矿井热害及其防治技术（西安科技大学）.ppt

矿井热害及其防治技术,2009年7月1日●西安,姬长发西安科技大学,主要内容,,1、深井热害及其危害2、我国深井热害现状及分析3、深井热害成因及机理研究4、深井热害的辨识和预测方法5、深井热害防治技术分析,2.1我国深井热害基本情况表,2、我国深井热害现状及分析,通过各种手段和方法在对热害矿井分布情况进行调研，共掌握了近30余热害矿井的情况，主要分布在安徽、山东、河南、江苏及河北等省份，矿井类型以煤矿为主，涉及铜矿及铁矿。在对热害矿井简况整理过程中因热害参数涉及较多，只是针对矿井所在地、矿井的设计年生产能力、矿井的水平、原岩温度、平均温度梯度、井下采掘面平均温度、井下最高温度、产生热害的等主要参数进行了整理。,深井热害基本情况调查表,深井热害基本情况调查表（续）,2、我国深井热害现状及分析,1.2我国深井热害现状,1、我国深井热害现状及分析,1.2.1开采深度不断加大，原始岩石温升高我国煤矿平均开采深度为1980年288m，1995年已达428m，目前采用立井开拓的矿井，其大约550m，且以每年8～12m的速度向下延伸。开采深度超过1000m的矿井己有数十对。比如徐州夹河煤矿、冬瓜山铜矿达1100ｍ，弓长岭铁矿开拓深度达1000ｍ，夹皮沟金矿达1200ｍ等，另外，徐州的张小楼矿、义安矿、平顶山五矿、十矿、山东淄博的唐口矿、兖州的东滩矿、新汶的孙村矿、安徽淮南的刘庄矿、河北邯郸的梧桐庄矿等的开采深度都已接近或超过1000m。全国开采深度超过700m的矿井近100处，开采深度超过700m的矿井其原岩温度大都超过35℃、接近40℃，最高的有接近50℃。地温梯度也都接近或超过3℃/100m,最大的达到近5℃/100m。,2、我国深井热害现状及分析,2.2.2热害矿井数量、范围扩大我国矿井热害在矿井数量和地域性上都在不断扩大。主要便现在（1）出现热害的矿区多山东的淄博、新汶、兖州、枣庄、济宁、巨野矿区；河南的平顶山矿区、新郑矿区、禹州梁北一号井田、永城矿区；江苏的徐矿集团、大屯煤电（集团）、连云港市白集矿；辽宁的沈阳、北票矿区；河北的邯郸；重庆永荣矿业有限公司永川煤矿；安徽的淮南、铜陵矿区；江西的丰城矿区；云南的新平大红山；湖南郴州铀矿。,1、我国深井热害现状及分析,（2）出现的地区多目前有山东、河南、安徽、江苏、河北、辽宁、吉林、云南、江西、重庆、浙江、湖南20多个省（自治区）市的矿井出现不同程度的热害。比较突出的有山东、河南、江苏、河北、东北、安徽等（3）矿区内出现的矿井数量多过去热害比较严重的矿区，近年来热害矿井在不断增多，过去没有热害的矿井现在出现了热害，过去有热害的矿井现在变得愈加严重。（4）传统热害矿井热害严重程度加大主要表现在随着深水平的开采出现热害的工作面增多和工作面温度升高。2.2.3深井热害行业分布我国深井热害主要分布在煤炭行业与非煤矿山开采行业。煤炭行业有平顶山煤业、兖矿煤业、新汶煤业、徐州煤业集团等；非煤矿山开采业有云南的新平大红山（铜、铁等），安徽铜陵冬瓜山、辽宁弓长岭铁矿,吉林夹皮沟金矿、湖南郴州铀矿等。煤炭行业是我国热害最严重的行业。,2.3我国深井热害原因分析,2、我国深井热害现状及分析,2.3.1主要影响因素通过对深井热害的形成原因进行分析，其主要原因有以下8种1）矿井地面气侯的影响2）空气向下流动压缩放热的影响3）机电设备放热的影响4）井下围岩的散热（即原温度过高）的影响5）地下水和地质构造的影响6）氧化热和爆破热的影响；7）运输中的煤岩散热的影响；8）人体散热的影响。,2、我国深井热害现状及分析,2.3.2不同因素对热害形成影响的程度,据调研，上述各种影响因素在不同热害矿井中所起的作用不同，由于不同的煤矿所在地区的地质构造大不相同，岩层结构、性质也有很大差别。这些因素对风温的影响程度，没有统一的、一致的具体数据和比例来描述，不同的矿、不同的地点，结果亦不相同。对于具体的矿井、具体的地点可以对各热源的影响程度进行比较准确的描述。