張小樓煤礦0.9Mta新井設計含5張CAD圖.zip
張小樓煤礦0.9Mta新井設計含5張CAD圖.zip,張小樓,煤礦,0.9,Mta,設計,CAD
張小樓煤礦高溫熱害現(xiàn)狀及防治
摘要：地溫升高是深部開采無法回避的地質(zhì)災害問題。在深部開采條件下，地溫升高是井下工作條件惡化的重要原因，持續(xù)的高溫將對人員的健康和工作能力造成極大的傷害，使勞動生產(chǎn)率大大下降和生產(chǎn)事故大大增加，同時還會降低井下設備的工作性能，減少井下設備的使用壽命。張小樓煤礦采深達到1000米以下，礦井所開采煤層原始巖石溫度都大于30℃，為高溫區(qū)。本文主要研究分析了影響原巖溫度的若干因素，礦井高溫所帶來的危害，以及礦井高溫地熱的防治措施。
關鍵字：深部開采；高溫熱害；治理技術(shù)
1 張小樓煤礦高溫熱害現(xiàn)狀
1.1張小樓井概況
龐莊煤礦張小樓井位于徐州市西北銅山縣柳新鎮(zhèn)和劉集鎮(zhèn)境內(nèi)，距徐州市區(qū)13km。東鄰江蘇天能集團柳新煤礦，西鄰徐州礦務集團夾河煤礦，南鄰龐莊井。礦區(qū)鐵路專用線在夾河站與隴海線和夾符線相連，礦井東鄰京福高速公路，東距京杭大運河8km，徐沛公路從井田內(nèi)穿過，交通十分便利（見圖1-1礦井交通位置圖）。龐莊煤礦張小樓井現(xiàn)隸屬于徐州礦務集團有限公司，企業(yè)性質(zhì)為省屬國有煤礦。
井田范圍：南部（淺部）以F1斷層與龐莊井田為界，北部（深部）至京福高速公路保護煤柱線；東部以蘇煤司基（87）第252號文規(guī)定的西1、西2和西3三個座標點的連線及其延長線與柳新井田為界，西部以蘇煤司基（84）第579號文規(guī)定點連線與夾河井田深部為鄰。整個井田東西長約5.0Km、南北寬約3.4Km，井田面積16.944Km2。
本區(qū)屬南溫帶魯南氣候區(qū)，具有長江流域和黃河流域氣候過渡的性質(zhì)，日照充足，年降水量充沛，冬寒干燥，夏熱多雨，春、秋季短，并有寒潮、霜凍、冰雹、旱風等自然災害。
(一)降水量
由于本區(qū)地處中緯度副熱帶和暖溫帶的過渡區(qū)，因此，降水有集中性高、年變化大的特點，平均年降水量841.9mm，最大1297.0mm (1958年)；最小500.6mm (1988年)。夏季平均雨量(6～8月)466.03mm，約占全年降水量的55％，其中以7、8月份雨量最多，形成了冬干、春秋旱頻繁、盛夏常發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)，易澇、易旱的氣候特點。
(二)蒸發(fā)量 1440mm／年。
(三)風向、風速
全年多偏東風，平均風速3.2m／s，最大風速24.3m／s (1959年6月)。
(四)氣溫
年平均氣溫14.13℃。1月份最低，平均氣溫-0.6℃；7月份最高，平均氣溫27.4℃。
(五)凍土 凍土深度平均為29cm。
(六)霜期 歷年平均初霜期為10月下旬，終霜期4月上旬。
圖1-1 礦井交通位置圖
1.2張小樓井下高溫熱害問題
本井是徐州礦區(qū)高溫礦井之一，-750m水平巷道氣溫達28℃，最高可達32℃；-1000m水平巷道氣溫31℃，最高可達34℃。
礦井通風路徑為：新大井主副井→－1025軌道大巷→－1025小湖系皮帶下山（-1166軌道下山）→-1025膠帶石門→-1025西一下山采區(qū)各用風地點→-1025七煤區(qū)段回風道→-1025回風石門→-1025小湖系回風上山→-880回風上山→-1025西一軌道上山（-1025西一回風上山）→-750總回風上山→ -400新總回風道→風井。從井底車場到工作面回風全年每月平均溫度和濕度見表1-1。工作面平均溫度為28.1℃，回風巷溫度平均為31.3℃。熱害情況較為嚴重。
同時從表1-2中可以看出，-800米以上的巖溫基本均高于34.2℃。隨著新大井的建成投產(chǎn)，礦井開采深度不斷增加，熱害問題將更加突出。
表1-1 礦井工作面溫度表
月份 地點
井底車場℃
進風大巷℃
工作面℃
回風巷℃
1
14
14
26
28
2
14
14
26
28
3
15
15
25
29
4
16
16
25
30
5
20
20
26
31
6
25
25
29
32
7
29
29
32
35
8
29
29
32
35
9
28
28
31
33
10
26
26
31
33
11
23
24
29
32
12
17
18
25
30
圖1-2 礦井工作面溫度分布圖
表1-2 各鉆孔相同深度溫度對比表 單位：℃
深 度
孔 號
500m
800m
1000m
1200m
13－14
26.0
32.4
37.4
42.4
14－2
25.1
30.5
34.1
----
14－5
26.9
33.6
38.3
42.9
14－6
26.9
34.4
38.5
43.6
15－29
27.5
34.7
39.9
45.0
15－30
27.1
33.3
39.1
44.7
16－13
27.3
34.2
38.8
43.3
16－21
27.8
34.9
39.7
44.5
16－23
27.1
35.0
40.5
46.1
16－25
28.7
36.5
41.8
47.2
16－26
28.7
36.6
41.9
47.3
17－17
26.9
33.8
39.3
44.8
17－20
27.7
35.2
40.5
45.8
17－21
28.9
36.3
40.0
45.7
18－12
26.6
33.0
----
----
18－14
27.0
33.6
38.0
42.3
平 均
25.1～28.9
27.3
30.5～38.9
34.2
34.1～41.9
39.2
42.3～28.9
44.8
1.3張小樓井高溫熱害治理的必要性
張小樓井-800水平平均巖溫為34.2℃，-1000米水平平均巖溫高達39.2℃。張小樓井是徐州礦區(qū)高溫礦井之一，-750m水平巷道氣溫達28℃，最高可達32℃；-1000m水平巷道氣溫31℃，最高可達34℃。
由于工人長時間在高溫、潮濕的氣候環(huán)境中作業(yè)，體力消耗大，平均勞動效率比在正常氣候條件下工作時下降20%～30%，職工出勤率低。特別應該指出的是工人因在高溫環(huán)境下作業(yè)引起的綜合癥—頭暈眼花精神恍惚、疲乏惡心等，中暑現(xiàn)象時有發(fā)生，傷病工人多，而且隨著開采深度的增加，熱害問題將會愈來愈嚴重。
根據(jù)所測結(jié)果，進入夏季，井下采掘作業(yè)場地氣象條件進一步惡化，井下作業(yè)人員受高溫煎熬，治理熱害已成為當務之急。
