煤矿内热环境分析及其热害防治措施.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 - 1 - 煤矿内热环境分析及其热害防治措施煤矿内热环境分析及其热害防治措施 彦鹏，张伟，雷云 辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁阜新123000 E-mailyanpeng870419 摘摘 要要文章详细分析了造成矿内热环境高温的六大热源矿井进风温度、地热、压缩热、机 电设备散热、氧化热和炸药爆破热、人体散热，指出围岩散热和机电设备散热是造成矿内风 流温度升高的最主要的热源；并且分析了矿内热环境对人体和矿山生产的危害 对人体的危 害、降低生产效率，并提出了相应的防治措施，避免或减少矿内热环境的危害。但文章中的 有些措施在实践中运用比较困难，还需进一步的加以改进 关键词关键词热环境，高温，危害，作环境 中图分类号中图分类号T 1. 引言引言 随着浅部矿产的开竭，矿井将向深部发展我国煤矿开采深度每年以 10 米的速度增加 【1】，由于地热、压缩热、机械热、氧化热的影响，越来越多的矿井将不可避免地出现高温 环境。高温环境热害对井下人员的心理健康、工作效率、人身安全等有着极大的影响。因 此，必须详细分析矿内热环境，以采取相应措施，防治热害的发生以及保证井下适宜的工作 环境。 2. 矿内热源矿内热源 造成矿内气温升高的热源主要有如表 1 表 1 矿内热源 Tab.1 Mine heat 热源性质 热源项目 发生地点 矿井进风温度 进风井 地热 井巷、硐室、热水疏排井巷 压缩热 进风竖、斜井巷 机电设备散热 机电设备工作地点 物理 因素 热源 岩层下沉的摩擦热 采空区 氧化热 煤、硫化矿、坑木腐烂处、采空区漏风 内燃机械废气排热 内燃机械作业地点 化学 因素 热源 爆破热 采掘工作面 生理因素散热 人体散热 有人作业处 2.1 矿井进风温度矿井进风温度 矿井进风地面风流温度对井下气温有着直接影响,尤其是浅井,影响更为显著。地面空 气温度在一年之中， 随着季节而发生周期性变化， 就是一日气温也随着时间发生周期性变化， 其变化近似为正弦曲线如图 1 【2】 。地面气温这种周期性变化，使矿井进风路线上的气温也 发生相应的周期性变化。但是，井下日气温的变化随着距进风口的距离的增加而迅速衰减， 在到达某一点之后，就基本上不再变化。 - 2 - 图 1 气温日变化曲线 Fig.1 Temperatures on the curve 2.2 地热地热 地热主要包括围岩散热和地下热水散热。 2.2.1 围岩散热围岩散热 围岩传递给井下风流热量的过程是个复杂的不稳定换热过程，而且伴随着质交换，但 其主要热交换方式为传导和对流。 计算围岩传递给井下风流热量 【3】 rh Q . 3.6 τ K m UL r t- a t kJ⁄h ⑴ 式中 m U煤巷周长，m； L巷道长度，m； r t巷道始末两端平均原始岩温，℃； a t流经巷道始末两端平均气温，℃； τ K 围岩与井下风流的热交换系数。 对于通风 1～10 年的巷道 - 3 - τ K aR g 2 1 1 λ [ R g 2 λ 2 1 2 aR b g λ τ ] W⁄m2K ⑵ 其中,当巷道壁面水分蒸发强烈时 τ K R g 2 λ 0.582 τ2 b W⁄m2K ⑶ 对于通风 10 年以上的巷道 τ K 0.387 2 . 045. 0 15. 02 . 035. 0 τ αρλ R Cg g W⁄m2K ⑷ 式中α对流放热系数，可用下式近似计算 α S UG 2 . 08 . 0 232 . 