非煤高温矿山热害理论分析.doc

湖南有色冶金劳动保护研究院 非煤矿山通风防尘湖南省重点实验室 高温矿井热害理论分析 湖南有色冶金劳动保护研究院 2015年4月 第一章绪论 1.1问题的提出 矿井热害是指井下风流的温度、相对湿度、风速达到一定状态后，致使人体散热困难，工人感到闷热，劳动生产率下降，进而出现大汗不止、体温升高、头昏、虚脱、呕吐等中暑症状，甚至死亡的自然灾害。矿井热害不仅影响井下作业人员的工作效率，影响矿山的经济效益，而且严重地影响井下作业人员的身体健康和生命安全，严重地影响矿山的安全。 随着矿产资源的不断开发，我国的浅表矿床及开采技术条件相对简单的矿床储量不断消耗，迫使大多数矿山转入深部或复杂矿床的开采。目前，许多硬岩矿床己进入或接近深部开采的范畴，据统计，我国有三分之一的矿山即将进入深部开采。深部矿床开采的技术难点主要集中在三个方面即深部地压（岩爆）预测与控制技术、井下热害控制技术以及强化开采技术集成。在深部矿床开采技术领域内，国内的研究工作起步较晚，没有成熟的技术和经验可借鉴。虽然开展了部分前期研究工作，但现有的采矿技术不能有效地解决深部矿床开采的问题。目前，急需研究开发适应于深部矿床开采的新工艺与新技术，同时对现有的技术进行集成与提升，以满足我国不断涌现的深部矿床开采的需要。 由此可以看出，井下热害控制技术在我国深井开采技术中占有很重要的地位。 1.2深部矿井高温热害问题日渐突出 根据有色金属资源预测和评价结果相关资料显示，我国垂深在1000～2000 m范围内的有色金属资源总量约5.6107t，资源量相当可观。但是，随着矿井开采深度的增加，比较棘手的技术难题将越来越突出，比如高地压、高地温和高渗透压（俗称“三高”）等问题。这些现象在浅部开采过程中较少出现，一旦进入深部开采，“三高”问题将会给矿井的正常生产带来极大的负面影响。其中，由高地温导致的高温热害现象尤为突出。造成矿井高温热害的因素很多，比如高地温、空气压缩热、大功率的机电设备运行散热、岩层氧化放热、矿工人体散热等，但是，相对于浅部矿井的开采，高地温在深部矿井高温热害的形成过程中起着决定性的作用。 根据全国矿井高温热害普查资料统计显示，我国有60多座矿井出现了不同程度的热害，工作面气温高达3040℃，在不采取人工制冷等措施的情况下，工作面风温高达35℃。文献资料表明，我国目前高温矿井数量可能已经远远超过 60多座，预计高达140余座，这些出现高温热害的矿井多分布在华北及东北（约30多座）、华东（约40多座）和华中（约20多座）地区。可以预见，随着矿井开采深度逐渐加大和机械化水平的不断提高，矿井高温热害的形势将日益严峻。 1.2.1矿井热害防治技术发展现状 矿井热害防治的主要途径有三种一是减少高温地层岩体向风流的传热，其中，最直接的方法是隔绝高温热源；二是加大矿井热量排放，一般是采取优化矿井开拓布局和通风路径及加大风量等方法；三是人工引入冷介质，典型的方法是矿井空调降温。从国内外应用情况来看，高温热害比较突出的矿井，采取机械制冷降温方式的居多。目前，我国高温矿井热害防治的方法主要有以下几种（详见表1-1和表1-2） （1）优化开拓布局、加大风量、改善矿井通风系统等为主的通风降温； （2）巷道隔热、管道和水沟保温等形式的隔热疏导； （3）冷却背心或冷却帽等降温装备的个体防护； （4）制冷和制冰为主的机械制冷降温； （5）其它方法。比如空气喷雾、洒水，煤层注水、地层储冷等方法，以及 以上几种方式的混合使用等方法。 以上这些热害防治方法中，改变开拓部署和优化通风系统，巷道隔热和水沟隔热等隔热疏导法等非机械制冷方法，属于主动降温方法；矿井制冷和个体防护等机械制冷方法则属于被动降温方法。从发展趋势来看，机械制冷将会是深井热害防治的主要方式。但是，基于以下几个方面的因素，非机械制冷热害防治技术仍然具有一定的发展潜力 （1）与世界其它国家相比，我国矿产的开采深度处于浅部向深部的过渡阶段，地温问题尚未成为资源开采的主要矛盾。 （2）目前，限于经济发展水平，以及矿山开采能力、设计水平、生产管理水平、人员素质、开采现状等条件，我国矿井空调制冷降温技术并没有取得理想的效果。此外，制冷设备仍依赖进口，而进口的制冷设备价格昂贵、功耗大这些因素限制了矿井空调的推广。而且进口设备运行和维护成本非常高，造成一些煤矿企业引进的制冷设备甚至处于闲置状态。 （3）矿井机械制冷降温的排热比较困难。同时，空气被冷却以后，围岩和风流之间的温差增大，加剧了围岩和风流之间的换热功率，从而加快了高温岩体的热量排放，减弱了人工制冷的效果。因此，现阶段在我国应该采取优化开拓布局、加大风量、隔绝热源等非机械制冷方式和机械制冷降温方式相结合的综合降温方式，才能实现节能、降耗、高效的热害防治效果，达到绿色开采的目的。我国矿井高温热害防治技术的发展思路是中、浅部高温矿井优先发展非机械制冷热害防治技术，深部高温矿井采取以机械制冷降温为主，辅以非机械制冷的热害综合防治技术。 表1-1深井热害防治主要方法（非机械制冷） 主要方法 优缺点 适用范围 优化矿井开拓布置 优点分区域开拓方式可以缩短通风线路长度。 缺点风井多、深度大、开拓工作量大、投资高。 开拓储量大、埋深浅或者中等的地热正异常区域 优化通风线路 优点风流经过低温岩层，预冷；下行通风有利于避开热源；工作面E、W型通风方式较 U型通风，降温效果好 缺点调温巷道不易具备； 对于多水平开拓矿井，当较浅部的水平巷道报废或者接近服务期满，下水平风流可先流经浅水平巷道预冷，夏季预冷效果更好； 增大风量 优点降温效果好、成本低、系统简单 缺点受通风机功率、巷道风速限制；进风风温较高时，降温效果差；风量达到极限之后，降温效果不明显 热负荷不太大、热害不严重的矿井；风量较小的巷道或者工作面 受控循环通风 优点降低矿井风量和通风设备功率、减少空气压缩热、提高用风点风量 缺点需要对废风中的有毒有害气体和粉尘进行净化 有毒有害气体和粉尘含量低的巷道 压气动力 优点减少电力设备散热，利用压缩空气的膨胀冷却效应冷却风流 缺点效率低、成本高 局部热害严重区域的动力设备 预冷岩层 优点兼顾降温、防尘 缺点降温效果有限，围岩遇水易膨胀崩解，增加了湿度 热害不严重、顶底板岩层遇水膨胀性差的工作面 岩壁隔热 优点施工简单、隔热效果好 缺点对材料的防火、防毒、防水、隔热性能要求高 热害不严重的巷道；作为空调降温的辅助措施 热水疏排管道隔热 降低热水向空气中散热 热水型矿井、热害严重区域 地层储冷 优点充分利用大自然冷源、节约能源 缺点需要合适的储冷地层、系统复杂 具备储冷条件地层的矿井 表1-2深井热害防治主要方法（机械制冷） 主要方法 优缺点 适用范围 水 冷 却 系 统 制冷站设在地面 优点冷凝热容易排出，节省井下开凿大断面硐室工程量，可采用一般制冷设备、安全可靠、管方便 缺点供冷管路长、冷损大；井筒中需要安装大直径管道；井下需要安装高低压转换器；系统复杂；一次载冷剂盐水对管路有腐蚀 矿井热负荷大，需冷量大，井下排除冷凝热比较困难的矿井 制冷站设在井下 优点供冷管路短，冷损小；不需要高低压转换器；能耗低；系统简单 缺点冷凝热在井下排放；井下需要开凿空调硐室；制冷设备需要防爆 排热方便的矿井 井上、下混合式 优点一次载冷剂可以带走井下制冷机的冷凝热；一次载冷剂的循环量可以减减少冷损 缺点系统复杂；井下要开凿硐室；井筒中需要安设大直径管路等 矿井需冷量大， 井下排热困难 冰冷却系统 优点系统简单 缺点冷量小、效率低；输冰管道受限制；增大湿度 局部高温区域 热‐电‐乙二醇低温制冷降温系统 优点充分利用地面瓦斯电站或者矸石电厂的余热，节能效果好；降温效果好 缺点需要有地面电站；系统复杂；运行成本高 地面设有电站 矿井轻便空调室 优点利用恒温带冷水；利用高位水的势能，不使用电力；热帐便于搭设 缺点降温区域小，降温幅度小 固定作业点和半固定作业地点 冷却服 优点对人体降温效果好 缺点比较笨重、持续时间短 局部热害严重区域 1.2.2矿山地热与热害防治研究概述 在环境日益恶化、能源资源相对匮乏的今天，诸如地热能、天然气水合物、太阳能、风能等清洁能源愈发弥足珍贵。