2 礦井高溫熱害的概況
2.1礦井高溫產(chǎn)生的原因
造成礦井氣溫升高的熱源很多,主要有相對熱源和絕對熱源。相對熱源的散熱量與其周圍氣溫差值有關,如高溫巖層和熱水散熱；絕對絕源的散熱量受氣溫影響較小,如機電設備、化學反應和空氣壓縮等熱源散熱。高溫巖層散熱是影響礦井空氣溫度升高的重要原因,它主要通過井巷巖壁和冒落、運輸中的礦巖與空氣進行熱交換而造成礦井空氣溫度升高；另外當?shù)V井中有高溫熱水涌出時,也將影響整個礦井的微氣候,而使礦井空氣溫度略有升高。
2.1.1地表大氣狀態(tài)變化對井下氣溫的影響
地面空氣溫度直接影響礦內(nèi)空氣溫度。尤其對淺井，影響就更為顯著。地面空氣溫度在一年之中，隨著季節(jié)的變化發(fā)生周期性的變化，即使一晝夜的氣溫，也隨著時間發(fā)生周期性變化。地面空氣溫度的變化對于每一天都是隨機的，但遵守一定的統(tǒng)計規(guī)律，這種規(guī)律可以近似地以正弦曲線表示，如式(2-1)所示：
t=t0+A0sin()，℃ (2-1)
式中t。為地面年平均氣溫，℃；為周期變化函數(shù)的初相位，ard；A。為地面氣溫年波動振幅(℃)它可以按照式(2-2)計算：
(2-2)
其中tmax為最高月平均溫度，tmin為最低月平均溫度。地面氣溫周期性變化，使礦井進風路線上的氣溫也相應地周期性變化。但是這種隨著距離進風口的距離增加而衰減，并且在時間上，井下氣溫的變化要稍微滯后于地面氣溫的變化。
2.1.2空氣的自壓縮升溫對井下氣溫的影響
礦井深度的變化，使空氣受到的壓力狀態(tài)也隨之而改變。當風流沿井巷向下(或向上)流動時，空氣的壓力值增大(或減小)?？諝獾膲嚎s(或膨脹)會出現(xiàn)放熱(或吸熱)，從而使礦井溫度升高(或降低)。由礦內(nèi)空氣的壓縮或膨脹引起的溫升變化值可按式(2-3)計算：
(2-3)
其中n為多變指數(shù)，對于等溫過程，n=1，對于絕熱過程，n=1.4；g為重力加速度，9.8m/s2；R為普氏氣體常數(shù)，對于干空氣，R=287J/(kg.K)。
在絕熱情況下，n=1.4，則式(2-4)可簡化為
(2-4)
上式表明，井巷垂深每增加102m，空氣由于絕熱壓縮釋放的熱量使其溫度升高1℃；相反，當風流向上流動的時候，則又因絕熱膨脹，使其溫度降低。實際上，由于礦內(nèi)空氣是濕空氣，空氣的含濕量也隨著壓力的變化而變化，因此熱濕交換的熱量有時掩蓋了壓縮(或膨脹)放出(或吸收)的熱量，所以實際的溫升值與計算值是略有差別的。
2.1.3井下圍巖的散熱對空氣溫度的影響
圍巖向井巷傳熱的途徑有二，一是借熱傳導自巖體深處向井巷傳熱，二是經(jīng)裂隙水借對流將熱傳給井巷。井下未被擾動的巖石的溫度(原始巖溫)是隨著與地表的距離加大而上升的，其溫度的變化是由自地心徑向向外的熱流造成的。原始巖溫的具體數(shù)值決定于溫度梯度與埋藏深度。在大多數(shù)情況下，圍巖主要以傳導方式將熱傳給巷壁，當巖體向外滲流時則存在著對流傳熱。
在井下，井巷圍巖里的傳導傳熱是個不穩(wěn)定的傳熱過程，即使是在井巷壁面溫度保持不變的情況下，由于巖體本身就是熱源，所以自圍巖深處向外傳導的熱量值也隨時間而變化。隨著時間的推移，被冷卻的巖體逐漸擴大，因而需要從圍巖的更深處將熱量傳遞出來。
由于地質(zhì)和生產(chǎn)上的原因，圍巖向風流的傳熱是一個非常復雜的過程，計算也非常煩瑣，不同的學者提出了不同的計算方法，為了使理論計算成為可能，一般要進行下列假設：
(1)井巷的圍巖是均質(zhì)且各向同性的。
(2)在分析開始時，巖石溫度是均一的，且等于該處巖石的原始巖溫。
(3)巷道的橫斷面積是圓形的，且熱流流向均為徑向。
(4)在整條巷道壁面，換熱條件是一樣的；在其周長上，熱交換的條件也是一樣的。
(5)在所分析的巷段里，空氣的溫度是恒定不變的。
當上述5條假設條件均能夠滿足時，則單位長度巷道的圍巖熱流量可用式(2-5)進行計算：
(2-5)
式中:
q—單位長度巷道的圍巖所傳遞的熱流量，W/m；
—為圍巖的導熱率，w/(m*K)；
—圍巖的原始巖溫度，℃；
—巷道壁面的溫度，℃；
T(Fo)—考慮到巷道通風時間、巷道形狀以及圍巖特性的時間系數(shù)，可用傅立葉數(shù)來描述:
（2-6）
Fo—傅立葉數(shù)；
—巷道通風時間，s；
r—巷道的半徑，m；
—圍巖的導溫系數(shù)(熱擴散系數(shù))，m2/s
2.1.4井下機電設備的散熱對空氣溫度的影響
大量的機電設備在井下使用時，克服摩擦阻力作功所消耗的這部分能量就會轉(zhuǎn)化為熱能向風流釋放，使風溫度升高。要準確地計算出機電設備的散熱量也是相當困難的，因為散熱量并不是與電動機的功率成正比。某些機電設備的功率，如提升、排水之類，其提高位能的那部分功率是不能轉(zhuǎn)化為熱的，計算的時候應予以排除。機電設備的散熱量可以按式(2-7)計算：
, Kw (2-7)
此處Ni為電機的額定功率，kw；n為機電設備的臺數(shù)。
新近的觀測表明，回采工作面上有約占30%的熱量要進入隨著被采下并被加熱的煤炭中運出采區(qū)，所以采面的環(huán)境要略好一些，但回采機械的放熱仍是使采面氣候條件惡化的主要原因之一，能使風流溫度上升5一6℃。
提升運輸設備主要是運送人員、材料以及提升礦物、巖石。在運送人員中，提升運輸設備的凈做功為零；與提升的礦物、巖石量相比，下送材料的數(shù)量一般可以略而不計，所以它的放熱量也可以忽略不計。提升設備的功率同它所釋放的熱量之間的關系取決于提升機械的工作方式。
其次還有如扇風機的放熱，從熱力學的概念來說，扇風機并不做有用功，所以其電動機所消耗的電能全部轉(zhuǎn)換為熱能并傳給風流。因此流經(jīng)扇風機風流的焙增量應該等于扇風機輸入的功率除以風流的質(zhì)量流量，并直觀表現(xiàn)為風流的溫升。根據(jù)空氣的特性，風流流經(jīng)扇風機后，其濕球溫度的增量要比干球溫度的增量大。
2.1.5煤巖氧化放熱及熱水放熱對井下氣溫的影響
運輸中的煤炭以及研石的放熱，實質(zhì)上是圍巖散熱的另一種表現(xiàn)形式，其中以在連續(xù)式輸送機上的煤炭的放熱量最大，在以進風通道為運輸?shù)罆r，對進風流的加熱就具有特別重要的意義。根據(jù)測定，在高產(chǎn)工作面的長距離運輸巷道里，這種放熱量可達230kw或更高一些。
