专题-浅论井下热害的成因、危害和治理办法.doc

1、专题：浅论井下热害的成因、危害和治理办法1 前言我国是世界上第一产煤大国，95 的煤炭产量来源于地下采矿。随着国民经济的迅猛发展，煤矿必然加快向深部矿床资源的勘探和开采。在深部开采条件下，随着采矿机械化程度的提高，开采强度增大，给矿井的安全生产、矿工的身体健康和劳动生产率造成了严重的影响，热害治理已成为矿井安全管理工作中的一项重要任务。热害是矿井的自然灾害之一, 随着矿井开采深度的增加, 矿井中高温高湿的热害问题变得越来越严重。其主要表现在现有生产水平还未出现高温高湿的矿井, 开采深度增大到某一水平可能出现高温高湿和目前水平局部出现高温高湿的矿井, 在该深度水平开采, 可能出现更加严重的高温高

2、湿两个难题。随着矿井开采深度的增加, 机械化程度也越来越高, 由此产生的机械散热也愈来愈大, 矿井中高温高湿等热害问题将显得愈来愈突出。在炎热的季度, 一般人的日排汗量约为1 升, 在闷、潮、热的矿井中从事繁重的体力劳动时, 8 小时内人的排汗量可达810 升, 甚至更高, 如不适时地补充水分,则可能导致人脱水、失钠、血液浓缩及粘稠度增大, 再加上血管扩张, 血容量更显不足, 以致引起周围循环衰竭, 从而使人产生热疲劳、中暑、热衰竭、热虚脱、热痉挛、热疹, 甚至死亡,造成重大安全事故。矿井热害不仅影响井下作业人员的工作效率, 影响矿山的经济效益, 而且严重地影响井下作业人员的身体健康和生命安全

3、, 严重地影响矿山的安全。为此， 必须采取切实有效的方法, 对矿山矿井出现的高温高湿热害问题及时加以解决。笔者对矿井热害产生的原因、危害进行研究, 提出防治的措施, 能提醒人们对矿井中高温、高湿热害问题引起足够的重视, 预防热害对矿工造成的危害, 保护矿工的安全与健康, 保证矿山安全生产, 促进煤矿稳定、高效发展。2 矿井高温的产生原因造成矿井气温升高的热源很多，主要有相对热源与绝对热源。相对热源的散热量与其周围气温的差值有关，如高温岩层和热水散热；绝对热源的散热量受气温影响较小，如机电设备、化学反应和空气压缩等热源。高温岩层散热是影响矿井空气温度升高的重要原因，它主要通过井巷岩壁和冒落、运输

4、中的矿岩与矿井空气进行热交换，当矿井有高温热水涌出时，将影响整个矿井的微气候。井下适宜温度为。矿井湿度采用相对湿度表示，矿井最适宜的相对湿度为5060。而井下空气的相对湿度大多为8090左右，总回风道和回风井内的相对湿度接近100。造成矿井空气湿度大的原因主要是井巷壁面的散湿和矿井水(含生产用水)的蒸发。从总体来看，成为矿井高温热害的主要因素有地热、采掘机电设备运转时放热，运输中的矿物和矸石放热，以及风流下流时自压缩放热等4大热源。就个别矿山而言，矿内高温水涌出、强烈氧化等也可能形成高温热害。造成矿井高温还有以下几个因素：(1)开采深度大，岩石温度高。在我国的中部和北部地区，大部分高温矿井(约

5、占90)是由于开采深度大、岩石温度高所致。例如孙村矿(采深776m，岩温349)、徐州三河尖矿(采深736m，岩温37)、北票自吉矿(采深873 m，岩温334)、长广煤炭公司七矿(采深920m，岩温40)，以及丰城建新矿(采深650 m，岩温42)等都属于此类高温矿井。(2)地下热水涌出。地下水易于流动，且热容量大，是良好的载体。井下热水通过2个途径把热量传递给风流：岩层中的热水通过热对流作用，加热了井巷围岩，围岩再将热量传递给风流；热水涌入巷道中，直接加热了风流。(3)采掘工作面风量偏低。通风不良风量偏低，是我国目前造成采掘工作面气候条件不良的带有普遍性的因素。据调查统计，我国煤矿长壁工作