但总体来看，对于我国深井从广义上来讲，地温影响要占到约40以上，我国矿井的开采深度主要集中在500～800m部分矿井已经到1000m，井下气温集中在30℃，导致矿井温度过高的主要原因是由于围岩温度过高，围岩通过热传导和热辐射的方式把热量传递给壁面风流，壁面风流通过对流的方式把热量传递给巷道风流。其次是机电设备散热。,2、我国深井热害现状及分析,注表中“√√”表示主要原因，“√”表示一般原因,部分矿井各因素对热害影响程度,以山东莱芜潘西煤矿井下热害影响大小为例，如图。清楚地看到造成热害的主要因素是原岩散热、机电设备散热和热水散热，这三项之和在总热量中的比例占到79，其他因素虽影响不大，却不可忽视。,2、我国深井热害现状及分析,2.4我国深井热害及其防治的发展趋势,2、我国深井热害现状及分析,1）开采深度不断加大，原始岩石温升高；2）地域性扩大；行业领域扩大；3）出现热害的矿区多，矿区内出现的矿井数量多；4）传统热害矿井热害严重程度加大；5）大型人工制冷降温措施将普遍使用；6）深井热害理论研究不断加强；7）深井热害防治新技术将不断涌现；8）矿井降温设计（负荷计算、设备选型等）方法和手段逐渐成熟,2.5矿工的热舒适性分析2.5.1矿井热环境的影响因素2.5.2矿工热平衡方程和热舒适方程2.5.3矿工热舒适性评价方法,矿井热环境的影响因素,建筑热环境的主要影响因素1.空气温度2.空气流速3.相对湿度4.环境平均辐射温度,矿井热环境的影响因素特点1.热害矿井空气温度较高2.流速一般在2到4m/s之间3.平均相对湿度均在90以上4.矿井环境平均辐射温度随开采深度的增加而增加,矿工热平衡方程和热舒适方程,根据热力学第一定律，如果将人体看作一个系统，系统所获得的能量减去系统所失去的能量等于系统的能量积累。人体与矿井热环境的热平衡方程式为其中，S表示人体的蓄热量，代表人体人体新陈代谢量M与自身所完成的机械功W，人体与环境的辐射热交换R、对流热交换C以及人体蒸发散热量E的差值。,,⑴新陈代谢量⑵做功量通常认为辐射换热R与对流换热C都属于显热交换，则3、4可合并计算⑸人体蒸发散热量,,,,,矿工热平衡方程矿工热舒适方程矿工热舒适有3个基本条件⑴人体蓄热量S0。⑵平均皮肤温度≤35.7℃。⑶皮肤湿度≤50。根据以上基本条件，结合矿工热平衡方程得出,,,,,,矿工热舒适性评价方法,建筑热环境的评价方法（PMV-PPD）PMV热感觉尺度,PMV与PPD的关系图,,PPD,0,1,2,矿井环境的热舒适性评价方法,矿井环境下的热感觉,矿工热舒适性主观评价图,2.1引起深井温度变化各因素参数计算,2、深井热害成因及机理研究,1）空气自压缩放热；,,其中n为多变指数，对于等温过程，n1，对于绝热过程，n1.4；g为重力加速度，9.8m/s2;R为普氏气体常数，对于干空气，R287J/kgK。在绝热情况下，n1.4，则上式可简化为,,3、深井热害成因及机理研究,,2）井下围岩的散热对空气温度的影响在井下，井巷围岩里的传导传热是个不稳定的传热过程，即使是在井巷壁面温度保持不变的情况下，由于岩体本身就是热源，所以自围岩深处向外传导的热量值也随时间而变化。随着时间的推移，被冷却的岩体逐渐扩大，因而需要从围岩的更深处将热量传递出来。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。由于地质和生产上的原因，围岩向风流的传热是一个非常复杂的过程，计算也非常烦琐，不同的学者提出了不同的计算方法，为了使理论计算成为可能，一般要进行下列假设1）井巷的围岩是均质且各向同性的。2）在分析开始时，岩石温度是均一的，且等于该处岩石的原始岩温。3）巷道的横断面积是圆形的，且热流流向均为径向。4）在整条巷道壁面，换热条件是一样的；在其周长上，换热条件也是一样的。5）在所分析的巷道段里，空气的温度是恒定不变的。