1、专题部分 机械制冷在煤矿热害防治中的应用摘要：随着采深的增加，热害对于矿工的健康和煤矿的安全生产的影响也越来越显著。在目前采用的治理方法中，机械制冷是主要方式，包括预冷风降温和冰输冷却降温。布置方式又分为井下空调系统，地面集中式空调系统，井上、下联合的混合空调系统，井下分散局部空调系统。关键词：煤矿，热害防治，机械制冷，预冷风，冰输冷却1 问题的提出1.1背景随着我国煤矿开采年限的增加，浅部资源逐步减少和枯竭，我国煤矿开采平均以812m/a的速度向深部延伸，尤其是近年来煤矿采用更先进的开采技术和采掘机械，开采延伸速度呈现加大趋势，东部矿区以1025m/a的速度发展12。目前一些矿井开采深度已达
2、1000m以下，如新汶矿业集团孙村矿开采深度达到了1300m，华丰矿开采深度为1070m，徐州矿务集团的旗山矿开采深度为1032m，夹河煤矿开采深度达1100m，张小楼井开采深度己超过1100m。可以预计，我国有大批矿井尤其是中东部地区矿井，将进入1000m以下的深度。二十世纪初国外许多国家逐渐出现了矿井热害问题，世界上矿井热害最严重的是南非金矿，德国煤矿和前苏联煤矿3。南非是当今世界开采深度最大的国家，南非的威特沃特斯兰德盆地极深含金矿礁埋深达3500m5000m4，斯太总统金矿的工作面深度超过3000m，原始岩温高达63；德国的伊本比伦煤矿开采深度达1530m，岩温高达60；前苏联的彼得罗
3、夫煤矿工作面深达1200m，原始岩温达到5257。据我国煤田地温观测资料统计，百米地温梯度为24/100m，随着开采深度的逐步增加，深部矿井热害问题已经逐步凸显。近年来的文献资料和统计资料表明821，我国已有140余个矿井出现了不同程度的高温热害问题。1.2热害防治研究意义1）利于矿井工人健康矿井高温环境对井下作业人员的健康带来了极大的危害。研究表明，人长时间处在高温环境中生理调节机能将发生严重障碍。表现在：（1）体温升高，参与人体代谢的各种酶随着体温升高其活性减弱，破坏体内热平衡，造成代谢紊乱。（2）温度过高，引起体温调节系统障碍，中枢系统特别是大脑皮层的负担加大，降低其兴奋性，同时引起条件
4、反射活动的紊乱，加深抑制过程，甚至发生高级神经活动的病理变化。（3）高温作业使体表血管扩张，输送皮下血管的血量增多，相应输向内脏的血量减少，返回心脏的血量减少，血压降低，脉搏加快，再加上大量出汗，体内缺水，血液的粘滞度增大，从而影响心脏的功能。（4）在高温环境从事重体力劳动，呼吸浅而急促，氧气供应不足，肺功能的负担增加。如果长期处于这种环境，会引起肺功能职业病。人长时间处在高温环境中可能使人产生一系列生理功能的改变，严重影响矿工的身心健康，因此适当的矿内温度湿度环境可以保障工人的健康。2）提高生产效率长期在井下高温高湿环境中作业，容易破坏体内热平衡，造成代谢紊乱，引起体温调节系统障碍，中枢神经
5、系统失调，出现精神恍惚、疲劳、浑身无力、昏昏沉沉等状况，这是矿山劳动生产率低下的主要原因。据大量的高温矿井统计：采掘工作面气温每超过标准（26）1时，劳动生产率将下降68%；气温升至32时生产率降低5%左右，升至34将会降低50%。许多高温矿井夏季工人的出勤率明显降低，劳动生产率显著下降，有的甚至被迫停产。我国高温矿井的劳动生产率都较低，有的甚至仅为30%40%。矿内温度降低可以提高劳动生产效率。3）减少安全事故长时间处于高温高湿的作业环境中，会使作业人员对周围的注意力、判断力及反应能力逐渐减退，疲惫乏力、精神烦躁、精力不集中，从而增加了事故的发生率。因此良好的矿内环境可以提高工人的注意力、反
