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中图分类号 U D C 硕士学位论文 学校代码 鱼至三三 密级 公珏 深井矿山岩体热害源分析与控制 A n a l y s i sa n dC o n t r o lo f t h eT h e r m a lD a m a g eR e s o u r c e i nt h eD e e pM i n i n gR o c k 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 那寒矗 土木工程 岩土工程 资源与安全工程学院 李夕兵教授 论文答辩日期垫『芏苎 答辩委员会主 中南大学 二。一四年五月 万方数据 学位论文原创性声明 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己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。 作者签名日期盟年』月笪日 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j 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。 储硌牲 日期盟年三月盟日 万方数据 深井矿山岩体热害源分析与控制 摘要随着矿山开采深度的不断增加，开采环境不断恶化，深部高温 高湿地热问题逐渐凸显，导致作业环境恶化、制约矿井开采向更深发 展，严重威胁到深部矿井的开采安全与井下施工人员的身体健康，增 加了矿山开采的安全隐患。所以如何有效地对深部矿井热害进行控制 与治理势在必行，其中关于高热害区域的选择评价显得十分重要。本 文以辰州矿业沃溪矿区为工程背景，开展了对深部热害的产生原因的 分析与高热害区域的评价与治理，本文主要研究内容及成果如下 1 、结合引起井下高温的热源的研究，针对井下矿井环境，分析 了深部矿井的几大主要热源，包括围岩传热、空气自压缩热、热水放 热、机械设备放热、运输材料放热、爆破放热等，同时分析了深部矿 井热害对井下工作人员的影响与危害，为进行深井高热害区域评价提 供了条件。 2 、采用浅孔测温法对沃溪矿区的岩石原始温度进行了调查，通 过对调查数据的线性回归分析，获得沃溪矿区的地热增温率；通过类 比国内其他矿山地热增温率情况，发现沃溪矿区地热梯度较高，深部 热害严重；选取1 0 个具有代表性的测点，建立地热监测系统，为建 立深部矿井高热害区域模糊数学评价模型提供了数据来源。 3 、依据指标评价体系建立的系统性原则、典型性原则、简明科 学性原则、可操作与可量化原则、综合性原则，针对深井热源的复杂 性，将深井高热害区域评价体系分为目标层、指标层与准则层，并从 井下工作人员主观感受角度出发选取了矿井温度等九大主要影响因 素作为评价指标。 4 、以改进的层次分析法和模糊数学为基础，建立了深井高热害 区域综合评价数学模型，并对层次分析法判断矩阵进行改进，确定各 评价指标权重；将标准化方案引入到模糊数学模型中，通过计算比较 各方案的优劣，此外，与标准化方案的对比可以验证各方案的可行性。 同时，将该方法应用到辰州矿业沃溪矿区的深井高热害区域评价中， 对三个不同中段进行了综合评价，并与标准值进行比对，得出评判向 量为 0 ．8 6 2 ，0 ．7 7 7 ，0 ．6 3 3 ，0 ．8 3 1 ，结果表明随着矿井中段位置的不断加 深，热害逐渐加重，仅有1 6 平热害状况略好于标准值，深部4 2 平热 害严重，不符合井下环境标准，这与工程现场的实际情况是一致的， 可见该方法科学合理，可以在工程应用中推广。 万方数据 5 、针对现有高热害区域的中段提出了治理方案，提出了通风系 统改造与多种排热降温措施，为今后更加有效地治理沃溪矿区的地热 灾害提供重要参考。 关键词深井地热；地热监测系统；层次分析法；模糊数学；地热治 理 分类号T D 7 2 万方数据 A n a l y s i sa n dC o n t r o lo fR o c kT h e r m a lD a m a g e R e s o u r c ei nD e e pM i n i n g A B S T R A C T T h em i n i n ge n v i r o n m e n ti sw o r s e n i n ga l o n gw i t ht h e i n c r e a s eo ft h em 妇i n gd e p t h , t h ep r o b l e mc a u s e db yt h ed e e ph i g h t e m p e r a t u r ea n dt h eh i 曲h u m i d i t yg e o t h e r m a lg r a d u a Ⅱyh i g h l i g h tC a n l e a dt ot h ed e t e r i o r a t i o no f t h e w o r k i n ge n v i r o n m e n ta n d r e s t r i c tt h em i n e e x p l o i t a t i o nt ot h ed e e p e rd e v e l o p m e n ta n dC a na l s os 甜o u s l yt h r e a tt h e u n d e r g r o u n dc o n s t r u c t i o na n dt h ep e r s o n n e ls t a t eo fb o d y , w h i c gc a n i n c r e a s et h es a f e t yo f m i n i n 晷S oi ti si m p e r a t i v et oc o n 加la n dg o v e r nt h e t h e r m a ld a m a g eo ft h ed e e pm i n e ，o fw h i c ht h es t u d yo ft h eh i g ht h e r m a l p o l l u t i o na r e a i s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t ．