从广义上看，矿山地热属于地热能的范畴。但是，对于以主要开采固体矿产的矿山来说，地热往往是作为地下工程的地质环境因素加以考虑的。由于地层热能品位低、开发利用效益差，矿山地热能的提取与利用还有很长的路要走。 相对于浅部矿井，地热因素在深井高温热害形成过程中起决定性作用。因此，研究矿山地热与井下气候之间的关系，进而开展高温矿井热害防治工作非常有意义。矿山地热能向井巷风流传递一般要经过这几个途径地层岩体间的导热、岩体与风流之间的对流传热、风流之间的传热、热水与岩体和风流之间的传热等。在热量传递过程中也可能会发生传质现象。如果从人感受热环境的角度来看，热辐射也是导致热害的因素之一。由于导热、对流和热辐射现象都是传热学研究的内容，把它们概况为矿山传热问题。热环境的治理都是为改善热环境人为做出的工程实践。鉴于这一点，把热环境治理归到工程技术范畴，称之为矿山热害防治技术。 （1）矿山地热的研究 上世纪70年代，我国就开始了矿山地热的研究工作。当时，矿井开采深度并不很大，机械化程度远没有现在高，矿井的热源主要还是高温岩体。中国科学院地质研究所地热室编写了矿山地热概论一书，矿山地热的研究日益受到重视。10余年之后，余恒昌等在此基础上系统总结了我国矿山地热的研究成果和热害治理方法。 矿山地热作为应用地热学研究的一个分支领域，衔接了地热学与采矿学的研究领域，是采矿科学的重要分支之一。经过40余年的发展，从最初的矿山地温勘探测量，到大型矿区热状况评定，再后来到高温成因剖析、地温类型划分和深部地温预测方法，矿山地热在基础理论、研究方法和技术等方面渐趋完善，已基本形成了矿山地热的基础理论和技术体系，取得了如下成果 1）掌握了全国主要煤矿的热害状况。特别是华东、华北和东北地区，矿井高温热害的资料较全面。 2）在地温测量方法方面取得了一些成果。一是研制了一系列先进的高精度钻孔测温仪等地温测量仪器设备；二是建立了稳态测温、近似稳态测温、稳态-准稳态-瞬态相结合测温等基于钻孔热平衡理论的钻孔测温方法。 3）探索了大型矿区热状况评定、高温成因剖析和深部地温预测典型方法。 4）收集了大量的地热数据。煤田地质勘探控制范围广、测量精度高，为矿山地热的研究提供了大量有价值的数据资料。 （2）矿山传热问题的研究 早期，人们采取传热学的基础理论和研究方法来分析矿内的传热问题，主要体现在井下的热环境评估、风流的热交换等方面。近些年，随着人们对“以人为本”理念的加强，人体的热平衡问题得到越来越多的重视。归纳起来，矿山传热的内容也可以概括为以下几点一是围岩热传递规律，包括围岩、风流、水之间或本身的传热传质等问题；二是井下热环境预测与评估；三是人体热平衡问题。 目前，对围岩导热问题的研究，多采取数学分析和数值计算等方法，这对所建立的导热数学模型的合理性提出了较高的要求。简化的一维非稳态导热微分方程分析围岩导热问题，其合理性值得进一步商榷。以上内容部分还涉及对流换热问题，而井下对流换热问题的关键是不稳定对流换热系数的确定。因此，这些问题无论是采取理论分析还是数值计算的方法，结果与实际情况往往差别较大。最终，可能还是要借助实验的方法来研究这些问题。 （3）矿山热害防治技术的研究 矿山热害防治技术的研究由来已久，从最初的加大风量到现在的矿井空调，其历经上百年的发展，技术体系渐趋完善。矿山热害防治的途径主要有三种一是减少地层热量向风流的传递，最直接的方法是隔绝热源；二是加大排热量，一般是采取优化通风路径和加大风量的方法；三是人工引入冷介质，典型的方法是矿井空调。前两种一般称之为非机械制冷方式，第三种相应地称之为机械制冷方式。从国内外应用情况来看，机械制冷降温方式居多。目前，我国矿井热害防治的方法主要详见表1-1和表1-2。以上这些热害防治方法中，改变开拓部署和通风系统， 巷道隔热和水沟隔热等隔热疏导法等非机械制冷方法， 是主动降温方法；而矿井制冷和个体防护等机械制冷方法则属于被动降温法。