張小樓煤礦0.9Mta新井設(shè)計含5張CAD圖.zip,張小樓,煤礦,0.9,Mta,設(shè)計,CAD 張小樓煤礦高溫?zé)岷ΜF(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(zāi)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(shè)備的工作性能，減少井下設(shè)備的使用壽命。張小樓煤礦采深達(dá)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?zé)岬姆乐未胧? 關(guān)鍵字：深部開采；高溫?zé)岷?；治理技術(shù) 1 張小樓煤礦高溫?zé)岷ΜF(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(tuán)柳新煤礦，西鄰徐州礦務(wù)集團(tuán)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(yùn)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(wù)集團(tuán)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(hù)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(biāo)點(diǎn)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(diǎn)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(fēng)等自然災(zāi)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(diǎn)，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(diǎn)。 (二)蒸發(fā)量 1440mm／年。 (三)風(fēng)向、風(fēng)速 全年多偏東風(fēng)，平均風(fēng)速3.2m／s，最大風(fēng)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?zé)岷栴} 本井是徐州礦區(qū)高溫礦井之一，-750m水平巷道氣溫達(dá)28℃，最高可達(dá)32℃；-1000m水平巷道氣溫31℃，最高可達(dá)34℃。 礦井通風(fēng)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(fēng)地點(diǎn)→-1025七煤區(qū)段回風(fēng)道→-1025回風(fēng)石門→-1025小湖系回風(fēng)上山→-880回風(fēng)上山→-1025西一軌道上山（-1025西一回風(fēng)上山）→-750總回風(fēng)上山→ -400新總回風(fēng)道→風(fēng)井。從井底車場到工作面回風(fēng)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(fēng)巷溫度平均為31.3℃。熱害情況較為嚴(yán)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(diǎn) 井底車場℃ 進(jìn)風(fēng)大巷℃ 工作面℃ 回風(fēng)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?zé)岷χ卫淼谋匾? 張小樓井-800水平平均巖溫為34.2℃，-1000米水平平均巖溫高達(dá)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(dá)28℃，最高可達(dá)32℃；-1000m水平巷道氣溫31℃，最高可達(dá)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(yīng)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(yán)重。 根據(jù)所測結(jié)果，進(jìn)入夏季，井下采掘作業(yè)場地氣象條件進(jìn)一步惡化，井下作業(yè)人員受高溫煎熬，治理熱害已成為當(dāng)務(wù)之急。  2 礦井高溫?zé)岷Φ母艣r 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(guān),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(jī)電設(shè)備、化學(xué)反應(yīng)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(yùn)輸中的礦巖與空氣進(jìn)行熱交換而造成礦井空氣溫度升高；另外當(dāng)?shù)V井中有高溫?zé)崴砍鰰r,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(jī)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(jìn)風(fēng)路線上的氣溫也相應(yīng)地周期性變化。但是這種隨著距離進(jìn)風(fēng)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(dāng)風(fēng)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(dāng)風(fēng)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(dǎo)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(dǎo)方式將熱傳給巷壁，當(dāng)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(dǎo)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(dǎo)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(kuò)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(fēng)流的傳熱是一個非常復(fù)雜的過程，計算也非常煩瑣，不同的學(xué)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(jìn)行下列假設(shè)： (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(dāng)上述5條假設(shè)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(jìn)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(dǎo)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(fēng)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(fēng)時間，s； r—巷道的半徑，m； —圍巖的導(dǎo)溫系數(shù)(熱擴(kuò)散系數(shù))，m2/s 2.1.4井下機(jī)電設(shè)備的散熱對空氣溫度的影響 大量的機(jī)電設(shè)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(fēng)流釋放，使風(fēng)溫度升高。要準(zhǔn)確地計算出機(jī)電設(shè)備的散熱量也是相當(dāng)困難的，因為散熱量并不是與電動機(jī)的功率成正比。某些機(jī)電設(shè)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(yīng)予以排除。