矿井热害防治111资料

矿井热害
概述
矿井开采深度逐渐增加。综合机械化程度
地热和井下设备向井下空气散发的热量显著增加，而且矿
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
但由于从岩石裂隙中涌出的热水以及受热水环绕
热害(Heating hazard)。热害逐渐成为与瓦斯、

并日趋严峻。普
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
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
为了合理设计与正确运用这两个系统，就应了解
以便采取适当的措施予以控制或

矿井热源
热源(Sources of
。
有些热源所散发热量的多寡主要取决于流
例如岩体放热和水与风
例如机电设备的放热，所以也称



因而地表大气温度、湿度与气压的

它是由地球
虽然地表大气温度的
但当它流入井下时，井巷围岩将产生吸热或散热作
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
这种变化

和井巷的横断面

尤其对浅井，影响就更为
但遵守一定的统计规律，这种规
[3]：
Att),
2sin(000 （8-2-1）
t为地面年平均气温，℃；0为周期变化函数的初相位，
；
A为地面气温年波动振幅（℃）它可以按照下式计算：
minmax0ttA (8-2-2)
t为最高月平均温度，mint为最低月平均温度。地面气温
使矿井进风路线上的气温也相应地周期性变化。但是这
并且在时间上，井下气温的变


自压缩(Self compression)并不是一个热源，
即将其位能经摩
焓(Enthalpy)，所以其温升并不是由外界输入热能的结果。
空调(Air-conditioning)中，流体的自压缩温升

. 空气的自压缩升温的理论分析
。空气
，从而使矿井温度升高（或
。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(
1ZZ
gnnt （8-2-3）
n为多变指数，对于等温过程，n=1，对于绝热过程，n=1.4；
为重力加速度，9.81m/s2； R为普氏气体常数，对于干空气，
)JKgK。
n=1.4，则式（8-2-3）可简化为
Zt
8-2-4）
102m，空气由于绝热压缩释放的热
1℃；相反，当风流向上流动的时候，则又因绝热膨
因此热湿交换的热量有时掩盖了压缩（或

. 自压缩对风流的升温效应
湿交换时，每1kg流体在向下流
1000m时，其焓增为9.81kJ。
c=1.005kJ/kg·℃，则风流的干球温升：
.9
.181.9cit℃/1000m
8-2-5）
c=1.032kJ/kg·℃，则风流的干球温升：
.181.9cit=9.51℃/1000m （8-2-6）
100m，其温升约为1℃，则千米井筒里流动的风流的自压缩温
10℃。好在煤矿的井巷并不是完全干燥的，存在换湿过程，
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

风流的自压缩是最主要的热源，且往往是唯一有

对于像南非那样的近4000m的特深
40℃，焓增达40 kJ/kg。如进风量为200m3/s，
10MW，这是一个相当巨大的热源，而且进风量


因膨胀而使其焓值有所


就要产生换热，即使
初始岩温也要比风温高，因而热流往往是从围

一是借热传导自岩体深处向井巷传
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
是随着与地表的距离加大而上升的，其温度的变化是由
原始岩温(Virgin rock temperature)
地温梯度（Geothermal gradient）与埋藏深度。
围岩主要以传导方式将热传给巷壁，当岩体裂隙水

井巷围岩里的传导传热是个不稳定的传热过程，即使是
由于岩体本身就是热源，所以自
随着时间的推移，被冷

围岩向风流的传热是一个非常复杂的
[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

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

5） 在所分析的巷段里，空气的温度是恒定不变的。
5条假设条件均能够满足时，则单位长度巷道的围岩热流
[6]：
()()
sqTFott （8-2-7）
：
——单位长度巷道的围岩所传递的热流量，W/m;
)wmK;
t——围岩的原始岩温度，℃；
t——巷道壁面的温度，℃；
)TFo——考虑到巷道通风时间、巷道形状以及围岩特性的时间系

raFo

s；
——巷道的半径，m；
，
ms
rca/ （8-2-9）
Kgm;C为围岩的比热容，/()JKgK。
t等于巷道壁面的温度
t时，则在时间里，从

(//
gurrttcAq （8-2-10）
A——巷道表面积，m2。则从零时刻开始累计的热量为：
(/2/
guprttcAQ （8-2-11）
Q为从零时刻开始累计的热量值，J。
从一个采场的砂岩顶板传递出来的热量值如

8-2-1 从砂岩顶板传出的热流值
h） 热流值（W/m2） 岩石裸露的时间（h） 热流值（W/m2）
714 8 51.5
206 16 36.4
146 32 25.8
103 64 18.2
73 128 12.9
8-2-1中可以看出，随着岩石裸露时间的延长，从岩石单位
8-2-11可以看出，围岩
)
att成正比，与巷道裸露时间倒数的平方
成正比，并与岩石的热物理特性的平方根c成正比。经计
1m，则新裸露出来的岩石
所以这样的劳动环境是非常热的。距暴露
用冷水冷却岩石表面，则能够得到很好的冷