6、面供风量80以上在200800之间。按降温要求，高温回采工作面风量至少应在800以上。矿井热害产生的主要原因, 可简明地用下图表示。图2-1 矿井热害产生的主要原因3 井下高温的危害3.1 高温对人体的危害在矿井生产中可能遇到种种不利的微气候，其中主要是矿井的高温、高湿。所谓高温，是指井下气温超过 ；所谓高湿，是指相对湿度超过80。产生高温、高湿的微气候则表明热害出现。在高温作业环境中，热害可能使人产生一系列生理功能的改变：体温调节发生障碍，主要表现为体温和皮温升高；水盐代谢出现紊乱，使机体的机能受到影响；循环系统、消化系统、泌尿系统、神经系统等均会因高温高湿下的机体大量失水，改变正常的功能，

7、甚至致病。3.2 高温环境对劳动效率及安全的影响在高温环境中，人的中枢神经系统容易失调，从而感到精神恍惚、疲劳、周身无力、昏昏沉沉，这种精神状态成为诱发事故的原因。在高温矿井中，一般生产率均较低，有的矿山其相对劳动效率仅为30 一40。鹤壁六矿回采工作面风温高达 ，相对湿度达99以上，1984年8月30日，1个班就有4名矿工中暑倒在工作地点。日本1979年全国调查统计 气温的工作面，比低于 时的事故率高3.6倍；南非多年的调查统计，当矿内作业地点的空气湿球温度达到 时(相当于干球温度)，开始出现中暑死亡事故。表1为南非金矿井下温度与事故率的关系。表3-1 井下温度与事故率的关系作业地点气温17

8、293132工伤频次/千人01503004504 矿井热害的防治措施矿井热害的治理已经迫在眉睫，随着近些年我国受热害困扰的矿井增多。我们在制度措施和技术上都取得了一定的经验，特别是技术上的进步更是对井下温度的下降起到了十分不错的效果，下面将结合具体矿井实例着重介绍。4.1 冰制冷降温技术平顶山矿区位于河南省西南部，是我国新兴的大型煤炭生产基地。平煤六矿是平煤集团的一个主力矿井，2005年矿井核定生产能力339万t/a。矿井开拓方式为立斜井多水平混合开拓方式。随着开采深度的不断增加，岩温及工作面的温度不断升高。目前，六矿的开采水平主要集中在-400 650m水平，埋藏深度约700900 m，围岩

9、温度高达41 53，夏季采掘面气温达到3235，个别高达37 ，相对湿度90-98，如丁 一22260采面，机巷进风温度32.2 ，采面中部35-40，上部367，上隅角附近高达39 ，回风巷37.8 ，大大超过煤矿安全规程的规定。结合实际情况平煤六矿的降温方案为地面制冰井下制冷降温，其运行方式为：制冷机、制冰机、蒸发器等制冰设备安装在地面，制取的冰通过管道送至井下融冰池，冰融化为低温冷水，再经过保温管输送至工作面进行降温，其降温系统示意图如图4-1所示。图4-1 地面制冰一井下降温系统示意图4.2 利用电厂余热制冷新技术治理矿井地热灾害四矿二水平己三采区是2001年正式投产的采区,采区开采顺

10、序为采区前进式,采煤方法为走向长壁后退式,回采标高为 ,最大垂深为1 ，所回采的己16煤层是突出煤层。回采工作面配风量一般在，掘进工作面采用对旋式风机,吸入风量。由于矿井埋深较大,采掘工作面生产过程中遇到了严重的地热问题,根据四矿2007年7月对高温采掘工作面温度的测量,采煤工作面最高温度达到35. 2,掘进工面温度达到33. 4。该矿矿井热害非常严重,相对湿度过大,职工进入工作面就汗流浃背,多数职工出现呕吐、中暑、身上长湿疹的现象。2006年79月,己16-23760 采面及三水平回风下山出现18人次的晕倒现象。职工出勤率大幅下降,采掘工作面正常的生产都无法组织。根据四矿对己组煤温度的测量,

11、己15 - 23140机巷煤体温度41,三水平上车场开拓巷道原岩温度达44。按此地温递增关系计算,己组煤地温梯度达3. 7 /hm, 以此推算三水平下部垂深1 500处,原岩温度将达到73. 5。如果不采取措施,三水平中下部将不可能进行开采。为了矿井的长远发展及职工的身体健康,矿井必须采取降温措施。针对这种状况,平顶山煤业集团四矿提出利用瓦斯发电厂及矸石电厂余热,采用热- 电- 乙二醇降温机组这项新技术,对采掘工作面实施降温,取得良好效果。同时,实现不可再生资源的重复利用。4.2.1 热- 电- 乙二醇降温方案的提出自然界的各种能量是可以相互转换的,热能可以转化为电能,电能可以转化为热。同样,