煤炭的氧化放熱是一個相當復雜的問題，很難將它與其他的熱源分離開來進行單獨計算。實測表明，煤炭的氧化放熱并不會對井下氣候產(chǎn)生顯著的影響。但當煤層中或者頂?shù)装謇锖写罅康牧蚧F時，其氧化放熱可能達到相當可觀的程度。在一般情況下，一個回采工作面的煤炭的氧化放熱量很少超過30kw。當井下發(fā)生火災時，根據(jù)火勢的強弱以及范圍的大小，可形成大小不等的熱源，但這一般屬于短時的現(xiàn)象。在隱蔽的火區(qū)附近，則有可能使局部巖溫上升。
井下熱水的放熱量主要是由水量和水溫來決定。當熱水大量涌出時，可對附近的氣候條件造成很大的影響，所以應盡可能地予以集中，并用管路將其排走，最低限度也要用加蓋板的水溝排走。
2.2礦井高溫熱害的影響
2.2.1礦井高溫對安全的影響
由于濕熱環(huán)境能引起人的中樞神經(jīng)失調(diào)，從而使人精神恍惚、昏昏欲睡，導致采煤工作面的事故率增多。據(jù)日本北海道七個礦井的調(diào)查統(tǒng)計，氣溫在30℃以上的工作面事故率比氣溫在30℃的高1.5～2.3倍。據(jù)南非多年的調(diào)查統(tǒng)計，當?shù)V內(nèi)作業(yè)地點的空氣當?shù)V內(nèi)作業(yè)地點的空氣濕球溫度達到28.9℃時（相當于干球溫度30℃），開始出現(xiàn)中暑死亡事故。圖2-2為南非金礦井下溫度與事故率關系。
圖2-2 南非礦井下溫度與事故率的關系
中國礦業(yè)大學（北京）巖土工程中心以何滿潮教授為首研究團隊所做的深部煤巖T-P耦合瓦斯解析實驗結(jié)果表明，深井溫度變化將會引起煤層內(nèi)吸附瓦斯逸出增加，從而使得井巷中的瓦斯?jié)舛壬?，容易發(fā)生瓦斯爆炸，嚴重威脅生命和財產(chǎn)安全。實驗結(jié)果見圖2-3至圖2-7。
圖2-3 煤溫25.1℃時氣體逸出測試結(jié)果
圖2-4 煤溫40.9℃時氣體逸出測試結(jié)果
圖2-5 煤溫55.7℃時氣體逸出測試結(jié)果
圖2-6 逸出氣體中甲烷含量值隨溫度變化關系
圖2-7 逸出氣體中二氧化碳含量值隨溫度變化關系
2.2.2礦井高溫對人體的危害
人們長期在礦井下高溫環(huán)境中作業(yè)，高溫可能使人產(chǎn)生一系列生理功能的改變，根據(jù)醫(yī)學研究成果，井下不同的溫度熱環(huán)境對人的危害如下：
30℃—汗腺開始啟動，在這種溫度下工作2-3小時，人體“空調(diào)”―汗腺就開始啟動，通過微微滲汗散發(fā)積蓄的體溫。
31℃—散熱機制立刻反應，這時淺靜脈擴張，皮膚微微出汗，心跳加快，血液循環(huán)加速，對于井下工作的工人而言，應采取降溫措施，同時應限制體弱者在井下工作。
32℃—人體自我冷卻，一級報警，在這個溫度下，人體通過蒸發(fā)汗水散發(fā)熱量進行“自我冷卻”，每天大約排出5升汗液，可帶走鈉15克、維生素C50毫克及其它礦物質(zhì)，血容量也隨之減少。此時，一定要注意補充含鹽、維生素及礦物質(zhì)的飲料，以防電解質(zhì)紊亂，同時動用可能的降溫措施。
33℃—多臟器參與降溫，二級報警，一旦氣溫升至33℃，人體通過汗腺排汗已非常困難，且難以保證正常體溫，不僅肺部急促“喘氣”以呼出熱量，就連心臟也要加快速度，輸出比平時多60%的血液至體表，參與散熱。這時降溫措施、心臟藥物保健及治療不可有絲毫松懈。
34℃—汗腺瀕臨衰竭，三級報警，汗腺疲于奔命地工作，已經(jīng)無能為力并趨于衰竭，這時很容易出現(xiàn)心臟病猝發(fā)的危險。
35℃—大腦顧此失彼，四級報警，高溫直逼生命中樞，大腦已經(jīng)顧此失彼，以致頭昏眼花、站立不穩(wěn)。人必須立刻移至陰涼地方或借助空調(diào)降溫。
36℃—危及生命的休克溫度，排汗、呼吸、血液循環(huán)，一切能參與降溫的器官，在開足馬力后已接近強駑之末。此時生命臨危，刻不容緩地需要救護措施。
另外，井下濕度達95%~100%的高濕環(huán)境給工人帶來極大的危害，人們長期在高濕的礦井下作業(yè)，將會使人產(chǎn)生一系列的生理功能改變，影響人的正常生理功能，使人的機理不能有效地散發(fā)熱量，出現(xiàn)中暑暈倒，嚴重的會出現(xiàn)死亡。另外，礦工長期在高濕的礦井下作業(yè)，會使人患上風濕病、皮膚病、皮膚癌、心臟病及泌尿系統(tǒng)和消化系統(tǒng)等疾病，還會使人產(chǎn)生心緒不寧、心情浮燥，誘發(fā)人精神方面的疾病，嚴重影響礦工的身心健康。
如安徽淮南九龍崗煤礦（深830m，工作面氣溫28℃左右），工人中高血壓及心悸病患者較多，1974年，平頂山八礦東一石門（深510m，氣溫30℃左右）工作面出現(xiàn)了溫度為36℃的熱水，水量僅12m3/h，竟使工作面氣溫上升至33~34℃，施工的工程兵戰(zhàn)士中曾多次發(fā)生中暑昏倒及嘔吐的病例，凡是在那里工作的人均患有傳染性濕疹，幾無幸免者，冬季感冒的發(fā)病率也特別高；廣西合山礦務局里蘭礦，由于井下有28~35℃的熱水涌出，巷道內(nèi)氣溫在22~29.6℃之間，出水點附近可達33℃，據(jù)1976年統(tǒng)計，井下工人有415人患有各種皮膚病，也發(fā)生過多起中暑昏倒病例。
據(jù)調(diào)查有以下典型案例，1996年7月25日，湖南省邵陽某礦因回采工作面風溫高達32℃，相對濕度達98%以上，一個班就有5名礦工因中暑暈倒在工作地點，經(jīng)搶救才幸免于難；湖南省冷水江某礦多年調(diào)查統(tǒng)計表明，礦工長期在高濕的礦井下作業(yè)，患風濕病、皮膚病、皮膚癌、心臟病的比例很高，并有如下調(diào)查結(jié)果：患風濕病的比例為186人/千人，患心臟病的比例為79人/千人，患皮膚病的比例為121人/千人，患皮膚癌的比例為45人/千人。
2.2.3礦井高溫對機電設備的危害
礦井里任何機電設備、電纜均是通過與環(huán)境的對流來散發(fā)本身所產(chǎn)生的熱量，其工作環(huán)境溫度、濕度超過規(guī)定的限值或長期處在限值附近時，必將導致設備散熱困難，以致發(fā)生設備故障。一般情況下，按常規(guī)方法難以查明發(fā)生事故的原因。
機電設備的環(huán)境溫度要求：我國礦用一般型機電設備的工作環(huán)境溫度為≤40℃；礦用隔爆型機電設備的≤45℃。但這并不等于說，只有到了上述限值才會發(fā)生設備故障，如果機電設備長期處在上述限值附近，則機電設備故障率將急劇上升。
日本通產(chǎn)省的調(diào)查統(tǒng)計表明：機電設備在相對濕度90%以上、氣溫為30—34℃的地點工作時，其事故率比低于30℃的作業(yè)地點高3.6倍。我國平頂山煤業(yè)集團公司五礦1997年6月，己3采區(qū)一采面回風順槽（氣溫35°C，相對濕度96%）電纜由于環(huán)境高溫致使其絕緣漏電，擊斃兩人；而在未降溫的采掘工作面卻屢屢發(fā)生作業(yè)人員中暑、熱擊事故，給生產(chǎn)帶來很大影響。