6、应能力，减少矿井安全事故。表1.1 南非矿井下温度与事故率的关系作业地点气温( ) 27 29 31 32工伤频次(人/ 千人) 0 150 300 4504）社会意义中国煤由地质总局第三次全国煤炭资源预测30，在全国5个赋煤区、85个含煤区、542个煤田/煤产地中，共圈定了2554个预测区，预测总面积39.3104km2，垂深2000m以浅的预测资源量为4.551012t，垂深1000m以浅的预测资源量为1.841012t，垂深600m以浅的预测资源量为0.941012t。埋深大于1000m的占全国预测总量的59.5%。河北、山西、内蒙古、江苏、安徽、山东、河南、陕西等重要产煤省（区），埋深
7、1000m以下的预测资源分别占该省（区）预测总量的65.5%92.4%，说明这些产煤地区埋藏较浅的煤炭资源潜力已经有限，深部煤炭资源所占的比例非常高。深部资源的开采，可以解决东部沿海省份煤炭资源的缺口。可以说，深部高温矿井开采技术，在一定程度上决定着我国的经济的可持续发展和国家安全战略的实施。5）行业的相关规定为保障矿工的身心健康和生产的安全进行,我国矿山安全条例规定:井下工人作业地点的空气温度不得超过28,超过时应采取降温和保护措施。同时煤矿安全规程规定:采掘工作面的空气温度不得超过26,机电硐室的空气温度不得超过30,采掘工作面的空气温度超过30,机电设备硐室的空气温度超过34时,必须停止
8、作业。各国矿井气温的允许限度:西德从1965年开始，规定感觉温度32为正常工作气温上限。荷兰禁止在干球温度为35以上的环境中劳动，在30以上的环境中，规定劳动时间不超过6小时。新西兰规定湿球温度为74OF(23.3)时，劳动7个小时，75“F以上时由劳资双方协商劳动条件。苏联规定以26为标准。比利时禁止在有效温度(B.E.T)为31以上的条件下劳动。捷克规定以湿度为90%、气温为28，湿度为88%，气温为30作为标准。1.3国内外发展状况矿井空调降温是空调应用技术发展的一个新领域。人工制冷降温是目前国内外普遍采用的降温措施。从世界上第一台制冷机的产生到现在, 己有近200年的历(我国从20世纪
9、50年代末开始制造制冷机) , 但矿井空调只有80余年的历史, 其迅速发展和较广泛地应用仅是近三十几年的事 。Rodboel矿最早于1924年安装了第一台地面冷冻机; 世界上第一个井下大型制冷站于1929年在Morio Aelho矿安装;1976年, 南非环境工程实验室提供了向井下输冰供冷方式; 20世纪80年代中期, 南非一些金矿采用冰冷却系统进行井下降温; 1985年11月, 南非在世界上首次用冰做载冷剂冷却空冷器的冷却水, 该系统的制冷能力达628 MW。目前, 德国也在积极开展此项研究 。20世纪70年代, 我国曾研制过压气引射器和涡流管制冷装置; 1964 - 1975年, 淮南九龙
10、岗矿设计了我国第一个矿井局部制冷降温系统; 1982 - 1987年, 山东新坟矿务局设计了我国第一个井下集中制冷降温系统; 1986 - 1991年, 承担了国家“七五”科技攻关项目, 在平顶山八矿设计了我国第二个井下集中制冷降温系统; 1992 - 1995年, 在山东新坟务局设计了我国第一个矿井地面集中制冷降温系统, 设计制冷能力为7 400 kW, 为亚洲最大的矿井制冷降温系统; 1993年7月, 平顶山矿务局科研所和原中国航空工业总公司第609研究所联合研制成KKL 101 矿用无氟空气制冷机; 1995年, 山东矿业学院陈平等提出用压气引射器和制冷机结合进行矿井空调; 2002年,
11、 新汉孙村矿- 1 100 m水平降温工程初步设计, 并于2004年该冰冷低温辐射降温矿井空调系统完成 2, 7 - 8 。井下空气环境复杂, 制冷剂必须无毒、不可燃和无爆炸危险, 由于氟里昂使用的局限性,在有高温蒸汽、高温水等余热的地方可采用吸收式制冷机。独联体国家采用溴化锂吸收式制冷机, 利用矿井瓦斯燃烧作为热源, 此外氨制冷机也被采用。新近发展的分离氨系统输冷方式是特制冷循环中的冷凝过程与蒸发过程分别设在地面和井下的一种制冷方式 德国煤矿因开采深度不断增加、工作面生产日益集中以及井下设备功率增加等因素, 使井下气温不断增高。从1962年一1990年, 平均开采深度由650m增加到930m