从大的趋势上来看，机械制冷将会是深井热害防治的主要方式。 1.2.3高地温巷道隔热降温研究现状 矿井降温的本质是要求排热量大于生热量，可以从两方面入手，一是控制热量来源，即“防”，二是加大热排放能力，即“治”。机械制冷降温和通风降温都是加大热排放的典型方法。只有“防”、“治”结合，先“防”后“治”，才能取得理想的热害防治效果。 巷道隔热法作为以“防”的主的降温方法，其基本思想是采用隔热材料覆盖巷道围岩，构建隔热结构，阻碍矿山地热能向风流传热，再辅以加强通风等措施及时带走热量，实现高地温巷道降温的目的。 在国外，前苏联在高地温巷道试验过锅炉渣混凝土喷层进行巷道隔热的研究，南非、前苏联等国家还使用化学聚氨基甲酸酯脂材料进行了巷道隔热方面的研究，一些国家还试验过高炉渣、膨胀珍珠岩保温砂浆、聚乙烯泡沫等材料，取得了不错的隔热效果。国内方面，李珠、李国富等在高地温巷道试验了玻化微珠保温砂浆的隔热效果，工业性试验表明，采取隔热措施以后，巷道热释放量减少了64；郭文兵、姚嵘等研制了深井巷道隔热材料，其主要成分是水泥、硅灰石、珍珠岩、粉煤灰等材料，隔热效果较好；李春阳等试验了聚氨酯材料的隔热和防水性能，效果显著。山西、河南一些矿区先后试验过将隔热材料喷涂高地温巷道表面，或利用高地温巷道与套巷之间流动的空气与水，或者充填隔热材料等措施来实现隔热。化学隔热材料对防火性能要求比较高，成本比较高；无机材料的防水性能稍差一些，隔热效果不如化学材料好，但是成本低，各有优缺点。 主要的隔热方法有以下几种一是使用硬质隔热材料直接覆盖在裸露的巷道围岩表面；二是把隔热材料制成浆液直接喷射在裸露的巷道围岩表面；三是把隔热材料填充在巷道表面岩体和支护结构之间。这些方法施工的隔热结构有很多不足之处，首先，诸如聚乙烯泡沫、聚氨酯等化学隔热材料还没有解决防火和成本之间的矛盾，而无机材料喷浆形成的隔热层较薄，隔热效果不明显；其次，隔热层的时效性较差，巷道开挖起始，隔热效果比较明显，随着通风时间的延长，隔热层的隔热效果越来越不明显；再者，隔热层经过长时间的裂隙水渗透，导热系数变大，隔热效果变差。因此，简单地采取巷道围岩表面直接隔热往往满足不了巷道隔热的现实需求。由于深部软岩巷道裂隙发育，喷浆和注浆支护是维护深部软岩巷道围岩稳定性的重要手段。有学者提出把巷道喷、注浆支护和喷、注隔热材料隔热有机结合起来，使喷注的隔热材料与巷道围岩松动圈破碎岩体形成一个隔热结构，从而起到阻止围岩放热和裂隙热水流动的作用。这个思路把巷道支护和隔热合二为一，既保证了巷道围岩的稳定性，又实现了巷道的隔热降温。在这一思想提出之前，李国富也研究了“注浆”隔热降温，不过他所提出的“注浆”不是普通意义上的向巷道围岩内注射浆液，而是把两层混凝土喷浆层之间喷射的隔热层等效为注浆层，严格意义上也应该是喷浆层。 我国的高地温矿井，往往通风系统复杂、通风路线长、巷道暴露面积大、散热持久；从矿井空调的应用效果来看，并没有达到预期目标，特别是全矿井空调降温，在用风地点之前，冷却的风流往往已经受到热污染。巷道隔热法作为重要的辅助降温措施可以减少新风热污染，提高矿井空调降温效率，减少制冷设备的电能消耗。然而，从国内外的文献来看，高地温巷道隔热降温的研究多集中在隔热材料的试验和研发，而在巷道隔热理论方面的研究较少。高地温巷道喷、注隔热材料降温作为巷道隔热方法的又一新的思想，其在技术上比较容易实现，但在隔热机理等基础理论方面尚有待完善。 1.2.4高地温巷道围岩温度场研究现状 存在于地层中未受人类工程扰动的天然温度称为岩层的原始温度，也称为原岩温度。某时刻地层中所有位置天然存在的温度分布称之为原岩温度场。原岩温度场的形成主要与地球的物质组成和动力运动过程等因素有关。对于矿山地层，影响其原岩温度场的因素主要是区域背景大地热流值、地层结构和导热性能、地质构造、热水运移，以及放射性元素生热等。 巷道一旦开挖，只要巷道围岩与风流之间存在温差，它们之间必然会发生对流换热。