三河尖煤矿热力参数测定及热湿源危害分析_宋晓燕

第8卷第12期2012年12月
中国安全生产科学技术
Journal of Safety Science and Technology
Vol．8No．12
Dec．2012
文章编号：1673－193X（2012）－12－0174－05
三河尖煤矿热力参数测定及热湿源危害分析
宋晓燕1，谢中朋2，3
（1．华北科技学院安全工程学院，北京101601）
（2．首都经济贸易大学安全与环境工程学院，北京100026）
（3．中国矿业大学资源与安全工程学院，北京100083）
摘要：确定合理的测试方法、路线，并在对三河尖煤矿热环境参数进行分级的基础上，沿主要进、
回风路线对矿井温度、压力、风速、密度、含湿量、相对湿度、热焓以及湿卡他度等热环境参数进行
详细测定，进而对地面流经采掘工作面过程中风流路线的变化规律进行详细分析，指出它们之间
的相互变化关系。

由测算数据得出风流自地面至采掘工作面热环境参数变化规律及热湿源分布，
进而确定了新暴露围岩及综采工作面围岩散热为井下最主要热源，为三河尖煤矿热湿源确定及热
害治理指明了方向。

关键词：矿井热害；高温；湿卡他度；热参数；围岩
中图分类号：X936文献标志码：A
Heat parameter determination of sanhejian mine and research of heat-harm cause
SONG Xiao-yan1，XIE Zhong-peng2，3
（1．Safety Engineering College，North China Institute of Science and Technology，Beijing101601，China）（2．Safety and Environmental Engineering Institute，Capital University of Economics and Business，Beijing100026，China）（3．Resoure and Environmental Engineering Institute China University of Mining and Technology，Beijing100083，China）
Abstract：To determine the reasonable testing methods and routes，the mine temperature，pressure，wind speed，density，moisture content，relative humidity，enthalpy and humidity catarrh of heat environment parameters were detailed determination along the main fresh air and air return route，on the basis of the Sanhejian mine heat envi-ronment parameters graded．And analyzed the wind route changes law from ground to mining working face in de-tails，and gained the relationship between them，then obtained the law of heat environment parameters variation and the distribution of heat and humidity source by the measured data．Finally identified that heat dissipation of new ex-posure of surrounding rock and fully mechanized coal face surrounding rock were the main heat source under-ground，and pointed out the direction for Sanhejian mine to identify heat wet source and manage heat-harm factors．Key words：heat-harm in mine；high temperature；humidity catarrh；thermal parameters；surrounding rock
收稿日期：2012－10－24
作者简介：宋晓燕，讲师，研究生。

0引言
矿井热害是指井下风流的温度、相对湿度、风速和焓达到一定状态后，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［1］。

随着矿井开采深度的增加和采掘机械化程度的不断提高，深井高温热害已经成为制约煤矿安全开采的重大问题之一［2］。

专家认为未来矿山的极限开采深度将取决于矿井降温技术和装备的发展水平，深井地温与井下气候条件的预测、热害治理已成为当前煤矿生产的重大安全技术课题［3］。

为了分析煤矿工作面作业环境的热湿状况，了解形成热害的各种热湿源大小，并为制定有效的热害治理措施提供可靠的理论依据和科学数据，必须对井巷风流热力参数及其变化规律进行准确测定和分析。

1矿井热环境参数测定和计算
1．1矿井概况
三河尖煤矿是徐州矿务集团公司主力矿井之一，原设计井型120万t/a，现实际生产能力达到165万t/a以上。

矿井开拓方式采用立井单水平分区式上、下山开拓，目前主要生产水平为－700m，并建有辅助水平－530m。

目前全矿共有东三、东四和西二等三个主要生产及开拓采区，并正在进行南翼采区的开拓延伸准备工作。

其中东四采区为主采区：1个综放面、4个掘进面；西二采区有：1个高档面、1个掘进面、4个排水巷道；南翼采区2个掘进面、1个排水巷道和东三2个掘进面等。

其系统示意图如图1所示。

1．2热力参数测算
1．2．1测定原理与方法、测点布置
沿主要进、回风路线对矿井气候（干温、湿温、空气压力、风速）进行实测，通过现场实测数据，进行统计分析，得出矿井空气温度分布状况。

