礦井熱害防治綜述

1、礦井熱害防治綜述摘 要：隨著煤炭開釆強(qiáng)度的增加，淺部資源日益減少，開采深部資源已成為人 類的必然選擇。隨著煤礦開采深度的增加，巖層溫度將達(dá)到兒十?dāng)z氏度，礦井熱害 已成為繼頂板、瓦斯、火、粉塵、水五大災(zāi)害之后的乂一災(zāi)害。為了解決礦井出現(xiàn) 的高溫高濕問題，本文分析了礦井熱害的形成及熱害對(duì)礦工身體的影響，并分析了 煤礦井下的主要熱源，進(jìn)一步提出了治理措施。對(duì)我國(guó)礦井災(zāi)害防治、礦丄職業(yè)健 康保護(hù)工作有指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：礦井熱害；高溫；高濕；熱害治理1礦井熱害產(chǎn)生的原因造成礦井氣溫升高的熱源很多，主要有相對(duì)熱源與絕對(duì)熱源。相對(duì)熱源的散熱 量與其周圍氣溫的差值有關(guān)，如高溫巖層和熱水散熱；絕對(duì)熱源的散熱量受

2、氣溫影 響較小，如機(jī)電設(shè)備、化學(xué)反應(yīng)和空氣壓縮等熱源。礦井濕度釆用相對(duì)濕度表示，礦井最適宜的相對(duì)濕度為50%60%。而井下空氣 的相對(duì)濕度大多為80%90%左右，總回風(fēng)道和回風(fēng)井內(nèi)的相對(duì)濕度接近100%。造 成礦井空氣濕度大的原因主要是井巷壁面的散濕和礦井水（含生產(chǎn)用水）的蒸發(fā)。從總體來看，成為礦井高溫?zé)岷Φ闹饕蛩赜械責(zé)帷⑨娋驒C(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)放 熱，運(yùn)輸中的礦物和肝石放熱，以及風(fēng)流向下流動(dòng)時(shí)自重壓縮放熱等4大熱源。就 個(gè)別礦山而言，礦內(nèi)高溫水涌出、強(qiáng)烈氧化等也可能形成高溫?zé)岷?。造成礦井高溫 還有以下兒個(gè)因素：開采深度大，巖石溫度高。地下熱水涌出。采掘工作面 風(fēng)量偏低。礦井熱害產(chǎn)生的主要原因如圖

3、1所示地?zé)醘運(yùn)輸中礦物和幵石放熱f 風(fēng)流下流時(shí)自壓編放熱礦井熱害礦井內(nèi)奇溫水涌出授化放熱一 I真他因盤EI井帖湎a濕I礦井水蒸發(fā)曠井開采過程至蘆就圖1礦井熱害產(chǎn)生的主要原因2礦井熱害的主要危害2.1高溫對(duì)人體的危害在高溫作業(yè)環(huán)境中，能使人產(chǎn)生一系列主理功能的改變：體溫調(diào)節(jié)發(fā)生障 礙，主要表現(xiàn)為體溫和皮溫升高；水鹽代謝出現(xiàn)紊亂，使機(jī)體的機(jī)能受到影響； 循環(huán)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等均會(huì)因高溫下的機(jī)體大量失水，改 變正常的功能，其至致病。2. 2高溫環(huán)境對(duì)勞動(dòng)效率及安全的影響在高溫環(huán)境中，人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)容易失調(diào)，從而感到精神恍惚、疲勞、周身 無力、昏昏沉沉，這種精神狀態(tài)稱為事故的原因。

4、在高溫礦井中，一般生產(chǎn)率均較 低，有的礦山其相對(duì)勞動(dòng)率僅為30%40%。日本1979年全國(guó)調(diào)查統(tǒng)訃顯示，30°C 、40C氣溫的工作面，比低于30°C時(shí)的事故率高3.6倍；南非多年的調(diào)查統(tǒng)計(jì)表 明，當(dāng)?shù)V內(nèi)作業(yè)地點(diǎn)的空氣濕球溫度達(dá)28.9°C時(shí)（相當(dāng)于干球溫度30°C）,開始 出現(xiàn)中暑死亡事故。此外，礦井下高溫也是造成我國(guó)礦井火災(zāi)事故頻繁發(fā)生的一個(gè)不可忽視的因 素。3國(guó)內(nèi)外礦井熱害治理的發(fā)展現(xiàn)狀3. 1國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r國(guó)外對(duì)礦井高溫現(xiàn)象的描述，最早可追溯到16世紀(jì)。直到20世紀(jì)20年代，對(duì) 于高溫現(xiàn)象的研究都只是局限于礦井地溫及巷道溫度的觀測(cè)，在理論上的研究很