巷道壁面中的热量被风流带走后，温度随之降低，围岩内部产生温差，热传导过程随之产生。就这样，热量源源不断地从巷道围岩深处向表面传递，之后与风流发生换热。随着通风时间的延长，巷道围岩被冷却的深度逐渐增大。从本质上说，高温巷道围岩内部传热，以及围岩和风流的对流换热，都是巷道整个环境的温度场重新取得热平衡的过程，只不过这个过程相对于巷道开挖后应力重新分布要慢得多。一般来说，巷道围岩导热是一个非稳态的过程，很难发生稳态导热现象。 第二章矿井热源分析及治理途径 2.1矿井热源分析 地面空气进入井下后，由于受到井下各种热源的影响，空气的温度会发生很大的变化。影响井下风流状态参数发生变化的因素主要有地表大气状态、风流的自压缩、围岩的散热和局部热源、矿井水的散热散湿、机电设备放热等，而这些因素本身又是多变的。对高温矿井热害致因分析，必须依据矿井实际条件，调查导致热害的热源，系统分析各热源与井下气候的关系，从而提出合理的治理措施。 2.1.1地面空气温度 风流自地表流入矿井，因而地表大气温度与湿度的季节性变化必然要影响到井下热环境。地表大气影响井下气候的主要因素是地表大气温度、地表大气的相对湿度和大气压力等。地面空气温度直接影响矿内空气温度。尤其对浅井，影响更为显著。统计表明每天地面空气温度的变化都是随机的，但遵守一定的统计规律，这种规律可近似用正弦曲线表示，如下式所示 tt0A0sin2πτ365φ0，℃ （2-1） 式中t0地面年平均气温，℃； φ0周期变化函数的初相位，rad； τ时间，天； A0地面气温年波动振幅（℃），可按下式计算 A0tmax-tmin2 （2-2） 式中tmax月最高平均温度，℃； tmin月最低平均温度，℃。 地面气温周期性变化使矿井进风路线上的气温也相应地周期性变化。但是这种变化随着距进风井口距离的增加而衰减，并且在时间上，井下气温的变化要稍微滞后于地面气温的变化。 2.1.2围岩散热 井下围岩传热主要是通过热传导自岩体深处向围岩壁面传热，巷道和采掘工作面围岩壁面通过与风流的热交换而加热风流。井下围岩与风流间的传热是一个复杂不稳定的传热过程，井巷开掘后，随着时间的推移，井巷围岩被冷却的范围逐渐扩大，其所向风流传递的热量逐渐减小，而且在传热过程由于井巷表面水分的蒸发和凝结，还伴随着传质过程的发生。通过观测及理论分析证明，当巷道通风时间足够长时（大约2年），围岩与风流之间的热流量基本趋于稳定，可以认为它们己充分完成热交换。 围岩与风流之间的热流量趋于稳定后，为简化研究，目前常将众多复杂的影响因素都归结到传热系数中去讨论。因此，井巷围岩与风流间的传热量可按下式计算 QrKτULtrm-tkw （2-3） 式中Qr井巷围岩散热量，KW； U井巷周长，m； L井巷长度，m； trm巷道始末两端平均原始岩温，℃； t流经巷道始末端平均气温，℃。 Kτ围岩与风流间的不稳定换热系数，w/（m2℃），它表示巷道围岩与空气之间温差为1℃时，单位时间从1 m2巷道壁面上向空气放出的热量，可用下式计算 KτK1b4F00.88ατKαkm/m2c （2-4） 式中K岩石导热率，kw/m℃； α岩石的热扩散率，m2/s； τ通风时间，s； b通风时间系数，当τ1年，b0.4 F0付立叶准则数，反映不稳态导热过程的无因次时间，其准则关系为 F0ατr02 （2-5） 式中r0巷道水力半径，r00.546S，m； S巷道断面积，m2； α岩壁与空气的对流换热系数，kw/m2℃。 反映对流换热强度用努谢尔特准则关系表示，即 NuadKa （2-6） 式中Nu努谢尔特准则数，其大小反映对流换热的强度； d巷道水力直径，m； Ka空气的热导率，kw/m℃。 实验研究表明，对于巷道壁面粗糙度不大的巷道，努谢尔特准则与雷诺数有如下关系 Nu0.0195Re0.8 （2-7） 式中Re雷诺数，Revdv v巷道中的风速，m/s； v空气运动粘度系数，m2/s。 