T h ec H a s eo ft h ed e e pt h e r m a l d a m a g ea n dt h ee v a l u a t i o na n dg o v e r n m e n to f t h eh i g ht h e r m a lp o l l u t i o n a r e aa r es t u d i e db a s e do nt h ee n g i n e e r i n gb a C k g r o u n do ft h eC h e n z h o u W o x im i n e ．I nt h i sp a p e r , t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 ．C o m b i n e dw i t ht h er e s e a r c ho ft h ec a u s eo ft h ed o w n h o l eh i g h t e m p e r a t u r eh e a ts o u r c e ，i nv i e wo ft h eu n d e r g r o u n dm i n ee n v i r o n m e n t , s e v e r a lm a j o rh e a ts o u r c eo fd e e pm i n ew h i c hc o m i b e st h eh e a tt r a n s f e r o ft h es u r r o u n d i n gr o c k , t h eh e a tr e l e a s eo ft h ea i rc o m p r e s s i o n ，t h eh e a t r e l e s a so ft h eh o tw a t e r , t h eh e a tr e l e s a s eo ft h et r a n s p o r td e t a i l sa n dt h e h e a tr e l e a s eo ft h ee x p l o s i o n , t h ei n f l u e n c ea n dt h r e a to ft h et h e r m a l d a m a g eo ft h ed e e pm i n et ot h ew o r k e r si sa l s oa n a l y z e d ，w h i c hp r o d i v e s ac o n d i t i o nt oe v a l u a t et h eh i g hh e a td a m a g ea r e ao f d e e pm i n e ． 2 ．T h eo r i g i n a lr o c kt e m p e r a t u r eo ft h eW o X i p i t h e a dh e a p l e a c h i n g i s i n v e s t i g a t e d u S i 1 1 9 t h es h a l l o wh o l e t h e r m o m e t r y ．T h epi t h e a d g e o t h e r m a lg r a d i e n to ft h eW o X ip i t h e a di so b t a i n e db a s e do nt h el i n e a r r e g r e s s i o na n a l y s i so ft h es u r v e yd a t a ．，T h eh i g hg e o t h e r m a lg r a d i e n to f t h eW o X ipi t h e a dw h i c hh a sas 面。惦炒h e a td a m a g eo fd e e pm i n ei s f o u n db ya n a l o g yt ot h eo t h e rd o m e s t i cm i n 如gg e o t h e r m a lg r a d i e n ．T h e e s t a b l i s h m e n to fg e o t h e r m a ld e t e c t i o ns y s t e mi sc o n s t r u c t e di nt h e10 s e l e c t e dr e p r e s e n t a t i v ep o i nw h i c hp r o v i d e st h ed a t as o u r c et oe s t a b l i s h t h em i n eh u m a nb o d yc o m f o r tl e v e l f u z z ym a t h e m a t i c a le v a l u a t i o n m o d e l ． 3 ．I nv i e wo ft h ec o m p l e x i t yo ft h ed e e ph e a ts o u r c e ，a c c o r d i n gt o I I I 万方数据 t h es y s t e m a t i cp r i n c i p l e ，t h ep r i n c i p l eo ft y p i c a l i t y ，c o n c i s es c i e n t i f i c p r i n c i p l e , o p e r a t i o n a la n dq u a n t i f i a b l ep r i n c i p l e ，c o m p r e h e n s i v ep r i n c i p l e ， t h ee v a l u a t i o ns y s t e mo ft h eh i g ht h e r m a ld a m a g ea r e ai nd e e pm i n eC a n b ed i v i d e di n t ot h et a r g e t1 a y e ra n di n d e xl a y e ra n dr u l eL a y e r , a n ds e l e c t n i n em a i nf a c t o r sf r o mt h es u b j e c t i v ep e r s p e c t i v eo ft h eu n d e r g r o u n ds t a f f s u c ha st h em i l l et e m p e r a t u r ea st h ee v a l u a t i o ni n d e x ． 4 ．