5、 少。但是不可否認(rèn)，這些研究積累了大量的技術(shù)數(shù)據(jù)和觀測(cè)資料，取得了非常重要的 技術(shù)成果。世界礦業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、前蘇聯(lián)、巴西、南非等，為了 改善作業(yè)環(huán)境、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，相繼開展了礦井熱害的預(yù)防和治理工作。這些國(guó) 家的學(xué)者們?cè)诘V井風(fēng)溫預(yù)測(cè)、巖石熱物性參數(shù)的測(cè)定、地溫的觀測(cè)、系數(shù)的計(jì)算等 方面做了大量的研究，為礦井熱害的治理奠定了基礎(chǔ)。另外，礦井熱源散熱量的計(jì)算 以及需冷量的訃算使得礦井空調(diào)得以應(yīng)用到井下。英國(guó)是世界上最早在井下實(shí)施空 調(diào)的國(guó)家，1923年彭德爾頓煤礦在采區(qū)安設(shè)制冷機(jī)，冷卻采面風(fēng)流；巴西的莫羅維羅 礦及南非的魯濱遜深井于20世紀(jì)30年代采用集中冷卻井筒入風(fēng)流的方法降溫

6、，南 非60年代便開始了大型礦井集中式空調(diào);德國(guó)的煤礦是世界上最深的，其80%以上 的礦井都采用了礦井空調(diào)，且制冷能力每年都高速增長(zhǎng)；前蘇聯(lián)和美國(guó)采深在700 m 以上的礦井基本上都采用了空調(diào)系統(tǒng)。現(xiàn)在，國(guó)外礦井空調(diào)規(guī)模越來越大，發(fā)展迅 猛。3. 2國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)礦井熱害治理工作始于20世紀(jì)50年代，直到80年代后期才取得實(shí)質(zhì)性進(jìn) 展，相繼有相關(guān)的論文和著作問世。近年來的統(tǒng)計(jì)資料表明，我國(guó)已有140余對(duì)礦井 出現(xiàn)了不同程度的熱害問題，其中采掘工作面風(fēng)溫超過30°C的礦井已達(dá)60余對(duì)。 我國(guó)高溫礦井越來越多，礦井熱害問題越來越受到礦業(yè)界的關(guān)注。我國(guó)礦井空調(diào)始 于20世紀(jì)70年代初，淮

7、南九龍崗礦設(shè)計(jì)了我國(guó)第1個(gè)礦井局部制冷降溫系統(tǒng);80 年代在新汶孫村礦設(shè)計(jì)了我國(guó)第1個(gè)井下集中制冷降溫系統(tǒng)；90年代乂在新汶孫 村礦設(shè)計(jì)了我國(guó)第1個(gè)地面集中制冷降溫系統(tǒng)；2002年乂成功設(shè)計(jì)了冰冷低溫輻 射空調(diào)降溫系統(tǒng)。與國(guó)外相比，這些系統(tǒng)規(guī)模不大，發(fā)展速度緩慢。但是進(jìn)入21世 紀(jì)以來，無論從技術(shù)上還是從規(guī)模上，我國(guó)的礦井空調(diào)都在快速發(fā)展。2000年以來, 各高校和科研院所相繼在東灘礦、唐口礦、平煤集團(tuán)四礦、五礦、六礦、劉莊礦等 礦井展開了礦井熱害治理的科研工作，其中平煤四礦和劉莊煤礦都設(shè)計(jì)了地面集中 制冷降溫系統(tǒng)，制冷能力分別達(dá)到了 7 600 kW和5 500 kWo制冷能力和制冷設(shè)備 比

8、以往都有了很大的提高和改進(jìn)，但是與國(guó)外還有一定的差距,大型礦井集中式空調(diào) 系統(tǒng)中的許多問題仍待解決。4礦井熱害的防治措施通過對(duì)礦井熱害進(jìn)行調(diào)查，我們?cè)趯?duì)礦井熱害等級(jí)劃分后，根據(jù)熱源分布狀況 的分析結(jié)果制定出合理的降溫措施。4. 1間接措施1）加強(qiáng)安全教育，深刻認(rèn)識(shí)熱害的危害，提高自我保護(hù)能力。2）借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)對(duì)礦工的耐熱檢驗(yàn)。3）提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，減少勞動(dòng)時(shí)間，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。4）建立通風(fēng)安全信息系統(tǒng)。4. 2直接措施4. 2.1采用非制冷空調(diào)降溫1）采用通風(fēng)降溫。采用通風(fēng)降溫的主要方法是增加風(fēng)量法。增加風(fēng)量可以大 大降低空氣的含熱量，是一種有效的降溫措施。但是風(fēng)量的增加不是無限制的，它