12、热也可以转化为冷,只是存在的形态不同。对不同的能量存在形式只需采取不同的技术手段进行收集,通过技术设备既可实现能量的相互转换。热- 电- 乙二醇降温技术,就是利用矸石电厂的蒸气余热,通过溴化锂吸收式冷水机组一级制出5. 2的乙二醇低温水。乙二醇是一种无色、无味、粘稠有甜味的液体, 冰点温度- 12. 5, 沸点197,极易吸、放热的液体。乙二醇溶液的配制由设在制冷机组旁的乙二醇制备池配兑,其在纯水中的浓度必须控制在25%以上,否则会对制冷机组及管理造成腐蚀。配兑后的溶液通过设在池中的潜水泵打入膨胀水箱,补入溴化锂机组。溴化锂机组制出的低温冷媒水再进入螺杆式乙二醇机组二级制出- 3. 4的乙二醇

13、高压冷媒水,冷水通过保温管道输送到井下换冷硐室,乙二醇冷媒水在换冷硐室内通过高低压换冷器,把冷量置换给低压侧的普通水冷媒介质后,通过回水管路重新进入溴化锂机组循环使用,形成高压冷媒回路。换冷硐室安装有多台高低压换冷器,冷水泵、回水箱及供电设备,冷媒水经高低压换冷器换冷后通过进水管道到达采掘工作面空冷器, 空冷器把能量置换到工面进风流后经回水管道返回高低压换冷器,形成低压冷媒回路。如图4-2所示。图4-2 热- 电- 乙二醇降温工艺4.2.2 电厂余热回收4.2.2.1 瓦斯发电厂余热收集四矿瓦斯发电站安装有4台500 kW 低浓度瓦斯发电机组,发电功率1 600 kW /h。根据瓦斯发电机组热

14、变电转换功率计算由38%的热量并未转换成电能,而是通过烟气排放走。瓦斯电厂余热回收,即在4台发电机组上安装余热吸收锅炉,锅炉通过吸收高温烟气余热将锅炉内的水加热至150以上,变成饱和蒸汽,饱和蒸汽经过集汽罐由管道输送到溴化锂制冷机组。4.2.2.2 矸石电厂余热收集四矿矸石电厂安装有3台锅炉,设备规格35 t /h,汽轮机2台,最大抽汽量55 t /h,压力0. 5MPa,温度250。电厂余热回收就是利用管道把电厂锅炉排放的高温度蒸汽通过供热交换站直接把高温蒸汽输送到溴化锂制冷机组。iii 采掘工作面降温方式从换冷硐室置换出的低压冷媒水进入到采掘工作面进风流的空冷器。空冷器由多组组成,每组由4

15、6台串联运行,每组配置2 11 kW局部通风机1台,由通风机把通往采面的风流吸入空冷器,然后排出。掘进工作面空冷器安装在局部通风后50100m处的风筒内,由通风机直接把风流吹进空冷器,以达到降温的作用。见图4-3。图4-3 采掘工作面通风布置4.2.3 降温效果分析2007年8 - 9 月,四矿一期对二水平高温采掘工作面实施了降温,为了考察热- 电- 乙二醇降温系统的降温效果,四矿对实施降温的两头一面进行了周期性温度测量。工作面实施降温后,采掘工作的干温度下降78,掘进工作面迎头温度最高下降了8. 8,干、湿温度差值进一步扩大,从降温前的不足1. 0增大到23,相对温度由99%下降到80%左右。采掘工作面相对湿度下降幅度较大, 工作面空气湿度己由过度湿润向较为舒适的湿度转变。4.3 利用恒温水源进行矿井降温利用恒温水源进行矿井降温的可行性分析4.3.1 空气和水的比热容当为. ， ， 时，干空气比热容:水蒸汽比热容：湿空气的焓:考虑井下降温的过程近似为等湿、减焓、降温过程,的湿空气温度变化，其焓的变化量:。水的比热容:水的焓:水的焓:的水温度变化, 其焓的变化量为。4.3.2 恒温水降温效果分析在井下近似等压等湿的降温过程中, 的水温度每升高， 就可使的湿空