機(jī)電設(shè)備的散熱量可以按式(2-7)計算： , Kw (2-7) 此處Ni為電機(jī)的額定功率，kw；n為機(jī)電設(shè)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(jìn)入隨著被采下并被加熱的煤炭中運(yùn)出采區(qū)，所以采面的環(huán)境要略好一些，但回采機(jī)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(fēng)流溫度上升5一6℃。 提升運(yùn)輸設(shè)備主要是運(yùn)送人員、材料以及提升礦物、巖石。在運(yùn)送人員中，提升運(yùn)輸設(shè)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(shè)備的功率同它所釋放的熱量之間的關(guān)系取決于提升機(jī)械的工作方式。 其次還有如扇風(fēng)機(jī)的放熱，從熱力學(xué)的概念來說，扇風(fēng)機(jī)并不做有用功，所以其電動機(jī)所消耗的電能全部轉(zhuǎn)換為熱能并傳給風(fēng)流。因此流經(jīng)扇風(fēng)機(jī)風(fēng)流的焙增量應(yīng)該等于扇風(fēng)機(jī)輸入的功率除以風(fēng)流的質(zhì)量流量，并直觀表現(xiàn)為風(fēng)流的溫升。根據(jù)空氣的特性，風(fēng)流流經(jīng)扇風(fēng)機(jī)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(yùn)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(jī)上的煤炭的放熱量最大，在以進(jìn)風(fēng)通道為運(yùn)輸?shù)罆r，對進(jìn)風(fēng)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(yùn)輸巷道里，這種放熱量可達(dá)230kw或更高一些。 煤炭的氧化放熱是一個相當(dāng)復(fù)雜的問題，很難將它與其他的熱源分離開來進(jìn)行單獨(dú)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(dāng)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(dá)到相當(dāng)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(dāng)井下發(fā)生火災(zāi)時，根據(jù)火勢的強(qiáng)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(dāng)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(yīng)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?zé)岷Φ挠绊? 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(dǎo)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(dāng)?shù)V內(nèi)作業(yè)地點(diǎn)的空氣當(dāng)?shù)V內(nèi)作業(yè)地點(diǎn)的空氣濕球溫度達(dá)到28.9℃時（相當(dāng)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(guān)系。 圖2-2 南非礦井下溫度與事故率的關(guān)系 中國礦業(yè)大學(xué)（北京）巖土工程中心以何滿潮教授為首研究團(tuán)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撸菀装l(fā)生瓦斯爆炸，嚴(yán)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(guān)系 圖2-7 逸出氣體中二氧化碳含量值隨溫度變化關(guān)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(xué)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(jī)制立刻反應(yīng)，這時淺靜脈擴(kuò)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(yīng)采取降溫措施，同時應(yīng)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(jìn)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(bǔ)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(qiáng)駑之末。此時生命臨危，刻不容緩地需要救護(hù)措施。 另外，井下濕度達(dá)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(jī)理不能有效地散發(fā)熱量，出現(xiàn)中暑暈倒，嚴(yán)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(fēng)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(yán)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(wù)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(diǎn)附近可達(dá)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(fēng)溫高達(dá)32℃，相對濕度達(dá)98%以上，一個班就有5名礦工因中暑暈倒在工作地點(diǎn)，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(fēng)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(fēng)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(jī)電設(shè)備的危害 礦井里任何機(jī)電設(shè)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(dǎo)致設(shè)備散熱困難，以致發(fā)生設(shè)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(jī)電設(shè)備的環(huán)境溫度要求：我國礦用一般型機(jī)電設(shè)備的工作環(huán)境溫度為≤40℃；礦用隔爆型機(jī)電設(shè)備的≤45℃。但這并不等于說，只有到了上述限值才會發(fā)生設(shè)備故障，如果機(jī)電設(shè)備長期處在上述限值附近，則機(jī)電設(shè)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(jī)電設(shè)備在相對濕度90%以上、氣溫為30—34℃的地點(diǎn)工作時，其事故率比低于30℃的作業(yè)地點(diǎn)高3.6倍。我國平頂山煤業(yè)集團(tuán)公司五礦1997年6月，己3采區(qū)一采面回風(fēng)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(fèi)增加8~10%；徐州夾河礦7446工作面溫度高達(dá)34~36℃，濕度高達(dá)100%，2006年因高溫?zé)岷ΜF(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(biāo)準(zhǔn)，氣溫每增加1℃，井下機(jī)電設(shè)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(diǎn)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(zāi)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(dá)國家，熱害問題出現(xiàn)早。