2.2.4礦井熱害的綜合影響
溫濕環(huán)境對人的勞動生產(chǎn)率是有影響的。國內(nèi)外研究統(tǒng)計表明，氣溫每增加1℃，礦井生產(chǎn)效率則降低6~8%。根據(jù)孫村礦2002年7月份的統(tǒng)計，工作面工人定員40人只有7人出勤，同時每年的高溫季節(jié)6-9月份，礦井生產(chǎn)幾乎陷于停頓狀態(tài)，對生產(chǎn)影響非常大。氣溫每增加1℃，礦工勞保醫(yī)療費增加8~10%；徐州夾河礦7446工作面溫度高達34~36℃，濕度高達100%，2006年因高溫熱害現(xiàn)場暈倒172人次，死亡時有發(fā)生。根據(jù)南非的最新統(tǒng)計，在濕球溫度32.8~33.8℃下工作的工人，千人中暑死亡率為0.57。以30℃為標準，氣溫每增加1℃，井下機電設備的故障率增加1倍以上。實際上龐莊煤礦張小樓礦內(nèi)，高溫作業(yè)地點的工作效率相對低下，也是客觀存在的。
2.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
熱害是礦井的自然災害之一，是礦井向深部開采不可避免的問題，在礦業(yè)發(fā)達國家，熱害問題出現(xiàn)早。如南非、最深金礦已經(jīng)達到4000m左右；印度、巴西的金屬礦井有的己經(jīng)超過2000m，俄羅斯、德國、英法等國的超千米煤礦較多。另外，在某種特殊條件下，礦井雖然深度不大，但也會遇到較高的巖溫或水溫。
國外關于礦山地熱和區(qū)域性地溫預測方面，尚未見到系統(tǒng)的研究資料。在我國，己有的降溫技術(shù)研究，都是在礦井建井期內(nèi)或生產(chǎn)遇到熱害之后進行的。但這種研究受礦井設計條件的限制。實踐使人們認識到，熱害礦山的治理，必須在新礦井設計時，按照一定的設計原則進行綜合考慮，才能取得最佳的技術(shù)經(jīng)濟效果。這就要求人們預先探知井田的地溫條件和預計井下的氣候狀況。礦井空氣與圍巖(包括其他熱源)熱交換計算技術(shù)的發(fā)展，已使對礦井熱害程度的預測成為可能。
有關高溫礦井的文獻可追溯到16世紀。1740年，法國曾有人對金屬礦的地溫進行過觀測。18世紀末，英國開始系統(tǒng)地進行礦井巷道的溫度觀測，從而看出溫度隨深度的增加而升高。鉆孔測溫始于19世紀后半葉，在1882一1900年間，歐洲打了兩個深孔，一個深1959m，孔底溫度為69.3℃；另一個孔深222lm，孔底溫度為83.4℃。兩鉆孔的全孔增溫梯度都是3.12℃/l00m。所以在一個相當長的時期內(nèi)，都認為地殼的增溫梯度大體為3℃/100m。后來，不同地質(zhì)條件下的鉆孔測溫資料日漸增多，由不同巖石組成的剖面都有了測溫數(shù)據(jù)之后，這一概念才得到修正。
礦山地熱工作是把地溫作為一種礦產(chǎn)開采條件進行研究的。地溫測定和熱害治理是礦山地熱工作的兩個核心。我國煤田勘探中的鉆孔測溫，始于上世紀60年代川。1974年，平頂山礦務局與中國科學院地質(zhì)研究所地熱室合作，對平頂山八礦，后擴大到整個平頂山礦區(qū)進行了為期4年的研究工作。1978年提出研究報告。同年5月，前煤炭工業(yè)部地質(zhì)局在平頂山召開了由各省、自治區(qū)煤田勘探技術(shù)人員參加的地溫會議，決定在全國煤田勘探中開展測溫工作，會議為此草擬了一個暫行規(guī)定并立即頒發(fā)試行，會議還討論確立了劃分一、二級熱害區(qū)的概念，并組織有關人員著手編寫《礦山地熱概論》一書。1980年，上述暫行規(guī)定被納入部頒《煤炭資源地質(zhì)勘探規(guī)范》(試行)，地溫條件評述已成為地質(zhì)報告中的規(guī)定內(nèi)容之一，地溫已被正式認定為煤礦的一個新的開采技術(shù)條件。1981年，《礦山地熱概論》問世。1982年，國務院頒發(fā)了《礦山安全條例》，其中規(guī)定了地質(zhì)勘探報告應對有熱害的礦山提供地熱資料的種類和名稱：1986年，由國家儲委修訂頒發(fā)的《煤炭資源地質(zhì)勘探規(guī)范》也將地溫測量工作、地溫條件評價的有關規(guī)定納入相應條文。
從上世紀70年代初至80年末，中國科學院地質(zhì)研究所地熱室與原煤炭工業(yè)部合作，先后對開灤、充州的東灘、平頂山、黃縣煤礦以及豫西等六個礦區(qū)進行了專題研究，所取得的成就可以歸結(jié)為以下幾點：
（l）與礦山地熱有關的地熱基礎理論知識在采礦和勘探部門得到一定程度的普及。
（2）研制了地熱測量所需的儀器裝備，如精度較高的測溫儀器和巖石熱物理性質(zhì)測試裝備，為地溫測量提供了手段。
（3）以鉆孔熱平衡理論為基礎，建立了穩(wěn)態(tài)測溫、近似穩(wěn)態(tài)測溫和簡易測溫方法，在礦產(chǎn)勘探中已廣泛應用。
（4）對典型高溫的平頂山礦區(qū)進行了地溫評價和深部地溫預測，預測精度經(jīng)驗證達到1一2℃的高水平，所推出的預測方法具有普遍意義。
（5）總結(jié)了礦山地熱的研究方法，提出并改進了礦山地溫類型的劃分標準，這對地質(zhì)勘探和礦井地質(zhì)工作中的地熱工作，有較大的指導意義。
1978年以后，煤田地質(zhì)勘探全面開展地溫測量，這標志著礦山地熱工作步入新階段。測溫工作的普遍開展，一方面迅速改變了煤田和礦區(qū)嚴重缺乏地溫資料的狀況，為礦山的建設和遠景規(guī)劃提供了資料;另一方面，在普及地溫測量的實踐中，也出現(xiàn)了一些新的問題，暴露出在地溫勘探方法上存在的某些缺陷，有待解決。因此。改進、完善地溫勘探方法是當前面臨的一個大的任務。
我國對礦山熱害的治理研究工作起步于50年代初期。當時，煤炭科學研究院撫順研究所就對撫順煤礦用的充填料干溜過的油頁巖的放熱、井上下氣溫變化和地溫進行過調(diào)查、測定。此后還在撫順、淮南、合山、平頂山、北票、長廣、新漢等礦務局(礦)進行了井下熱源考察和風流溫度預測，并開展了大小型號的制冷機、空冷器及其它降溫器材的研制和試驗工作，協(xié)助新漢礦務局孫村煤礦建立了我國第一個井下集中制冷站，在平頂山八礦建立了井下制冷系統(tǒng)。中國醫(yī)學科學院勞動衛(wèi)生研究所曾應前煤炭部的邀請，先后在京西、開灤、淮南、合山、北票等礦務局進行了井下熱氣候?qū)θ梭w危害及各工種代謝產(chǎn)熱量的調(diào)查。此外，馬鞍山鋼鐵設計院、長沙有色金屬設計研究院、淮南礦業(yè)學院、山東礦業(yè)學院、中國礦業(yè)大學、河北煤礦建筑工程學院、湖南711礦、江蘇韋崗鐵礦、三河尖煤礦等也做了一些調(diào)查、研究和試驗工作。
