淺析煤礦深井熱害及其防治技術

1.深井熱害的成因
　　1.1地面大氣溫度的變化
　　井下的風量一部分是由地面風流流入煤礦內部供應的。眾所周知，地面大氣的溫度是隨季節(jié)做周期性變化的，夏季氣溫高，冬季氣溫低，甚至一天之內氣溫都有較大的波動。這種氣溫的周期性波動，對井下的氣溫有直接的影響。對于原巖溫度在28℃以上的礦井，巷道圍巖調節(jié)圈對夏季風溫的調節(jié)作用隨著原巖溫度的升高而減弱，還會出現(xiàn)季節(jié)性熱害現(xiàn)象。
　　1.2圍巖溫度
　　圍巖溫度隨著開采深度的加大呈線性增加，當流入巷道的風流與圍巖存在溫差時，兩者之間就會產生熱量傳遞。圍巖的傳熱主要取決于圍巖與風流之間的溫度差和傳熱系數(shù)的大小，由于圍巖受地熱影響，溫度高于井巷風流，對流換熱過程中把一部分熱量傳給風流，使風溫上升，且風流滯留時間越長，通風距離越遠，換熱現(xiàn)象也越顯著。
　　1.3井下物質的氧化生熱
　　煤礦中具有自燃傾向性的煤炭自開采后呈破碎狀態(tài)，與空氣接觸，自身發(fā)生物理化學變化，氧化放出的熱量也是使井下氣溫升高的一個重要原因，當散熱較多時，甚至會引發(fā)煤炭的自然發(fā)火，造成礦井火災。除此之外煤巖以及其他有機物的緩慢氧化，井下爆破作業(yè)等均會導致礦井氣溫的升高，高溫熱害的形成。
　　2深井熱害的影響
　　2.1影響作業(yè)人員的身體健康
　　人體的熱平衡主要通過皮膚表面與周圍空氣的對流、輻射和蒸發(fā)散熱，其中對流和輻射的效果主要取決于空氣的溫度，蒸發(fā)散熱取決于相對濕度和流速。在礦井深部高溫環(huán)境中，汗液蒸發(fā)是煤礦工人最主要的散熱方式。隨著深井氣溫的升高，環(huán)境呈高濕狀態(tài)，人體蒸發(fā)散熱較慢，直接導致體溫升高。若作業(yè)人員長期在高溫環(huán)境中工作，將會使人的各項身體機能下降，輕則注意力分散，精神恍惚，嚴重時會給人的神經系統(tǒng)帶來損傷，誘發(fā)各種疾病。
　　2.2影響煤礦的生產效率
　　當煤礦工人長期在高溫環(huán)境中作業(yè)時，由于受氣溫的影響，精神狀態(tài)不佳，易產生疲勞現(xiàn)象，肌肉的活動能力也會顯著下降，這些都會導致生產效率大大降低。科學研究表明，當井下作業(yè)地點的氣溫高于人體體溫時，每超出1℃，工人的作業(yè)效率會下降7%～10%，當作業(yè)地點的溫度超過30℃時，事故的發(fā)生概率是溫度低于30℃時的1～1.5倍。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定生產礦井采煤工作面溫度超過30℃，機電設備硐室溫度超過34℃時，必須停止作業(yè)，撤出人員，采取措施，進行處理。
　　2.3瓦斯異常突出
　　一般認為，瓦斯在煤中的吸附屬于單層物理吸附，溫度升高，瓦斯解吸速度加快，瓦斯分子活化能升高，脫離煤的表面成為游離瓦斯分子。游離瓦斯分子大量積聚導致井下瓦斯?jié)舛壬摺Ｔ谕咚箲偷貞Φ木C合作用下，煤與瓦斯突然向采掘空間大量噴出，這種現(xiàn)象稱為煤與瓦斯突出。發(fā)生煤與瓦斯突出時，采掘工作面的煤壁將遭到破壞，大量的煤與瓦斯將從煤層內部以極快的速度向巷道或采掘空間噴出，充塞巷道。同時此過程中還伴有強大的沖擊力，將摧毀巷道設施，破壞通風系統(tǒng)，嚴重時，還會發(fā)生風流逆轉，造成人員窒息;發(fā)生瓦斯爆炸、燃燒及煙流埋人事故。
