金属矿山深井热源分析与矿井通风.pdf

第 15卷第 11 期 2006 年 11 月 中 国 矿 业 CHINA MINING MAGAZINE Vol. 15, No. 11 November 2006 金属矿山深井热源分析与矿井通风 谭海文 广西大学资源与环境学院 南宁 530004 摘 要 随着金属矿山开采深度的增加, 矿井高温热害问题会越来越严重, 导致温度变化的主要因 素是井下热源。本文分析金属矿山井下热源及其危害, 介绍井下热量计算方法, 提出利用矿井通风技术 治理井下热害的措施。 关键词 金属矿山 开采深度 井下热源 矿井通风 中图分类号 T D853 38 文献标识码 B 文章编号 1004- 4051 2006 11- 0059- 04 ANALYSIS ON HEAT SOURCE IN THE DEEP SHAFT IN METAL MINES AND UNDERGROUND MINE VENTILATION Tan haiwen Guangxi University College of Resources and Environment Nanning 530004 Abstract With the increase of the depth in metal mine, the problem of the high temperature heatharm becomes more and more serious underground mine. T he main factors to induce the change of temperature are heat sources under the shaft. The article analyses the heat sources and heatharm underground metal mine, introduces the calculation ways of the quantity of heat. The measures to use ventilation technique to gover heatharm underground mine. are taked. Key words Metal mines Mine depth Heat sources under the shaft Underground mine ventilation 收稿日期 2006- 05- 29 作者简介 谭海文 1965- 男 汉族 副教授 采矿工程专业 硕士生导师 1 前言 目前, 我国地下金属矿山多数己进入中晚期开 采时期,矿井采掘深度增加,地温随之升高, 加上 其他热源的放热作用, 使得受到高温威胁的矿井日 益增多。在高温环境下作业,不但劳动生产率会下 降,损害工人身体健康,同时严重威胁井下安全作 业,并易引发灾害和事故。我国 金属非金属矿山 安全规程 规定, 金属矿山井下作业地点的空气温 度∀ 26 ∃1。因此, 研究金属矿山井下热源与通风 问题, 对确保矿山安全生产和工人身体健康, 保障 矿业持续健康发展,具有重大意义。 2 井下热源规律分析 井下气温升高,是由于各种热源散热的缘故。 井下热源分为物理、化学两大类,物理热源有地 热、地下水的蒸发、空气压缩放热和机械设备放热 等;化学热源有爆热、氧化反应热、人体代谢生成 热等, 实践证明, 地热、空气压缩热、爆热和氧化 反应热是主要的井下热源。 2 1 地热 地热是最重要的深井通风热源,据研究,深井 岩层放热占井下热量的 48 ∃2。地热是以围岩传 热形式散热, 地面以下岩层温度变化规律是自上 而下,岩层划分为变温带、恒温带和增温带,其 中, 恒温带以下的岩石温度随深度增加而增加, 当 采掘作业将岩石暴露出来以后,热便从岩石中释放 出来。原岩放热是深井矿山的主要热源之一,当井 下空气流经围岩时, 两者发生热交换, 从而使井下 空气温度升高。 因受地热增温的影响,岩石温度随深度的增加 而升高。围岩与井巷空气热交换的主要形式是传导 和对流, 即 借热传导自岩体深处向井巷传热, 或 经裂隙水借对流将热传给井巷。在大多数情况下, 围岩主要以热传导方式将热传给岩壁, 并通过岩壁 传给井下空气。 岩石温度随深度而增高的程度,决定于岩石成 分和岩石的导热性能、水文地质特征和其他一些因 素, 一般用地热增温率来表征岩石的增温程度∃2 tr to Gt Z- Zo1 式中 tr- 深度为 Z 处的岩石温度; 中 国 矿 业第 15 卷 to- 该地区地表空气的年平均温度; Gt- 地热梯度; Z- 所测定岩石温度之点距地表的深度; Zo- 恒温带的深度。 由于围岩与井巷空气热交换是一个复杂的非稳 定过程,计算也非常繁琐。为计算方便, 视此类问 题为沿巷道轴向进行的一维非稳态热传导问题处 理,并设岩石内温度高于井下空气温度, 岩石传给 井下空气的热量可按下式计算∃3 Q 2Aktr- ta t 2 式中 A - 巷道断面积; t- 巷道通风时间; tr- 围岩的原始岩温; ta- 巷道内某点空气的温度; k- 围岩的热导率; - 围岩的热扩散系数。 