高峰矿热危害治理技术研究.pdf

中图分类号婴Z 窆 U D C6 2 2 学校代码 Q 三3 密级公珏 硕士学位论文 高峰矿热危害治理技术研究 S t u d y o nh e a th a z a r dt r e a t m e n tt e c h n o l o g yi n G a o f e n gM i n e 刘栋 安全技术及工程 矿山安全技术 资源与安全工程学院 史秀志教授 论文答辩日期2 里丝兰 答辩委员会主 中南大学 二。一四年五月 名业向所师 姓专方氛教 者科究瞰导作学研学指 万方数据 { L i l t l l l l t l i i i l I i i i i i t t l l l i l l I I I l l i I i t i i l l l t t t l l l i 学位论文原创性声明 Y 2 6 ⋯8 9 0 ⋯2 3 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名型垫日期醴年上月丝目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名童L 瓠 日期丝年三月尘日 导师签名 日妇这碰年[ 月坦日 万方数据 高峰矿热危害治理技术研究 摘要本文首先分析了矿山井下热源，对其散热量的相关计算进行了 介绍。在此基础上分析了热害对人体的影响，介绍了非机械制冷方法 和机械制冷方法，提出将安全避险“六大系统”中的监测监控系统应用 到降温系统中。以高峰矿为实例，分析主要热源，计算产热量和需冷 量，制定出机械制冷方案，并对方案进行可靠性分析与降温效果评价。 主要的研究内容和研究成果包括 1 将井下热源分为相对热源和绝对热源，介绍了每种热源的产 热量计算方法。研究了矿井热害对井下作业人员生理、心理、工作效 率及安全性方面的影响，介绍了非机械、机械两种降温制冷方法。研 究了矿井热害对井下作业人员生理、心理及工作效率方面的影响。 2 分析了监测监控系统的基本原理和各部分组成，提出将监测 监控系统应用到矿井制冷降温系统中，研究了系统运行的原理，设备 连接图。 3 以高峰矿为例，分析了井下主要产热源为围岩放热、地下 涌水放热、设备散热。根据现场实测的数据计算出一2 0 0 m 中段的需冷 量约为11 6 2 ．1 5 k W 。 4 根据高峰矿井下的实际情况，提出通风优化措施，增加井下 通风量，并设计出井下局部制冷降温方案，分析系统的结构组成、功 能特征、运行原理。在高峰矿井下．2 0 0 m 中段安装两台Z J L - 4 5 0 型矿 用局部制冷设备，可以基本满足．2 0 0 m 中段作业面的降温需求。 5 运用可靠性理论分析高峰矿井下局部制冷降温系统的可靠 性，得出井下局部制冷降温系统的可靠性较高。应用未确知测度理论 对降温系统的效果进行评价，得出在降温前后井下．2 0 0 m 中段的人体 热舒适程度从“较不舒适”提高到“舒适”，制冷效果较好。 本文总共有图2 9 幅，表2 0 个，参考文献7 6 篇。 关键词矿井热害；降温措施；监测监控系统；可靠性分析；未确知 测度；人体热舒适性；评价 万方数据 S t u d yo nh e a th a z a r dt r e a t m e n tt e c h n o l o g yi nG a o f e n gM i n e A b s t r a c t T h i sP a p e rm a k e sa na n a l y s i st ot h es o u r c eo fh e a ta n d i n t r o d u c e sc a l c u l a t i o nm e t h o do ft h eh e a td i s s i p a t i o nq u a n t i t y ．O nt h e b a s i so ft h er e s e a r c h , t h i sp a p e ra n a l y z e st h ei n f l u e n c eo fh e a th a r mt o h u m a n b o d y , a n di n t r o d u c e st h em e t h o do fn o n - m e c h a n i c a lr e f r i g e r a t i o n a n dm e c h a n i c a lr e f r i g e r a t i o nc o o l i n g ．T h em o n i t o r i n ga n ds u p e r v i s i o n s y s t e mi sa p p l i e dt ot h ec o o l i n gs y s t e m ．B a s e do np r a c t i c a ls i t u a t i o no f G a o f e n gm i n e ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h em a i nh e a tS O U r C e S ，c a l c u l a t e dt h e h e a ty i e l da n dr e f r i g e r a t i n gc a p a c i t y , p r o p o s e dam e c h a n i c a lr e f r i g e r a t i o n c o o l i n gs c h e m ea n de v a l u a t e dt h er e l i a b i l i t ya n dc o o l i n ge f f e c to ft h e s c h e m e ．r n l em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t so b t a i n e da r ea sf o l l o w s ． 1 M i n eh e a ts o u r c ew a sd i v i d e di n t or e l a t i v eh e a ts o u r c ea n d a b s o l u t eh e a tS O u r C e ．