在礦山熱害的治理中，需要預先計算出采掘工作地點將出現(xiàn)怎樣的氣候條件，為了使氣候條件符合勞動衛(wèi)生要求，需采取哪些合理措施和供給多少冷量。這就是井下氣流與圍巖以及其它各種人為、天然地熱源的熱交換計算問題。引起井下風流狀態(tài)參數(shù)發(fā)生變化的因素很多，如進風的狀態(tài)參數(shù)、風流的自然壓縮、圍巖的傳熱散濕特性和局部熱源、礦井水的傳熱散濕特性等等，而這些因素本身又是多變的，給熱交換計算帶來許多困難。
在圍巖傳熱中，多利用傅里葉熱傳導方程，并假定:原始地溫場是穩(wěn)定的，圍巖是均質(zhì)各向同性的，巷道斷面是圓形的，采面為半無限平板等初始條件和邊界條件，并引進傅里葉數(shù)和畢奧數(shù)來表述無因次不穩(wěn)定傳熱系數(shù)，使井下圍巖傳熱的計算成為可能。這種計算異常繁瑣，但由于采用了電子計算機，可將BF值貯存起來，也可以用經(jīng)驗公式計算，加之將巷道和采面分成小段，分段引入實測的圍巖熱導率，使之取得了較好的效果。在局部熱源計算中，過去是將機電設備產(chǎn)生的熱量直接全部加入風流中，但實際上，機電設備時用時停，負荷多變，停機時，曾被圍巖吸收的部分熱量又會散發(fā)出來。
風流與水的熱交換計算困難較多。巖體的裂隙有的含水，有的不含水或弱含水。有些肉眼觀察似乎相當干燥的巖壁在風流通過后也可測到風流中水分的增減，這意味著這里仍有水的蒸發(fā)或冷凝。但水的蒸發(fā)熱或冷凝熱并不一定都完全取自或傳給風流，也可能部分取自或傳給圍巖。所以，機械地采用濕壁系數(shù)(巷道潮濕面積與其總面積之比值)來計算，已被證明是不準確的。此外，圍巖由于相變、含水、受壓開裂造成熱物理性質(zhì)變化，采面的長度、采高、礦層厚度變化引起的熱交換面積的變化，采空區(qū)漏風造成的風量變化、煤層氧化條件的變化等等，均給氣候條件預測計算造成困難。
3 礦井高溫熱害防治技術(shù)
自六十年代初，在撫順煤礦安全研究所的指導下，我國一些高溫礦井開始進行了防治熱害的實踐和研究。高溫礦井熱害治理措施, 包括開拓開采措施,改善通風系統(tǒng)以及機械制冷降溫等很多方面。根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有高溫礦井治理熱害的措施及其使用效果, 從經(jīng)濟效益以及簡便易行的角度考慮, 結(jié)合具體情況可以選擇以下幾個途徑。
3.1非制冷降溫措施
3.1.1通風降溫
選擇合理的通風系統(tǒng)加強通風, 增加風量是改善礦井濕熱條件最簡便易行的方法, 效果比較顯著, 也較經(jīng)濟, 在礦井熱害不太嚴重的情況下, 應該首先從加強通風管理著手。改善通風系統(tǒng),包括縮短進風段的風路長度，有條件時采用下行風以及井下機電炯室單獨回風等方面,目的是使熱量少進入進風流，并使新鮮風流流徑最短, 使工作地點獲得足夠的風量和合理的風速。改善通風系統(tǒng)工程量大, 涉及面廣, 最好在礦井設計時, 根據(jù)地質(zhì)報告統(tǒng)盤考慮。
加大風量提高風速雖然可以調(diào)節(jié)人體的散熱條件, 但其降溫范圍是有限的, 當風速增大到一定程度, 會引起風速超限, 巖粉飛揚, 有礙安全, 進而要求擴大斷面而且過高的風速對人體也有影響。根據(jù)有關資料,工作地點的風速為1—1.5 米每秒比較合適,溫度高時取上限, 溫度低時取下限。當風速超過2米每秒時, 人會感到難受。在干球溫度超過人的體溫時, 高風速可使汗水的蒸發(fā)速度超過人體出汗的速度, 外部熱會通過皮膚傳入內(nèi)。當風速高到3米每秒或更高時, 人的皮膚就會有燒灼感, 甚至導致中暑、暈倒以致死亡。因此保證高溫礦井工作地點有合理的風速是十分重要的。
將上行風改為下行風, 有利于改善工作面的氣候條件。這是因為下行通風時, 運輸機布置在回風道, 煤巖在運輸過程中放出的熱量、水蒸氣及運輸機電設備的放熱不再返回工作面, 從而改善工作面入風流的空氣狀態(tài)；其次, 新鮮風流從圍巖溫度較低的上部水平進入采區(qū), 風流從圍巖獲得的熱量較少。平頂山一礦丁十采區(qū)1103 工作面改用下行風后， 氣溫由31 ℃降到26 ℃。根據(jù)國內(nèi)外試驗表明，同上行通風相比，下行風一般可使工作面入口氣溫降低3 ℃，工作面出口處氣溫降低1 ℃。
下行通風方式不利于工作面內(nèi)的瓦斯管理及火災時期的災變處理；另外, 運輸機電設備都處在回風流中, 給生產(chǎn)帶來了不安全因素。因此, 采用下行通風時, 必須采用相應的安全措施, 有一定的局限性。
3.1.2疏干熱水
由于地下水熱容量大, 水與空氣的熱交換條件好, 即使只有少量熱水也可嚴重惡化井下環(huán)境, 對空氣起到增火含增濕增溫的作用, 為此在以熱水型為主的高溫礦井中, 應首先治理熱水。
治理熱水的原則是防止熱量和水蒸氣進入風流中去。其主要方法是超前疏放, 將其水位降低到開采深度以下。疏放的熱水應用隔熱管路排至地面或排至水倉或經(jīng)過有隔熱蓋板的水溝導入水倉, 然后排至地面。對于裂隙噴淋的熱水采用打鉆孔, 注射水泥漿或化學漿液封堵, 或開掘?qū)Ｓ玫牧鳠崴锏琅欧?。其目的都是防止熱量和水蒸氣進入進風流中。
有的礦在井下封堵出水點, 縮小熱害范圍, 取得了較好效果。還有的礦準備打?qū)ｉT鉆孔, 將熱水單獨引入回風道, 減少熱交換。
3.1.3減少濕源, 降低礦內(nèi)空氣濕度
礦內(nèi)空氣的氣象條件, 可由溫度、濕度以及風速三個指標綜合評價, 相對濕度直接影響人體蒸發(fā)散熱。當相對濕度超過80%時, 人體蒸發(fā)散熱已感到困難, 人就感到悶熱難受, 相對濕度低于30%時人就感到干燥，發(fā)生粘膜開裂。最適宜的相對濕度為50%一60% ，而多數(shù)高溫礦井相對濕度都達到80一100%。降低礦井空氣的濕度，對改變礦井氣象條件是非常必要的。據(jù)日本資料介紹，在高溫井下濕度降低1.7%等于氣溫降低0.7℃。因此高溫礦井不僅要重視采取降溫措施，也要積極采取降濕措施。
礦內(nèi)空氣增濕主要是井下水以及井巷淋水蒸發(fā)造成的。要達到降濕目的, 必須加強對井下水的管理, 如封閉潮濕巷道的巖壁,在掘鑿巷道時同時做好水溝并設水溝蓋板,對有淋水的巷道設置截水溝, 把水集中到水溝走等?？傊M量防止水蒸氣進入風流中去, 減少礦內(nèi)空氣增濕的條件。