2 2 空气绝热压缩散热 地面空气经井筒进入矿井内,由于受到井筒空 气柱的压力而被压缩, 空气到达井筒底部时, 其所 具有的势能转化为热能。试验研究结果表明 空气 每下降 100m, 气流温度升高约 04 0 5 ,空气 压缩放热占井下热量的 20 ∃2。 当空气沿着井巷向下流动时,在重力场作用 下,由于其势能转换为焓, 其压力与温度都有所上 升。根据能量守恒定律,风流在压缩过程中的焓增 与风流前后状态的高差成正比, 即 i2- i1 gz1- z2 式中 i2、i1- 分别为风流在始点与终点时的焓值; z1、z2- 风流在始点与终点状态下的标高; g- 重力加速度。 对于理想气体di cpdt,即 i2- i1 cp t2- t1 式中 cp- 空气的定压比热容,cp 1 005 J/ kg K ; t1、t2- 分别为风流在始点及终点时的干球 温度, K。 故t2- t1 0 00976 z1- z2 从上述结论可以看出, 空气压缩所引起的焓增 同风量无关, 只与两点标高有关,而且随着开采深 度的增加而相应增大。空气沿井筒下降, 由于空气 沿井筒往下流经 100m 垂深距离时,热量约增加 0 979J/ kg。 2 3 井下爆炸生热 炸药爆炸产生的能量一部分用来破坏矿岩结 构, 另一部分则以热量的形式向矿内空气释放, 同 时也使采下的矿石温度升高。因此,井下炸药爆炸 具有两重放热性,一方面在爆破时期内迅速向空气 及围岩放热,形成一个较高的局部热源;另一方 面, 炸药爆炸时传向围岩中的热又以围岩放热的形 式, 在一个较长的时期内缓慢地向矿内大气释放出 来。炸药爆炸过程是一个复杂的化学反应过程, 根 据盖斯定律∃4, 认为化学反应热效应同反应进行的 途径无关。 设 1、2、3分别表示在标准状态下的元素、炸 药和爆轰产物,根据盖斯定律,从状态 1 到状态 3,与从状态 1 经状态 2 到状态 3 的热效应相等, 即 Q1- 3 Q1- 2 Q2- 31 式中 Q1- 3- 爆轰产物的生成热; Q1- 2- 炸药的生成热; Q2- 3- 炸药的爆热。 若已知炸药成份,查表得各种成份的生成热, 可按下式计算炸药的生成热。 Q1- 2 qi- 第 i 种炸药成份的生成热。 若已知爆轰产物的成份, 查表得各种成份的生 成热,可按下式计算爆轰产物的生成热。 Q1- 3 q∋i- 第 i 种生成物的生成热。 因此,在金属矿山井下爆破时,根据炸药种类 及炸药量可计算出爆热。将 2 、 3 式代入 1 式, 得炸药的爆热 Q2- 3。金属矿山多数使用 2 号 岩石炸药,炸 药配比 为NH4NO385 ,TNT 11,C15H22O114,经计算,1kg2 号岩石炸药 的爆热为 367624kJ。 2 4 矿石氧化放热 对高硫矿床来说,矿石在潮湿环境中进行氧化 放热是矿井的重要热源之一。 矿石的氧化生热是一个相当复杂的问题,据谢 尔班研究表明, 由于矿石氧化而增高的温度为 t氧化 q0 S/ 3600 GB Cp 式中 t氧化- 由于矿石氧化导致的空气温升; S- 矿石暴露面积; q0- 单位暴露面积矿石氧化时放出的热量; GB- 流经设备的风量; 60 第 11 期谭海文 金属矿山深井热源分析与矿井通风 Cp- 空气的定压比热容。 2 5 井下生产过程产热 除了上述主要热源外, 在井下生产过程中,提 升机械、机电设备、采掘机械、运输设备、通风设 备、排水设备等运行时,会将部分电能或机械能转 化为热能, 散发到井下空气中, 使井下空气温度升 高。 3 井下热源危害 3 1 对人体的危害 在矿井可能遇到各种不利的微气候, 其中主要 是矿井的高温、高湿。高温是指气温超过 30 , 高湿是指相对湿度超过 80。工人在湿热环境中 较长时间的作业, 会发生中暑、热虚脱等疾病,同 时还会引起某些机能障碍 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大量失水, 改变 正常的功能, 甚至致病。 3 2 对劳动生产率和安全的影响 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。根据南非资料工作 面温度超过标准 1 ,工人的劳动效率降低 7 10 。前苏联的统计资料工作面温度超过 26 达到 30 时, 劳动效率系数为 08,高于 30 时, 劳动效率系数为 0 7。 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。广西茶花山锑 矿自建矿以来,矿井曾发生多起伤亡事故,从事故 发生的时间上看,主要集中在每年的 4 7 月,而 这段时间井下温度达 30 以上,相对湿度达 90 。 根据日本 7 个矿井的调查结果表明在 30 37 以上的工作面,较 30 以下工作面的事故率增加 1 5 2 3 倍。 3 3 对矿井气候条件的影响 矿井气候条件的好坏不但决定于空气的温度, 而且还决定于空气中的含湿量及风速。