2 ε W⁄m2K ⑸ ρ岩石的密度，kg／m3； g λ岩石的导热系数，W⁄m2K； g C岩石的比热，kJ／kgK； b岩石蓄热系数，可用式近似计算 b0.906 π λ ρggC kJ／h0.5m2K ⑹ s α潮湿的巷道面向风流的散热系数，可按下式计算 s αα48.148βγ W⁄m2K ⑺ β质交换系数，kg／hm2Pa； ε巷道壁面粗糙系数，参照表 2 和表 3 选取； τ汽化潜热，kJ⁄㎏,一般取 2501； G巷道通风时间，h； U巷道周界，m； S巷道净断面积，m2； R巷道当量半径，R0.564S,m。 表 2 巷道壁面粗糙系数 Tab.2 Roadway Surface Roughness Coefficient 粗糙壁面 支架相对尺寸 D1／D2 巷道壁面状况 d／D2 壁面相对光滑度 ∆／D1 ∆／D1≈0.03 ∆／D1≈0.05 不支护 1.00 1.65 1.75 14 1.85 2.10 2.20 7 2.00 2.20 2.30 0.06 3.5 2.15 2.40 2.05 14 2.15 2.40 2.50 7 2.30 2.50 2.60 0.09 3.5 2.50 2.65 2.75 - 4 - 14 2.40 2.70 2.85 7 2.60 2.85 2.95 0.12 3.5 2.80 3.00 3.10 注1.该表按圆形支护形式编制，若为方形支柱支护表中数据增加 8﹪； 2.光滑壁面的各种巷道ε1，对砌碹及锚喷巷道，ε暂按不支护一栏选取； 3.D1巷道净断面当量直径D1 U S4 ，m；S巷道净断面，㎡；U巷道净断面周长，m； D2支架直径，m；d支架间距，m；∆粗糙度突起高度，m；生产井取实测值，新井设计 用平均值参照表 3 选取。 表 3 新井设计用平均值参照表 Tab.3 Design of New Wells with the Average Reference Tables 粗糙度种类 ∆值（m） 光滑的管道 0.00001 展延铁 0.00008 铸铁 0.0003 粗糙木板 0.0007 抹得很光的混凝土 0.00025 未抹光的混凝土 0.0007 砖砌碹 0.0013 石头砌碹 0.008 粗糙的石头砌碹 0.020 小砾石 0.060 大砾石 0.275 2.2.2 地下热水散热地下热水散热 热容量大的地下水是强载热体，当通过某些构造通道（如断层裂隙带、急倾斜透水层 等） ，由大气降水渗入地下，被深部岩温加热后的热水承压上升或缺乏排泄通道的承压高温 水， 向上顶托渗透到地表或矿井。 这种深循环地下热水， 可以与井下风流进行强烈的热交换， 致使风流气温升高。 用水沟排放热水时的散热量 wh Q . 20.5214.65V a w tt− w A t β kJ／h ⑻ 式中 V水面上风速，m／s；可取巷道风速的 0.9 倍； w A热水散热的表面积，㎡； w t热水温度，℃； a t水沟附近巷道风流温度，℃； t β排水沟管的特征系数,明沟取 1.0；暗沟采用混凝土盖板取 0.6。 2.3 压缩热压缩热 风流沿井巷向下流动时，由于空气柱的增加，空气受到压缩会释放热量。如果认为空 气在压缩过程中与外界没有热量交换， 仅仅是由于压力增加而受到压缩， 那么就可以把这个 压缩过程看成是绝热压缩过程。 - 5 - 空气在压缩过程中释放的热量 ph Q . 9.807 3 10−M 21 ZZ− kJ／h ⑼ 式中M通过风流的质量，kg⁄h； 21,Z Z井巷起点和终点距其准面的柱高,m； 计算空气绝热压缩引起风流温度的变化 12 TT− k k1− R ZZ807. 9 21− ⑽ 式中 21,T T井巷起点和终点的绝对温度，K； k绝热指数，其数值大小随气体性质而异，空气主要由氢气和氧气组成，应视为双 原子气体，取 k1.4； R气体常数，干空气为 287J／kgK。 2.4 机电设备散热机电设备散热 矿内驱动各种机电设备的全部电力，除提高位能做功，如泵、提升机等外，最终均变 成热能，致使风流温度升高。 计算机电设备散热量 eh Q . 