,,3、深井热害成因及机理研究,,当上述5条假设条件均能够满足时，则单位长度巷道的围岩热流量可用下式进行计算,,,式中q单位长度巷道的围岩所传递的热流量，W/mλ为围岩的导热率，w/m*K；ty围岩的原始岩温度，℃；tb巷道壁面的温度，℃；Fo傅立叶数，考虑到巷道通风时间、巷道形状以及围岩特性的时间系数，可用傅立叶数来描述,,其详细介绍见报告,3、深井热害成因及机理研究,,3）地表大气状态变化对井下气温的影响地面空气温度直接影响矿内空气温度。尤其对浅井，影响就更为显著。地面空气温度在一年之中，随着季节的变化发生周期性的变化，即使一昼夜的气温，也随着时间发生周期性变化。地面空气温度的变化对于每一天都是随机的，但遵循一定的统计规律，这种规律可以近似地以正弦曲线表示,,,式中t0为地面年平均气温，℃；φ0为周期变化函数的初相位，rad；A0为地面气温年波动振幅（℃）,3、深井热害成因及机理研究,,4）机电设备散热目前我国井下所使用的能源,几乎全部采用的是电源,压缩空气及内燃机的使用量都很少。机电设备所消耗的能量除了部份用以做有用功处,其余全部转换为热能并散发到周围的介质中去。井下机电设备主要有采掘机械、提升运输设备、扇风机、电机车、变压器、水泵、照明设备。,,,此处Ni为电机的额定功率，kw；n为机电设备的台数。,其它各因素的计算详见报告,3.2围岩的热物性及其传热特性,3、深井热害成因及机理研究,3.2.1围岩的传热特性,,1）井巷围岩调热圈岩体在未开掘巷道前，各点温度都处于平衡状态，保持原始岩温。当开掘巷道通风后瞬间起，这种热平衡状态遭到破坏，围岩由于与风温存在温差，岩体从深部向巷壁产生热移动，围岩内各点的温度将随风流流动而递减，但距井巷中心某一距离的围岩深部，围岩仍保持着原来的原始温度，未受通风温度的影响，我们把未受通风温度影响的边界，即原始岩温等温线所包围的范围称为井巷岩温调热圈，又称冷却带，调热圈内的温度分布称为调热圈温度场。因巷道形状、热交换状况的不同而并不相等，受大地热流方向性的影响，一般巷道底部等温线比巷道上方密集，调热圈起着缓冲作用,它使岩体内的巨大热量不是突然而是渐渐地散放给气流。,,3.2围岩的热物性及其传热特性,3、深井热害成因及机理研究,3.2.1围岩的传热特性,,1）井巷围岩调热圈岩体在未开掘巷道前，各点温度都处于平衡状态，保持原始岩温。当开掘巷道通风后瞬间起，这种热平衡状态遭到破坏，围岩由于与风温存在温差，岩体从深部向巷壁产生热移动，围岩内各点的温度将随风流流动而递减，但距井巷中心某一距离的围岩深部，围岩仍保持着原来的原始温度，未受通风温度的影响，我们把未受通风温度影响的边界，即原始岩温等温线所包围的范围称为井巷岩温调热圈，又称冷却带，调热圈内的温度分布称为调热圈温度场。因巷道形状、热交换状况的不同而并不相等，受大地热流方向性的影响，一般巷道底部等温线比巷道上方密集，调热圈起着缓冲作用,它使岩体内的巨大热量不是突然而是渐渐地散放给气流。,,3.2围岩的热物性及其传热特性,3、深井热害成因及机理研究,3.2.1围岩的传热特性,,1）井巷围岩调热圈岩体在未开掘巷道前，各点温度都处于平衡状态，保持原始岩温。当开掘巷道通风后瞬间起，这种热平衡状态遭到破坏，围岩由于与风温存在温差，岩体从深部向巷壁产生热移动，围岩内各点的温度将随风流流动而递减，但距井巷中心某一距离的围岩深部，围岩仍保持着原来的原始温度，未受通风温度的影响，我们把未受通风温度影响的边界，即原始岩温等温线所包围的范围称为井巷岩温调热圈，又称冷却带，调热圈内的温度分布称为调热圈温度场。因巷道形状、热交换状况的不同而并不相等，受大地热流方向性的影响，一般巷道底部等温线比巷道上方密集，调热圈起着缓冲作用,它使岩体内的巨大热量不是突然而是渐渐地散放给气流。,,3.2围岩的热物性及其传热特性,3、深井热害成因及机理研究,3.2.1围岩的传热特性,,2）井巷围岩调热圈温度场的确定如图，开掘巷道瞬间，岩体内各处温度都等于原始岩温tyI线，当恒定温度tataty的空气通过后，岩热就开始流向巷道。在τ1时刻内，壁温成tb,岩体内的温度分布线成Ⅱ。随着时刻的继续增加τ1→τ2→τ3，温度分布线便成Ⅲ、Ⅳ，壁温也如图所示不断接近风温，即limtb→ta,但严格地说，tb永远不会绝对等于ta。