如南非、最深金礦已經(jīng)達(dá)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(guān)于礦山地?zé)岷蛥^(qū)域性地溫預(yù)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(jìn)行的。但這種研究受礦井設(shè)計條件的限制。實踐使人們認(rèn)識到，熱害礦山的治理，必須在新礦井設(shè)計時，按照一定的設(shè)計原則進(jìn)行綜合考慮，才能取得最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。這就要求人們預(yù)先探知井田的地溫條件和預(yù)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(yù)測成為可能。 有關(guān)高溫礦井的文獻(xiàn)可追溯到16世紀(jì)。1740年，法國曾有人對金屬礦的地溫進(jìn)行過觀測。18世紀(jì)末，英國開始系統(tǒng)地進(jìn)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(jì)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(dāng)長的時期內(nèi)，都認(rèn)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?zé)峁ぷ魇前训販刈鳛橐环N礦產(chǎn)開采條件進(jìn)行研究的。地溫測定和熱害治理是礦山地?zé)峁ぷ鞯膬蓚€核心。我國煤田勘探中的鉆孔測溫，始于上世紀(jì)60年代川。1974年，平頂山礦務(wù)局與中國科學(xué)院地質(zhì)研究所地?zé)崾液献鳎瑢ζ巾斏桨说V，后擴(kuò)大到整個平頂山礦區(qū)進(jìn)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(guān)人員著手編寫《礦山地?zé)岣耪摗芬粫?980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(rèn)定為煤礦的一個新的開采技術(shù)條件。1981年，《礦山地?zé)岣耪摗穯柺馈?982年，國務(wù)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(yīng)對有熱害的礦山提供地?zé)豳Y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(guān)規(guī)定納入相應(yīng)條文。 從上世紀(jì)70年代初至80年末，中國科學(xué)院地質(zhì)研究所地?zé)崾遗c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(jìn)行了專題研究，所取得的成就可以歸結(jié)為以下幾點(diǎn)： （l）與礦山地?zé)嵊嘘P(guān)的地?zé)峄A(chǔ)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?zé)釡y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(chǔ)，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(yīng)用。 （4）對典型高溫的平頂山礦區(qū)進(jìn)行了地溫評價和深部地溫預(yù)測，預(yù)測精度經(jīng)驗證達(dá)到1一2℃的高水平，所推出的預(yù)測方法具有普遍意義。 （5）總結(jié)了礦山地?zé)岬难芯糠椒ǎ岢霾⒏倪M(jìn)了礦山地溫類型的劃分標(biāo)準(zhǔn)，這對地質(zhì)勘探和礦井地質(zhì)工作中的地?zé)峁ぷ鳎休^大的指導(dǎo)意義。 1978年以后，煤田地質(zhì)勘探全面開展地溫測量，這標(biāo)志著礦山地?zé)峁ぷ鞑饺胄码A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(yán)重缺乏地溫資料的狀況，為礦山的建設(shè)和遠(yuǎn)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(jìn)、完善地溫勘探方法是當(dāng)前面臨的一個大的任務(wù)。 我國對礦山熱害的治理研究工作起步于50年代初期。當(dāng)時，煤炭科學(xué)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(jìn)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(wù)局(礦)進(jìn)行了井下熱源考察和風(fēng)流溫度預(yù)測，并開展了大小型號的制冷機(jī)、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(wù)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(xué)科學(xué)院勞動衛(wèi)生研究所曾應(yīng)前煤炭部的邀請，先后在京西、開灤、淮南、合山、北票等礦務(wù)局進(jìn)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(shè)計院、長沙有色金屬設(shè)計研究院、淮南礦業(yè)學(xué)院、山東礦業(yè)學(xué)院、中國礦業(yè)大學(xué)、河北煤礦建筑工程學(xué)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(yù)先計算出采掘工作地點(diǎn)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?zé)嵩吹臒峤粨Q計算問題。引起井下風(fēng)流狀態(tài)參數(shù)發(fā)生變化的因素很多，如進(jìn)風(fēng)的狀態(tài)參數(shù)、風(fēng)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(dǎo)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(jìn)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(jī)，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(dǎo)率，使之取得了較好的效果。在局部熱源計算中，過去是將機(jī)電設(shè)備產(chǎn)生的熱量直接全部加入風(fēng)流中，但實際上，機(jī)電設(shè)備時用時停，負(fù)荷多變，停機(jī)時，曾被圍巖吸收的部分熱量又會散發(fā)出來。 風(fēng)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(dāng)干燥的巖壁在風(fēng)流通過后也可測到風(fēng)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(fēng)流，也可能部分取自或傳給圍巖。所以，機(jī)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(zhǔn)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(fēng)造成的風(fēng)量變化、煤層氧化條件的變化等等，均給氣候條件預(yù)測計算造成困難。  