矿井热害产生原因及防治措施.pdf

收稿日期２０１９－０８－１２作者简介董华（１９９０），女，河北怀安人，２０１５年毕业于辽宁工程技术大学测绘工程专业，助理工程师，现从事煤矿地质与测绘相关工作。矿井热害产生原因及防治措施董华（大同煤矿集团有限责任公司四老沟矿，山西大同０３７００３）摘要随着煤炭行业机械化程度不断提高，开采深度也随之增加，而矿井热害也对井下工作人员产生越来越大的危害，为保障工作人员身体健康以及矿井的高效生产，开展了矿井地质热害产生原因及防治措施的探究。从高温和高湿两个方面对矿井热害的产生原因、危害进行了分析，构建了井下热害事故树分析模型，并将事故分为４层５个中间事件以及１２个基础底事件，并通过最小割集原理得知模型各底事件的发生都会对井下作业良好的环境造成威胁，为现场的热害分析提供了理论依据；同时，结合现有技术和未来的发展趋势，阐述了矿井热害的防治方法，可以对矿井热害的防治提供一定的参考。关键词矿井热害；高温高湿；故障树；防治措施中图分类号ＴＤ７２７文献标志码Ｂ文章编号１６７１－７４９Ｘ（２０２０）０３－００９５－０３ＣａｕｓｅｓｏｆｍｉｎｅｈｅａｔｈａｚａｒｄａｎｄｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅｍｅａｓｕｒｅｓＤＯＮＧＨｕａ（ＳｉｌａｏｇｏｕＣｏａｌＭｉｎｅ，ＤａｔｏｎｇＣｏａｌＭｉｎｅＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｄａｔｏｎｇ０３７００３，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｔｈｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅａｎｄｍｉｎｉｎｇｄｅｐｔｈｉｎｃｏａｌｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｔｈｅｍｉｎｅｈｅａｔｈａｚａｒｄｉｓｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｈａｒｍｆｕｌｔｏｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｗｏｒｋｅｒｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｈｅａｌｔｈｏｆｔｈｅｓｔａｆｆａｎｄｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｔｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｉｎｅ，ｔｈｅｃａｕｓｅｓｏｆｔｈｅｍｉｎｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｈｅａｔｈａｚａｒｄａｎｄｔｈｅｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅｍｅａｓｕｒｅｓｗｅｒｅｅｘｐｌｏｒｅｄ．Ｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｃａｕｓｅａｎｄｈａｒｍｏｆｍｉｎｅｈｅａｔｈａｚａｒｄｆｒｏｍｔｗｏａｓｐｅｃｔｓｏｆｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｉｇｈｈｕｍｉｄｉｔｙ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｔｈｅｆａｕｌｔｔｒｅｅａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｏｆｍｉｎｅｈｅａｔｈａｚａｒｄ，ａｎｄｄｉｖｉｄｅｄｔｈｅａｃｃｉｄｅｎｔｉｎｔｏ４ｌａｙｅｒｓ，５ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｅｖｅｎｔｓａｎｄ１２ｂａｓｉｃｂｏｔｔｏｍｅｖｅｎｔｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｍｉｎｉｍｕｍｃｕｔｓｅｔ，ｉｔｉｓｋｎｏｗｎｔｈａｔｔｈｅｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｏｆｅａｃｈｂｏｔｔｏｍｅｖｅｎｔｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｗｉｌｌｃａｕｓｅａｔｈｒｅａｔｔｏｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｗｏｒｋｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｍｉｎｅｈｅａｔｈａｚａｒｄａｎａｌｙｓｉｓ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄ，ｔｈｅｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｆｍｉｎｅｈｅａｔｈａｚａｒｄｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｓｏｍｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｍｉｎｅｈｅａｔｈａｚａｒｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｍｉｎｅｈｅａｔｈａｚａｒｄ；ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｉｇｈｈｕｍｉｄｉｔｙ；ｆａｕｌｔｔｒｅｅ；ｃｏｎｔｒｏｌｍｅａｓｕｒｅｓ０引言我国煤矿生产发展趋势是机械化程度日益加强，开采深度也在不断增加，但也不断伴随着机械散热和高温地热等热害问题。矿井热害会降低作业人员工作效率，严重制约矿井经济效率，更为严重的是热害会导致作业人员身体出现脱水、失钠、血容量减少、血压增加、血液粘度增加，导致疲劳、中暑，严重时出现热痉挛、虚脱甚至死亡，也会造成身体和精神上的慢性疾病［１］。现阶段热害治理通常是通过经验进行摸索，或者单纯直接引进一些降温设备和技术［２－３］。通过研究井下热害产生的原因和不良影响，采用事故树分析法对矿井热害进行系统分析，提出了一些常用的５９第３期董华矿井热害产生原因及防治措施降温手段，并对未来的发展提出了初步的设想，以期对煤矿热害的防治提供一定的帮助。１矿井热害产生的原因１．１矿井高温产生的原因热源分类矿井内部系统中能够造成环境内温度上升的热源和因素有很多，但按照属性分为绝对热源和相对热源两类［４］。绝对热源主要指井下各类设备、电气装置、空气压缩以及矿物氧化等直接产热方式；而相对热源指热量高于环境温度，如岩层温度过高，井下热水散热，并且岩层高温是井下高温的主要原因，也是控制难点，它包含岩壁、堆积和运输中矿岩，部分矿井也有高温热水涌出。地热深井通风的主要热源是地热，它通过围岩进行热量传递，采掘将矿岩剥离暴露后，原岩的热量逐渐散失在空气中，并且放热量可以占到矿井井下热源的４８％以上。受到大气环境温度的影响，矿井岩层温度状态分为变温带、恒温带和增温带［５］。