T h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ec a l c u l a t em e t h o do ft h e y i e l do fe a c hh e a ts o u r c e ，a n da n a l y s i so ft h ei n f l u e n c eo ft h em i n e c l i m a t eo nh u m a np h y s i o l o g i c a la n dp s y c h o l o g i c a la n dt h ea s p e c t so f e f f i c i e n c y a n d s a f e t y i nw o r k ．N o n - m e c h a n i c a l r e f r i g e r a t i o n a n d m e c h a n i c a lr e f r i g e r a t i o nc o o l i n gm e t h o d sw e r ei n t r o d u c e dt os o l v et h e m i n eh e a th a r m ．M i n eh e a th a z a r dw a ss t u d i e di nu n d e r g r o u n dw o r k e r st o t h ei n f l u e n c eo ft h ep h y s i c a l ，p s y c h o l o g i c a la n dw o r k i n ge f f i c i e n c y ． 2 T h eb a s i cp r i n c i p l ea n dc o m p o s i t i o no ft h em o n i t o r i n ga n d s u p e r v i s i o ns y s t e mw e r er e s e a r c h e d ．T h ep a p e ra p p l i e dt h em o n i t o r i n g a n ds u p e r v i s i o ns y s t e mt om i n er e f r i g e r a t i o nc o o l i n gs y s t e m ，a n ds t u d i e d t h ep r i n c i p l eo f s y s t e mo p e r a t i o na n de q u i p m e n tc o n n e c t i o nd i a g r a m 3 W i t hG a o f e n gm i n ea sa ne x a m p l e ，t h er e s e a r c hs h o w st h a tt h e m a i nh e a ts o u r c eo ft h em i n ea r ew a l lr o c kr a d i a t i n g ，h o tw a t e rr a d i a t i n g a n de l e c t r i c a le q u i p m e n tr a d i a t i n g ．A c c o r d i n gt ot h em e a s u r e dd a t ao ft h e e x c a v a t i o n w o r k i n gf a c e ，t h ec h i l l i n gr e q u i r e m e n t o f 一2 0 0 mW a s c a l c u l a t e df o r116 2 ．15 k W ． 4 A c c o r d i n gt o t h ea c t u a ls i t u a t i o no fG a o f e n gm i n e ，t h e r e f r i g e r a t i o nc o o l i n gs c h e m ea n dv e n t i l a t i o no p t i m i z a t i o nm e a s u r e sw e r e d e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h es t r u c t u r e ，f u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，o p e r a t i o n p r i n c i p l eo ft h es y s t e m ．T h eu n d e r g r o u n dv e n t i l a t i o nr a t ew a si n c r e a s e d ． I n - 2 0 0 mo ft h eG a o f e n gm i n e ，t w om i n el o c a lr e f r i g e r a t i o ne q u i p m e n t s 1 1 1 万方数据 a r ei n s t a l l e d ，w h i c hc a nb a s i c a l l ym e e tt h ec o o l i n gd e m a n di nt h e 一2 0 0 m ． 5 1 1 1 er e l i a b i l i t yo ft h er e f r i g e r a t i o nc o o l i n gs c h e m eo fG a o f e n g m i n ew a sa n a l y z e dw i t hr e l i a b i l i t y ．n l er e s u l ts h o w e dt h a tt h er e l i a b i l i t y w a sh i g h ．