能也全部转换为热能并传给风流，电气照明使空气的温升为 △tm 860Ncb / 3600GBCp 式中△tm电气照明使空气的温升， ；KNcb 小时照明所消耗的能量，；1kw/hGB流经有机械 设备巷道的风量，；kg/s Cp空气的定压比热容， （J/kg ）。K 水泵的放热1.4.5 154 湖 南 地 质 第卷 22 q/A λ ρr Cr / θ π（tgu－tm） 在输给水泵的电能中，绝大部分用以提高水的势能，只有一小部分消耗在电机及水泵的轴承等摩 擦损失上，并以热的形式传给风流。水泵的放热量工程上一般采用其功率的 ％进行计算3Q 3 。N 式中Q水泵的放热量，；J/s N电机输出功率，。kw 井下配电设备及电路放热1.4.6 在井下配电时，绝大部分转换为其他形式的电能，有部分电能以热能的形式散发出来并传给风 流。电气设备和电路工作时的温升为 △td 860N（1－ηd）/ 3600GBCp 式中△td电气设备使空气的温升， ；KN电气设备功率或线路送电能力，；kwηd电气设备 效率，变压器～，电路～，电动机～；0.950.980.950.90.980.95 GB流经设备的风量，；kg/sCp空气 的定压比热容， （J/kg ）。K 矿车制动时放热1.4.7 矿车在制动过程中会产生大量的热，据谢尔班的研究表明，矿车在制动过程中产生的热量为 qz＝（g1＋g2）nBLz／102 式中qz矿车由于制动产生的热量，；J/h g1每个矿车装载重量，；kgg2矿车皮重，；kg nB矿车个数； Lz制动距离， 。m 地表大气状态变化导致井下温升1.5 井下风流是经地表流入矿井的，因此地表大气温度与湿度的日变化与季节变化必然要影响到井 下。地表空气一年的温度随着季节的交替而呈周期性变化，一日的气温也随着时间呈周期性变化，其 变化规律为一余弦波形。 虽然地表大气温度的日变化幅度很大，但当它流入井下时，井巷围岩将产生吸热和散热作用，使 风温和巷壁温度达到平衡，井下空气温度变化的幅度就逐渐地减弱。一般来讲，地表空气温度对浅部 开采的矿井影响较大，对深部开采的矿井影响相对弱一些；在高山地区又相对比在平原地区强一些。 氧化生热1.6 矿石的氧化生热是一个相当复杂的问题，据谢尔班研究表明，由于矿石氧化而增高的温度为 △ t氧化 q0S／3600GBCp 式中△ t氧化 由于矿石氧化导致的空气温升， ；KS矿石暴露面积，m2；q0单位暴露面积矿石 氧化时放出的热量，J/m 2 ； hGB流经设备的风量，；kg/sCp空气的定压比热容， （J/kg ）。K 井下爆炸生热1.7 在爆炸过程中，炸药产生的高温高压气体一部分用来破坏矿岩结构，另一部分则以热量的形式向 矿内空气释放，同时也使采下的矿石温度升高。因此井下爆炸具有两重放热性，一方面在爆破时期内 迅速向空气及围岩放热，形成一个较高的局部热源，另一方面炸药爆炸时传向围岩中的热又以围岩放 热的形式在一个较长的时期内缓慢地向矿内大气释放出来。井下爆炸过程的放热现象比较复杂，计算 比较困难，一般认为每炸药的生热量在～之间。kg6 50013 000 J 无轨柴油设备放热1.8 随着大型无轨设备的推广应用，这些设备在工作时排出的高温尾气及设备自身发热成为矿井新的 热源。由于这些数量多、地点分散，且瞬时放热量大等特点，因此对风流及危害的程度尚无一完备的 计算公式。一般以设备的排气量和尾气的温度和综合指标进行计算。 其他热源1.9 除上述热源外，井下还存在人员放热、风动工具放热、岩层移动摩擦放热、辅助工序中的摩擦空 气放热，进风井筒中的压风管放热、矿岩自燃自热时放热。因空气静压头的损失而放热等热源。 对于上述各种热源，其发热规律大体可归结为以下 种形式3 （ ）持续性热源如空气自压缩放热、围岩放热、机电设备放热等。1 （ ）周期性热源如地表大气状态的变化等。2 第 期朱建国金属矿山井下热源分析 2 155 （ ）瞬时性热源如井下爆炸生热、其他热源等。3 对于持续性热源，其对环境的影响基本上是恒定的，而且随着时间的推移，其放热量虽在增加， 但放热幅度却在下降，从控制角度上来看是比较容易处理的；对于周期性热源，其放热量呈现周期性 变换，在某一时期内向矿内放热，而在另一时期内则从矿内吸热，这种周期性变换的热源在控制上是 比较难处理的。 几点体会2 通过对金属矿山井下热源的分析，对于不同的矿井首先必须对各种热源进行充分的调查研究，调 查出存在的热源种类，得出各种热源的发热机理、影响程度及比重，找出这些热源中占主导地位的影 响源，为矿井通风和井下环境治理提供详尽的基础资料。同时针对各种热源的影响因素和影响程度采 取相对应的通风方式及其他控制措施，从而制定出合理的综合控制措施，改善井下的劳动作业条件， 尽可能地创造出舒适的井下生产环境，保护劳动者的身体健康。 ANALYSIS ON HEAT SOURCE UNDER THE SHAFT IN METAL MINES ZHU Jian- guo ，，Changsha Institute of Non-ferrous Metallurgy and PlanChangsha Hunan 410011China Abstract In the course of production under the shaft in metal mines, the most direct harmful factors are temperature, humidity, mine dust, and poison / harmful gases etc. The main factors to induce the change of temperature and humidity are heat sources and heat stress under the shaft. So, the chief task for us to improve the environment under the shaft is to research and analyze the heat sources in the pit. Key words Metal mines; Heat sources in the pit; Transfer heat through wall rock （上接第页）150 （ ）该程序也可以单独计算直线段或平曲线上中桩点（含主点）的国家坐标。3 结论5 前述道路中线坐标计算程序，计算操作简易，快速准确，灵活实用，也适合具有类似道路设计参 数特性的管线的坐标计算。该程序用于道路或管线施工测量中，能提高工效，给工程测量人员带来方便。 参 与 文 献 钟孝顺，聂让测量学北京人民交通出版社，－[1] .[M].199709200-238. PROGRAMME FOR CALCULATING THE COORDINATE OF ROAD MIDLINE ，HE Yu- huaXIE Gan-nan ，，Hunan Institute 2 of Survey and DrawingChangsha Hunan 410119China Abstract－ Using scientific calculator CASIO fx4500P and programming, the author calculated the coordinate of route corners, curve survey elements, main-point ranges, and medium stake points with any point or main-point as the jumping-off on routes, all main points included, in national coordinate from given stake- distance and designed road parameters. Key words Calculator; Program; Coordinate of central line 156 湖 南 地 质 第卷 22