其中地热增温率可表述为ｔｉ＝ｔ０＋Ｇ（ｈｉ－ｈ０）（１）式中ｔｉ深度ｉ点的井下温度值， ℃；ｔ０地表空气温度， ℃；Ｇ温增地热梯度， ℃／ｍ；ｈ０恒温带岩层ｈ０处深度，ｍ；ｈｉ增温带中ｈ点深度，ｍ。空气压缩热矿井通风系统存在空气柱，当新鲜空气进入井下后，受空气柱压力被迫压缩，自身势能向热能转化散热，而空气压缩热会占到井下热量的１／５。经过相关测试，通常每１００ｍ空气压缩产热０．９７９Ｊ／ｋｇ，空气温增０．４℃／１００ｍ～０．５℃／１００ｍ。爆破热和氧化热爆破热指井下生产中爆破碎岩工作由爆破反应产生的剧烈放热现象，一方面热量传递到大气中，另一方面热量会先传递到岩层中再缓慢释放到环境；氧化热也是通过矿压的化学反应，即氧化放热现象，将化学能向热能转化。其他热源井下机电设备散热、围岩热、矿物矸石热、风流压缩热这４类情况普遍存在于各井工矿井，围岩热又被称为地热，主要由于矿井开采深度过大，达到了地热区域，该类问题大部分存在于我国中北部高温矿井中。而矿岩氧化热和地下热水涌出现象较少，但是地下热水也会导致矿井高温。这类情况载体流动性大，热容量也较大，同时易散热与风流进行交换。１．２矿井高湿产生的原因人体舒适度环境下相对湿度要求为５０％～６０％，而井下作业环境整体较为潮湿，通常井下作业空间内相对湿度为８０％～９０％，回风段的总回风道及回风井相对湿度多数情况下趋近饱和状态。井下空间内空气中水分来源主要是矿井水的直接蒸发，井巷壁冷凝水的再次散湿，由于降尘、钻孔冷却、水力致裂等操作的大量生产用水蒸发，各类因素下导致矿井内部湿度过大超出人体正常工作需要的相对湿度［６－９］。２矿井热害对人体的危害２．１矿井高温的危害人体正常进行体力劳动适宜环境为２０～３０℃ 范围内，当井下温度超出３０℃时构成高温环境，长期处于该环境下会导致工人的身体和精神都出现一定问题。身体方面内分泌系统紊乱，盐分、电解质出现功能性紊乱，身体机能下降；体温升高，体温调节障碍；身体大量脱水，体力劳动情况下工人排汗量能够达到１～１．２Ｌ／ｈ，每小时的排汗量达到夏季成人全天的正常排汗量，消化、泌尿、体循环、神经系统都会由于脱水、脱钠而出现紊乱，出现中暑、痉挛，长期会造成部分慢性疾病。精神方面高温环境下，人体中枢系统会处于疲劳状态，易出现系统失调，身体疲劳、无力、烦躁、精神恍惚、精神不集中，会导致人员不当操作和生产效率下降。２．２矿井高湿的危害矿井内部环境中长期超出８０％的空气相对湿度远远超出作业人员正常下舒适度要求的湿度，构成高湿环境。井下作业人员长期处在高湿环境下，人体部分正常生理功能会被打乱，对身体状态造成极大的影响。人员长期处于高湿环境下会引发大量的慢性疾病，如皮肤病、风湿、类风湿、皮肤病、消化及泌尿系统紊乱、心脏病；同时长期高湿环境会诱发人员的心理问题，长期不舒适感会导致烦躁、压抑、精神不集中、思想紊乱，严重时会导致心理疾病。３矿井热害的事故树及防治措施３．１事故树的建立事故树分析（ＦＴＡ）法作为安全系统学中最主要６９陕西煤炭２０２０年的分析方法之一，在对事故发生的整个系统内部进行危险源辨识，通过逻辑关系将系统中的危险源和各子系统相互联结，将事故发生的直接原因和因果关系直观表述出来，形成层次分明的事故树模型，并根据各子因素概率对整个系统和顶上事件进行定性分析，也可以通过事故概率进行定量分析。通过对引发热害事故的各类因素进行归类和分析，并将矿井高热、高湿超限定义为顶上事件，顶上事件称为矿井热害事故。根据分析和现场实践经验，通过整理，构建了矿井热害的事故树，如图１所示，各事件的说明见表１［１０－１２］。