3 礦井高溫?zé)岷Ψ乐渭夹g(shù) 自六十年代初，在撫順煤礦安全研究所的指導(dǎo)下，我國一些高溫礦井開始進(jìn)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(fēng)系統(tǒng)以及機(jī)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(jì)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(fēng)降溫 選擇合理的通風(fēng)系統(tǒng)加強(qiáng)通風(fēng), 增加風(fēng)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(jì), 在礦井熱害不太嚴(yán)重的情況下, 應(yīng)該首先從加強(qiáng)通風(fēng)管理著手。改善通風(fēng)系統(tǒng),包括縮短進(jìn)風(fēng)段的風(fēng)路長度，有條件時采用下行風(fēng)以及井下機(jī)電炯室單獨(dú)回風(fēng)等方面,目的是使熱量少進(jìn)入進(jìn)風(fēng)流，并使新鮮風(fēng)流流徑最短, 使工作地點(diǎn)獲得足夠的風(fēng)量和合理的風(fēng)速。改善通風(fēng)系統(tǒng)工程量大, 涉及面廣, 最好在礦井設(shè)計時, 根據(jù)地質(zhì)報告統(tǒng)盤考慮。 加大風(fēng)量提高風(fēng)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(dāng)風(fēng)速增大到一定程度, 會引起風(fēng)速超限, 巖粉飛揚(yáng), 有礙安全, 進(jìn)而要求擴(kuò)大斷面而且過高的風(fēng)速對人體也有影響。根據(jù)有關(guān)資料,工作地點(diǎn)的風(fēng)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(dāng)風(fēng)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(fēng)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(dāng)風(fēng)速高到3米每秒或更高時, 人的皮膚就會有燒灼感, 甚至導(dǎo)致中暑、暈倒以致死亡。因此保證高溫礦井工作地點(diǎn)有合理的風(fēng)速是十分重要的。 將上行風(fēng)改為下行風(fēng), 有利于改善工作面的氣候條件。這是因為下行通風(fēng)時, 運(yùn)輸機(jī)布置在回風(fēng)道, 煤巖在運(yùn)輸過程中放出的熱量、水蒸氣及運(yùn)輸機(jī)電設(shè)備的放熱不再返回工作面, 從而改善工作面入風(fēng)流的空氣狀態(tài)；其次, 新鮮風(fēng)流從圍巖溫度較低的上部水平進(jìn)入采區(qū), 風(fēng)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(fēng)后， 氣溫由31 ℃降到26 ℃。根據(jù)國內(nèi)外試驗表明，同上行通風(fēng)相比，下行風(fēng)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(fēng)方式不利于工作面內(nèi)的瓦斯管理及火災(zāi)時期的災(zāi)變處理；另外, 運(yùn)輸機(jī)電設(shè)備都處在回風(fēng)流中, 給生產(chǎn)帶來了不安全因素。因此, 采用下行通風(fēng)時, 必須采用相應(yīng)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(yán)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(yīng)首先治理熱水。 治理熱水的原則是防止熱量和水蒸氣進(jìn)入風(fēng)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(yīng)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(dǎo)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(xué)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(jìn)入進(jìn)風(fēng)流中。 有的礦在井下封堵出水點(diǎn), 縮小熱害范圍, 取得了較好效果。還有的礦準(zhǔn)備打?qū)ｉT鉆孔, 將熱水單獨(dú)引入回風(fēng)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(fēng)速三個指標(biāo)綜合評價, 相對濕度直接影響人體蒸發(fā)散熱。當(dāng)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(dá)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(dá)到降濕目的, 必須加強(qiáng)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(shè)水溝蓋板,對有淋水的巷道設(shè)置截水溝, 把水集中到水溝走等?？傊M量防止水蒸氣進(jìn)入風(fēng)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(guān)資料, 制冷機(jī)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?zé)嵝蜔岷ΦV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(fēng)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(jìn)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(jìn)行實踐。 3.1.5降低礦井進(jìn)風(fēng)溫度 在夏季進(jìn)入礦井的風(fēng)溫較高, 應(yīng)考慮降低礦井進(jìn)風(fēng)溫度的措施。如當(dāng)?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(jìn)風(fēng)。由于圍巖和空氣的熱交換隨通風(fēng)距離增大而加強(qiáng), 已經(jīng)冷卻的風(fēng)流在到達(dá)工作地點(diǎn)時由于沿途加熱可能升溫, 因此熱交換器應(yīng)盡量接近工作面, 并對風(fēng)筒采取相應(yīng)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(fēng)流溫度，熱交換器設(shè)在距掘進(jìn)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(shè)冷水管，把5100米3 /分的進(jìn)風(fēng)冷卻到5.6℃ 。 3.1.6加強(qiáng)個體防護(hù) 人體防護(hù)就是在礦內(nèi)某些氣候條件惡劣的地點(diǎn), 由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的原因, 不宜采取風(fēng)流冷卻措施時, 可讓礦工穿上冷卻服, 以實現(xiàn)個體保護(hù)。研究表明, 穿著冷卻服是保護(hù)個體免受惡劣氣候環(huán)境危害的有效措施。它的作用是: 當(dāng)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(dú)頭高溫工作面, 又可以是井下各種大型設(shè)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(hù)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(yīng)當(dāng)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(wù)力量，提高班中餐食物能量，供應(yīng)綠豆水或含K+，Na+等離子電解質(zhì)飲料。 