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1、第九章 矿井热害,中国矿业大学多媒体教学课件,课程设计QQ群：86031529 魏连江：15150011881 ,2,上一章内容,第8章 通风系统设计 8.1 矿井通风系统的拟定 8.2 矿井风量的计算和分配 8.3 矿井通风阻力计算 8.4 矿井通风设备选型 8.5 概算矿井通风费用 8.6 生产矿井的通风系统改造 8.7 矿井通风系统安全性评价,第九章 矿井热害,9.1 概述 9.2 矿井热源 9.3 矿山热环境 9.4 通风降温方法 9.5 矿井空调系统,9.1 概述,随着开采深度逐渐增加，综合机械化程度不断提高，地热和井下设备向井下空气散发的热量显著增加；而且矿井瓦斯、地压等问题也日趋
2、严重，从而使井下工作环境越来越恶化。矿井通风工作面临越来越大的困难。 地处温泉地带的矿井，由于从岩石裂隙中涌出的热水或与热水接触的高温围岩放热，也都能使矿内气温升高，湿度增大。 矿内高温、高湿环境严重影响井下作业人员的身体健康和生产效率，已造成灾害热害。,热害逐渐成为与瓦斯、煤尘、顶板、火、水同样严重的煤矿井下自然灾害。 目前我国很多煤矿都受到热害的困扰，并日趋严峻。 普遍认为，矿井热害最终将成为制约矿井开采深度的决定性因素。为在井下创造一个可承受的工作气候环境，往往需要昂贵的通风系统以及空调系统，为了合理设计与正确运用这两个系统，必须了解矿内热源对井下环境所起的作用，以便采取措施予以控制，保
3、护矿工的身体健康和提高生产效率。,矿井空气调节是改善矿内气候条件的主要技术措施之一。其主要内容包括两方面： 一是对冬季寒冷地区，当井筒入风温度低于2时，对井口空气进行预热； 二是对高温矿井用风地点进行风温调节，以达到规程规定的标准。,9.2矿井热源,能引起矿井气温值升高的环境因素统称为矿井热源(Sources of heat)。 矿井热源包括：地表大气、流体的自压缩、围岩散热、机电设备放热、煤炭与矸石放热、热水放热等、矿物及其它有机物放热、人员放热。,一、地表大气,井下的风流是从地表流入的，因而地表大气温度、湿度与气压的日变化和季节性变化势必影响到井下。 地面空气温度直接影响矿内空气温度。尤其
4、对浅井，影响就更为显著。地面空气温度发生着年变化、季节变化和昼夜变化。 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，井下气温的变化要稍微滞后于地面气温的变化。,二、流体的自压缩（或膨胀）,严格说来，流体的自压缩(Self compression)并不是一个热源，它是空气在重力作用下将其位能经摩擦转换为焓(Enthalpy)，因而引起温度升高.由于在矿井的通风与空调(Air-conditioning)中，流体的自压缩温升对井下风流的参量具有较大影响，所以一般将它归结为热源予以讨论。,1. 空气自压缩升温的理论分析,矿井深度的变化，使空气受到的压力状态也随之而改变。当风流沿井巷向
5、下（或向上）流动时，空气的压力值增大（或减小）。空气的压缩（或膨胀）会放热（或吸热），从而使矿井温度升高（或降低）。 由矿内空气压缩或膨胀引起的温升变化值可按下式计算,上式表明，井巷垂深每增加102m，空气由于绝热压缩释放的热量使其温度升高1；相反，当风流向上流动的时候，则又因绝热膨胀，使其温度降低。,2. 自压缩对风流的升温效应,风流如果没有和其周围介质进行热、湿交换时，每垂直向下流动100m，其温升约为1，则千米井筒里流动的风流的自压缩温升可达10。 在进风井筒里，风流的自压缩是最主要的热源，且往往是唯一有意义的热源，在其它的倾斜井巷里，特别是在回采工作面上，风流的自压缩是次要因素。,风流
