矿井热害防治(矿井灾害防治系列)
矿井热害防治
矿内高温、高湿环境严重影响井下作业人员的身体健康和生产效率,已形成了煤矿的一类新的灾害——热害。热害已逐渐成为与瓦斯、煤尘、顶板、火、水一样需要认真处理的煤矿井下自然灾害之一。
一、矿井热源
矿井主要热源大致分为以下几类:
1.地表大气
井下的风流是从地表流入的,因而地表大气温度、湿度与气压的日变化和季节性变化势必影响到井下。
地表大气温度在一昼夜内的波动称为气温的日变化,它是由地球每天接受太阳辐射热量和散发的热量变化造成的。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或散热作用,使风温和巷壁温度达到平衡,井下空气温度变化的幅度也逐渐地衰减。因此,在采掘工作面上,基本上察觉不到风温的日变化情况。当地表大气温度发生持续数日的变化时,这种变化才能在采掘工作面上察觉到。
地表大气的温、湿度的季节性变化对井下气候的影响要比日变化大得多。研究表明,在给定风量的条件下,无论是日变化还是季节性变化,气候参量的变化率均与其流经的井巷距离成正比,与井巷的截面积成反比。
地面空气温度直接影响矿内空气温度,尤其对于浅井,影响就更为显著。地面空气温度发生着年变化、季节变化和昼夜变化。
地面气温周期性变化,使矿井进风路线上的气温也相应地周期性变化,井下气温的变化要稍微滞后于地面气温的变化。
2.流体自压缩(或膨胀)
严格来说,流体的自压缩并不是一个热源,它是空气在重力作用下位能转换为焓时出现的温度升高现象。由于在矿井的通风与空调中,流体的自压缩温升对井下风流的参量具有较大影响。
矿井深度的变化,使空气受到的压力状态也随之而改变，当风流沿井巷向下(或向上)流动时,空气的压力值增大(或减小)。空气的压缩(或膨胀)会放热(或吸热),从而使风流温度升高(或降低)。
3.围岩散热
当流经井巷的风流温度不同于岩温时,就要产生换热,即使是在不太深的矿井里,岩温往往也比风温高,因而热流一般是从围岩传给风流。在深井里,这种热流是很大的,甚至超过其他热源的热流量之和。
围岩向井巷表面传热的途径有两个:一是通过热传导自岩体深处向井巷表面传热;二是经裂隙水将热量带到井巷。
井下未被扰动的岩石的温度(原岩温度)随着距地表的距离加大而上升,原岩温度的具体数值取决于地温梯度与埋藏深度。在大多数情况下,围岩主要以传导方式将热传给巷壁。
在井下,井巷围岩里的热传导是非稳态过程,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。
4.运输中煤炭及矸石的散热
运输中的煤炭以及矸石的散热量,实质上是围岩散热的另一种表现形式,其中以在连续式输送机上的煤炭的散热量最大,致使其周围风流的温度上升。
实测表明,在高产工作面的长距离运输巷道里,煤岩散热量可达230kW或更高一些
另外,由于酒水抑尘,致使输送机上的煤炭及石总是潮湿的,所以其显热交换同时总伴随着潜热交换。大型现代化采区的测试表明,风流的显热增量仅为风流的总得热量的15%~20%,而由于风流中水蒸气含量增大引起的潜热交换量约占风流的总得热量的80%-90%,即运输煤炭及矸石所散发出来的热量中,煤炭及矸石中的水分蒸发散热量在风流总得热量中的比重很大。
随着机械化程度的提高,煤矿中采掘工作面机械的装机
容量急剧增大。机电设备所消耗的能量除了部分用以做有用功外,其余全部转换为热能并散发到周围的介质中去。回采机械的放热是工作面气候恶化的主要原因之一,能使风流温度上升5-6℃。