C o m p r e h e n s i v ee v a h a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eh i g h t h e r m a ld a m a g ea r e ao fd e e pI n i n ei se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so ft h e i m p r o v e da n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s 魁口 a n df u z z ym a t h e m a t i c s ，t h e 避j u d 掣n e n tm a t r i xi si m p r o v e dt od e t e r m i n et h ee v a l u a t i o ni n d e x w e i g h ta sw e l lM o r e o v e r , t h es t a n d a r d i z e di n d i c a t o r si si n t r o d u c e dt o f u z z ym a t h e m a t i c a lm o d e l , w h i c hc a nc o m p a r et h ep r o sa n dC O n so fe a c h p r o g r a ma n dv e r i f yt h ef e a si b i l i t yo ft h ep r o g r a m sb yc a l c u l a t i n g ．I nt h i s p a p e r , t h em e t h o d i s a p p l i e d t ot h ea s s e s s m e n to ft h eh i g ht h e r m a l d a m a g ea r e am i n e i nC h e n z h o uW o x id e e pm i n e ，c o m p r e h e n s i v e l y e v a h a t e st h r e ed i f f e r e n tm i d d l es e g m e n ta n dd r a w st h ej u d g ev e c t o r O ．8 6 2 ，0 ．7 7 7 ，0 ．6 3 3 ，0 ．8 3 1 ．T h er e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h ed e e p e n i n go f t h em i n em i d d l e s e g m e n t , t h et h e r m a ld a m a g ed e g r e e d e c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y ，o n l y16 t hm i d d l es e g m e n tl e v e li ss l i g h t l yh i g h e rt h a nt h e s t a n d a r dv a l u e ，d e e p4 2 n dm i d d l es e g m e n td o e s n tm e e tt h es t a n d a r d ． T h i si st h es a i ／l ea St h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h ec o n s t r u c t i o ns i t e ．w h i c h s h o w st h a tt h em e t h o di ss c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l e ，a n di tC a nb ee x t e n d e d i ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ． 5 ．T h ec o n t r o ls c h e m es u c ha st h ev e n t i l a t i o ns y s t e mt r a n s f o r m a t i o n a n dav a r i e t yo ft h e r m a lc o o l i n gm e a s u r e si sp u R e df o r w a r di nv i e wo ft h e e x i s t i n gt h e r m a ld a m a g ea r e ao ft h em i d d l e ，w h i c hC a l lp r o v i d eav e r y i m p o r t a n tr e f e r e n c ei nm o r ee f f e c t i v eg o v e r n a n c eo ft h ef u t u r ep i t h e a d h e a p ．1 e a c h i n go fW o X ig e o t h e r m a ld i s a s t e r s ． K e yw o r d s g e o t h e r m yo ft h ed e e pm i n e ；g e o t h e r m a lm o n i t o r i n gs y s t e m ； a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ；f u z z ym a t h e m a t i c s ；g e o t h e r m a lg o v e r n a n c e C l a s s i f i c a t i o n T D 7 2 I V 万方数据 目录 l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题研究的背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．2 国内外研究状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．1 矿井热害研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．