山西中新甘庄煤业有限责任公司 山西大同 037002
摘要：确定合理的测试方案，并在对热环境参数分级的基础上，沿主要进、用、回风路线对矿井风流温度、压力、风速、密度、含湿量、相对湿度、热焓以及湿卡他度等参数进行详细测算，进而对地面流经采掘工作面过程中随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回采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工作面围岩散热为井下最主要热源，为高温矿井热湿源确定及热害治理指明了方向。
关键词：矿井热害；热焓；湿卡他度；热环境参数
1 引言
随着矿井采深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。据统计，目前我国国有重点煤矿采深大于700m的矿井有50多处，最深矿井已超过1000m，已有80多对矿井出现了不同程度的热害，其中有38对矿井采掘工作面的气温超过30℃。我国矿区的恒温带深度多在10—50m，恒温带温度约为15—17℃，地温梯度2.5—3.0℃/100m。700m井深的地温在32—36℃，普遍出现一级热害矿井。1000m井深的地温可达40—45℃，出现二级热害矿井。因此，深井地温与井下气候条件的预测、热害治理是重大的安全技术课题。因此，调节和改善矿井气候条件已经成为我国煤矿安全生产中的一个重要课题。
为了分析回采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，必须对井巷风流热环境参数及其变化规律进行准确测定和分析。
2 矿井热环境分布规律
2.1 实验煤矿简介
实验煤矿为某公司主力矿井之一，原设计井型170万t/a，现实际生产能力达到200万t/a以上。矿井采用立井多水平分区式上、下山开拓方式，目前主要生产水平为-800 m，并建有-600 m辅助水平。目前全矿为东、西两翼开拓开采布局，通风系统相对合理、稳定。全矿共有4个采煤工作面、9个掘进工作面等。其系统示意图如图1所示。
根据图2、图3所示的热环境参数变化图，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，根据其规律可分为以下三个区段：
进风段：测点1～测点4，即风流自地面、副井筒流入井底至800轨道暗斜井、2439运输巷口。除了空气热焓变化较大外，干球温度上升了8.1℃，相对湿度和含湿量也有所上升。其原因是：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1℃。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642.5m深立井，但空气的干球温度只上升了1.6℃。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热变得较冷。所以这一区段的热源主要是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。
用风段：测点4～测点7，即风流自2439运输巷经2439工作面、2439回风巷。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。主要原因为：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较正常到闷热再到热的过程，工作环境己经恶化。引起上述变化的原因主要有[7]：
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、机电设备放热较多；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。可见回采工作面是高温矿井中热害治理的主要环节[8]。
回风段：测点7～测点10，即风流自-800m回风暗斜井、回风井筒至风硐。在该区段，风流温度、焓值和含湿量逐渐下降，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。究其原因主要是-800回风暗斜井、回风井筒温度较低及其它地点回风流温度较低所致。
4 结论
(1)利用干、湿球温度计、精密气压计和风速仪对井下主要地点进行了实测，通过计算机精确计算出了各点热环境参数值，得出了各热环境参数计算的数学模型以及它们之间的相互关系；
(2)通过对井下热环境参数：干球温度、湿球温度、空气压力、含湿量、热焓及湿卡他度等测算及回归分析，得到了井下沿巷风流热环境参数变化规律，摸清了矿井热源的特点及其规律性，为进一步对井下气候状况进行控制及研究做准备。
(3)通过对各点热环境参数进行分析，结果表明该煤矿从地面经回采工作面至回风井底：
①主要热源为井筒段风流自身压缩热、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、回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2439工作面围岩散热是各种热源中最为主要的热源。
(4) 在用风段：测点4～测点7段，相对湿度接近饱和，此时通过洒水降温效果不大。
从以上分析可见，对风流热环境参数影响最大的地点是井底车场和采掘工作面，而回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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论文作者:魏永廷
论文发表刊物:《基层建设》2019年第19期
论文发表时间:2019/9/17
标签：矿井论文; 工作面论文; 风流论文; 围岩论文; 井筒论文; 热源论文; 井下论文; 《基层建设》2019年第19期论文;