C o o l i n ge f f e c tw a se v a l u a t e dw i t ht h eu n a s c e r t a i n e dt h e o r y , t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed e g r e eo ft h e r m a lc o m f o r to fh u m a nb o d vw a s c h a n g e df r o m ”l e s sc o m f o r t a b l e ”t o c o m f o r t a b l e i n ．2 0 0 mb e f o r ea n d a f t e rc o o l i n g ．R e f i i g e r a t i o ne f f e c tw a sg o o d ． F i g u r e2 9 ，t a b l e2 0 ，r e f e f e n c e s 7 6 ． K e y w o r d s M i n eh e a th a z a r d ；c o o l i n gm e a s u r e s ；m o n i t o r i n ga n d s u p e r v i s i o ns y s t e m ；r e l i a b i l i t ya n a l y s i s ；u n c e r t a i n l ym e 删e m e m ；t h e r m a l c o m f o r to fh u m a nb o d y ；e v a l u a t i o n I V 万方数据 目录 A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯I I I l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 ．1 国内矿井热害治理研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 ．2 国外矿井热害治理研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 课题的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．4 本文研究的主要内容、方法和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．4 ．1 研究内容与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．4 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 矿井热源分析及散热量计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．1 相对热源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 2 ．1 ．1 井巷围岩放热⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．1 ．2 运输中矿石及废石放热⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 ．3 地下涌水放热⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 绝对热源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．1 机电设备放热⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．2 人员放热⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．2 ．3 氧化放热⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．2 ．4 并下爆破放热⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 2 ．2 ．5 空气自压缩放热⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．3 井下散热量计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 ．1 井筒⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 ．2 井下巷道⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．3 ．3 回采工作面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．3 ．4 掘进工作面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．3 ．5 机电硐室⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 矿井热危害治理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 3 ．1 热害对人体的伤害⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．1 ．1 人体热平衡分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．1 ．2 矿井热害对人生理方面的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 V 万方数据 3 ．1 ．3 矿井热害对人心理方面的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 ．4 矿井热害对人工作效率及安全性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2 矿山热害类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．