6.自燃氧化物散热
煤炭的氧化放热是一个相当复杂的问题,很难将煤矿井下氧化放热量同井巷围岩的散热量区分开来。实测表明,在正常情况下,一个采煤工作面的煤炭氧化放热量很少能超过30kW,所以不会对采面的气候条件产生显著的影响。但是当煤层或其顶板中含有大量的硫化铁时,其氧化放热量可能达到相当可观的程度。
7.热水
对于大量涌水的矿井,涌水可能使井下气候条件变得异常恶劣,我国湖南的711铀矿和江苏的韦岗铁矿就曾因井下涌出大量热水,迫使采矿作业无法安全、持续地进行,经采用超前疏干后,生产才得以恢复。因而在有热水涌出的矿井里,应根据具体的情况,采取超前疏干、阻堵、疏导等措施,或者使用加盖板水沟排出,杜绝热水在井巷里漫流。
在一般情况下,涌水的水温是比较稳定的,在岩溶地区,涌水的温度一般同该地区初始岩温相差不大。如在广西合山里兰煤矿,其顶、底板均为石灰岩,煤层顶板的涌水量较当地初始岩温低1-2℃;底板涌水温度约较当地初始岩温高1-2℃。
如果涌水是来自或流经地质异常地带的话,水温可能升高,甚至可达80-90℃。
8.人员放热
井下工作人员的放热量主要取决于他们所从事工作的繁重程度以及持续工作的时间。一般煤矿工作人员的能量代谢产生热量为:体息时每人的散热量为90-15W;轻度体力劳动时每人的散热量为250W;中等体力劳动时每人的散热量为275W;繁重体力劳动时(短时间内)每人的散热量为470W。
二、矿井热害防治技术措施
(一)通风降温
1.合理的通风系统
按照矿井地质条件、开拓方式等选择进风风路最短的通风系统,可以减少风流沿途吸热,降低风流温升。在一般情况下,对角式通风系统的降温效果要比中央式好。
2.改善通风条件
增加风量,提高风速,可以使巷道壁对空气的对流散热量增加,风流带走的热量随之增加,而单位体积的空气吸收的热量随之减少,使气温下降。与此同时,巷道围岩的冷却圈形成的速度又得到加快,有利于气温缓慢升高。适当加大工作面的风速,还有利于人体对流散热。
在可能的条件下,可以采用采煤工作面下行风流,使工作面运煤方向和风流方向相同和缩短工作面的进风路线等措
施。实践证明,采用这些措施,有利于降低工作面的气温。
另外,采煤工作面的通风方式也影响气温。在相同的地质条件下,由于W型通风方式比和Y型能增加工作面的风量,所以降温效果较好。
3.调热巷道通风
利用调热巷道通风一般有两种方式:一种是在冬季将低于摄氏零度的空气由专用进风道通过浅水平巷道调热后再进入正式进风系统。在专用风道中应尽量使巷道围岩形成强冷却圈若断面许可还可洒水结冰,储存冷量。当风温向零度回升时,即予关闭,待到夏季再启用淮南九龙岗矿曾利用-240m水平的旧巷作为调热巷道,冬季储冷,春季封闭,夏季使用总进风量的一部分被冷却,使-540m水平井底车场降温2℃。另外一种方式是利用开在恒温带里的浅风巷作调温巷道。
4.其他通风降温措施
采用下行风对于降低采煤工作面的气温有比较明显的作用，对于发热量较大的机电硐室,应有独立的回风路线,以便把机电设备所产生热量直接导人采区的回风流中。
在局部地点使用水力引射器或压缩空气引射器,或使用小型局部通风机,以增加该点风速也可起降温的作用。向风流喷洒低于空气湿球温度的冷水也可降低气温，水温越低效果越好
(二)矿内冰冷降温