3600 e N 321 nnn／ e η kJ／h ⑾ 式中 e N电机额定功率，kW； 1 n同时使用系数，即同时使用的安装功率与总安装功率之比； 2 n电机容量利用系数，即最大实耗功率与安装功率之比，反应了额定功率的利用 程度； 3 n负荷系数，每小时平均实耗功率与安装功率之比，反应了负荷达到最大的负荷 的程度； e η电机效率。 井下照明设备的散热量 eh Q . ，可按下式计算 对于白炽灯 1.eh Q 3.6 e N kJ／h ⑿ 对于日光灯 2.eh Q3.6 21ee NN kJ／h ⒀ 式中 e N白炽灯的功率，W； 1e N日光灯的功率，W； 2e N日光灯整流器的功率，W；为日光灯功率的 20﹪。 2.5 氧化热和炸药爆破热氧化热和炸药爆破热 井下的煤、岩、坑木、充填材料、油、布料等能氧化发热，使井下气温升高。其中， 以煤的氧化放热量最为显著。 氧化发热量，一般采用每平方米壁面每小时氧化散热量 oh q . 的统计值进行计算，即 oh Q . qF kJ／h ⒁ 式中q单位面积氧化散热系数，kJ／m2h；可参照表 4 选取； - 6 - F氧化面积，m2；一般指井巷周边的煤岩壁表面积。 表 4 单位面积氧化散热系数 Tab.4 Coefficient of Thermal Unit Area 地 点 q kJ／m2h 裸体岩层巷道，砌碹、锚喷支护巷道 12.6～18.8 采煤工作面 54.4～62.8 煤层巷道或运煤巷道 27.2 2.6 人体散热人体散热 人体向周围环境散发的热量与湿量取决于人体的热平衡。 在人员比较集中的采、 掘工作 面可参照表 5 计算人体散热量和散湿量。 表 5 为每个成年男子从事重体力劳动时的散热量kJ ／h和散湿量g／h。 表 5 每个成年男子从事重体力劳动时的散热量 Tab.5 Each Adult Men Engaged in Heavy Physical Labour When the Heat Dissipation 环境温度℃ 名 称 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 显 热 q1 607.1 586.2 565.2 544.3 523.4502.4481.5460.6439.6 418.7 397.8 潜 热 q2 858.3 879.2 900.2 921.1 942.0963.0983.91004.81025.8 1046.7 1067.6 全 热 q 1465.4 1465.4 1465.4 1465.41465.41465.41465.41465.41465.4 1465.4 1465.4 散 湿 g 356 365 373 382 391 400 408 17 425 434 443 由表 5 可知①在相同的活动条件下，人体散发的显热量随周围环境温度升高而减少， 潜热量与散热量随周围环境温度升高而增加； ②全热量是显热量与潜热量之和， 并且人体散 热与散湿同时发生。 3. 矿内热环境危害分析矿内热环境危害分析 3.1 对人体的危害对人体的危害 在正常的环境下， 人体通过肌体调节， 维持各种正常的生理参数。 但在恶劣的热环境下， 人体会出现一系列生理功能的反常， 当负荷超过了人体的适应性限度， 人的机体受到热损伤， 就会影响人体的健康与安全。 3.1.1 对体温调节的影响对体温调节的影响 人体的热量是靠吸收的糖、 脂肪、 蛋白质和氧气在体内经过一系列的生物氧化而产生的， 且随着劳动强度的加重而成倍增加， 在产热量增高的情况下， 人体通过生理调节把多余热量 散发到外界以保持人体的热平衡。在高温高湿的恶劣情况下，一方面恶化了外部散热条件， 另一方面使体内温度调节功能紊乱，造成体内继续热量增多，破坏了体温的恒定，表 6 【4】 - 7 - 为气温对人体温度的影响。 表 6 气温对人体温度的影响 Tab.6 Temperatures on the Human Body Temperature. 