第8章热害

第八章矿井热害第一节概述随着采矿工业的发展，矿井开采深度逐渐增加。

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。

此外，一些地处温泉地带的矿井，虽然开采深度不大，但由于从岩石裂隙中涌出的热水以及受热水环绕与浸透的高温围岩也都能使矿内气温升高，湿度增大。

矿内高温、高湿的环境严重地影响着井下作业人员的身体健康和劳动生产效率的提高，已造成灾害—热害(Heating hazard)。

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。

目前我国已有数以十计的煤矿受着热害的困扰，并日趋严峻。

普遍认为，矿井热害最终将成为确定有用矿物开采深度的主要决定性因素。

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，就应了解矿内各热源对井下热害所起的作用，以便采取适当的措施予以控制或缓解，保护矿工的身体健康和提高劳动生产率。

第二节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)。

在众多的矿内热源中，有些热源所散发热量的多寡主要取决于流经该热源的风流的温度及其水蒸气分压力的，例如岩体放热和水与风流间的热湿交换就属于这种类型，一般称它们为相对热源或自然热源，另一类热源所散发的热量数并不取决于风流的温、湿度，而仅取决于它们在生产中所起的作用而定，例如机电设备的放热，所以也称它们为绝对热源或人为热源。

矿井主要热源大致分为以下几类：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。

地表大气温度在一昼夜内的波动称为气温的日变化，它是由地球每天接受太阳辐射热和散发的热量变化造成的。

虽然地表大气温度的日变化幅度很大，但当它流入井下时，井巷围岩将产生吸热或散热作用，使风温和巷壁温度达到平衡，井下空气温度变化的幅度就逐渐地衰减。

因此，在采掘工作面上，基本上觉察不到风温的日变化情况。

当地表大气温度突然发生了持续多天甚至数星期的变化时，这种变化还是能在采掘工作面上觉察到的。

地表大气的温度与湿度的季节性变化对井下气候的影响要比日变化深远得多。

研究表明，在给定风量的条件下，气候各参量的日与季节性变化的衰减率均和其流经的井巷距离成正比，和井巷的横断面成反比。

地面空气温度直接影响矿内空气温度。

尤其对浅井，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。

地面空气温度的变化对于每一天都是随机的，但遵守一定的统计规律，这种规律可以近似地以正弦曲线表示，如下式所示[3]：C A t t ︒++=),3652sin(000ϕπτ（8-2-1）式中：0t 为地面年平均气温，℃；0ϕ为周期变化函数的初相位，rad ；0A 为地面气温年波动振幅（℃）它可以按照下式计算：2min max 0tt A -= (8-2-2)其中：m ax t 为最高月平均温度，m in t 为最低月平均温度。

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。

但是这种随着距离进风口的距离增加而衰减，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。

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，它是在地球重力场中制止物质下落的一个普遍现象，即将其位能经摩擦转换为焓(Enthalpy)，所以其温升并不是由外界输入热能的结果。

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重大的影响，故一般将它并入热源中予以讨论。

1. 空气的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）会出现放热（或吸热），从而使矿井温度升高（或降低）。

由矿内空气的压缩或膨胀引起的温升变化值可按下式计算： ),()1(21Z Z R gn n t --=∆ （8-2-3）式中：n 为多变指数，对于等温过程，n=1，对于绝热过程，n=1.4；g 为重力加速度，9.81m/s 2； R 为普氏气体常数，对于干空气，R=287/()J Kg K ⋅。

在绝热情况下，n=1.4，则式（8-2-3）可简化为 ,102Zt ∆=∆ （8-2-4）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。

实际上，由于矿内空气是湿空气，空气的含湿量也随着压力的变化而变化，因此热湿交换的热量有时掩盖了压缩（或膨胀）放出（或吸收）的热量，所以实际的温升值与计算值是略有差别的。

2. 自压缩对风流的升温效应如果在没有同周围介质发生热、湿交换时，每1kg 流体在向下流动的高差为1000m 时，其焓增为9.81kJ 。

对于干空气来说，比热c=1.005kJ/kg ·℃，则风流的干球温升：76.9005.181.9==∆=∆c it ℃/1000m （8-2-5）对于湿空气来说，比热c=1.032kJ/kg ·℃，则风流的干球温升：032.181.9=∆=∆c it =9.51℃/1000m （8-2-6）可见，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℃。