單位也應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格執(zhí)行《勞動法》，工人按時上下班，不加班加點(diǎn)，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(qiáng)休息，使工人的體力迅速恢復(fù)，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(yán)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(yán)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(yīng)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(shè)制冷機(jī), 冷卻采面風(fēng)流。德國于1924 年在拉德博德(Radlod)煤礦的地面安設(shè)一臺冷凍機(jī), 1953 年在洛伯爾格礦井下安裝大型風(fēng)流冷卻設(shè)備。巴西莫羅維羅(MorroVelno) 礦和南非的魯濱遜深井于20 世紀(jì)30 年代采用集中冷卻井筒入風(fēng)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(yīng)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(wù)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(jī)器廠生產(chǎn)的II- JBF- 500型離心式制冷機(jī)(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(guān)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(jī)( 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)菔娇諝庵评洹u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)。空氣壓縮制冷循環(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(yùn)行費(fèi)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(wù)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(yīng)用經(jīng)驗，聯(lián)合研制成KKL - 101無氟空氣制冷機(jī)，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(jī)主要由渦輪膨脹機(jī)、水冷卻器、水分離器、消音隔熱風(fēng)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(jìn)入渦輪膨脹機(jī)的壓氣機(jī)端增壓。壓氣機(jī)的動力來自渦輪中空氣膨脹時的輸出功, 空氣在壓氣機(jī)中增壓的同時, 溫度也隨著升高；接著進(jìn)入水冷卻器與冷卻水進(jìn)行熱交換冷卻, 使空氣的溫度降到接近壓氣機(jī)進(jìn)口的空氣溫度。為防止空氣中游離水進(jìn)入渦輪膨脹機(jī)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(jìn)入渦輪膨脹降溫后流入隔熱風(fēng)筒, 與風(fēng)筒內(nèi)的空氣混合后輸往工作面降溫。渦輪膨脹機(jī)為二輪升壓式結(jié)構(gòu), 渦輪與壓氣機(jī)裝在同一軸上, 轉(zhuǎn)速達(dá)50 000r/ min。壓氣機(jī)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(hù)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(diǎn)。 渦輪式空氣制冷機(jī)系統(tǒng)用空氣制冷機(jī)作為高溫礦井空調(diào)終端，如圖3-1所示，它相當(dāng)于冷水機(jī)組系統(tǒng)中的空冷器，其優(yōu)點(diǎn)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(jī)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(yīng)用前景。但也有其缺點(diǎn): 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(yùn)行費(fèi)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(chǔ)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(diǎn)。運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理, 能夠有效地解決我國當(dāng)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(yīng)用靈活, 可應(yīng)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(qiáng)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(fēng)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。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(fèi)用不扉，其最經(jīng)濟(jì)的選擇方案是在地表安裝機(jī)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(yuǎn)大的應(yīng)用前景。南非Harmony金礦在1986年第一個采用冰冷卻系統(tǒng)進(jìn)行礦井降溫?，F(xiàn)在因為礦井的關(guān)閉，降溫系統(tǒng)不再運(yùn)行。最成功的礦井冰冷卻降溫系統(tǒng)是已經(jīng)成功運(yùn)行10年的ERPM礦井系統(tǒng)。ERPM系統(tǒng)的運(yùn)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(jī)械設(shè)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(yùn)動引起管道激烈的振動, 從而導(dǎo)致對管道支撐的嚴(yán)重沖擊,特別是當(dāng)管道和支撐有足夠的空間時沖擊更具有破壞力。當(dāng)使用低壓塑料管時, 通過精密的支撐設(shè)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(dāng)?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(jī)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(jī)蒸發(fā)器的幾何形式所決定的。制取粒狀冰需要制冰機(jī)有較低的蒸發(fā)溫度(- 15～ - 30 ℃)，這使制冰機(jī)的性能系數(shù)降低。比較而言, 管狀與片狀冰的制冰機(jī)性能系數(shù)要比立方體、錐體等塊狀冰的制冰機(jī)高。