（1）根据《三河尖煤矿热气候测定方案》，选定了1条主要测定路线（东四采区），同时测定井下热环境参数。

（2）每月5号、10号、15号、20号、25号和30号进行温度测定，每天分三个班进行，分别为夜班23：30时左右，早班7：30时左右，中班15：30时左右。

图1三河尖煤矿主要通风路线示意图
从地面开始，沿风流路线分别测定主要进回风流、采区风流、硐室风流、采掘工作面进回风流的温度。

1．2．2数据处理
利用计算机对测定资料进行处理，将各测点的原始记录数据，对测定数据进行处理与分析。

（1）相对湿度φ计算［4］
根据干、湿球温度差和干球温度查表得出相对湿度φ，%。

（2）含湿量d计算［5］
d=622
φ·P b
P－φ·P
b
（g/kg干空气）（1）式中：P—空气压力，hPa；
P
b
—饱和水蒸汽压力，hPa。

（3）饱和蒸汽压
P
b
=610．6e17．27t w
237．3+t w Pa（2）
式中：t
w
—湿球温度，ħ。

（4）湿空气的密度
ρ=
0．00348（P－0．379φP
b
）
273．15+t
kg/m3（3）
式中：ρ—空气密度（φ
i
≠0），kg/m3；
P—空气的绝对静压（大气压力），Pa；
t—空气的干温度，ħ；
φ—空气的相对湿度，﹪；
P
b
—饱和水蒸气压力，Pa。

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（5）空气热焓i 计算［6］
i =（1．005+0．00184d ）t +2．5d （kJ /kg 干空气）
（4）
式中：t —空气温度，
ħ；d —含湿量，g /kg 干空气。

（6）卡他度［7］
卡他度是1916年由英国L．希尔等人提出的。

干卡他度反映了气温和风速对气候条件的影响，但没有反映空气湿度的影响。

为了测定温度、湿度和风速三者的综合作用效果，需要采用湿卡他度K w 。

卡他度可以用卡他计测定，但由于程序繁琐，所以多
采用下列评价模型进行求解
［8］
：
K w =（0．35+0．853
槡v ˑ（36．5－t w ），v ＜1m
s K w =（0．10+1．103
槡v ˑ（36．5－t w ），v ＞1
m {
s
（5）
式中：K w —湿卡他度，
mcal /s ·dm 2；v —气流速度，m /s ；
t w —湿球温度，ħ。

湿卡他度分级指标如表1所示。

表1
湿卡他度分级指标表
K w ＜55－88－1212－1616－2525－2828－3131－35＞35状态
闷热
热
较热
较正常
正常
较正常
较冷
冷
很冷
2热力状态变化规律和热湿源分析
根据各测点风流含湿量和相对湿度的计算结
果，可得出巷道风流在沿程流动过程中的含湿量和
相对湿度的变化规律，
进而分析风流沿程的湿源分布状态和环境空气的恶化状况；根据各测点风流热
焓和密度的计算结果，可得出巷道风流在沿程流动过程中的热焓和密度的变化规律，可分析风流沿程的热源分布状态和热风压分布状态；根据各测点环境的计算结果，可得出巷道各测点环境的变化规律，进而分析井下各测点劳动环境舒适度。

所得风流热力参数沿程变化曲线如表2及图2－图4所示。

表2
热力参数观测数据表测点地点标高/m 干球温度/ħ湿球温度/ħ大气压/kPa 风速/（m ·s －1）1副井地面36．921．820．8100．993．592井底车场－700．025．424．6109．681．473－700东副巷－698．826．425．6109．562．84－700东副巷－691．327．627．1109．303．557403综采面进风切眼－687．829．629．4109．091．767403综采面回风切眼－652．734．534．4108．492．077403综采面回风巷－655．634．033．8108．432．48东三轨道下山－691．032．432．0108．663．39东三轨道下山－508．131．331．0106．035．910总回风巷－419．630．029．8104．536．111
回风井底
－400．0
30．2
30．0
104．04
5．5
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第8卷
根据图2－图4所示的热力参数变化图，可得井下风流温度、热焓、含湿量、相对湿度、密度和井下湿卡他度沿程变化规律，根据其规律可分为三个区段。