实测表明，岩石裸露数星期
1%。

煤矿中采掘工作面机械的装机容量急剧
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
由于在煤矿井下，动能的变化量
所以机电设备做的

有用功是将物料或液体
即增大物料或液体的位能。而转换为热能的那部
几乎全部散发到流经设备的风流中。回采机械的放热仍是使
5~6℃。

1）通风机。由热力学可知，通风机不做任何有用功，因而输
并散发到其周围的介
所以流经通风机的风流的焓增应等于通风机输入的功率除以风
并直接表现为风流的温升。由于井下通风机基本上是

2）提升机。提升机主要是运送人员、材料及提升矿物、岩石
下送材料的数量一般可以忽略不计，所以它的放热量也可略而

岩石做有用功（增大
，其余的则以热的形式散失。在这些热量里，一部分是
其余的则由绳索等以摩擦热的形式散发到周围的

3）照明灯。所有输送到井下照明灯用的电能均转换为了热能，
井下灯具是连续地工作的，所以它们散发的

4）水泵。在输给水泵的电能中，只有一小部分是消耗在电动
并以热的形式传给风流，余下的绝大
当水向下流动时，一小部分电能用以提高
30℃时，水压每
1Mpa，水温约上升0.022℃，水温低于3℃时，温升可忽略不计。
其散给空气的热量一般情况均可用下面的通

Q
)1( ，J/s
8-2-12）
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，
。

实质上是围岩散热的另一种表
其中以在连续式输送机上的煤炭的散热量最大，致使其周围

在高产工作面的长距离运输巷道里，煤岩散热量可达
或更高一些。煤炭及矸石在运输过程中的散热量可用下式进行

KKKtcmQ，kW
8-2-13）

Q—运输中煤炭及矸石的散热量，kW；
m—运输中煤炭及矸石的量，kg/s；
c—运输中煤炭及矸石的平均比热，在一般情况下，Kc≈
·℃；
t—运输中煤炭及矸石在所考察的巷段里被冷却的温度

t：
(0024.08.0
KKttLt，℃
8-2-14）

—运输巷段的长度，m；
t—运输中煤炭及矸石在所考察的巷段始端的平均温度，
t较该采面的原始岩温低4～8℃；
t—在所考察的巷段里，风流的平均湿球温度，℃。
在大型的现代化采区的
15%～20%，而由
～90%，即运输煤炭及矸石所散发出来的热量中，由于煤炭及矸石

可以用下式计算运输中煤炭及矸石的散热致使风流

aKaKcmQt15.07.0
8-2-15）
KKmQd85.07.0
8-2-16）

t—运输中煤炭及矸石散热引起的风流干球温

d—运输中煤炭及矸石散热引起的风流含湿量的增量，
；
kJ/kg，γ=2500 kJ/kg。

711铀矿和江苏的韦岗铁矿就曾因井下涌出大量热水，迫

例如在广西合山里兰煤矿，其顶
l～2℃；底
1～2℃。如果涌水是来自或流

经地质
80－90℃。
. 其他热源
. 氧化放热
氧化放热(Oxidizing heat)是一个相当复杂的问题，很难
一个回采工作面的煤炭氧化放热量很少能超过30kW，所
但是当煤层或其顶板中含


．人员放热
90～115W；轻度体力劳动时每人的散热量为
；中等体力劳动时每人的散热量为275W；繁重体力劳动时（短时
470W。
持续

．风动机具


矿山热环境

热环境(Hot
的关系有利于采取适当的措施以保护矿工的身体健

矿井热环境对工人身体健康的影响
产生过高的热应力
进而减少热环境对人体
以及对生产的不利影响便成为矿井通风安全的主

1） 人体产热量及热平衡
首先要建立人体热平衡的数

HECRMQ (8-3-1)
Q—热平衡值，W；M—新陈代谢产热量，W；R—辐射散
W；C—对流放热量，W；E—人体汗液蒸发的散热量，W；H—人
W；G—人体导热的换热量，W。
值为负值时表示人体散热量大于能量代谢产热量，Q值为正值

而它的生理作用是
使体温升高，如果升高值不超过正常生理变动范围（正
36.5～37.5℃，最高为38℃），尚可不致发生热代谢失调，
38℃以上，可能导致体温调节机能失常，甚至出现热病。因

．热环境对工人生理功能的影响
恶劣的气候条件会降低

根据作业环境条件及劳动强度自动调节
心率加快。有人认为心率不超过150～200
/min为耐受上限，若再提高，可能导致因向大脑供血不足而休克，

37℃左右。在高温、高湿、繁重的体力劳动条
体内热量散发不出去，积热会愈来愈多，致使热调节系统失调，

8-3-1所示，表示了人体在热环境中的生理—病理变化，图

可耐时间
time)和可耐温度 (Tolerable temperature)都是以人们
是一个临

8-3-2表示一般人们对高、低温主诉可耐时间，图中两条曲线
一般高温对人体的影响有两种如图8-3-2中曲线1是局
（如烧伤等）；2是全身性伤害。局部性伤害主要发生在很高