空气湿球温度℃ 体温升高值量直肠 到 29 0.11～0.66 25.9～31.7 0.33～0.77 32.2～34.5 0.66～1.55 ＞34.5 1.44～1.90 3.1.2 对水盐代谢和肾脏的影响对水盐代谢和肾脏的影响 从出汗到汗液蒸发，是人体在高温下散热的主要形式。据中国医学科学院研究所测定， 广西里兰矿井下工人每班每人失水时最高达 3.85kg ,平均为 2.1kg。 出汗使大量的氧化钠、 水 流性维生素及其它矿物盐类随之排出， 人体的正常水盐代谢平衡被破坏， 不能维持细胞正常 渗压，致使出现疲乏、头昏、恶心、热痉挛以及由于皮肤大量排汗，使尿量减少，尿液浓缩 在热环境作业时，尿浓度会增加 45 倍，使肾脏负担加重，肾功能减退，容易发生病变。 3.1.3 对神经系统及心脏肠胃的影响对神经系统及心脏肠胃的影响 恶劣热环境的影响， 造成大脑皮质机能紊乱， 使大脑皮质对视丘下部血管运动中枢机能 失调，使紧缩性神经冲动占优势，以致引起周围小动脉痉挛、心率加快、血压升高。同时， 长期处在热环境中的人体，大脑皮层兴奋过程减弱，会出现动作呆板、反应迟钝及嗜睡的反 应。 为了适应热环境的改变，使血管高度扩张，血液循环加快气温28℃时，气温升高 1℃， 心率增加 10 次，加重心脏的负担，长期心肌过劳，就会发生心力衰竭。由于血管高度充血， 人体消化器官的存血量便相应减少，使消化分泌功能减退，时间长久会引起消化不良、食欲 减退及其它肠胃疾病。此外，还容易发生皮肤病、关节炎及温差变化所引起的感冒等疾病。 3.2 降低生产效率降低生产效率 矿内热环境对矿山生产效率的影响有“有形”和“无形”之分。“有形” 的影响是指恶劣的 热环境直接损害工人身心健康，特别是生产第一线的工人，因为对全矿来说，往往越是在第 一线采、掘工作面等环境越恶劣，使工人出现各种疾病，降低出勤率，影响生产效率；“无 形”的影响是指中枢神经受抑制，降低肌肉活动能力，且在热环境中作业，工人感到闷热难 受、汗流不止、心情烦躁、注意力不集中，以及机电设备在高温条件下散热困难，绝热受损 或设备温升过高而损坏，导致生产效率降低如图 2，并且容易发生生产事故。 - 8 - 图 2 等效温度与生产效率关系图 Fig.2 Equivalent temperature and the relationship of production efficiency 由图 2 可知①当等效温度由 27℃增高到 30℃时，生产效率将明显下降；②当温度为 34.5℃时，生产效率下降到等效温度为 27℃时的 25％。 4.热害的防治措施热害的防治措施 4.1 非制冷空调降温非制冷空调降温 （1）通风降温。采用通风降温的主要方法是增加风量法。增加风量可以大大降低空气 的含热量，是一种有效的降温措施。但是风量的增加不是无限制的，它受到规定的风速和降 温成本的制约。因此，为了改善通风系统，有效增加井下通风量，可采取减少风阻、防止漏 风、加大扇风机能力、采用合理分风与辅助风路通路法、利用地温预冷井下入风风流、采用 多级机站通风系统、加强通风管理等措施。据现场增风降温的经验，高温工作面的风量最低 限应为 800－1000.采场通风有多种形式， 但以能抑制采空区热气串入工作面和增加工作面有 效风量的形式对降温最为有利。采用下行通风时，矿岩运输方向与风流相同，这样能使矿岩 运输过程中放出的热量和水蒸气以及运输设备的机电设备散热等不再返回工作面， 从而大大 改善工作面入风流的空气状态。此外，新鲜风流从岩温较低的上水平进入采区，从围岩获得 的热量也相对较少。 （2）采用合理的开拓方式降温。开拓方式不同，入风线路长度不同。则风流到达工作 面的风温也不同。一般情况下，采用分区式开拓方式可以大大缩短入风线路长度，从而降低 入风流到达工作面前的温升。 3采用充填采矿法降温。采用充填采矿法有利于采场降温。