空調(diào)制冷也是降低礦內(nèi)濕度的有效措施, 因為空調(diào)制冷的過程, 既降溫又降濕。據(jù)有關資料, 制冷機在降溫的同時, 可使空氣濕度由90%降到80% 左右。
3.1.4用隔熱材料噴涂巷壁減少圍巖散熱
地熱型熱害礦井,熱源主要來自高溫巖層并通過井巷巖壁散熱, 因此可用某種隔熱物質(zhì)噴涂于巷壁上,以防止圍巖向巷道傳熱。據(jù)國外資料介紹, 隔熱材料有賽璐路泡沫, 硬質(zhì)氨基甲酸抱沫等。
在圍巖壁敷噴涂料后, 短期內(nèi)隔熱效果可能較好, 但隨著通風時間的延長, 其隔熱作用逐漸降低, 特別在有淋水或溫度較大的巷道內(nèi), 由于水分滲入涂料層, 其隔熱作用將消失得更快。目前我國還沒有進行過噴涂隔熱層的試驗, 對隔熱涂料選擇及其使用效果尚需進行實踐。
3.1.5降低礦井進風溫度
在夏季進入礦井的風溫較高, 應考慮降低礦井進風溫度的措施。如當?shù)乇砘蚓掠胸S富的低溫水源時, 可將這種低溫水直接送往井下高溫工作面, 通過熱交換器冷卻進風。由于圍巖和空氣的熱交換隨通風距離增大而加強, 已經(jīng)冷卻的風流在到達工作地點時由于沿途加熱可能升溫, 因此熱交換器應盡量接近工作面, 并對風筒采取相應的隔熱措施。如某礦在地面轟置制冷站, 將制出的5℃左右的低溫水用隔熱管道送到井下，通過熱交換器降低風流溫度，熱交換器設在距掘進工作面100米左右，低溫水管和回水管均用聚氯乙烯泡沫塑料層包扎，回水水溫15℃左右。德國的惠斯普荷來礦，在全長900 米的巷道中，架設冷水管，把5100米3 /分的進風冷卻到5.6℃ 。
3.1.6加強個體防護
人體防護就是在礦內(nèi)某些氣候條件惡劣的地點, 由于技術(shù)和經(jīng)濟上的原因, 不宜采取風流冷卻措施時, 可讓礦工穿上冷卻服, 以實現(xiàn)個體保護。研究表明, 穿著冷卻服是保護個體免受惡劣氣候環(huán)境危害的有效措施。它的作用是: 當環(huán)境的溫度較高時, 可以防止其對身體的對流和輻射傳熱, 使人體在體力勞動中所產(chǎn)生的新陳代謝熱能, 較容易地傳給冷卻服中的冷媒。冷卻服的適用范圍很廣, 即可以是獨頭高溫工作面, 又可以是井下各種大型設備操作人員和未采用中央制冷空調(diào)時的井下游動工作人員和生產(chǎn)管理者。個體防護的制冷成本僅為其它制冷成本的1/5 左右, 因而世界各國爭相開展冷卻服的研制, 走在技術(shù)前列的有德國、南非、美國、澳大利亞。
另外礦工醫(yī)院應當定期對井下高溫工作面作業(yè)人員經(jīng)行體檢，加大后勤服務力量，提高班中餐食物能量，供應綠豆水或含K+，Na+等離子電解質(zhì)飲料。
單位也應當嚴格執(zhí)行《勞動法》，工人按時上下班，不加班加點，由“三八”制改為“四六”作業(yè)制，同時該工人每月集中輪休制為上班3天休息1天，縮短勞動時間，加強休息，使工人的體力迅速恢復，提高勞動能力、效率，降低事故率。
3.2人工制冷降溫措施
非人工制冷降溫僅能用于熱害不太嚴重的礦井或作為人工制冷降溫的輔助措施。在礦井深部開采或地處熱帶及氧化放熱較嚴重的淺部開采的礦井,采用人工制冷降溫( 制冷降溫)是必不可少的。
礦井空調(diào)雖然已有80 余年的歷史, 僅在近30 年才得到較為廣泛的應用。1920 年在巴西的莫勞·約理赫金礦建立了世界上第一個礦井空調(diào)系統(tǒng), 在地面建立了集中制冷站。英國是世界上最早在井下實施空調(diào)技術(shù)的國家, 1923年英國的彭德爾頓煤礦第一個在采區(qū)安設制冷機, 冷卻采面風流。德國于1924 年在拉德博德(Radlod)煤礦的地面安設一臺冷凍機, 1953 年在洛伯爾格礦井下安裝大型風流冷卻設備。巴西莫羅維羅(MorroVelno) 礦和南非的魯濱遜深井于20 世紀30 年代采用集中冷卻井筒入風流的方法降溫，60 年代南非便開始了大型礦井集中式空調(diào)降溫，70年代蘇聯(lián)、日本等國礦井開始應用制冷降溫。
我國1964～1975 年在淮南九龍崗使用第一個礦井局部制冷降溫系統(tǒng)，1981～1985 年在新汶礦務局孫村煤礦建立了我國第一個井下集中降溫系統(tǒng)，制冷站制冷能力為2326 kW， 選用重慶通用機器廠生產(chǎn)的II- JBF- 500型離心式制冷機(制冷量為581 kW)。1986年，“平山八礦礦井降溫技術(shù)研究”被列為國家第七個五年計劃的科技攻關項目，該礦建立了我國第二個井下集中降溫系統(tǒng)，制冷站制冷能力4652 kW，采用III-JBF-100×0型離心式制冷機( 制冷量為1163 kW) 。
3.2.1空氣壓縮式制冷礦井空調(diào)系統(tǒng)
空氣制冷空調(diào)有渦輪式空氣制冷、變?nèi)菔娇諝庵评?、渦流管式空氣制冷和壓氣引射器制冷等形式；由于后三種形式使用的局限性，使得渦輪式空氣制冷是目前最常用的礦井空調(diào)系統(tǒng)?？諝鈮嚎s制冷循環(huán)的制冷系數(shù)、單位質(zhì)量制冷工質(zhì)的致冷能力均小于蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)，在產(chǎn)生相同制冷量的情況下，空氣壓縮式制冷系統(tǒng)需要較龐大的裝置，并且單位制冷量的投資和年運行費用均高于蒸汽壓縮式系統(tǒng)。因此，全礦井采用空氣壓縮式制冷系統(tǒng)降溫的礦井降溫的礦井很少。
渦輪式空氣制冷利用壓縮空氣經(jīng)過渦輪絕熱膨脹做功，從而使空氣制冷。1993年7 月，平頂山礦務局科研所和609研究所大膽借鑒空氣制冷技術(shù)在航空、制氧、石油等工業(yè)上的成功應用經(jīng)驗，聯(lián)合研制成KKL - 101無氟空氣制冷機，為我國礦井空調(diào)開辟了一條新的途徑。
KKL -101 無氟空氣制冷機主要由渦輪膨脹機、水冷卻器、水分離器、消音隔熱風筒、閥門和壓力表組成。從井下壓縮空氣主管來的壓縮空氣經(jīng)過限流環(huán)將壓力減小到0--22M Pa 以下, 然后進入渦輪膨脹機的壓氣機端增壓。壓氣機的動力來自渦輪中空氣膨脹時的輸出功, 空氣在壓氣機中增壓的同時, 溫度也隨著升高；接著進入水冷卻器與冷卻水進行熱交換冷卻, 使空氣的溫度降到接近壓氣機進口的空氣溫度。為防止空氣中游離水進入渦輪膨脹機的渦輪端, 在水冷卻器出口處安裝了水分離器, 除去水的空氣進入渦輪膨脹降溫后流入隔熱風筒, 與風筒內(nèi)的空氣混合后輸往工作面降溫。渦輪膨脹機為二輪升壓式結(jié)構(gòu), 渦輪與壓氣機裝在同一軸上, 轉(zhuǎn)速達50 000r/ min。壓氣機葉輪為離心式，渦輪葉輪為向心徑流式。采用滾動軸承支承, 油芯式潤滑。水冷卻器為單程叉流式, 其換熱芯片是由高密度波紋板、邊條、隔板和端板在高真空度的真空爐中釬焊而成。連接端蓋、接頭等是由手工氬氣保護焊焊成。具有結(jié)構(gòu)緊湊、單位體積內(nèi)傳熱面積大、質(zhì)量小等優(yōu)點。