当壁温极为接近风温后，调热圈扩展到Ⅴ线，抵达相对稳定的调热圈最大半径。,,3、深井热害成因及机理研究,3.2.2影响区域地温场的主要因素分析,,1）不同岩性对区域地温场的影响2岩浆活动对地温场的影响3地下水活动对地温场的影响①下行水流对围岩温度的影响②深循环上升地下水的影响4地下水通道及其周围温度场的特征,,4.1矿井热害热力参数预测模型,4、深井热害的辨识和预测方法,4.1.1通风网络内风温计算中的基本假设,,因为巷道围岩与风流热交换是一个复杂的过程，在热交换过程中又受到各种因素的影响，因此，完全在真实的情况下来建立数学模型，是非常困难的，而且也几乎是不可能的，所以，根据研究的需要，将实际问题变成数学问题，对巷道围岩与风流的热交换做出一定的假设。1）巷道形状的假定可以假定围岩在巷道断面各个方向的传热使均匀的。热流流向均为径向。巷道形状可以简化为圆形巷道。,,4、深井热害的辨识和预测方法,,2）巷道围岩均质且各向同性在建立热传导方程时，就某一地区，某一种类，某一深度的岩石假定为均质且各向同性的。3）初始温度等于原始岩温假定原始岩温在某一具体开拓巷道的位置是均一的。而且在巷道开掘后，在通风前，围岩与风流热交换的初始温度等于岩石的原始岩温。4）巷道围岩壁面换热条件的一致性巷道围岩壁面由于支护方式的不同，其壁面换热条件也是不一样的。为了解决问题的方便，可以假定在某一条巷道的壁面及周长上，其热交换的条件也是一样的。5）巷道内流动空气恒温巷道内的空气是流动着的、其风流温度也是不断地变化着的。但是，对于某一段时间内，可以认为在所研究的巷道里空气的温度是恒定不变的。6）围岩传递的热量完全传给风流巷道围岩内部传导到围岩壁面的热量不一定完全传给风流，如果巷道围岩内部有裂隙或者渗水，将会带走一部分热量。有时巷道内为了除尘而采用喷水的方法，水温升高和水分蒸发也吸收一些热量。因此，完全考虑各种因素的影响，将会使问题更加复杂化。因此，可以假定在某一所研究的巷道内，不考虑风流以外的因素吸收的热量，仅认为围岩传递的热量完全传给风流。,,4、深井热害的辨识和预测方法,4.1.2矿井通风网路风温计算及预测的数学模型,,1）不考虑风流湿度变化的风温计算模型2）包括空气湿度变化在内的风温计算模型3）交叉点（节点）风流混合过程计算4自然风压的计算详细的推导过程及结果见报告,,4、深井热害的辨识和预测方法,4.1.3矿井主要通风巷道热力参数预测的数学模型,,1）入风井筒的风温预测计算2）采煤工作面风温预测3）掘进工作面风温预测详细的推导过程及结果见报告,,4、深井热害的辨识和预测方法,4.1.4矿井风温预测程序设计,,1）矿井热力参数计算及预测的方法上面介绍了用于矿井通风网络内的风流温度和一些特别巷道风温计算机预测的数学模型。但对于一个具体的矿井来说，由于线路长、巷道分支多，系统十分复杂，因此，矿井通风系统的模拟计算及风温计算要求对矿井风流建立起以质量守恒、能量守恒为中心的控制方程，其中风流与围岩间的热量交换作为能量守恒内容加以考虑。计算通常由大气节点开始，每一节点处的风流参数决定了节点下风侧巷道如风流的边界条件。同理，出巷道的风流的参数提供了节点处风流混合计算的必要数据，交错使用对节点和风道的计算构成了完成整个网络温度分布计算的基本方法。风网中空气热力参数（分支始末节点的空气压力、温度、湿度）确定方法如下①风网中分支始节点空气压力无论是与分支串联的节点还是风流汇合的或风流分风的节点相关的分支，后一分支始点的气压等于前一分支末点的气压。,,4、深井热害的辨识和预测方法,,②分支始节点的风温计含湿量依照平衡原理确定A．串联分支节点与这样节点相关的前后两分支间，再无其他分支相交，前一分支末点气温即为后一分支始点的气温；前一分支末点含湿量即为后一分支始点的含湿量。B．风流分风节点与分风节点关联的分支中，风流流向节点的分支末端气温等于流出节点各分支的始点气温；风流分风节点风流流向节点的分支末端含湿量等于流出节点各分支的始点含湿量。C．