3 热害控制方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．3 。1 非机械制冷方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯2 4 3 ．3 ．2 机械制冷方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．4 监测监控系统在热害治理中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．4 ．1 监测监控系统构架及组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．4 ．2 监测监控系统功能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．4 ．3 监测监控系统在热害控制中的应用研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 高峰矿热害控制研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．1 矿井概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．1 ．1 矿山地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．1 ．2 生产系统概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．2 热源调查分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 4 ．2 ．1 热源种类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．2 ．2 热源的发热规律及其对井下热环境的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．2 ．3 主要热源产热量计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 ．4 需冷量计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 热害控制方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 。l 通风网络优化方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．3 ．2 ．机械制冷方案选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．3 ．3 局部制冷降温系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 4 ．3 ．4 监测系统在高峰矿降温系统中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 5 高峰矿局部制冷降温系统评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 ．1 降温系统运行可靠性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．1 ．1 物理模型子系统可靠性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 。1 ．2 高峰矿局部制冷降温系统可靠性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．2 人体热舒适性评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 5 ．2 ．1 未确知理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 5 ．2 ．2 人体热舒适评价指标体系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 5 ．2 - 3 高峰矿人体热舒适性评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 V I 万方数据 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 6 结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 攻读硕士学位期问发表论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 V I I 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 ．1 课题研究背景及意义 我国是矿产资源非常丰富的国家，随着浅地表矿产资源的逐渐枯竭，国内大 部分矿山已进入深井开采的范围。随着矿井开采深度的增加和采掘机械化程度的 不断提高，深部巷道高温高湿突现，随之带来的灾害也越来越多，矿井高温问题 已成为制约企业经济效益和井下作业人员身心健康的重要因素，有专家认为未来 矿山的极限开采深度将取决于矿井降温技术和装备的发展水平。矿井热害将成为 继顶板、瓦斯、火、粉尘、水五大灾害之后的又一灾害。 目前，国际上开采深度超过1 0 0 0 m 的矿井已经达到8 0 座，部分深部开采矿 井已进入3 0 0 0 m 以下，如，南非的金矿开采即将进入4 5 0 0 ～5 0 0 0 m 的深度。在上 世纪五十年代，我国只有少数矿井出现高温热害问题，矿井降温也只是少数矿井 的需要，并且所出现的高温问题也不都是矿井的开采深度所致。N - 十世纪七十 年代，我国高温矿井的数量开始增多，进入九十年代以后，我国许多矿区也的开 采深度不断增加，老虎台煤矿、红透山铜矿、冬瓜山铜矿、高峰锡矿等许多矿山 的开采深度已经超过或者接近l0 0 0 m I I l 。 