6、的自压缩是无法消除的，对于像南非那样的近4000m的特深金矿来说，其危害更为突出，在无热、湿交换的井筒里，其井底车场里风流的干球温升可达40。 如进风量为200m3/s，则意味着其热量可达10MW，这是一个相当巨大的热源，而且进风量越大，其热量的总增量也越高。在这种情况下，增大风量已不是一个降低井下风温的有效措施，反而成为负担。,三、围岩散热,当流经井巷风流的温度不同于初始岩温时，就要产生换热，即使是在不太深的矿井里，初始岩温也要比风温高，因而热流往往是从围岩传给风流，在深矿井里，这种热流是很大的，甚至于超过其它热源的热流量之和。,围岩向井巷传热的途径有二： 一是通过热传导自岩体深处向井巷传热
7、，二是经裂隙水通过对流将热量传给井巷。,原岩温度(Virgin rock temperature)的具体数值取决于地温梯度（Geothermal gradient）与埋藏深度。 在大多数情况下，围岩主要以传导方式将热传给巷壁，当岩体裂隙水向外渗流时则存在着对流传热。,1围岩原始温度的测算 围岩原始温度是指井巷周围未被通风冷却的原始岩层温度。由于在地表大气和大地热流场的共同作用下，岩层原始温度沿垂直方向上大致可划分为三个层带： 变温带：在地表浅部由于受地表大气的影响，岩层原始温度随地表大气温度的变化而呈周期性地变化，称变温带。 恒温带：随着深度的增加，岩温常年基本保持不变，这一层带称为恒温带，恒
8、温带的温度约比当地年平均气温高12。,增温带：在恒温带以下，由于受大地热流场的影响，在一定的区域范围内，岩层原始温度随深度的增加而增加，大致呈线性的变化规律，这一层带称为增温带。 地温率：指恒温带以下岩层温度每增加1所增加垂直深度，即： m/,地温梯度：指恒温带以下，垂直深度每增加100m时，原始岩温的升高值，它与地温率之间的关系为： Gr=100/gr /100m 式中gr地温率，m/； Gr地温梯度，/100m； Z0、Z恒温带深度和岩层温度测算处的深度，m； tr0、tr恒温带温度和岩层原始温度，。,表 1 我国部分矿区恒温带参数,2围岩与风流间传热量 井巷围岩与风流间的传热是一个复杂的
9、不稳定传热过程。常将复杂的影响因素归结到传热系数中讨论。因此，井巷围岩与风流间的传热量可按下式计算： QrKUL(trm-t)， kW 式中Qr井巷围岩传热量，kW； K围岩与风流间的不稳定换热系数，kW/(m2)； U井巷周长，m； L井巷长度，m； trm平均原始岩温，； t井巷中平均风温，。,四、机电设备的放热,随着机械化程度的提高，采掘工作面机械的装机容量急剧增大。机电设备所消耗的能量除了部分用做有用功外，其余全部转换为热能。 回采机械的放热使工作面气候恶化的主要原因之一，能使风流温度上升56。,1.采掘设备放热 采掘设备运转所消耗的电能最终都将转化为热能，其中大部分将被采掘工作面风流
10、所吸收。风流所吸收的热能中小部分能引起风流的温升，其中大部分转化成汽化潜热引起焓增。采掘设备运转放热一般可按下式计算： QcN， kW 其中Qc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；值可通过实测统计来确定。 N采掘设备实耗功率，kW。,2.其它电动设备放热 不论何种机电设备，其散给空气的热量一般情况均可用下面的通式进行计算： ，J/s 式中 N机电设备的功率，W； K机电设备的时间利用系数； 机电设备效率，%；当机电设备处于水平巷道做功时为0。,五、运输中煤炭及矸石的放热 在以运输机巷作为进风巷的采区通风系统中，运输中煤炭及矸石的放热是一种比较重要的热源，其放热量一般
11、可用下式近似计算： KW Qk运输中煤炭或矸石的放热量，KW； mk煤炭或矸石的运输量，Kg/s； Ck煤炭或矸石的比热，KJ/(Kg)； tk煤或矸石与空气温差，。可由实测确定，也可用下式估算： L运输距离，m； tk运输中煤炭或矸石的平均温度，一般较回采工作面的原始岩温低48； tfm运输巷道中风流的平均湿球温度，。,六、热水放热 井下热水放热主要取决于水温、水量和排水方式。当采用有盖水沟或管道排水时，其传热量可按下式计算： kW Qw热水传热量，J； 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。水沟排水:SBwL，m2； 管道排水:S m2 L，m2； Bw水
