深部矿井热害因素分析

随着矿井开采向深部的延深，深部矿井内的热害问题越来越受到关注。对热害形成的机理，并对主要的热害因素进行了分类，给出了合理的计算公式和方法，以方便选择适当的降温方式，提高煤矿高温热害治理的合理性是十分必要的。矿井的热源主要有地热、压缩热、机电设备散热、氧化散热、人体散热等如表12－3所示。

一、地热

地壳在地热和太阳辐射热的共同作用下，形成三个垂直分布的温度变化层带，即变温带、恒温带和增温带。变温带为离地表约20～30m以上的地表层，地温受太阳辐射热影响而具有周期性变化。恒温带是在变温带之下某一深度处，大地热流与太阳辐射的热流达到平衡，该处地温常年基本保持恒定的层、带。其深度一般在30m左右。增温带是在恒温带之下，在这里已不受地面温度周期变化的影响，只受大地热流的作用，地温随深度的增加而增加。

表12－3　矿井主要热源

（一）恒温带参数确定

恒温带参数是指恒温带的深度和温度，它是深部岩温计算的起点，是井下气象条件预测的基础资料之一。恒温带参数主要随当地的地理坐标、气候条件、植被情况、太阳光照射强度、地形起伏、地下水活动的强弱及岩石的热物理性质等因素而变化。河南部分地区的恒温带参数见表12－4。确定恒温带参数的方法有地面钻孔实测法和利用地表温度变化向下衰减推算等方法。实际工作中也可由表12－5中的公式进行计算。

（二）地温梯度

在恒温带以下（增温带）垂直深度每增加100m地温所增加的度数称为地温梯度。

表12－4　部分地区恒温带有关数据

表12－5　恒温带温度和深度计算

式中GT—地温梯度，℃／hm；

tz—深度为Z米处的原始岩层温度，℃；

Z—地表至测算处的深度，m。其他符号含义见表11－5。

地温率是指原始岩层温度（简称原始岩温）每增加1℃所增加垂直深度的米数。

式中qw—地温率，m／℃。

若已知矿井的地温梯度或地温率及恒温带温度和深度，可按下式计算出任意深度处的原始岩温。

地温梯度随岩石成分、构造部位、岩层产状、上覆地层厚度、山丘情况、沼泽盆地等情况有一定的差异。

（三）热水。

热容量大的地下水是强载热体。当地下水通过某些构造通道如断层裂隙带、倾斜透水层等进入深部岩层加热后承压上升或由于无排泄通道承压上升形成深循环地下热水。它可以与上部岩层进行强烈的热交换，造成局部范围高温异常。在矿井建设和生产过程中遇到高温热水会使矿井井下气温升高。

（四）地热对矿井气象条件的影响

地质变动如岩浆侵入、断层面摩擦和挤压、地层沉降等，都会形成局部地热异常区。岩层热量通过岩壁与井巷内空气进行热交换，采掘工作面和采空区采落、冒落的煤岩及煤岩在运输中与空气进行热交换，井下的水尤其是热水与空气进行质交换和热交换，都会引起对井下气象条件的变化。

二、压缩热

随着空气向矿井深部流动，空气位能减少，因体积压缩转化为热能而使气温升高。

空气自压缩热并不是热源。空气在重力场作用下沿井巷向下流动时，由于位能转换为焓的结果引起温升，而不是由于外部热源输入热流造成的。但对深矿井来说，其自压缩引起风流的温升在矿井的通风与空调中所占的比例很大。

当可压缩的气体（空气）沿井巷向下流动时，其压力与温度均有所上升，该过程称之为“自压缩”过程；在自压缩过程中，如果气体同外界不发生换热、换湿，而且气体流速也没有发生变化，此过程称之为“纯自压缩”或“绝热自压缩”过程。

风流向下流动的自压缩热增量按式12－4.12－7计算：

式中，△H为风流流经井巷的始终点的标高差；MB为通过井巷的风量；g为重力加速度；Q为风流吸收热量；△i为热焓的增值；cp为风流的定压比热，取1005J／（kg·℃）。

假设风流向下流动为一绝热过程，风流向下流动100m时，则△i＝981J／kg，△t＝0.976℃。

理论上风流在纯自压缩状态下，当高差为100m时，其温升可达0.976℃，但实际测试中发现风流温升并没有理论上计算得大。这是由于实际流动过程中并非绝热压缩过程，其压缩热绝大部分用于水分蒸发或被围岩吸收。因此，在夏季经常出现风流通过进风井筒为一降温过程。如在夏季，由于围岩吸热，风流的温升要比平均值低；而在冬季，由于围岩放热，风流的温升要比平均值高。一般来说，如果年平均温升为10℃，则冬季可能是13℃，夏季可能是7℃。

自压缩这个热源是无法消除的，而且随着采深的增加还相应地增大。虽然风流在回风巷里向上流动时，可因膨胀而得到相应的降温效果，但由于受到自然负压的干扰和巷道里水汽的冷凝作用，实际冷却效果很低。

三、围岩放热

当围岩的原始岩温与在井巷中流动空气的温度存在温差时，就要产生换热。根据温差的正负，热流自风流传向岩体，或自围岩传给风流。即使在不太深的矿井里，原始岩温一般也要超过该处的风温，因而热流一般来自围岩。在深矿井里，热流值将会相当大，甚至会超过其他热源热流量的总和。