高温矿井越来越多，急需研究可行、有效的降温方法，否则将影响我国矿产 资源的开采和利用，影响矿业的可持续发展，因此进行高温热害矿井防治研究是 非常有必要的。并且在现有的热害研究成果中，对于高温热害矿井的判定没有统 一的标准，没有科学的依据来确定矿井热害的程度级别。此外，在所有矿山也基 本建成了安全避险“六大系统”，该系统在热危害安全控制管理中如何使用需要研 究，这也是本课题提出的意义所在。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 国内矿井热害治理研究现状 我国矿井热环境及其控制的研究工作始于2 0 世纪5 0 年代，煤炭研究总院在 抚顺等矿区进行了地温观测、矿内风流热力状态分析、局部降温技术等科研工作。 到了七十年代，科研人员对部分高温矿井展开了比较全面系统的科学观测，并用 数理统计的方法，提出了风温预测数学模型。二十世纪八、九十年代，矿山地热 研究取得了突破性的进展，理论研究与实验都有较快发展，也出版发行了很多矿 山地热方面的书籍和条例，1 9 8 1 年，矿山地热概论问世；1 9 8 2 年，颁发了 矿山安全条例；1 9 9 1 年余恒昌主编的矿山地热与热害治理等。 5 0 多年来，我国的矿井热环境及其控制工作取得了很大的发展，在矿山大 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 气与地质地热环境、矿井热交换理论、矿井热力状态预测、高温矿井的通风技术、 非人工制冷降温技术、人工制冷降温技术及装备等领域，开展了大量的、有成效 的科研和实际矿井热害防治工作，取得了丰硕的研究成果。 我国对矿井热害的治理研究工作始于5 0 年代初期。当时，对部分煤矿使用 的充填料干馏过的油页岩的放热、井上井下气温变化和地温进行过调查分析。 1 9 6 4 年，煤炭科学研究总院抚顺分院引进了一台苏制4 F 1 0 型活塞冷水机组，在 淮南九龙岗矿进行了井下局部的降温试验，与此同时，采用了表面式和喷淋式两 种类型的空冷器，在此基础上，由抚顺分院、中国科学院长沙矿冶研究所等单位 在1 9 6 7 年，联合研制出J KT - 2 0 型矿用冷水风机。1 9 7 9 年，抚顺分院与武汉冷 冻机厂合作制造出了J K T - 7 0 型矿用冷水机组，并先后在淮南、平顶山、北票、 丰城、湖南铀矿及和山等矿区，用于井下采掘工作面降温。1 9 8 4 年，在新汶孙 村矿建立起了我国第一座井下集中空调系统。该系统由抚顺分院设计，设计制冷 能力为2 3 2 4 K W ，使用了4 台I I ．J B 5 0 X O 型离心式冷水机组。该矿山在开采深度 进入一8 0 0 m 水平时，由于井下排除冷凝热比较困难，于1 9 9 4 年改为地面集中空 调系统，该系统引进德国W 心舵．1 9 0 0 型冷水机组和壳管式高低压换热器，并和 国产L S L G F 2 ．2 5 型冷水机组联合使用，总制冷能力为5 4 4 0 K W ，这也是我国第 一个地面集中制冷空调系统【2 J 。 1 ．2 ．2 国外矿井热害治理研究现状 国外有关热害矿井的文献可以追溯到1 6 世纪。早在1 7 4 0 年，法国就有人对 金属矿的地温进行过观测[ 3 1 。到十八世纪末期，英国开始对矿山围岩温度进行测 量并且发现地温随着深度的增加而升高的规律。在矿山开采中，最早用于温度控 制的方法是把地面的自然冰送到井下，1 8 6 0 年，美国内华达州的弗吉尼亚城下 的康斯塔克矿，大量的冰被矿车送到井下来给矿工们降温，在1 9 2 0 年，蒸汽压 缩循环冷却作为当时最为广泛的人工降温技术，己经最先应用于采矿，实例包括 著名的巴西莫洛维和矿和对英国煤矿的实验性研究。对于矿井的空气冷却技术得 到更深入的认识是在1 9 3 0 年，包括在南非金矿的和印度的科拉尔金矿方面的利 用【4 J 。到1 9 6 0 年，井下的大型集中冷却设备开始普遍应用于南非的金矿中。由 于回风的热损耗能力有限，联合竖井中的水管道的能量回收装置的发展和配电系 统装置的提高促使了对地面设备的再度重用。 在2 0 世纪2 0 年代国外的矿井降温工作开始得到很好的发展，在同一时期， 风温预测计算理论也相应发展。南非的B i c c a r dJ a p p e 提出了风温计算的基本想 法，这是近代风温预测计算的雏型。1 9 5 3 年苏联提出较精确的不稳定换热系数 和调热圈温度场的计算方法，1 9 5 5 年平松又提出围岩与风流组成体系的传热方 程式随时间变化的风流温度的近似计算法【5 】。1 9 7 5 ．1 9 8 5 年日本制冷机总制冷能 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 力达到4 5 2 8 M W 。制冷系统亦向大型化展，目前井下空调单个系统的最大制冷量， 南非为5 0 M W ，苏联3 5 M W 、西德2 5 M W ；井下制冷机的最大单机容量己达Z M W ； 1 9 8 0 年日本天野在风温预测上用差分法求得不同巷道形状、岩性条件下的调热 圈温度场，并提出了考虑入风温度变化、有水影响条件下的风温计算方法【6 】。 6 0 年代到8 0 年代之间，德国、日本的科研人员分别提出了系统的风流和围 岩不稳定传热的风温近似计算公式。这些算法为现代经典计算方法奠定理论基 础。到1 9 8 5 年，南非的东兰德矿山控股公司首先在梅里普一号井建成了一个冷 却功率为2 9 M W 的冷却系统，为深井降温方面开拓了一条新的途径。1 9 8 5 年1 1 月，南非金矿把冰送进井下，利用冰的溶解热吸热以冷却空冷器冷却水，冰用量 仅为同一所需冷却量用水量的l ／5 ，此制冷系统能力达6 2 8 M W t 7 { 1 。 1 ．3 课题的提出 有关资料表明，在高温高湿环境条件下作业，尤其是当温度高于2 84 C 时， 作业人员某些疾病的发病率明显上升，可能导致工人处于昏昏欲睡的状态，反应 能力降低，从而引起事故发生率上升。矿井出现高温不仅会对矿工的身体健康造 成伤害，还会引发工伤事故频数增加，劳动生产效率下降。因此，对矿井降温理 论及技术研究有很重要的现实意义。 国内外对于矿井高温现象的研究已比较成熟，相关的温度、产热量、需冷量 计算公式繁多，在实际现场应用中难以选择和正确使用，本文将介绍常用的计算 公式和方法。