为了保护井 下工人的身体健康,我国 金属非金属矿山安全规 程 规定, 金属矿山井下作业地点的空气温度 ∀ 26 , 相对湿度为 50 60 。凡超过此上限值 的矿井,必须采取降温措施。 4 井下热源治理措施 对于金属矿山,影响井下热源的因素是复杂 的,通过以上分析可见,采取矿井通风方法, 利用 矿井通风手段,是减少或消除井下热害的有效措 施, 为井下作业面提供安全舒适的作业环境。 4 1 增大井下通风量 加强通风, 增加风量,带走井下热量, 可以大 大降低井下空气的含热量,这是一种有效的降温方 法。 降低井下通风风阻。当井巷道断面积一定时, 水力半径最大的井巷风阻最小,而在各种断面形状 中, 以圆形断面的水力半径最大, 故主要井巷应该 尽量设计成圆形断面;井巷的摩擦风阻与井巷断面 积的 2 5 方成正比, 因此,刷大井巷断面, 可以降 低通风阻力; 为降低井巷表面摩擦,必要时可采用 表面衬砌、光面爆破、清除井巷内堆积物等技术措 施。 防止漏风。矿井出现漏风,会降低工作面的有 效风量。采用对角式通风系统,后退式开采顺序, 进风和回风巷道尽量布置在脉外岩石中,提高通风 构筑物的质量, 加强其严密性,防止通风构筑物漏 风; 在风路中安设辅扇、采用降阻调节法调节风量 等措施, 减少甚至防止井下漏风。 改变主扇工作特性, 以提高通风机能力。当矿 井风阻一定时, 风机产生的风量与转数的一次方成 正比。因此, 调整主扇转速将有利于提高主扇的调 控能力和调控效率; 调整轴流式风机叶片安装角, 叶片安装角越大,风量越大; 或采用变频调速技术 调整矿井主扇的转速,也有利于改变主扇工作特 性, 以提高通风机能力。 加强通风管理。改善通风系统各组成部分的维 护状态, 保证漏风和风流循环最小,提高通风系统 中各类扇风机的运转效率,针对矿井通风状况, 有 计划地定期对通风系统及网路进行测定,包括矿井 通风阻力、风压、风量等通风技术参数测定和风机 性能参数、风筒参数的测定, 及时合理地调整通风 系统,使其始终处于最优运行状态中。 4 2 采用合理的阶段通风网路结构 金属矿山多数采用多阶段同时作业,阶段通风 网路结构不同, 应以能抑制采空区热风串入工作面 和增加工作面有效风量为原则,采场下行通风时, 矿岩运输方向与风流同向,这样使矿岩运输过程中 放出的热量和水蒸气,以及运输设备的机电设备散 热等不再返回工作面,从而大大改善工作面入风流 的空气状态。 4 3 采用合理的通风系统 矿井通风系统与矿床开拓方式密切相关,矿床 开拓方式不同, 入风线路长度不同,因此, 风流到 下转第 65 页 61 第 15卷第 11 期 2006 年 11 月 中 国 矿 业 CHINA MINING MAGAZINE Vol. 15, No. 11 November 2006 的。 应用式 4 对金川矿山现行充填体稳定层 厚度的计算, 可知道 ,使用 1 8 灰砂比的砂浆充 填是安全可靠的。 ∗ 应用式 4 可以较圆满地解释金川有色金 属公司二矿区发生锅底形冒落和龙首矿充填小井下 部充填体的碎块状冒落现象。这就说明本文提出的 下向胶结充填体质量评价法,有一定实用价值。 5 2 封口板墙的间距 X 的确定 ∃1, 9 目前, 金川二矿区使用的充填料浆质量浓度为 76 78,该料浆所形成的充填体表面坡度为 2 4, 料浆在流动过程中存在离析现象。充填过 程中料浆流动必须满足 H- hi / X tan 式中 H 为进路高度, 为与料浆离析有关的常数,对棒磨砂可取 3 ,由 该式计算可得 X ∀ 42m。这一计算结果与生产现场 也较为吻合。 6 结语 本文通过对充填体破坏机理的分析, 建立了进 路顶板结构的力学模型,采用弹性力学解析法,推 导出了下向胶结充填体质量的综合评价式Q,C, 当充填质量满足此式时,充填体稳定,反之失稳冒 落。充填体质量由充填体强度和层状厚度决定,因 此提高充填体质量的途径有两条一是提高充填体 强度, 二是提高层状体厚度,即减小料浆的离析分 层。从这个意义上说,提高充填体的完整性,降低 料浆进入采场之后的离析分层,同样可以达到提高 充填体质量的目的。因此,本文的研究找到了一条 提高充填体质量、降低充填成本的有效途径。 参考文献 ∃1 王新民, 肖卫国, 张钦礼.深井充填理论与技术 [ M] .长 沙 中南大学出版社, 2005, 4. ∃2 张民正. 下向进路全尾砂高水固化充填体假顶参数及强度的 计算 [ J] . 有色金属, 1999. ∃3 陆富龙, 李芬芳. 露天采矿场下部采空区顶板安全厚度的确 定 [ J] . 采矿技术, 2004, 4 2 . ∃4 黄玉成, 孙恒武, 刘文永. 下向进路充填采矿力学模型的探 讨 [ J] . 有色金属, 1999, 51 4 . ∃5 李夕兵, 刘志祥. 高阶段尾砂胶结充填体力学研究与博弈树 配比优化 [ J] . 安全与环境学报, 2004, 4 4 . ∃6 Swift G. 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