2 人体主观热舒适感受评价研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 模糊数学研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 1 ．4 本文研究方法及内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 1 ．4 ．1 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．4 ．2 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 1 ．4 ．3 研究路线图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 0 2 沃溪矿区地热概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．1 沃溪矿区开拓通风系统概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．1 ．1 沃溪矿区开拓系统概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．1 ．2 沃溪矿区通风系统概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．2 矿井井下热源调查分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．2 ．1 围岩传热⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．2 ．2 空气自压缩热⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．2 ．3 热水放热⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．2 ．4 机电设备放热⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．2 ．5 运输中矿石放热⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．2 ．6 井下爆炸放热⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．2 ．7 其他热源放热⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．3 深井热害对人体的影响与危害⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 。1 矿井温度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 9 2 ．3 ．2 矿井相对湿度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 2 ．3 ．3 矿并空气流速⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 2 ．4 沃溪矿区地热存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 2 ．4 ．1 对深井热害认识不足⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 2 ．4 ．2 风流混乱、深部风量明显不足⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 2 ．4 ．3 近地表低温区未被利用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 5 2 ．4 ．4 地热循环污染⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 2 ．4 ．5 深部作业环境温度过高⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 2 ．4 ．6 冬季1 6 平员工进出条件差⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 V 万方数据 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 沃溪矿区地热监测系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 3 ．1 井下监测具体调研内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 岩石原始温度测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．3 地热增温率测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．4 地热监测系统现场实施方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 ．5 地热监测结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 深井高热害区域评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．1 深井高热害区域评价方法概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．2 评价指标体系建立原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．3 深部矿井高热害区域评价指标体系的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．3 ．1 评价体系的层次结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 l 4 ．3 ．2 评价体系指标的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．3 ．