在大多数的情况下，围岩主要以传导方式将热量传给巷壁，当岩体向外渗流、喷水时，则存在对流传热。如果水量很大且温度很高，其传热量可能相当大，甚至会超过热传导传递的热量。在井下，井巷围岩里的传导传热是不稳定传热过程，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，因而需要从围岩更深处将热量传递出来。

井巷围岩与风流之间的热量交换不仅取决于换热系数，还取决于岩石的原始温度、空气温度和换热面积。井巷围岩向风流的放热量：

式中，kr为围岩与风流间的不稳定热交换系数；U、L分别为井巷的长度和周长；tgu为井巷围岩的原始岩温；tB为井巷空气的平均温度。

四、机电设备散热

井下的各种机电设备、电缆、电线、照明设施、机械摩擦和碰撞等能量消耗，都可能转化为热能。随着我国采、掘、运等机械化程度的提高，机电设备的散热对井下气象条件的影响也会越来越大。

随着矿井综合机械程度的增加，井下的装机容量急剧增大，机电设备运转放热量也越来越大。设备放热量可以换算，假设采掘设备在运行过程中从馈电线路上所得到的电能除去机械功损失全部转为热能。这些热能将向周围的空间放热，首先是向风流传热，使风流温度上升。

五、矿井涌（淋）水放热

井下涌水、渗水和淋水同风流间的热、质交换是相当复杂的，有些参数无法准确确定，这是影响矿井热力计算精度的主要因素。(www.xing528.com)

根据热力学原理，若已知巷道中的涌水量及水的初温和终温时，可用式12－19计算此段巷道水的放热量：

式中，Mw为巷道内涌水量；twH、twk分别为水的初温和终温；cw为水的比热，取4.1868kJ／（kg·℃）。

在一般情况下，矿井涌水的温度比较稳定，在岩溶地区一般水温同该地原始岩温相差不大。

六、运输中的煤炭放热

随着矿井开采强度的加大、生产的集中以及生产水平的加深（初始岩温提高），开采下来的煤矸温度较高，其在运输过程中对风流加热明显。根据国内外大量的调查统计资料可以看出，运输中的煤炭及矸石的放热，实质上是围岩散热的另一种表现形式，其中以在连续输送机上的煤炭放热量为最大。运输中的煤炭放热量用式12－10计算：

式中，Gk为煤炭的输送量；ck为煤炭的比热容：取1.26kJ／（kg·℃）；△tk为运输线路中平均温差。

式中，Ly为煤炭的输送距离；tf为运输巷道中风流的平均湿球温度；tk为运输中煤炭的平均温度，其比采面原始岩温低2～6℃（未降温）；降温后6～10℃。

由于洒水降尘等原因，输送机上的煤、矸总是潮湿的，

所以在其显热交换的同时总是伴随着潜热交换，风流中的热量增值只有10%～20%用来增加温度，80%～90%热量使水蒸气含量加大。煤炭散热的大部分用来蒸发本身所含的水分。因此，对于煤矸在运输过程中散热所引起的附加温升△tb及水蒸气含量的附加增值△xb，可按式12－12.12－13计算：

式中，r为水的汽化潜热。

七、氧化放热

井下矿物及其他有机物的氧化放热是一个十分复杂的过程，很难与其他热源分离开单独计算。根据沃罗巴耶夫的研究，认为巷道围岩的氧化放热量与风速VB的0.8次方成正比，即按式12－14计算：

式中，q0为折算到风速为1m／s的氧化放热系数，其＇运输平巷为0.00256～0.01256kW／m2，采面为0.00128～0.01047kW／m2。

在煤矿井下，煤和其他物质的氧化是一个复杂的过程，很难准确确定其放热量。实测表明，煤炭的氧化放热并不会对矿井气候产生显著的影响，但当煤层中或顶底板里含有大量的硫化铁时，其氧化放热可能达到相当可观的。程度。在一般情况下，一个回采工作面煤炭的氧化放热量很少超过30kW。

八、爆破工作热

爆破产生的热量取决于炸药类型和使用量。爆炸产生的放热量，一小部分会出现在爆破烟雾，其余的热量将被储存在破碎的岩石中，这主要取决于采矿或地下工程方法。如果岩石爆破成一个自由空间，通过通风气流的推移，如在长壁工作面，破碎程度高，那么爆炸产生热量的40%～50%迅速散发到爆碑烟雾中。如果爆炸发生在一个几乎没有或根本没有通风的区域内，那么大部分热量将保留在岩石内。

爆破工作的热效应，仅在坚硬岩石中掘进大断面隧道或井筒时才考虑，即当同时爆破的炸药量在100kg以上才考虑。对于炸药爆破岩体时放热量估算约占20%的爆炸热在1h内随爆炸烟雾排出，爆炸烟雾排出的热量Qb按式12－15计算：

式中，qb为炸药爆破时爆热；Gb为同时爆破炸药量。

爆落岩石的温升△t按式11－16计算：

式中，cy为爆落岩石的比热；Gy为爆落岩石的质量。

九、人员放热

巷道开采过程中人员放热主要取决于所从事工作的繁重程度以及持续时间，一般地下工程施工人员的散热量可按式12－17计算：

式中，n为工作人数；qr为每人散发热量。

虽然可根据一个地点的工作人数及劳动强度、持续时间计算总放热量，但其量甚小，一般不会对地下工程环境气候条件产生显著影响。