矿井降温系统一般分为冰冷降温系统和空调制冷降温系统,其中,空调制冷降温系统为水冷却系统。所谓冰冷降温系统,就是利用地面制冰厂制取的粒状冰或泥状冰,通过风力或水力输送至井下的融冰装置,在融冰装置内,冰与井下空调回水直接换热,使空调回水的温度降低。20世纪80年代中后期,在南非的一些金矿开始采用冰冷系统进行井下降温。例如,年,南非东兰德矿山控股公司在梅里普鲁特一号井建成了冰冷系统,冷却功率为29MW。冰冷降温对深井降温效果明显
(三)矿内空调的应用
目前国内外常见的冷冻水供冷、空冷器冷却风流的矿井集中空调系统的基本结构模式如图3-10所示。如图310所示,矿井集中空调系统是由制冷、输冷、传冷和排热四个环节所组成。由这四个环节的不同组合,便构成了不同的矿井空调系统。这种矿井空调系统,若按制冷站所处的位置不同来分,可以分为以下三种基本类型:
1. 地面集中式空调系统
地面集中式空调系统将制冷站设置在地面,冷凝热也在地面排放,而在井下设置高低压换热器将一次高压冷冻水转换成二次低压冷冻水,最后在用风地点上用空冷器冷却风流。
这种空调系统还可有另外两种形式:一种是集中冷却矿
井总进风,在用风地点上空调效果不好,而且经济性较差;另一种是在用风地点上采用高压空冷器,这种形式安全性较差。实际上后两种形式在深井中都不可采用。
地面集中式空调系统的优点是：
(1)厂房施工、设备安装、维护、管理方便
(2)可用一般型制冷设备,安全可靠
(3)冷凝热排放方便
(4)冷量便于调节
(5)无需在井下开凿大断面硐室
(6)冬季可用天然冷源。
地面集中式空调系统的缺点是：
(1)高压载冷剂处理困难
(2)供冷管道长,冷损大
(3)需在井筒中安装大直径管道
(4)空调系统复杂。
2.井下集中式空调系统
井下集中式空调系统如按冷凝热排放地点分又可分为以下两种不同的布置形式：
(1)制冷站设置在井下,并利用井下回风流排热。这种布置形式优点是:系统比软简单,冷量调节方便,供冷管道短,无高压冷水系统;缺点是:由于井下回风量有限,当矿并需冷量较大时,井下有限的回风量就无法将制冷机排出的冷凝热
全部带走,致使冷凝热排放困难,冷凝温度上升,制冷机效率降低,制约了矿井制冷能力的提高。由上述优缺点可知这种布置形式只适用于需冷量不太大的矿井
(2)制冷站设在井下,冷凝热在地面排放。这种布置形式虽可提高冷凝热的排放能力但需在冷却水系统增设一个高低压换热器,系统比较复杂。
井下集中式空调系统的优点是：
(1)供冷管道短、冷损少；
(2)无高压冷水系统；
(3)可利用矿井水或回风流排热；
(4)供冷系统简单,冷量调节方便。
井下集中式空调系统缺点是：
(1)井下要开凿大断面的硐室；
(2)对制冷设备要求严格；
(3)设备安装、管理和维护不方便。
3.井上、下联合式空调系统
这种布置形式是在地面和井下同时设置制冷站,冷凝热在地面集中排放。它实际上相当于两级制冷,并下制冷机的冷凝热借助于地面制冷机冷水系统冷却。
联合空调系统的优点是
(1)可提高一次载冷剂回水温度,减少冷损；
(2)可利用一次载冷剂将井下制冷机的冷凝热带到地面
排放。
联合空调系统的缺点是:
(1)系统复杂;
(2)设备分散,不便管理。
根据上述三种集中式矿井空调系统优缺点,设计时究竟采用何种形式应根据矿井的具体条件而定。
此外,对不具备建立集中式空调系统条件的矿井,在个别热害严重的地点也可采用局部动式空调机组。我国安徽淮南、浙江长广、江苏徐州、山东新汶等矿区都先后在掘进工作面使用过局部空调机组。但若在矿井较大范围内使用,显然在技术和经济上都不合理。