粒狀冰的優(yōu)點(diǎn)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(jī)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(jī)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(fēng)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(yīng)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(fēng)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(fēng)力輸送屬于管道輸送的一種方式, 壓縮空氣的壓力應(yīng)保持在150 kPa 以上，實際應(yīng)用時可達(dá)400 kPa。空氣溫度宜在8 ℃以下。在實際運(yùn)行過程中應(yīng)隨時調(diào)整輸冰速度和壓縮空氣量, 防止冰塊過于密集, 導(dǎo)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(dǎo)致管道阻塞, 所以實際應(yīng)用中應(yīng)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(diǎn)是可以直接利用改造后的冷水管道進(jìn)行輸送。為了減輕過高的靜水壓力對井下設(shè)備的影響, 可采用高低壓換熱器, 也可安裝水輪機(jī)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(shè)置專門的融冰裝置, 并需對融冰機(jī)理進(jìn)行研究。融冰機(jī)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(bǔ)充新的冰量, 隨著融冰的進(jìn)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(jìn)行, 冰量不斷地補(bǔ)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(jìn)水流量、水溫以及冰粒形狀和大小等之間的關(guān)系。在進(jìn)行系統(tǒng)控制設(shè)計時, 應(yīng)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(yùn)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(yīng)用階段。為在我國真正推廣應(yīng)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(shè)備的開發(fā)和研制, 輸冰系統(tǒng)和輸冰設(shè)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(yīng)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(jìn)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(jī)械制冷水降溫礦井空調(diào)系統(tǒng) 機(jī)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(jī)設(shè)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(hù)帶來困難, 并且電機(jī)和控制設(shè)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(shè)方式的不同來分類, 又可分成四種不同的布置形式: 回風(fēng)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(shè)方式。 2、地面集中式空調(diào)系統(tǒng) 該系統(tǒng)將制冷站設(shè)置在地面, 冷凝熱也在地面排放, 在井下設(shè)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(fēng)地點(diǎn)上用空冷器冷卻風(fēng)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(jìn)風(fēng), 這種形式, 在用風(fēng)地點(diǎn)上空調(diào)效果不好, 而且經(jīng)濟(jì)性較差；另一種是在用風(fēng)地點(diǎn)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(fēng)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(shè)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(jī)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(yùn)行管理。但此系統(tǒng)形式年運(yùn)行時間不短、供冷距離短、要求水量大、凍水溫差小, 這些缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了其在深井的應(yīng)用。當(dāng)?shù)V井非預(yù)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(yùn)轉(zhuǎn), 試運(yùn)行后, 因各方面原因一直未在運(yùn)行。根據(jù)經(jīng)驗, 應(yīng)該是設(shè)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(shè)置制冷站,冷凝熱在地面集中排放。它實際上相當(dāng)于兩級制冷,井下制冷機(jī)的冷凝熱是借助于地面制冷機(jī)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(yīng)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(jī)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(shè)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(jì)的深井冷卻系統(tǒng)是地表制冷機(jī)組和地面制冷機(jī)組聯(lián)合的混合冷卻系統(tǒng)。 該系統(tǒng)中設(shè)備布置分散,冷媒循環(huán)管路復(fù)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(jī)的冷凝熱帶到地面排放,這樣就決定了此系統(tǒng)能承擔(dān)大負(fù)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(dāng)實際礦井工程中只需要在幾個點(diǎn)并且點(diǎn)點(diǎn)相隔較遠(yuǎn)時, 如某幾個單獨(dú)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(jì)的降溫措施。局部空調(diào)系統(tǒng)在我國應(yīng)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(jī)組向己15- 23071采而供冷, 利用井下回風(fēng)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(jī)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(lǐng)先位置，但是他們各有缺點(diǎn)。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(fēng)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(shè)周期長，運(yùn)行費(fèi)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(fēng)或噴淋降溫，濕度增加；（3）運(yùn)行費(fèi)用高。因此，研發(fā)一種降溫降濕效果