在上面两式中，代入温度为25℃时的空气运动粘度系数值与空气热导率值，则有 α0.426（vU）0.8S0.2 kw/m℃ （2-8） 式中v巷道中的风速，m/s； U巷道周长，m； S巷道断面积，m2。 影响围岩与空气的热交换的一个重要因素是岩壁上的水分。水分的存在能够加快这种热交换，因为它降低了空气与岩石交界面的热传导阻力和空气的干球温度。 在求得不稳定传热系数后，通过式2-8，可以求得井下巷道的围岩散热。 2.1.3空气的自压缩 空气的自压缩温升是空气沿井筒向下流动过程中位能转换为焓的结果。空气进入井筒并沿之下行，压力和温度都要有所上升，这就是“自压缩”过程。若此过程中空气 与外界不发生换热、换湿，且气体流速也不变化，根据能量守恒定律，可得 i1-i2gz1-z2 （2-9） 式中i1与i2分别为风流在始点与终点时的焓值，J/kg； z1与z2分别为风流在始点与终点状态下的标高，m； g重力加速度，取9.8m/s2。 由式2-9可知，对于绝热自压缩过程，空气沿井筒向下流动，其焓增为每千米9.81kJ/kg。当风量已知时，风流自上向下的自压缩热，用下式计算 Qr0.00981M∆H （2-10） 式中Qr自压缩热，KW； M井筒进风量，kg/s； ∆H风流自上向下流动的高差，m。 由式（2-10）可推算出自压缩引起的温升值∆t为 ∆t0.0098∆H （2-11） 由式（2-11）可知空气进入矿井后，深度每增加100米，气温上升约1℃，反之，当空气上升时，每上升100米，将降低约 1℃。 因为风流通过井筒并非绝热压缩过程，实际上风流由井筒向下流动温差并没有这么高，而且不同入风温度，其温升也是不同的，压缩热部分用于水分蒸发，用以增大风流的含湿量，另一部分被围岩吸收。在夏季，由于围岩吸热，风流的实际温升要比计算值要低；而在冬季，由于围岩放热，风流的实际温升要比计算值高，其值为 ∆t0.0098K∆H （2-12） 同理，自压缩热值为 Qr0.00981KM∆H （2-13） 式中K系数，夏季取0.4～0.5；冬季取1.7～1.8。 2.1.4机电设备的散热 大量的机电设备在井下使用时，克服摩擦阻力做功所消耗的这部分能量就会转化为热能向风流释放，使风温升高。要准确地计算出机电设备的散热量也是很困难的，因为散热量并不是与电动机的功率成正比。机电设备放热可大致分为两部分，一是采掘设备放热，而是其他电动设备放热。 采掘设备运转放热一般可按下式计算 Qch∅N （2-14） 式中Qch风流所吸收的热量，KW； ∅采掘设备运转放热中风流的吸热比例系数；∅可通过实测统计确定； N采掘设备实耗功率，KW。 其他电动设备的散热量可按下式计算 Qe1-ηtηmN,KW （2-15） 式中N电动机组的总额定功率，KW； ηt提升设备的机械效率，非提升设备或下放物料 ηt0； ηm电动机的综合效率，包括负荷率、每日运转时间和电动机效率等因素。 2.1.5热水散热 井下热水的放热量主要由水量和水温和排水方式决定。当热水大量涌出时，可对附近的气候条件造成很大的影响，应集中隔离并迅速排走。根据热力学的原理，当已知井下涌水的水量、水温以及它在离开某一巷段的水温时，可以计算出它在该巷段中所散发热量，即 QwKwStw-t,KW （2-16） 式中Qw热水传热量，KW； Kw水沟盖板或管道的传热系数，kw/m2℃； S 水与空气间的传热面积，m2； tw水沟或管道中的平均水温，℃； t 巷道中风流的平均温度，℃。 目前，一些矿井在深部开采过程中，地下水丰富，地下水在与地热的传热过程中，温度升高，水在矿井流动时就将热量带到了井下。 2.1.6人员散热 人员比较集中的采掘工作面，人员放热对工作面的气候条件也有一定的影响。人员放热与劳动强度和个人体质有关，现一般按下式进行计算 Qw0nq （2-17） 式中Qw0人员放热量，KW； n工作面总人数； q人均发热量，一般参考以下数据取值 静止状态时取 0.090.12kw；轻度体力劳动时取 0.2kW；中等体力劳动时取 0.275kw；繁重体力劳动时取 0.47kw。 