9、 受到規(guī)定的風(fēng)速和降溫成本的制約。因此，為了改善通風(fēng)系統(tǒng)，有效增加井下通風(fēng) 量可采取減少風(fēng)阻、防止漏風(fēng)、加大扇風(fēng)機(jī)能力、釆用合理分風(fēng)與輔助風(fēng)路通風(fēng) 法、利用地溫預(yù)冷井下入風(fēng)風(fēng)流、采用多級(jí)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)、加強(qiáng)通風(fēng)管理等措施。 據(jù)現(xiàn)場(chǎng)增風(fēng)降溫的經(jīng)驗(yàn)，高溫工作面的風(fēng)量最低限應(yīng)為8001000c采場(chǎng)通風(fēng)有多 種形式，但以能抑制采空區(qū)熱氣串入工作面和增加工作面有效風(fēng)量的形式對(duì)降溫最 為有利。采用下行通風(fēng)時(shí)，礦巖運(yùn)輸方向與風(fēng)流相同，這樣能使礦巖運(yùn)輸過程中放 出的熱量和水蒸汽以及運(yùn)輸設(shè)備的機(jī)電設(shè)備散熱等不再返回工作面，從而大大改善 工作面入風(fēng)流的空氣狀態(tài)。此外，新鮮風(fēng)流從巖溫較低的上水平進(jìn)入采區(qū)，從圍巖 獲得

10、的熱量也相對(duì)較少。2）釆用合理的開拓方式降溫。開拓方式不同，入風(fēng)線路長(zhǎng)度不同，則風(fēng)流到 達(dá)工作面的風(fēng)溫也不同。一般情況下，采用分區(qū)式開拓方式可以大大縮短入風(fēng)線路 長(zhǎng)度，從而降低入風(fēng)流到達(dá)工作面前的溫升。3）采用充填采礦法降溫。釆用充填采礦法有利于采場(chǎng)降溫。這是因?yàn)闇p少了 采空區(qū)巖石散熱的影響，同時(shí)采空區(qū)漏風(fēng)量也大大降低，另外充填物還可大量吸 熱，可起到冷卻井下空氣的作用。4）減少熱源法降溫。為了有效地降低工作面的溫度，可以采取減少熱源的方 法降溫。主要包括：巖層熱的控制。采用隔熱物質(zhì)噴涂巖層，防止用巖傳熱；使 巷道保持適當(dāng)?shù)母蓾?，提高風(fēng)速以提高空氣冷卻能力；預(yù)冷礦層等。機(jī)械熱的控 制。采取機(jī)電

11、嗣室獨(dú)立通風(fēng)；選擇輔助風(fēng)扇并選擇合適的位置；避免使用低效率機(jī) 械等。熱水及管道熱的控制。采取超前疏排熱水，并用隔熱管道排至地面，或經(jīng) 過有隔熱蓋板的水溝導(dǎo)入水倉(cāng)。將高溫排水管和熱壓風(fēng)管敷設(shè)于回風(fēng)道，或?qū)R縮 空氣冷卻后再送入井下。爆破熱的控制。井下采掘爆破產(chǎn)生的熱量，一般在爆破 后不久即山回風(fēng)道排到井外，為了免受其影響，通常采取將爆破時(shí)間與井下人員的 工作時(shí)間分開。5）釆用個(gè)體防護(hù)措施。在礦工分散的井下高溫作業(yè)點(diǎn)，不便采取集中降溫措 施時(shí)，可采用個(gè)體防護(hù)措施。澳大利亞布里斯班的昆士蘭大學(xué)研制成功兩種新型冷 卻工作服。其試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)使用水冷卻工作服時(shí)，人體出汗率可減少25%；當(dāng) 使用空氣冷卻