这是因为减少了采空区岩 石散热的影响，同时采空区漏风量也大大降低，另外充填物还可大量吸热，可起到冷却井下 空气的作用。 4）减少热源法降温。为了有效降低工作面的温度，可以采取减少热源的方法降温。主 要包括 ①岩层热的控制。 采用隔热物质喷涂岩层， 防止围岩传热； 使巷道保持适当的干湿， 提高风速以提高空气冷却力；预冷矿层等。②机械热的控制。采取机电硐室独立通风；选择 - 9 - 辅助风扇并选择合适的位置；避免使用低效率机械等。③热水及管道热的控制。采取超前疏 排热水，并用隔热管道排至地面，或经过有隔热盖板的水沟导入水仓。将高温排水管和热压 风管敷设与回风道，或将压缩空气冷却后再送入井下。④爆破热的控制。井下采掘产生的热 量，一般在爆破后不久即由回风道排到井外，为了避免受其影响，通常采取将爆破时间与井 下人员的工作时间分开。 （5）采用个体防护措施。在职工分散的井下高温作业点，不便采取集中降温措施时， 可采用个体防护措施。 澳大利亚布里斯班的昆士兰大学研制成功两种新型冷却工作服。 其试 验结果表明，当使用水冷却工作服时，人体出汗率可减少 25；当使用空气冷却工作服时， 人体出汗率可减少 35。即使温度高达 40℃，这种工作服仍可将温度调节到适合人体的温 度。 4.2 制冷空调降温制冷空调降温 矿井空调降温是空调应用技术发展的一个新领域。 当采用非空调降温措施仍无法达到所 要求的作业环境标准或不经济时， 应考虑使用空调降温技术， 人工制冷降温是目前国内外普 遍采用的降温措施。人工制冷降温技术关键是制冷、输冷、传冷与排热，以及降温系统及其 控制 【5】 。 1制冷。制冷机按其结构特征分为离心式、螺杆式和活塞式，按对风流的冷却方式不 同又分为冷风机组和冷水机组。所谓冷水机组，就是载冷剂（或称冷水）被制冷机的蒸发器 冷却后，再输送到空气冷却器冷却风流，这样的制冷机组称为冷水机组。用蒸发器直接冷却 风流的制冷机组称为冷风机组。 由于煤矿井下空气中含有瓦斯、煤尘的可燃易爆气体，因此，要求制冷机的制冷剂必须 符合无毒、不可燃和无爆炸危险的要求。目前国内外广泛采用的制冷剂为氟利昂。这种制冷 剂虽然符合矿井下的特殊要求， 但其散放到大气中对臭氧层有破坏作用， 世界上已逐步限制 使用氟利昂制冷，2010 年后，我国将停止使用氟利昂。 2）输冷。在大范围的矿井降温工程中。制冷站制取的冷量大都通过管道用水最为制冷 剂进行制冷。在管道输冷技术中，主要解决 2 个问题，即降低供冷管道的冷量损失与降低管 道的阻力损失。鉴于井下空气湿度大，巷道中有淋水，管道敷设条件差及搬运困难的原因， 保冷材料必须由防腐（防锈）层、隔热（保冷）层、防潮层和保护层组成。 目前，国内外常用的矿用保冷材料以泡沫塑料制品为主。主要有聚苯乙烯、聚乙烯、聚 氨酯、苯酚甲醛的泡沫塑料。 利用冰块制冷。目前在南非已有试验向实际应用转化。20 世纪 80 年代初期对南非金矿 的降温系统分析表明，井深达 3000 米（其井下地热相当于我国煤矿 1500 米深的井下条件） 时，用冰块输冷较用水输冷有利。井越深，这种优点越突出。在向井下输同样的冷量时，冰 的质量、耗量约为水的 1⁄5。 （3）传冷。如何有效地将制冷设备制取的冷量传递给风流，这是矿井降温的重要环节， 目前国内外在传冷方式上主要有以下几种 ①表面式空气冷却器传冷； ②喷淋式空冷器传冷； ③其他传冷方式传冷。 （4）排热。如何有效地排除制冷机的冷凝热，是维持冷机正常运行、提高矿井降温系 统经济效益的技术关键之一。制冷机安设在地面时，排热问题比较简单，容易解决；当安设 在井下时，排热问题比较复杂，且难以解决。目前世界上许多井下大型降温系统都是利用回 风流排热。普遍认为，利用回风流排热是一种经济有效的方法。利用回风流排热的主要方式 - 10 - 有①在井下水平巷道中建立喷淋硐室；②利用井下暗立井建立垂直冷却塔；③为了适应井 下小型制冷设备的排热要求，制造出可移式水冷却器。 