渦輪式空氣制冷機系統(tǒng)用空氣制冷機作為高溫礦井空調(diào)終端，如圖3-1所示，它相當于冷水機組系統(tǒng)中的空冷器，其優(yōu)點如下：系統(tǒng)簡單，沒有高低壓換熱器和空冷器，輸冷管道少，承壓小，材質(zhì)要求低, 施工技術(shù)難度低等；空氣制冷機本身無需電力驅(qū)動, 無防爆問題, 空氣既是制冷劑又是載冷劑, 取之不盡, 用之不竭, 又無環(huán)境污染問題, 在高溫、高沼氣煤礦具有很好的應用前景。但也有其缺點: 該系統(tǒng)需要礦井具有充足的壓縮氣源, 與蒸氣壓縮式空調(diào)系統(tǒng)相比投資和年運行費用較高。
隨著空氣壓縮制冷的發(fā)展，1989年南非一金礦建成了壓縮空氣制冷系統(tǒng)，這作為一種新型礦井壓氣空調(diào)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的礦井空調(diào)系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來礦井空調(diào)系統(tǒng)，其基本原理是利用壓氣作為供冷媒質(zhì)，直接向采掘工作面噴射制冷。礦井壓氣空調(diào)系統(tǒng)在技術(shù)上具有顯著的優(yōu)點。運行經(jīng)濟合理, 能夠有效地解決我國當前礦井集中降溫中存在的實際問題, 使工作面上的冷量分布合理, 降溫效果好, 而且系統(tǒng)簡單, 應用靈活, 可應用于需冷量不太大的小型礦井降溫系統(tǒng), 尤其對我國長壁開采工作面具有很強的適用性。礦井壓氣空調(diào)系統(tǒng)可作為我國今后礦井降溫中一條可供選擇的新途徑。
圖3-1 渦輪式空氣制冷礦井空調(diào)系統(tǒng)
3.2.2冰冷卻制冷礦井空調(diào)系統(tǒng)
冰冷卻空調(diào)系統(tǒng),就是利用地面制冰廠制取的粒狀冰或泥狀冰, 通過風力或水力輸送至井下的融冰裝置, 在融冰裝置內(nèi),冰與井下空調(diào)回水直接換熱, 使空調(diào)回水的溫度降低。
該系統(tǒng)有其獨特的優(yōu)點。首先, 從井下用泵打回的水量只是水冷卻系統(tǒng)水量的1 /4，這大大節(jié)約成本；其次，輸送到空氣冷卻器的水和冰直接熱交換，具有很高的熱交換效率，能產(chǎn)生1 ℃的冷水，這樣輸送到空氣冷卻器的水量需求明顯減少，從而減少了冷凍水泵的輸送能耗；最后，能夠很順利的克服常用礦井空調(diào)系統(tǒng)的高靜水壓力和冷凝熱排放困難等問題。
實際冷卻系統(tǒng)的對比評價證明：目前3 000 m以下的礦井降溫系統(tǒng)，即使在地表制冰費用不扉，其最經(jīng)濟的選擇方案是在地表安裝機組制取冰供井下用。這些都表明冰冷卻礦井空調(diào)系統(tǒng)的遠大的應用前景。南非Harmony金礦在1986年第一個采用冰冷卻系統(tǒng)進行礦井降溫?，F(xiàn)在因為礦井的關閉，降溫系統(tǒng)不再運行。最成功的礦井冰冷卻降溫系統(tǒng)是已經(jīng)成功運行10年的ERPM礦井系統(tǒng)。ERPM系統(tǒng)的運行提供了寶貴的經(jīng)驗和信息, 它適合于任何其他礦井冰輸送系統(tǒng)。任何冰冷卻系統(tǒng)的一個重要問題是管道的機械設計。專家發(fā)現(xiàn)冰塞延著管道形成并在管道末端激烈釋放。冰塞的這種運動引起管道激烈的振動, 從而導致對管道支撐的嚴重沖擊,特別是當管道和支撐有足夠的空間時沖擊更具有破壞力。當使用低壓塑料管時, 通過精密的支撐設計使得沖擊力降到最小是非常重要的。另外一個重要的問題是管道堵塞, 主要發(fā)生在管道的末端, 它可以通過適當?shù)谋O(jiān)控措施來避免。
冰冷卻空調(diào)降溫系統(tǒng)由冰的制備、冰的輸送和冰的溶解三個環(huán)節(jié)組成。
(1)冰的制備。根據(jù)冰的形狀可以分為粒狀冰和泥狀冰, 根據(jù)制冰的傳熱機理可分為直接傳熱和間接傳熱。粒狀冰冷卻系統(tǒng)所采用的冰粒形狀有多種, 如立方體、圓柱體、管狀和片狀等, 其形狀主要是由制冰機蒸發(fā)器的幾何形式所決定的。制取粒狀冰需要制冰機有較低的蒸發(fā)溫度(- 15～ - 30 ℃)，這使制冰機的性能系數(shù)降低。比較而言, 管狀與片狀冰的制冰機性能系數(shù)要比立方體、錐體等塊狀冰的制冰機高。粒狀冰的優(yōu)點是較低的蒸發(fā)溫度使得冰粒具有較大的過冷度, 從而可以減小輸送過程中的融化損失, 而且便于輸送。粒狀冰制冰機的工作過程分為凍結(jié)和收冰兩個階段。凍結(jié)和收冰的時間影響著制冰機的性能。泥狀冰是指水或鹽水中混合的小冰晶, 制取時形成的小冰晶從鹽水中析出, 冰比生成它的溶液純凈, 這個過程叫做冰凍除鹽。用于大規(guī)模泥狀冰的制備有間接傳熱法、真空制冰法和直接傳熱制冰法。
(2)冰的輸送。冰的輸送方式有傳送帶輸送、風力輸送、水力輸送和重力輸送。不同形狀的冰和不同的輸送位置應采用不同的輸送方式。
粒狀冰從制冰場到豎井井口可采用傳送帶或風力輸送, 豎井內(nèi)以及井下到融冰糟的水平段可采用重力輸送。風力輸送屬于管道輸送的一種方式, 壓縮空氣的壓力應保持在150 kPa 以上，實際應用時可達400 kPa?？諝鉁囟纫嗽? ℃以下。在實際運行過程中應隨時調(diào)整輸冰速度和壓縮空氣量, 防止冰塊過于密集, 導致管道阻塞或破裂。由于片狀冰的表面積與質(zhì)量比比較大, 容易相互黏連, 而導致管道阻塞, 所以實際應用中應首選管狀冰。
泥狀冰只能采用水力輸送, 對管道和泵都沒有特殊要求, 其優(yōu)點是可以直接利用改造后的冷水管道進行輸送。為了減輕過高的靜水壓力對井下設備的影響, 可采用高低壓換熱器, 也可安裝水輪機等水能回收裝置, 以減少輸送能耗。