图１矿井热害的事故树模型表１矿井热害事故树模型的事件说明事件编号说明事件编号说明Ｔ矿井热害事故ｘ４设备功率过大Ｍ１高温事故ｘ５设备线路不合理Ｍ２高湿事故ｘ６设备散热措施差Ｍ３机电散热ｘ７热水浸流Ｍ４热水散热ｘ８热水管路不合理Ｍ５其他散热ｘ９热水疏导不合理ｘ１降尘水过量ｘ１０围岩与风流热交换ｘ２冷却水过量ｘ１１人体散热ｘ３水力致裂水过量ｘ１２煤氧化散热３．２事故树的作用事故树的作用是能够以结构化的方式清晰显示可能导致事故发生的因素之间的逻辑关系，从图１中可以看出，以矿井热害为顶事件，包含了５个中间事件和１２个底事件。各事件间互为逻辑或门关系，由此各底事件各自成为最小割集，即最小割集为｛ｘ１｝、｛ｘ２｝、爥、｛ｘ１２｝。也就是下列各事件任一发生都会导致顶上事件矿井热害事件发生，即矿井湿、热环境超出限值。在实践应用中，当分析矿井热害事故时，可依此事故树为参照，结合实际情况，分析可能出现的事故原因，为现场提供理论指导。同时也可以通过最小径集原理，将上述１２个底事件同时进行管控，会大大减少矿井热害事故发生。３．３矿井地质热害防治措施现有主要防治手段为了有效控制矿井内部高温高湿环境，常见降温措施有 ①保温隔离措施。通过对岩壁进行喷涂隔热物质形成保温层，减少围岩传热； ②减少井下设备散热。对大功率的局扇应合理布置设立位置，机电硐室应设置独立通风，调整工作面布置方式，减小不必要的风路长度； ③管道热控制。井下存在部分热水管路和热压风管，该类管路应尽量敷设在回风段，并且进行超前疏水，管路进行保温处理，导水沟盖板选用隔热材质； ④爆破热控制。井下爆破也是产热源之一，该热量应及时通过回风段排出，同时为人员安全考虑尽量与开采作业时间岔开； ⑤调节通风系统。通过调节矿井通风系统的风流速度，加快风流流速，对工作面内的空气进行冷却带离。这就需要对主扇的工作特性进行提升，并且减少整个矿井中不必要的漏风，降低整个矿井的通风风阻值； ⑥矿井通风的辅助降温。通过对进风井口进行喷水对进风进行冷却，必要时对井壁进行冻结，局部进行喷淋降温，采用压风引射器调风，利用岩层调热圈冷却巷道风流等。未来的发展趋势由于制冷技术的快速发展，同时由于利用矿井通风降温、保温隔离等方式也无法正常控制井下作业环境超标，应考虑利用局部制冷调温措施。由于井下空间需冷量范围较大，同时空间相对密闭，对设备规模，设备安全性能都有极高的要求。通常制冷包含压缩制冷、传输、散热等部分，制冷剂必须符合井下防火、防爆以及无毒要求，冷量输送介质可选用水作为载体，通过管道输送，对于深度较大矿井，必要时将冰块直接输送到井下作业面。国内外在深井开采中传冷处理上，常见方法为表面空冷式、喷淋式、吸收式等，同时制冷机的散热问题也是一个较大难点，通常利用矿井回风系统将热量带出，该方法较为经济有效，但是应注意不能超出回风温度上限。４结语通过对造成井下热害现象各类因素进行危险源辨识，认为井下热害常规源为地热、空气压缩热、爆破热、氧化热以及设备散热等，并对矿井热害对人员身体和精神的危害进行分析。在此基础上，构建了井下热害事故树分析模型，并将事（下转第１１８页）７９第３期董华矿井热害产生原因及防治措施体积，Ｖ＝Ｈ π （Ｒ２－ｒ２），ｍ；ｎ孔隙率取５％；Ｈ注浆段长度，ｍ；Ｒ井筒荒断面破碎带半径，ｍ；ｒ外层井壁外半径，取４．２ｍ、４．３ｍ； λ 浆液结石系数，一般取０．７５～０．８５。３结语孟村煤矿主井井筒工程在以上综合防治水措施的保障下，整个建井过程中未发生过任何较大的淋水现象，整个过程中总水量小于２ｍ３／ｈ，为井筒的施工创造了良好的作业条件，顺利通过了洛河组巨厚砂岩中等富水性含水层。各措施之间环环相扣、紧密连接，有效解决了复杂水文地质条件下多含水层同时向井筒渗水的问题，双层井壁之间以及外井壁与岩层之间的空隙水问题，钻孔与原始地层之间的环形空间水问题。