集中制冷降温系统分为 3 种基本类型，即地面集中、地下集中、地面和井下分别设制冷 站的联合系统。 用哪一种， 要根据矿井的具体条件， 通过技术经济分析比较和系统优化确定。 由于矿井逐步向深部延深，地温高，回风温度也高，利用回风流排热困难。因此，集中 制冷站由井下转移到地面将成为发展趋势。 5. 结论结论 文章详细分析了造成矿内热环境高温的六大热源， 指出围岩散热和机电设备散热是造成 矿内风流温度升高的最主要的热源； 并且分析了矿内热环境对人体和矿山生产的危害， 并提 出了相应的防治措施， 避免或减少矿内热环境的危害。 但文章中的有些措施在实践中运用比 较困难，还需进一步的加以改进 参考文献参考文献 [1].岑衍强,侯祺棕.矿内热环境工程[M].武汉武汉工业大学出版社,1989. [2].赵荣以,范存养,薛殿华,等.空气调节[M].北京北京建筑出版社,1986. [3].黄元平,矿井通风[M].徐州中国矿业大学出版社,2003. [4].Howard L.hartman,Mine Ventilation and Air Conditioning2nd Ed,New York,1982. [5].李莉,张人伟,王亮,等.矿井热害分析及其防治[J].煤矿现代化,2006,234-35. Mine Heat Environmental Analysis and Its Preventive Measures Yang Peng, Zhang Wei, Lei Yun College of Safety Science and Engineering, Liaoning Technical University Fuxin 123000 Abstract The paper detailed analysis of the mine caused by high-temperature environment of the six major heat sources of heat air temperature into the mine, geothermal, thermal compression, mechanical and electrical equipment, oxidation and blasting heat, the human body heat, pointed out that the surrounding rock and heat mechanical and electrical equipment Mine is the cooling temperature of the air flow inside the main heat source; and analysis of the mining environment on the human body heat production and mine hazardshealth hazards, reduce productivity, and the corresponding control measures to prevent or reduce the Mine heat the environment. However, some articles of the measures in practice more difficult the further improvement Keywords Heat Environment;High Temperature;Hazards;Working Environment 作者简介作者简介 彦鹏,男,宁夏回族自治区固原市人,生于 1987 年 4 月,现就读于辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院安全 05-1 班,已发表学术论文一篇。