辐射和对流传导散热量小于代谢产热量 热 蒸发散热 未蒸发的汗对散热不起作用 出汗量减少 热痉挛 体温升高 皮肤血管扩张 血液循环加快 皮肤循环不良 静脉回流不足
体内水分减少 干渴
枢调节机能失
重要器官供血不足 出 汗 补充盐分 胃烧灼感 饮水量增多 出痱子 汗腺疲劳 体内盐分减少 皮肤温度上升（温度感觉神经感受器起作用）
8-3-1 人在热环境中的生理—病理变化图
但高温暴露的时间长，体内积热过多，以致于引起种种不适症状。
头晕、头痛、恶心、出虚汗、
中暑直至死亡。据有的国家提供的数字，肛门温度达到40～43℃
40℃时，死亡率为5％，而到43℃时，死亡率高达
％。
,矿工在

矿内进行各种劳动时,产生的热量约在
～380W之间。其中矿工在打眼放炮时,产热量为220～260W；用铁
,为320～380W。而矿工在平巷中正常行走时产热量为290W，
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
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
,多余的
,不然就要危及到人体的健康,甚至是生

8-3-2 一般人对高、低温主诉可耐时间
,对在井下高温环境作业的矿工
,尤
28℃时,矿工某些疾病的发病率明显上升。根据1978
,在高温环境中作
:头晕100%;眼花58%;头痛和乏力占
。据1983～1990年的不完全统计,我国煤矿先后发生30人因高温
1984年矿井空调系统运
1.83
3.61倍。
．不同气候条件人体的热感觉和对人体的健康的影响
8-3-1所示为研究得出的不同井下气候条件下劳动人员的感
与劳动人员的感觉关系最密切的三个井下气候条件因素是风流温

8-3-1 不同的井下气候条件下劳动人员的感觉
相对湿度，% 风速，m/s 矿工感觉
28 96 <0.5 闷热 97 0.52.0 热
2.02.5 稍热
29 97 <1.0 闷热 97 1.02.0 热
2.03.0 稍热
>3 凉爽
30 97 <1.5 闷热 95 1.53.0 热
3.04.0 稍热
>4.0 凉爽
95 >4.0 热
8-3-2 井下不同风流有效温度对人体的影响
（℃） 热感觉 生理学作用 肌体反应
40 很热 强烈的热效应力影
面临极大的热危害，妨害心脏血管的血

热 随着劳动强度增加，
心脏负担加重，水盐代谢加快
稍热 随着劳动强度的增
心跳增加，稍有
暖和 以出汗方式进行正
没有明显的不适感
舒适 靠肌肉的血液循环
正常
凉快 利用衣服加强显热
正常
冷 鼻子和手的血管收
黏膜、皮肤干燥
很冷 肌肉疼痛，妨碍表皮

8-3-2为经过大量的现场调查研究得出的有效温度对劳动人
32℃时，劳动
35℃时，人体心脏负担加重，出汗量急剧增加，水盐
面临着极大的热伤害，身体健康将受到非常大的
同时高温高湿的气候环境会大大降低劳动生产率，增加事故的

．高温作业中常见的热病
导致人体产热与散热的动平衡状态遭到破坏，此时极可能
中暑(Heatstroke)、热衰竭(Heat
、热虚脱(Heat collapse)及热痉挛(Heat spasm)。

它直接关系到每个人
人们在劳动时所消耗的能量是有
ATP）分解提供的。在高温高湿的环境中
需要的能量很多，而形成ATP的速度不能满足

27～31℃范围时，主要影响是肌部用力的工作效率下降，并且
32℃以上时，需要较高注意

30 多台，
160kW，生产过程中产生大量热量。机采面机组内外防尘喷
造成机采面风流呈现高温高湿特征。工作面进风巷平均温度为
℃，平均湿度为 96%（正常宜人的湿度为 60%左右），其井下作业
现场调
6、7、8 月份，当地进入高温阴雨天气

，该矿回采工
40%

井下工人在热环境中劳动效率大大下降，即使劳动时间
1℃，
6～8％ 。在五十年代国外就有学者指出：不论
27℃至30℃之间，人的作业能力
从图8-3-3可见，当等效温度由27℃增高到30℃时，生
当等效温度为34.5℃时，生产效率下降到等效温度
27℃时的25%。图8-3-4是日本学者宫崎团作的研究结果，反映了
8-3-5是对铲土工人所做的实
8-3-3 等效温度与生产效率的关系
8-3-4 湿卡他度与生产效率的关系
%）