12、服時(shí)，人體出汗率可減少35%。即使溫度高達(dá)40C,這種工作服仍可 將溫度調(diào)節(jié)到適合人體的溫度。6）其他降溫措施。礦井高溫在采用非制冷空調(diào)降溫方面還有其他一些措施。 如全礦性的，可采用進(jìn)風(fēng)井口噴水；利用進(jìn)風(fēng)巷道巖層調(diào)熱圈冷卻風(fēng)流；利用凍結(jié) 井筒的凍結(jié)壁，自然解凍作空調(diào)冷源等。局部性的措施有噴霧，放置冰塊，利用壓 風(fēng)引射器通風(fēng)，利用空氣調(diào)節(jié)器降溫等。4. 2. 2采用制冷空調(diào)降溫礦井空調(diào)降溫是空調(diào)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新領(lǐng)域。當(dāng)采用非空調(diào)降溫措施仍無 法達(dá)到所要求的作業(yè)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)或不經(jīng)濟(jì)時(shí)，應(yīng)考慮使用空調(diào)降溫技術(shù)。人匸制冷降 溫是LI前國(guó)內(nèi)外普遍采用的降溫措施。人工制冷降溫技術(shù)關(guān)鍵是制冷、輸冷、傳冷 與

13、排熱以及降溫系統(tǒng)及其控制。1）制冷。制冷機(jī)按其結(jié)構(gòu)特征分為離心式、螺桿式和活塞式，按對(duì)風(fēng)流的冷 卻方式不同乂分為冷風(fēng)機(jī)組和冷水機(jī)組。所謂冷水機(jī)組，就是載冷劑或稱冷水被制 冷機(jī)的蒸發(fā)器冷卻后，再輸送到空氣冷卻器冷卻風(fēng)流，這樣的制冷機(jī)組稱為冷水機(jī) 組。用蒸發(fā)器直接冷卻風(fēng)流的制冷機(jī)組稱為冷風(fēng)機(jī)組。山于煤礦井下空氣中含有瓦 斯、煤塵等可燃易爆氣體，因此，要求制冷機(jī)所用的制冷劑必須符合無毒、不可燃 和無爆炸危險(xiǎn)的要求。目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的制冷劑為氟 里昂這種制冷劑雖然符合煤礦井下的特殊要求。但其散放到大氣中對(duì)臭氧層有破壞 作用，世界上已逐步限制使用氟里昂制冷。2）輸冷。在大范圉的礦井降溫工程中，制冷站制

14、取的冷量大都通過管道用水 作為載冷劑進(jìn)行輸冷。在管道輸冷技術(shù)中，主要解決2個(gè)問題，即降低供冷管道的 冷量損失與降低管道的阻力損失。鑒于井下空氣濕度大，巷道中有淋水，管道敷設(shè) 條件差及搬運(yùn)困難等原因，保冷材料必須山防腐防銹層、隔熱保冷層、防潮層乂稱 空氣阻凝層和保護(hù)層組成。U前，國(guó)內(nèi)外常用的礦用保冷材料以泡沫塑料制品為主。主要有聚苯乙烯、聚乙烯、聚氨酯、苯酚屮醛、聚異氤服酸酯及服醛等泡沫塑料。3) 傳冷。如何有效地將制冷設(shè)備制取的冷量傳遞給風(fēng)流，這是礦井降溫中的 重要環(huán)節(jié)，LI前國(guó)內(nèi)外在傳冷方式上主要有以下兒種：表面式空氣冷卻器傳冷； 噴淋式空冷器傳冷；其他傳冷方式傳冷。4) 排熱。如何有效地排

15、除制冷機(jī)的冷凝熱，是維持制冷機(jī)正常運(yùn)行、提高礦 井降溫系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的技術(shù)關(guān)鍵之一。制冷機(jī)安設(shè)在地面時(shí)，排熱問題比較簡(jiǎn)單， 容易解決；當(dāng)安設(shè)在井下時(shí)，排熱問題比較復(fù)雜，且難以解決。LI前世界上許多井 下大型降溫系統(tǒng)都是利用回風(fēng)流排熱。普遍認(rèn)為，利用回風(fēng)流排熱是一種經(jīng)濟(jì)有效 的方法。利用井下回風(fēng)流排熱的主要方式有：在井下水平巷道中建立噴淋爾室； 利用井下暗立井建立垂直冷卻塔；為了適應(yīng)井下小型制冷設(shè)備的排熱要求，制 造出可移式水冷卻器。5國(guó)內(nèi)礦井熱害防治技術(shù)亟待解決的問題隨著煤炭采掘深度的迅速增加，礦井熱害逐步成為導(dǎo)致煤礦事故的主要因素， 然而我國(guó)有關(guān)礦井熱害防治技術(shù)的研究與應(yīng)用尚處于探索階段，諸如空氣向下流動(dòng) 壓縮放熱、井巷圍巖放熱、機(jī)電設(shè)備放熱、運(yùn)輸工程中的煤炭放熱、采空區(qū)肝石放 熱等礦井熱害形成機(jī)理方面的研究成果較少，圍繞非制冷降溫和人工制冷降溫兩方 面的熱害治理技術(shù)研究也處在起步