2.2矿井热环境治理途径 影响井下风流状态参数发生变化的因素主要有地表大气状态、风流的自压缩、围岩的散热散湿和局部热源、矿井水的散热散湿、机电设备放热等，而这些因素本身又是多变的。依据矿井实际条件，调查导致热害的热源，系统分析各热源与井下气候的关系，从而提出合理的治理措施。 2.2.1通风系统优化 一、开采顺序 巷道中的风流温度与通风时间有关。采准巷道存在时间长短取决于采用何种开采方式，后退式开采布置方式的采准巷道维护时间较长，初期入风线路也较长，回采工作面的入风温度比前进式布置为高，另一方面，漏风对风流温度有一定的影响，后退式开采的漏风较少，前进式开采的漏网量大，有时漏风量可达入风量的20～30％。漏风把采空区中岩石散热和矿岩氧化生热带出来，使回采工作面入风温度升高。为了满足降温要求，确定开采顺序时，要权衡具体情况而定。 二、通风方式 对于采区通风，通常认为不宜采用下行通风方式，因为下行存在下列缺点 1风流通过井下巷道被加热，产生向上的自然风压，采用下行通风，扇风机风压和自然风压相反，从而导致下行通风工作面的风量相对减少，特别是当扇风机发生故障时，由于扇风机风压降低，下行通风工作面风量将大大减少，或者停风，甚至反风。 2如果井下某处发生火灾，火风压使风流不稳定，甚至会出现反风。 三、加大风量通风 风量不仅是影响矿内气候条件的一个重要的、起决定性作用的因素，而且是通过适当手段就能奏效的少数措施之一，有时费用也比较低。理论研究和生产实践都充分地表明，加大采掘工作面风量对于降低风温、改善气候条件，效果是明显的。但当风量加大到一定限度后，风温的降低就不太明显了。但由于风速的增加，人体的散热条件仍可得到改善。 2.2.2循环通风 随着采深的增加，热负荷越来越大，需要对井下空气频繁进行冷却，或者增加采区供风量。利用小型冷却降温是一种昂贵的制冷分配方式，并且所需的设备操作与维护都存在实际的困难。假如换另一种方法从地面增加风量，则会大大增加扇风机动力，风量增加26％，扇风机动力就要增加100％。利用受控循环通风以提高采区风量，是替代地面供风的一种可供选择的方法。 所谓受控循环风，即是将采区废风经过净化冷却后再送回作业点的一种通风技术。如果开采过程中所产生的有毒有害气体都能得到有效的净化，则矿井生产中的通风可完全采用循环通风技术。可惜开采过程中所产生的一部分有毒有害气体无法有效净化。因而需要从地面引进新鲜空气以稀释这些有毒有害气体。另一方面，研究表明，在高温矿井中，从地面引进的风量越大，井巷岩石对空气的散热量也越大。尽管从井下排出的总热量加大，但计算表明，多排出的这部分热量不足以抵消空气从井巷多获得的热量。从降低高温矿井的风温角度考虑，应尽量减少从地面引进的风量。因此，利用循环通风技术减少矿井总进风量对改善高温矿井的热环境是有得的。 2.2.3控制热源 一、岩壁隔热 采用某些隔热材料喷涂岩壁，以减少围岩放热。苏联曾采用锅炉渣，有些国家采用聚乙烯泡沫、硬质氨基甲酸泡沫、膨胀珍珠岩以及其他防水性能较好的隔热材料喷涂岩壁。 一层10mm厚的聚氨脂泡沫塑料，就能产生较好的隔热效果。岩壁隔热仅用在热害严重的局部地段，它作为一种辅助手段与其它降温措施配合使用。用时还必须注意安全（如防火）问题。岩壁隔热的费用较高，因此限制了这种方法在较大范围内的应用。而且，在散热最为强烈的回采工作面中，实行岩壁隔热较难实现。 二、热水及管道热的控制 主要方法有超前疏放热水，并用隔热管道排到地表，或经有隔热盖板的水沟导入水仓；将高温排水管设予回风道；热压风管设于回风道，或将压缩空气冷却后送入井下。 三、机械热的控制 主要方法有机电硐室独立通风；注意辅扇安装位置；避免使用低效率机械。 四、爆破热的控制 井下爆破所产生的热量，一般在爆破后不久即被气流排走。为避免其影响，可将爆破时问与采矿时间分开。 2.2.4特殊方法降温 一、采用压气动力 采掘机械用压气来代替电力。由于压缩空气排出的膨胀冷却效应，对降低风温无疑是有利的。但是，由于这种方法效率低，费用高，只有在个别情况下才有意义。 