以高峰矿为研究实例，通过分析其主要产热源，计算需冷量，制定 出非机械降温方案和机械降温方案，并根据降温效果和经济性选择合适的降温方 式，对于降温方案的有效性和可行性进行评价。 并且，随着安全避险“六大系统”的逐步建设，监测监控系统已经在有毒有害 气体监测上发挥了重要作用，但是对于热害较为严重的矿山如何应用监测监控系 统来对热危害来进行预防和控制还没有研究，本文也将研究安全避险“六大系统” 中的监测监控系统在矿井降温系统中的实际应用。 1 ．4 本文研究的主要内容、方法和技术路线 1 ．4 ．1 研究内容与方法 本文在参考国内外已有研究成果的基础上，主要研究了矿井热害的级别，对 应的控制措施，以及热害控制效果模拟方法，具体内容包括以下几点 1 矿井热害致因分析，介绍了矿井热源的种类及不同种类的热源产热量 计算方法。 2 介绍矿井高温对人体生理、心理和工作效率及安全方面的影响，并介 绍热害控制方法机械制冷方式和非机械制冷方式，并对机械降温方式的优缺点 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 进行分析；提出将安全避险“六大系统”中的监测监控系统应用到矿井降温系统 中，提高降温系统的及时性与有效性。 3 根据广西高峰锡矿的实际情况，研究了井下气温升高的影响因素，计 算产热量，分析热源对环境的影响程度，计算井下降温需冷量，选择制冷降温设 备，制定出符合高峰矿实际情况的局部机械制冷降温方案 4 对于制定的降温方案进行可靠性与未确知测度评价，分析局部制冷降 温系统的可靠性，调查工人的热舒适感受，分析降温系统运行后的效果，提出改 进措施。 1 ．4 ．2 技术路线 研究背景 研究意义国内外研究现状 井下热源分析 相对热源产热量计算绝对热源 热害控制方案研究 ● l 机械制冷方式监测监控系统的应用非机械制冷方式 高峰矿降温系统设计 ●★★ 热源调查产热量、需冷量计算局部制冷设备选择 高峰矿降温系统评价 制冷设备可靠性制冷效果评价 图1 - 1本文研究技术路线 4 万方数据 中南大学硕士学位论文l 绪论 1 ．5 本章小结 本章首先阐述了矿井热危害研究的背景及其研究意义，研究矿井热害防治理 论和降温技术的必要性，对于国内外高温矿井热害治理及降温技术的研究现状进 行了较为详细的分析与总结，确定本文的研究主要内容和技术路线。 万方数据 中南大学硕士学位论文 2 矿井热源分析及散热量计算 2 矿井热源分析及散热量计算 在矿井生产环境中，能引起矿井气温升高的环境因素统称为矿井热源例，井 下各种热源是导致空气温度升高的主要原因，也是形成热危害的直接原因。由于 矿山所处的地质地热条件、大气环境及生产系统的不同，矿井热源类型也有差异， 但主要热源基本相同。 对矿山调查表明，造成井下热害的因素很多，主要包括地表大气温度、围岩 放热、空气自压缩、机电设备放热、充填体放热、矿岩氧化放热、热水放热、人 体放热等。各种矿山热源以及热量的产生量受水文地质条件、矿石物理化学性质、 矿石埋藏深度、开采条件等因素影响。准确分析计算矿井的热源及产热量，对于 选择经济合理的降温方案具有指导意义。一般可以将引起矿井气温升高的热源分 为两种，一种是相对热源，例如高温围岩、高温涌水等，这种热源的散热量与其 周围气温差值有很大关系；另一种是绝对热源，例如风流的自压缩、机电设备的 运转、人体散热等，这种热源的散热量受周围环境气温的影响很小【1 0 1 。除了上述 热源外，井下还存在无轨柴油设备放热、空气静压头的损失放热等热源，但这些 热源的散热量很小，一般都忽略不计【1 1 】。 2 ．1 相对热源 2 ．1 ．1 井巷围岩放热 高温围岩是由地热引起的，地热的主要来源是由放射性元素哀变而产生的， 如铀、钍等，目前对这些放射性元素衰变析出的总热能值有不同的估计，根据侯 德封等1 9 7 3 资料，总地热能至少为2 ．1 4 1 0 2 1 J ／a t l 2 1 。围岩原始温度是指井巷周 围未被通风冷却的原始围岩温度，井下未被扰动岩石的温度是随着与地表的距离 加大而上升的，其温度的变化是由地心径向向外的热流造成的。原始岩温随着深 度而上升的速度 地温梯度 主要取决于岩石的热导率与大地热流值，原始岩温 的具体数值决定于温度梯度与埋藏深度【1 3 】。 在地表大气和大地热流场的共同作用下，岩层的原始温度沿垂直方向上可分 为三个层带【l O l 1 变温带 在地表浅部受地表大气的影响，岩层原始温度随地表大气温度的变化而呈现 周期性的变化，这一层带称为变温带。 2 恒温带 随着深度的增加，岩层的原始温度受地表大气的影响逐渐减弱，而受大地热 流场的影响逐渐增强，当达到某一深度时，两者趋于平衡，岩温基本保持不变， 6 万方数据 中南大学硕士学位论文 2 矿井热源分析及散热量计算 这一层带称为恒温带。恒温带的温度比当地年平均气温高1 - 2 。C 。 3 增温带 在恒温带以下，受大地热流场的影响，在一定的区域范围内，岩层的原始温 度随深度的增加而增加，变化规律大致呈线性，这一层带称为增温带。在增温带， 岩层原始温度随深度的变化规律可用地温率来表示。 地温率是指恒温带以下岩层温度每增加1 ℃所增加的垂直深度，即 毋z - z o 2 ．1 毋2 t , - t ，o 2 。1 式中 z 0 、Z 恒温带深度和岩层温度测算处的深度，m ； ‰、f ，恒温带温度和岩层原始温度，℃。 我国部分矿区恒温带参数和地温率数值见表2 ．1 。 表2 - l恒温带参数和地温率 当围岩的原始岩温与井巷中的空气温度存在温差时，就会发生换热。根据温 差的正负，热流自风流传向岩体或者由围岩传给风流。一般地，在工程上常用以 下类似于稳定传热的计算公式来计算围岩散热量【l 5 】 Q 墨U L 以一0 2 2 式中Q 围岩散热量，w u 井巷净断面周长，m ；三井巷长度， m ；0 井巷始末两端平均原始岩温，℃；f 流经巷道始末两端平均气 温，℃K 围岩与井下风流的热交换系数，蹄“m 2 - ℃ ，是指井巷围岩深部 未被冷却的岩体与空气间的温差为l ℃时，单位时间从每平方米巷道壁面上向空 气放出的热量。 疋值大小取决于岩石的热物理性质，巷道断面尺寸，通风强度及通风时间 等诸多因素，可以分别用下式计算 对于通风1 ～1 0 年的巷道 万方数据 中南大学硕士学位论文 2 矿井热源分析及散热量计算 妒忐寺南L 引∞2 ．o c 2 - 3 其中，当巷道水分蒸发强烈时 K 去 毒∥“舻．。C 2 钔 对