(3)冰的融化。為了保證冰的融化速度, 必須在井下設置專門的融冰裝置, 并需對融冰機理進行研究。融冰機理的分析需要解決的是變冰量條件下的融冰過程分析和連續(xù)輸冰條件的融冰過程分析。變冰量條件下的融冰過程指的是融冰過程中不再補充新的冰量, 隨著融冰的進行, 冰床高度越來越低, 殘冰量越來越少。變冰量條件下的融冰過程屬于非穩(wěn)態(tài)過程, 研究的主要目的是了解融冰裝置內(nèi)一定量的冰完全融化時所需要的時間。連續(xù)輸冰條件下的融冰過程指的是隨著融冰過程的進行, 冰量不斷地補充到融冰裝置內(nèi), 融冰過程中冰床高度和融冰裝置的出水溫度保持不變。連續(xù)輸冰條件下的融冰過程屬于穩(wěn)態(tài)過程, 研究的主要目的是探討融冰裝置的出口水溫和冰床高度、進水流量、水溫以及冰粒形狀和大小等之間的關系。在進行系統(tǒng)控制設計時, 應保證產(chǎn)冰量、輸冰量和融冰量之間的平衡。
作為一項礦井空調(diào)的新技術(shù), 冰冷卻空調(diào)系統(tǒng)在系統(tǒng)運行管理和控制方而有較高的要求。該系統(tǒng)在我國還處于試應用階段。為在我國真正推廣應用冰冷卻空調(diào)系統(tǒng), 尚需開展許多工作, 如適合不同冰制備方式的制冰設備的開發(fā)和研制, 輸冰系統(tǒng)和輸冰設各的研究與開發(fā), 適合低溫水和泥狀冰傳熱要求的井下空冷器的研究與開發(fā)。2004年孫村煤礦采用了冰冷卻輻射降溫空調(diào)系統(tǒng)獲得了巨大的成功，并把這項工程的技術(shù)和經(jīng)驗成功地推向市場。
冰冷卻系統(tǒng)的研究與應用主要以南非為主，1976年南非環(huán)境工程實驗室提出了向井下輸冰供冷的方式，1986年南非Harmony金礦首次采用冰冷卻系統(tǒng)進行井下降溫，取得了一定的降溫效果工藝原理見圖3-2。
圖3-2 南非冰冷卻系統(tǒng)降溫原理
3.2.3機械制冷水降溫礦井空調(diào)系統(tǒng)
機械制冷水水降溫礦井空調(diào)系統(tǒng), 若按制冷站所處的位置不同來分, 可以分為以下四種基本類型。
1、井下集中式空調(diào)系統(tǒng)
該系統(tǒng)的制冷機設在井下, 通過管道集中向各工作而供冷水, 系統(tǒng)比較簡單供水冷管道短, 沒有高低壓換熱器, 僅有冷水循環(huán)管路。但必須在井下開鑿大斷面峒室, 它給施工和維護帶來困難, 并且電機和控制設備都需防爆, 難度大、造價高。隨著開采深度的增加, 井下集中空調(diào)系統(tǒng)的冷凝熱排放則成為突出的問題。這種布置形式只適用于需冷量不太大的礦井。井下集中式空調(diào)系統(tǒng)按冷凝熱排系統(tǒng)的敷設方式的不同來分類, 又可分成四種不同的布置形式: 回風流排熱、地面冷卻塔排熱、地下水源排熱、幾種排熱方式混合排熱。根據(jù)不同的實際情況采用不同的敷設方式。
2、地面集中式空調(diào)系統(tǒng)
該系統(tǒng)將制冷站設置在地面, 冷凝熱也在地面排放, 在井下設置高低壓換熱器將一次高壓冷凍水轉(zhuǎn)換成二次低壓冷凍水, 最后在用風地點上用空冷器冷卻風流。這種空調(diào)系統(tǒng)有另外兩種形式, 一種是集中冷卻礦井總進風, 這種形式, 在用風地點上空調(diào)效果不好, 而且經(jīng)濟性較差；另一種是在用風地點上采用高壓空冷器, 這種形式安全性較差。實際上后兩種形式在深井中都不可采用。井下冷卻風流系統(tǒng), 載冷劑輸送管道中的靜壓很大, 所以必須在井下增設一個中間換熱裝置(高低壓換熱器) 。其中, 高壓側(cè)的載冷劑循環(huán)管道承壓大,易被腐蝕損壞, 且冷損較大。
這種系統(tǒng)比較于井下集中式空調(diào)系統(tǒng), 制冷機不需要采取防爆措施, 排熱方便, 冷損失小, 水頭壓力小, 易安裝, 便于運行管理。但此系統(tǒng)形式年運行時間不短、供冷距離短、要求水量大、凍水溫差小, 這些缺點嚴重制約了其在深井的應用。當?shù)V井非預期的繼續(xù)向下開采的時候, 該系統(tǒng)能夠很方便的拓展成井下地面聯(lián)合的礦井空調(diào)系統(tǒng)。此系統(tǒng)在1995年6月27日在孫村礦試運轉(zhuǎn), 試運行后, 因各方面原因一直未在運行。根據(jù)經(jīng)驗, 應該是設備管道本身的質(zhì)量和現(xiàn)場安裝質(zhì)量上出現(xiàn)問題。
3、井上、下聯(lián)合的混合空調(diào)系統(tǒng)
這種布置形式是在地面、井下同時設置制冷站,冷凝熱在地面集中排放。它實際上相當于兩級制冷,井下制冷機的冷凝熱是借助于地面制冷機冷水系統(tǒng)冷卻。因井下的最大限度的制冷容量受制于相應的空氣和水流的回流排熱能力,所以通常需要在地表安裝附加的制冷機組。這就使得混合系統(tǒng)成為深井冷卻降溫的必要。地下5000 m處不同采深的礦井采用的礦井冷卻空調(diào)系統(tǒng)和礦井設計的成本可以被專家確定, 這些被確定的成本數(shù)據(jù)及實踐表明深井降溫最經(jīng)濟的深井冷卻系統(tǒng)是地表制冷機組和地面制冷機組聯(lián)合的混合冷卻系統(tǒng)。
該系統(tǒng)中設備布置分散,冷媒循環(huán)管路復雜,操作管理不便。但是它可提高一次載冷劑回水溫度, 減少冷損；可利用一次載冷劑將井下制冷機的冷凝熱帶到地面排放,這樣就決定了此系統(tǒng)能承擔大負荷,這些是井下集中式和地面集中式所缺少的品質(zhì)。
4、井下分散局部空調(diào)系統(tǒng)
從一定意義上講:當實際礦井工程中只需要在幾個點并且點點相隔較遠時, 如某幾個單獨的工作面需要降溫,這時分散局部空調(diào)系統(tǒng)是一種高效經(jīng)濟的降溫措施。局部空調(diào)系統(tǒng)在我國應用得比較廣泛,在平頂山礦區(qū), 五礦己二采面采用一臺制冷量為300 kW的防爆制冷機組向己15- 23071采而供冷, 利用井下回風排放冷凝熱, 效果明顯, 平均降溫幅度4 ℃；四礦戊九采而空調(diào)系統(tǒng), 采用一臺制冷量為500 kW的制冷機組向戊九采區(qū)的戊s- 19140采而供冷，很好地滿足了降溫需求。新集一礦210807工作面降溫，都是采用的此系統(tǒng)形式并取得良好的效果。
在礦井水冷方面德國、南非的技術(shù)水平處于世界領先位置，但是他們各有缺點。德國技術(shù)存在的主要問題是：（1）井下系統(tǒng)排熱困難；（2）混風降溫模式，降溫效果差，降濕不明顯；（3）地面系統(tǒng)投資太高，建設周期長，運行費用高。南非技術(shù)存在的主要問題是：（1）系統(tǒng)長，投資大；（2）混風或噴淋降溫，濕度增加；（3）運行費用高。因此，研發(fā)一種降溫降濕效果
收藏