3 评价体系层次模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．4 层次分析法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．5 模糊数学方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．5 ．1 普通集合与模糊集合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．5 ．2 隶属度函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 4 ．5 - 3 模糊关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 ．5 ．4 模糊综合评判⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 ．6 高热害区域模糊数学评价模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．7 矿井高热害区域评价指标权重的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．7 ．1 构造比较标度与判断矩阵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 4 ．7 ．2 确定初始权重⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．7 ．3 判断矩阵的一致性检验确定权重向量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 4 ．8 矿井高热害区域模糊数学评价模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 l 4 ．8 ．1 建立因素集，方案集与权重集【8 0 ．．8 1 】⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 4 ．8 ．2 确定隶属度矩阵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．8 ．3 综合评价方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 4 ．9 沃溪矿区矿井高热害区域评价应用实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．9 ．1 确定指标权重⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 4 ．9 ．2 确定隶属度矩阵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 4 ，9 ．3 综合评价方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 V I 万方数据 4 ．1 0 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 7 5 沃溪矿区井下地热控制治理方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 9 5 ．1 通风、排热降温工作重点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．2 排热降温措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．3 ．通风系统优化与改造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 5 ．3 ．1 沃溪矿区通风方式的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 5 ．3 ．2 通风系统优化方向⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 ．3 ．3 通风系统改造工程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 ．3 ．4 深部矿井通风系统优化具体研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 - 3 ．5 通风管理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 5 ．4 其他技术改进⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 6 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 9 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 9 6 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 9 6 ．3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 攻读硕士期间发表的论文及学术成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．。7 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 8 ⅥI 万方数据 ⅥI I 万方数据 硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 ．1 课题研究的背景及意义 矿产资源是我国的主要能源之一。进入二十一世纪以来，我国经济发展迅速， 直接导致矿产资源大量开发，金属矿、煤矿的需求量日益增大，随之带来开采强 度也逐渐提高。由于开采技术简单、方便，浅部矿产资源被大量开发，矿产资源 日益减少，迫使我国大多数的地下矿山转入复杂的深部开采与低品位矿石的资源 回收。目前，我国大约已经有3 5 * ／ 0 - 4 0 ％的矿山进入或接近进入到了深部开采阶 段。