　　3 防治深井熱害的措施
　　3.1非人工制冷降溫技術
　　3.1.1通風降溫
　　通風降溫是通過加大井下的通風量來達到降溫的目的，通過此種途徑處理高溫具有較好的效果。煤礦實際生產中，可通過以下幾種通風措施降低溫度。
　　（1）選擇合理的通風系統(tǒng)：應盡可能選擇進風路線長度較短的礦井通風系統(tǒng)，合理優(yōu)化通風方式，進風路線越長，風流與圍巖的接觸越多，傳熱越多。一般而言，采用分區(qū)式通風可以縮短進風路線長度。
　　（2）采用下行通風方式：采煤工作面上部水平的圍巖溫度較低，新鮮風流從上部水平流入，與圍巖之間傳熱獲得的熱量較少，使進風流溫度較低。待新鮮風流到達采煤工作面時，工作面溫升較低。
　　（3）加強通風管理：必須具有獨立、完整的礦井通風系統(tǒng)。生產礦井必須采用機械通風，必須同時安裝兩臺主通風機。礦井主要通風機必須在合理工況范圍內運行，運行效率不得低于60%，風壓不得高于最高允許風壓的90%。
　　3.1.2煤層注水降溫
　　開采之前利用鉆孔將低溫水注入煤體中，注水后，低溫水通過壓差、滲透、毛細作用進入煤層的各個部分充滿整個煤體。使得煤體的含水量、導熱系數(shù)和熱容量增大，煤體的溫度不易升高，同時由于水具有較大的比熱容和汽化潛熱，對礦井降溫是十分有利的。
　　3.1.3個體防護
　　在井下的某些工作地點，氣候條件較為惡劣，由于技術或經濟上的原因采取其他降溫措施難以達到理想的效果，這時可以采用讓作業(yè)人員穿上冷卻服的方法來實現(xiàn)個體防護，維持身體熱平衡。冷卻服可有效避免高溫環(huán)境對人體的輻射和對流傳熱，同時具有吸收熱能，將人體與高溫環(huán)境隔絕的功能。
　　3.2人工制冷降溫技術
　　3.2.1空氣壓縮制冷降溫
　　空氣壓縮制冷降溫是利用壓縮空氣作為制冷裝置的工質，通過一級或多級壓縮，把濕空氣壓縮到高壓狀態(tài)，向需冷工作面噴射冷氣制冷，其吸熱及放熱過程均為定壓過程。
　　3.2.2人工制冷水降溫
　　目前，當采用通風降溫技術不能有效降低礦井溫度時，采用最多的是蒸汽壓縮式制冷降溫技術。按照制冷機組在井上、井下的安裝位置不同，蒸汽壓縮式制冷降溫系統(tǒng)可分為：井下集中式、地面集中式、井上下聯(lián)合式、分散式四類。實踐證明，地面集中式和井上下聯(lián)合式在經濟方面具有優(yōu)越性。自上世紀70年代蒸汽壓縮式制冷降溫技術出現(xiàn)以來，其發(fā)展迅猛，制冷技術不斷成熟，已成為礦井降溫的主要手段。
　　3.2.3人工制冰降溫
　　人工制冰降溫技術是通過地面制冰廠制取的顆粒狀冰或泥狀冰在風力、水力等動力下或依靠自身重力由垂直輸冰管道輸送到井下的融冰裝置中，形成0℃左右的水，再由供水管道送至需冷工作面，達到治理熱害的目的。人工制冰降溫系統(tǒng)包括三個主要組成部分：冰的制備、冰的溶解和冰的溶解，其中冰的融化是制冰降溫系統(tǒng)中一個至關重要的環(huán)節(jié)，但目前這種技術還很不成熟，具有較大的發(fā)展空間。