（1）进风段：测点1－测点4，即风流自地面、副井筒流入井底至－700东副巷。

除了空气热焓变化较大外，干球温度上升了5．8ħ，相对湿度和含湿量也有所上升。

其原因是：地面空气温度较高，副立井内敷设的压风管路、排水管对风流有加热作用，另外空气的自压缩放热也是很大的热源。

空气的压缩放热等于空气的势能降，若不考虑风流与围岩间的热交换，井筒每延伸100m，风温增高约1ħ。

因为井筒内围岩通风时间长，围岩调热圈范围较大，其表面温度较大，其表面温度较空气温度低，高温风流热和空气的自身压缩放热大部分被围岩所吸收，所以风流自地面流入井底，虽然经过了736．9m深立井，但空气的干球温度只上升了5．8ħ。

另有部分井筒淋水段的水分蒸发，故风流的含湿量有所上升，相对湿度也增大。

由于风量减小，风速减慢，井底劳动环境舒适度也由较冷变得正常。

所以这一区段的热源主要是地面大气高温、空气自压缩放热和管路散热。

劳动环境舒适度维持在正常和较热范围内，此区段劳动环境相对较好。

（2）用风段：测点4－测点9，即风流自7403进风顺槽经7403综采面、7403回风顺槽至东三轨道下山。

该区段内围岩表面暴露时间相对较长，风流温度、含湿量缓慢上升，空气热焓急剧上升且维持在较高的水平，而风流密度却缓慢下降。

原因有：风流流经的巷道暴露时间长，围岩散热量较大，除了高于风温的涌水，还有巷道中敷设的压风管路、排水管对风流有加热作用。

部分积水蒸发到风流中，以潜热形式把热量返还给空气，所以风流的焓急剧上升，含湿量也增大。

风流经历了一个升温加湿增焓的过程。

劳动环境舒适度经历了由热到闷热再到热的过程，工作环境己经恶化。

引起变化的原因主要有［9］：
①工作面为新鲜暴露面，且为矿井热害区，围岩与风流的温差较大，散热多，约占总散热量的65%以上；
②工作面是人员、机电设备比较集中的地方，人员、机电设备放热不可忽视；
③煤壁与空气的接触面及采空区内遗留浮煤均会氧化产生大量的热量；
④工作面也是喷雾洒水比较集中的地方，主要有降尘喷雾、采煤机用水和顶底板含水层涌水，这些湿源在风温上升时大量蒸发，使含湿量增大，同时增加了风流中的潜热。

可见工作面是高温矿井中热害
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治理的主要环节［10］。

（3）回风段：测点9－测点11，即风流自东三轨道下山经总回风巷至回风井底。

在该区段，风流温度、焓值和含湿量逐渐下降，空气密度基本不变，相对湿度缓慢上升，风流经历了一个降温减湿降焓的过程。

劳动环境舒适度由热变为正常，环境逐步改善［11］。

究其原因主要是东三轨道下山、总回风巷温度较低及其它地点回风流温度较低所致。

3结论
（1）研究分析了矿井地面气象参数的变化规律，得出地面气温、空气相对湿度对井下气温和空气相对湿度的影响显著，而矿井地面大气压力对井下空气压力程度影响较小。

（2）通过对井下热力参数：干球温度、湿球温度、空气压力、含湿量、热焓及湿卡他度等的观测，并对深部热环境进行了回归分析，分析和掌握了井下沿巷风流热力参数变化规律，结果表明三河尖煤矿从地面经综采工作面至回风井底：
①主要热源为地面高温进风、井筒段的风流自身压缩热、压风管路和排水管散热、高温涌水散热、暴露时间较短的围岩散热、综采工作面地温及机电设备散热；
②主要湿源为井筒段的淋水加湿、高温涌水加湿和回采工作面的喷雾降尘加湿；
③矿井各种热源中最主要的热源为新暴露围岩散热，而9113综采工作面围岩散热是各种热源中最为主要的热源。

（3）在用风段：测点4－测点9段，相对湿度接近饱和，此时通过增湿降温已无意义。

（4）对风流热力参数影响最大的地点是井底车场和采掘工作面，而综采工作面是劳动环境最为恶劣的地点，也是高温矿井中热害治理的主要环节，必须给予高度重视。

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