好在煤矿的井巷并不是完全干燥的，存在换湿过程，水分的蒸发是要消耗相当数量的热量，从而抵消部分的风流干球温升，使风流实际的干球温升值没有像上面计算的那么大。

但是水分的蒸发会使风流含湿量增大，对井下的气候条件也是不利的。

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，风流的自压缩仅是诸多热源之一，且一般是个不太重要的热源。

风流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℃，焓增达40 kJ/kg 。

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。

由于流动于井下的风、水及压缩空气是带走井内热量的唯一手段，而到达采掘工作面的风、水温度受限于法定的矿内卫生标准，因而自压缩引起的焓增势必缩小了风、水带走井下热量的能力。

风流在沿着倾斜或垂直井巷向上流动时，因膨胀而使其焓值有所减少，风温也将下降，其数值和向下流动时是相同的，不过符号相反而己。

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借热传导自岩体深处向井巷传热，二是经裂隙水借对流将热传给井巷。

井下未被扰动的岩石的温度（原始岩温）是随着与地表的距离加大而上升的，其温度的变化是由自围岩径向向外的热流造成的。

原始岩温(Virgin rock temperature)的具体数值决定于地温梯度（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。

在井下，井巷围岩里的传导传热是个不稳定的传热过程，即使是在井巷壁面温度保持不变的情况下，由于岩体本身就是热源，所以自围岩深处向外传导的热量值也随时间而变化。

随着时间的推移，被冷却的岩体逐渐扩大，因而需要从围岩的更深处将热量传递出来。

由于地质和生产上的原因，围岩向风流的传热是一个非常复杂的过程，计算也非常烦琐，不同的学者提出了不同的计算方法，为了使理论计算成为可能，一般要进行下列假设[1]：（1） 井巷的围岩是均质且各向同性的。

（2） 在分析开始时，岩石温度是均一的，且等于该处岩石的原始岩温。

（3） 巷道的横断面积是圆形的，且热流流向均为径向。

（4） 在整条巷道壁面，换热条件是一样的；在其周长上，热交换的条件也是一样的。

（5） 在所分析的巷段里，空气的温度是恒定不变的。

当上述5条假设条件均能够满足时，则单位长度巷道的围岩热流量可用下式进行计算[6]：2()()gu s q T Fo t t πλ=- （8-2-7）式中 ：q ——单位长度巷道的围岩所传递的热流量，W/m; λ——为围岩的导热率，/()w m K ⋅;gu t ——围岩的原始岩温度，℃；s t ——巷道壁面的温度，℃；()T Fo ——考虑到巷道通风时间、巷道形状以及围岩特性的时间系数，可用傅立叶数来描述：2/r a Fo θ= (8-2-8)F o ——傅立叶数；θ——巷道通风时间，s ；r ——巷道的半径，m ；a ——围岩的导温系数（热扩散系数），2/m sr r c a ∙=ρλ/ （8-2-9）γρ为围岩的密度，3/K g m ;C γ为围岩的比热容，/()J Kg K ⋅。

当风流的干球温度a t 等于巷道壁面的温度s t 时，则在时间ϑ里，从巷道单位面积上传递的热流量为： )(//s gu r r t t c A q -=πθλρ （8-2-10）式中A ——巷道表面积，m 2。

则从零时刻开始累计的热量为：)(/2/a gu p r t t c A Q -=πθλρ （8-2-11）此处Q 为从零时刻开始累计的热量值，J 。

当暴露时间不同时，从一个采场的砂岩顶板传递出来的热量值如下表：从表8-2-1中可以看出，随着岩石裸露时间的延长，从岩石单位面积上传递出来的热流值衰减的很快。

由式8-2-11可以看出，围岩传给风流的热流量与温差()gu a t t -成正比，与成正比。

经计算得知，如果采掘工作面回采的日进尺为1m ，则新裸露出来的岩石温度几乎就等于原始岩温，所以这样的劳动环境是非常热的。

距暴露面数厘米之内，岩石冷却是非常急剧的。

因而可以认为：如果在岩石新裸露出来的短时间里，用冷水冷却岩石表面，则能够得到很好的冷却效果。

由于岩体内的温度梯度很陡，这就意味着热阻主要是岩体本身，因而岩石表面与风流间的热阻相对较小。

实测表明，岩石裸露数星期之后，其表面温度几乎和风温相同，温差不超过1%。

四、机电设备的放热随着机械化程度的提高，煤矿中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以做有用功外，其余全部转换为热能并散发到周围的介质中去。