12、平均原始岩温由31增大到41 目前开采最大深度已达1500m, 最高原始岩温已超过60 。几乎所有矿井在不同程度上都采取了空调降温措施, 以满足有关法规的要求。1990年德国产硬商品煤约7000多万t, 矿井降温总制冷能力约285MW, 其中约有180台平均额定能力为1200kW的冷水机、280台平均额定能力为的260kW冷风机。使用的空冷器约600台。煤矿集中制冷站能力超过3.7MW的有18个, 制冷能力合计为126.9MW, 其中采用井下集中制冷系统的有8个, 制冷能力计48MW采用地面集中制冷系统的有6个, 制冷能力计53.4MW采用井上下联合制冷系统的有4个, 制冷能力计25.5MW。
13、2 矿井中高温高湿产生的原因2.1矿井中高温产生的原因造成矿井气温升高的热源很多,主要有相对热源和绝对热源。相对热源的散热量与其周围气温差值有关,如高温岩层和热水散热;绝对绝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散热。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、运输中的矿岩与空气进行热交换而造成矿井空气温度升高;另外当矿井中有高温热水涌出时,也将影响整个矿井的微气候,而使矿井空气温度略有升高。从总体上来看,造成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、运输中矿物和矸石放热和风流下流时自压缩放热等4大热源。就个别矿山而言,矿井内高温
14、水涌出、矿物强烈氧化等也可能形成高温热害。另外造成矿井高温还有以下几个因素: 其一是矿井开采深度大,岩石温度高。在我国中、北部地区,大部分高温矿井都是由于此类原因所致。 其二是地下热水涌出。地下热水由于易于流动,且热容量大,是良好的载体,地下热水主要是通过两个途径把热传递给风流:岩层中的热水通过对流作用,加热了井巷围岩,围岩再将热量传递给风流;热水涌入矿井巷道中,直接加热了风流;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温较高的普遍性因素。据调查统计,我国煤矿长壁工作面供风量80 %以上在200800 m3/ min之间2 ,而按降温要求, 高温回采工作面供风量至少应为8
15、00 m3/ min以上。2.2矿井中高湿产生的原因矿井的湿度通常采用相对湿度表示,矿井最适宜的相对湿度为50 %60 %3 。而矿井下空气的相对湿度大多为80 %90 %左右,总回风道和回风井内空气的相对湿度接近100 %。造成矿井下空气湿度过大的主要原因是井巷壁面的散湿和矿井水的蒸发;另外矿井开采过程的生产用水也是造成矿井下空气湿度过大的一个不可忽视的重要因素。矿井热害产生的主要原因,可简明地用图2.1 表示。其他因素矿物氧化放热矿井内高温水流出风流下流时自压缩放热矿井高湿 图 2.1 矿井热害产生的主要原因2.3矿井地温分布规律利用插值法可推出该矿地温梯度值及任意深度的岩温计算式：式中： G该矿区地温梯度，/100 m。 深部某点的地温，； 某点的已知温度，； H矿区某点的深度，m； 温度所对应的深度，m；2.4导热偏微分方程建立 在平面上建立一个x-y 坐标系，如图 1 所示。图1微元体在dt时间内流进和流出的热量，首先考虑岩体上一个薄的微元体，边长为x和y。根据傅里叶定律，可推出岩体二维热传导方程为：考虑岩体的热固耦合作用，上式可以改写为： 式中：