风流汇合节点风流流出节点的分支始点气温、含湿量是受到流入节点各分支末点气温、含湿量的综合影响。可以式（4.23）原理计算。③自然风压自然风压反映了风流流经矿井通风系统时热能向风流机械能的转化，在矿井通风条件下，风流温度分布是自然风压变化的主要控制因素，这就需要根据风流与外界的热交换、水的蒸发与凝结、空气绝热上升或下降等计算风流温度分布及其变化，从而得到自然风压。计算方法由式4.30至式4.32来完成。,,4、深井热害的辨识和预测方法,,2）矿井通风网路的解算网路解算通常是指在已知通风网路结构特征数据的基础上，由一组已知风阻或风量/风压关系式求解系统内风量分配的过程。其基本控制方程为风流连续性方程（节点方程）、能量守恒方程（网孔方程）及风道通风特性方程，由于这是一组非线性方程，没有直接求解的通用方法，因此解算的关键就在于方程组的线性化。这里采用的通风网路解算程序与其它程序相比，采用了下面有特点的技巧①尽可能将风阻与风量乘积绝对值大的风道选作独立网孔的余树弦，而不是以风阻大小作为选择余树弦的标准。②在进行若干次迭代计算后未达到收敛精度要求时，则重新组成网孔进行计算③在形成通风系统最小树及组成网孔中，采用美国格茹尔教授的顺序成树、一次组孔的方法，大大降低了复杂网路中网孔组成的计算量。,,4、深井热害的辨识和预测方法,,3）程序的基本组成及各部分的功能程序包括数据的输入（矿井特征参数、基础参数、热力参数输入）、矿井通风网路的解算、矿井气候条件（风温分布等）的计算、降温效果分析计算、结果输出。各部分的主要功能数据输入数据库建立、输入和修改数据输入文件。矿井通风网路解算依据输入的相关数据进行网路平衡计算，主要计算结果包括通风系统的风量分配、压降、风机工况点以及各节点的压能值。气候条件（风温分布等）计算对于风流与围岩的热交换进行计算，进而对全矿的温度分布及自然风压分布做出全面预测，并对这一气候条件下的风量分配做出准确计算。该功能主要用于大气条件、围岩放热对井下通风的影响以及风流温度、湿度的预测和降温设计。主要计算结果包括各风道平均温度及始、末点的风流温度等。降温效果分析计算对降温方案采取后矿井通风系统参数进行计算。即对矿井热源（机械散热、空调机组冷凝器散热等）或空气降温站（降温通风、水幕等）所引起的通风参数变化做出计算。用于矿井降温通风、进风风流预热通风计算中。,,4、深井热害的辨识和预测方法,,4）程序框图,,4.2矿井极限开采深度的确定,4、深井热害的辨识和预测方法,4.2.1矿井气候条件国家标准煤矿安全规程规定进风井口以下的空气温度必须在2℃以上。采掘工作面空气温度不得超过26℃，机电设备硐室空气温度不得超过30℃；当空气温度超过时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇。采掘工作面空气温度不得超过30℃，机电设备硐室空气温度不得超过34℃；必须停止作业。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。煤炭资源地质勘探地温测量若干规定指出平均地温梯度不超过3℃/100m的地区为地温正常区;超过3℃/100m为高温异常区。同时还指出,原始岩温高于31℃的地区为一级热害区,原始岩温高于37℃的地区为二级热害区。,,,4.2.2矿井可开采深度的计算方法无人工制冷时的极限开采深度的计算公式,,5.1深井热害防治常用的方法,5、深井热害防治技术分析,5.1.1蒸汽压缩式制冷水降温技术1）井下集中式空调系统2）地面集中式空调系统3）井上下联合的混合空调系统4）井下局部空调系统5.1.2空气压缩制冷降温技术5.1.3制冰冰冷却空调系统1）冰的制备2）冰的输送3）冰的融解,,,5.2高温矿井中冷负荷的计算,5、深井热害防治技术分析,5.2.1围岩放热形成的冷负荷5.2.2矿内热水放热形成的冷负荷5.2.3机电设备散热形成的冷负荷5.2.4运输中煤炭及研石的散热5.2.5人体散热量,,,5.3矿井降温经济性分析,2.4培养研究生及论文情况,5.存在问题及解决方法,谢谢请各位专家批评指正,