二、减少巷道中的湿源 研究资料表明，在高温矿井中，空气中的相对湿度降低1.7％，等于风温降低0.7℃。 因此，在巷道和采掘工作面中，由于各种原因出现的水，不要让它漫流，而要把水集中起来，用管道或加盖水沟排走。 2.2.5个体防护 所谓矿工个体防护，就是在矿内某些气候条件恶劣的地点，由于技术和经济上的原因，不宜采取风流冷却措施时，可让矿工穿上冷却服，以实行个体保护。研究表明，穿着冷却服是保护个体免受恶劣气候环境危害的有效措施。它的作用是，当环境的温度较高时，可以防止其对身体的对流和辐射传热，使人体在体力劳动中所产生的新陈代谢热能，较容易地传给冷却服中的冷媒。 供矿工穿着的冷却服，必须满足降温及便于劳动等方面的要求。这主要涉及能源供应、工作方式、冷却能力，持续时间及穿着舒适等方面的问题。由于井下的空间有限，矿工要进行频繁的生产活动，带着“尾巴”（压气管或冷水管）的冷却服很不方便。也就是说，冷却服要自带能源或冷源，而无需外界供给。此外，冷却服工作时，不应产生有毒，有害以及易燃易爆物质。由于冷却服需贴身穿着，要防止皮肤受冻或局部过冷。因而，在冷却服的内层和皮肤之间应设置一个隔层。 冷却服的重量同其制冷能力和有效工作时间是相互制约的。要设计一套制冷能力为200W～250W，持续时间为5h-6h，有自动制冷系统的冷却服，其重量与尺寸都比较大。将影响活动的自由，因此，必须减少冷却服工作的持续时问。当一套冷却服用完时，可更换一套新的，从而保证工作所需的时间。 第三章尚需解决的问题 深热矿井的热环境问题是个巨大的技术工程，需要几代人的刻苦努力才能获得成功。我国的深热矿井与国外相比存在如下几个特点 （1）深度相对较小，热害尚不十分严重。 我国目前深井的开采深度大多在1000m左右，井下岩温在40℃左右。其热害尚不十分严重。 （2）通风系统复杂，管理困难。 我国矿山由于机械化程度较低，因而矿场的生产能力低。为了确保生产规模，只得大量增加作业面。一些小型矿山为了各作业班组的作业计量方便，也要大量增加工作面。使得矿井通风系统十分复杂。 （3）矿石品位低，价值不高。 我国目前的深井矿山，矿石价值普遍不高，使得其经济承受能力较差，无法采用有效的集中制冷方法改善井下作业环境。 针对我国现阶段深井开采的特点，目前我国深井矿山急需解决的主要问题包括 （1）我国矿井通风网络比国外复杂由于我国矿山机械化程度较低，阻碍矿山规模的扩大，而矿石品位不高，又要求有一定的生产规模才能保证矿山的经济效益，维持矿山的简单再生产。这就形成了我国矿山作业面多、作业面生产能力低，井下作业工人多的现状。所以，我国的矿井通风网络远比国外复杂。 由于通风网络特别复杂，没有一个矿能有一套完整的资料准确反映实际的矿井通风网络。通过通风系统调查、优化通风网络、建立通风系统计算机管理系统等，相比国外更为重要。 （2）循环通风技术研究 由于深井开采中开凿井筒成本太高，矿山通风系统的回风井个数不会太多。风井数量少，断面小，必然导致各进回风井筒的风速超标。如欲在井下考虑采用加大风量通风的措施解决排热通风问题，势必加大这一矛盾。为解决这一矛盾，深井矿山井下必须采用循环通风技术。循环通风的关键技术在于空气的净化和循环风量的控制。 （3）井下环境调查与预测 通过井下环境调查掌握井下气候参数随时问和深度的变化规律、测定矿岩热物理参数、查明井下原岩温度的变化规律，运用计算机预测井下环境，确定矿山热害程度，为确定热害治理对策提供可靠依据。 （4）井下降温措施的研究与应用 通过对掘进巷道局部通风系统的改进，改善掘进作业面的作业环境；特别是开拓时期的排热通风问题。应用个体防护技术为井下高温作业人员提供有效的劳动保护；研究深部采场排热通风规律，确定其合理的排热风量；研究抑制井下热源，利用天然冷源的综合通风降温措施。 （5）我国金属矿山没有自主知识产权的个体防护服 通过文献研究发现，国外己对登月背心和冰水背心开展过研究，但我国目前暂未见报道在金属矿山使用冷却服解决个体防护问题。