12、沟宽度，m；D2管道外径，m；L水沟长度，m； tw 水沟或管道中水的平均温度，； t巷道中风流的平均温度，。 水沟盖板的传热系数可按下式确定：,管道传热系数可按下式确定: kW/(m2) 1水与水沟盖板或管道内壁的对流换热系数，kW/(m2)；2水沟盖板或管道外壁与巷道空气对流换热系数，kW/(m2)； 盖板厚度，m； 盖板或管壁材料的导热系数，kW/(m2)； D1管道内径，m； D2管道外径，m。,七、矿物及其它有机物的氧化放热 井下矿物及其它有机物的氧化放热是一个十分复杂的过程，很难将它与其它热源分离开来单独计算，现一般采用下式估算： 式中 Q0氧化放热量，kW V巷道中平均风速，m/
13、s； q0当V1m/s时单位面积氧化放热量，kW/m2；在无实测资料时，可取34.610-3 kW/m2。,八、人员放热 在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： kW Qw0人员放热量，kW n工作面总人数； q每人发热量，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。,9.3 矿山热环境,一、人体与矿内热环境的关系 井下作业不仅是一项高耗能作业，而且其危险性很大。研究人体与热环境的关系有利于采取适当的措施以
14、保护矿工的身体健康和提高劳动生产率。 主要内容包括：人体热平衡和舒适感、人体的散热、矿内热环境对人的影响三部分。,1、人体的散热,人体的散热方式有三种：热辐射、对流与传导、汗液蒸发。 人体散热的三种方式在不同的环境温室下，有不同的散热量。当矿内空气温度低于28时，人体通过蒸发散热很少，主要是通过辐射、对流与热传导散热；当风温达到30时，蒸发散热量的比例增大，当风温超过34时，蒸发散热成为人体散热的唯一方式。 人体的散热能力有三个特点：人体最大的散热能力是出汗，人体的散热能力是很强的，并与劳动持续时间有关，人体的散热能力有一定的限度。,人体的产热情况,研究资料表明,矿工在矿内进行各种劳动时,产生
15、的热量约在175380W之间。其中矿工在打眼放炮时,产热量为220260W；用铁锨装车时,为320380W。而矿工在平巷中正常行走时产热量为290W，在20或30度的斜巷或采面中行走时产热量为580W,而在爬行时则高达1250W。 人体产生的热量除了部分为维持生命活动所需之外,余下的则作为机械活动对外做功。但由于人体的机械效率很低,多余的热量需散发到周围空气中去,不然就要危及到人体的健康和生命。,2、矿井热环境对工人身体健康的影响 高温高湿的气候环境不仅会使人感到不舒适，产生过高的热应力破坏人体的热平衡，而且可能导致中暑，使人的心理、生理反应失常，从而降低劳动生产率，增大事故率。 新陈代谢产热
16、量主要与体力劳动强度成正比，而它的生理作用是决定于总的热应力。 因此，人体的总产热量与人体的总散热量之间要保持相互平衡，以保证体温恒定在正常范围之内。,3、热环境对工人生理功能的影响 高温高湿气候对矿工的影响是多方面的。恶劣的气候条件会降低人的体力和脑力，严重时会损伤人身的健康，甚至危及生命。 人体处在热环境时，血管舒张，血流量增多，由血液带到皮肤的热量增多，皮肤的温度升高，从而增大了与环境的对流和辐射换热。,人体在热环境中作业，是有可耐限度的。可耐限度包括可以忍耐的时间和可耐温度两部分。 可耐时间是从人们开始作业到不能忍受高温影响的时间；可耐温度是人们不能忍耐的温度。 可耐时间(Tolerable time)和可耐温度 (Tolerable temperature)都是以人们在作业环境中劳动以不出现生理危害作为评价标准，可耐时间和可耐温度统称为安全限度。,我国医学科研部门曾在一些矿井,对在井下高温环境作业的矿工身体健康状况进行了调查。调查结果表明