综合防治水技术在孟村煤矿主立井井筒施工中的成功运用为整个矿区乃至全国类似条件下的井筒防治水技术提供了宝贵的经验，具有很高的推广应用价值。参考文献［１］王永政．预注浆在进风立井过含水地层施工中的应用［Ｊ］．煤，２０１６，２５（５）２３－２５．［２］杜晓刚．王庄煤矿井筒防治水工程的实践与探索［Ｊ］．煤，２０１９，２８（６）４０－４１．［３］方刚，梁向阳，黄浩，等．巴拉素井田煤层富水机理与注浆堵水技术［Ｊ］．煤炭学报，２０１９，４４（８）２４７０－２４８３．［４］赵俊峰．巴拉素煤矿立井井筒超期冻结问题分析［Ｊ］．陕西煤炭，２０１８，３７（５）１１８－１２０．［５］张红旗．卧泵排水在立井井筒施工中的应用［Ｊ］．陕西煤炭，２０１１，３０（２）７６－７７．［６］李唐山，王文献．松软围岩深立井施工涌水原因分析及治理实践［Ｊ］．矿业安全与环保，２０１１，３８（６）６７－６８，７１．［７］范华霄．预注浆和壁后注浆在立井施工防治水中的应用［Ｊ］．煤炭与化工，２０１６，３９（６）７４－７６，８１．［８］王素芳．煤矿立井井筒不同地质条件注浆防治水材料的应用［Ｊ］．采矿技术，２０１４，１４（１）５３－５５．［９］梁智鹏，程子厚，袁帅．割孔注浆技术在西部全深冻结立井防治水中的应用［Ｊ］．煤矿安全，２０１８，４９（４）１２８－１３１．［１０］王鹏越．超大直径深立井施工技术发展及展望［Ｊ］．煤炭工程，２０１８，５０（６）４７－５０．［１１］赵健，张鹏，赵明．长平煤矿回风立井施工及综合防治水技术［Ｊ］．煤炭技术，２０１７，３６（２）３８－４０．［１２］孙丙山，张跃，朱洪利，等．站街煤矿立井井筒施工综合防治水技术［Ｊ］．煤炭技术，２０１４，３３（７）２４８－２５０．［１３］赵强，谢冬季，龚炳江．胡家河煤矿主井井筒快速施工技术［Ｊ］．煤炭工程，２００９，４１（７）檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪３９－４１．（上接第９７页）故分为４层５个中间事件以及１２个基础底事件，并通过最小割集原理得知模型各底事件的发生都会对井下作业环境造成威胁。事故树的建立可以为煤矿实践工作提供指导，提高事故分析的效率。同时，分析总结了常用的矿井热害防治手段，并对未来的防治方法进行阐述，可以对矿井热害的防治提供一定的参考。参考文献［１］余恒昌．矿山地热与热害治理［Ｍ］．北京煤炭工业出版社，１９９１．［２］陈安国．矿井热害产生的原因、危害及防治措施［Ｊ］．中国安全科学学报，２００４，１４（８）３－６．［３］张晓明，李丽峰，王志光．煤矿井下热害分析与风流温度预测［Ｊ］．辽宁工程技术大学学报（自然科学版），２０１２，３１（６）８２６－８２８．［４］杨德源，杨天鸿．京冶金工业出版社，２００９．［５］闫洪远．韦家沟煤矿热害防治技术分析［Ｊ］．煤矿机械，２０１９，４０（２）５５－５６．［６］苗磊刚．淮南矿区矿井热源分析与综合防治［Ｊ］．陕西煤炭，２０１２，３１（５）７１－７３．［７］欧聪颖，刘何清．深部矿井热环境评价指标研究［Ｊ］．采矿技术，２０１９，１９（３）９０－９３．［８］苗德俊，王红艳，于超．热害矿井自动控制移动降温室技术研究［Ｊ］．煤炭技术，２０１８，３７（３）１３９－１４１．［９］王燕华．矿井热害产生原因及防治措施［Ｊ］．现代矿业，２０１９，３５（７）２７４－２７５，２７７．［１０］张烁．矿井热害事故树的建立及风温预测［Ｊ］．陕西煤炭，２０１８，３７（４）３９－４２．［１１］穆丹．基于系统工程理论矿井热害危险源辨识与评价研究［Ｄ］．阜新辽宁工程技术大学，２００６．［１２］杨青．事故树分析法在采煤工作面热害分析中的应用［Ｊ］．现代矿业，２０１６，３２（２）１５６－１５８．８１１陕西煤炭２０２０年矿井热环境及其控制［Ｍ］．北