在金属矿山方面，国内已有近百座金属矿山开采深度超过1 0 0 0 m ；国外金属 矿开采方面，南非等非洲国际与地区部分矿山的深部金矿开采水平已经能达到 3 8 0 0 m 以上，印度的部分金矿的采深超过2 5 0 0 m ，俄罗斯很多著名铁矿的开拓深 度也达到2 0 0 0 m 左右；此外，澳大利亚、美国等国的一些金属矿的采深也已超 过1 0 0 0 m ；国内矿山方面，辽宁抚顺的红透山铜矿开采深度已经达到了l l O O m ， 铜陵狮子山铜矿采深也达到l l O O m ，冬瓜山矿深度也达1 0 0 0 m 左右，同时，国 内的一些金属矿山也以稳定的速度向深部开采，可以预见未来几十年会有更多的 地下矿山转向深部开采【1 ．2 1 ，图1 ．1 为国外采矿开采现状图。 地裘 O 一6 0 0 ，一10 0 0 型 邀 一15 0 0 一20 0 0 莛围 强本波兰德国饿罗斯印度南非 图1 1 国外深部采矿开采现状 万方数据 硕士学位论文1 绪论 深部开采工程面临着三高一扰动的复杂环境，即面临着高地应力、高温度、 高岩溶水压以及机械、爆破开挖扰动。这使得深部开采工程所面临的技术难题要 远远大于浅部工程。比如高应力场与高温度场耦合情况下岩体的力学特征，高应 力场与高温度场情况时工程围岩稳定性等1 3 ’引。 在深部开采中，矿井热环境所引发的各种问题逐渐显现出来。所谓矿井热环 境，就是人类在地下采矿工程活动中所处的自然环境和生产环境，如地热地质环 境、大气环境、井下作业空间以及生产系统等，这其中最重要的就是地质地热环 境。随着地质地热环境的恶化，深部矿井的热害问题交得越来越突出，这成了制 约矿井向更深部发展的重要问题【5 - q 。开采深度的增加导致原岩温度不断提高， 地应力逐渐变大，地温升高，作业环境恶化等一系列问题。自上世纪四五十年代 起，国内外部分矿山就陆续开始出现较为严重的热害问题，到了上世纪九十年代， 深部矿山热害己成为一种普遍现象，也开始被广泛关注。上世纪九十年代初期， 据不完全统计，国内存在高温热害的矿井5 0 多个，截止到2 0 0 0 年，国内大型煤 矿的平均开采深度约为6 5 0 m ，平均原岩温度在3 6 ℃至3 7 ℃之间，其中部分采深 超过1 0 0 0 m 的矿山，工作面可以达到3 5 ℃以上，目前，已有多个矿井开采作业 面温度达到3 0 ℃以上，甚至某些矿井已经达到4 0 “ 2 以上，相对湿度接近1 0 0 ％[ 7 1 ； 而国外矿山，如南非斯太总统金矿的采掘深度己达到3 0 0 0 m 以上，采掘面原岩 温度高达6 3 * 2 ，除此以外德国、巴西、日本等多个矿山也存在严重的热害问题【3 】。 高温度场下岩体的力学特性是深部采矿工程所面临的一项新挑战，根据已有 检测手段得出，采场温度随着开采深度的增加而逐渐升高。其温度变化梯度一般 在3 0 “ C ／k m 至5 0 ℃／k m 之间。通常情况下，温度变化梯度大约在3 0 ℃／k m ，当深 部岩体的导热系数较高或者接近断层时，其温度变化梯度甚至可以达到2 0 0 ℃ ／k m 。岩体的高温度场下的力学性质、变形特征会发生很大改变。如高温差使得 岩体的热胀冷缩效应更为剧烈导致其产生大量新生裂纹；高温条件下岩体所受的 地应力也会随之变化[ 9 - 1 0 l 。 针对深部矿山的热害源控制，找到热害最严重的区域就显得尤为重要。除了 利用现有的检测手段获得数据并分析计算热量外，也可以从矿工的主观角度出 发，利用矿井人体主观热舒适感受评价深部矿井的热害情况。人体主观热舒适感 受评价，不仅可以从主观角度出发评价热害，还可以通过分析为热害治理提供改 进方向。人体主观热舒适感受指的是矿工在井下这种特殊环境工作时对井下外在 环境条件的舒适感觉性，可以用来评价井下环境的优劣。由于矿井复杂的评价环 境，在评价矿井井下人体主观热舒适感受时，不仅应该考虑外在环境的评价影响， 如温度、湿度、风速、设备散热、运输放热等，更多的应该从人本身出发，考虑 内在因素，如矿工自身的主观感受、着装感受、生理疲劳等因素【1 1 ～2 1 。 2 万方数据 硕士学位论文1 绪论 开展深部矿井高温高湿热害环境的人体主观热舒适感受评价，分析探究井下 温度，相对湿度，风速，设备散热，运输放热，热水放热，着装感受，生理疲劳， 心理疲劳等对矿工人体主观感受的影响，可以为制订相应深部热害环境井下安全 规范提供重要依据，还可以对未来深部开采提供重要指导依据，此外，通过人体 主观热舒适感受评价结果分析还可以采取措旋保障矿工的身体健康，降低热诱导 及其他类别疾病发生的概率，提高工作效率，从而降低矿山生产事故发生的可能 性，对于矿山的可持续发展具有重要意义，也为深井热害治理提供重要帮助。 1 ．2 国内外研究状况 1 ．2 ．1 矿井热害研究现状 国外针对矿井热害治理的研究开展的比较早。相关文献记载，国外对地下开 采采场高温现象的记录最早可追溯到1 6 世纪。最先开始系统监测采场高温现象 的国家是英国，通过监测数据分析发现采场温度与开采深度的关系开采深度 增加，采场温度随之增加。 二十世纪中期，H e i s t D r e k o p l 0 3 】假设采场围岩温度是相对时间的周期性函数， 通过分析提出围岩调热圈这一基本概念B i c c a n dJ a p p p e 以井下风温为研究对象， 提出通过计算预测井下风温【1 4 】；平松良雄在此基础上做了更深入研究，提出在 非周期性传热系数下风温的近似计算方法，为预测风温以及治理提供了理论基础 [ 1 5 1 。 二十世纪中后期，计算机技术的普及使得复杂计算问题得到了很好的解决。 N o t t o 第一次通过计算机数值模拟的方法分析并计算围岩调热圈；J ．V O S S 从高温 角度出发提出预防热害的采掘面开挖方式；M u e k e 通过室内试验确定了岩石在稳 定导热状态下的导热系数；S h e r m t 通过现场试验，分析采场围岩温度场分布规 律，对比理论计算结果得出围岩热参数；J ．M e g u a i d 第一次全面地总结了深部采 场热害治理技术S h c h e r b a n 等研究者，对巷道开挖面的风温进行监测与理论计 算，进一步提高了风温预测的准确性【1 6 - l 引。 二十世纪后期，世界各国对于深井热环境的研究进入一个黄金时期，得到大 量优秀成果。内野健一等通过数学方法确定隧道几何参数、隧道围岩性质与围岩 调热圈的关系，并且计算得出其温度场，还将风温计算公式进一步完善，加入了 水因烈1 9 】S t a r f i l d 等在M u c k e 稳态导热系数计算原理的基础上提出了误差很小 的不稳定岩石热传导系数的计算方法【2 们。与此同时，也有学者通过现场监测数 据，基于通风网络理论对深部开采高温降温技术展开研究【2
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