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1、1.9煤矿热害及其防治技术应用现状1.9.1 煤矿热害现状随着社会的发展和煤炭资源需求的日益增加，煤炭产量日益增大，浅部煤炭资源越来越少，世界各主要采煤国家相继进入深部开采。随着开采深度的增加，地温也随之升高。德国和俄罗斯的一些煤矿开采深度已达14001500m；南非卡里顿维尔金矿开采深度达3800m，竖井井底己达地表以下4146m；加拿大超千米的矿井有30对，美国有11对。我国煤矿目前的开采深度平均每年以812m的速度增加，采深超过1000m的矿井已有数十对，沈阳采屯煤矿开采深度为1197m、开滦赵各庄矿开采深度为1159m、新汶孙村矿为1059m、北京门头沟开采深度为1008m、长广矿开采
2、深度为1000m。据世界各地的测量资料，全球平均地温梯度约为3/100m。据我国煤田地温观测资料统计，百米地温梯度为24/100m，已探明的储量中，10002000m深处的煤炭储量占总储量的53.2%。根据2001年有关统计，我国已有130多对矿井出现了不同程度的热害，全国煤矿中采掘工作面气温超过30的高温矿井有88座（不含年产量30万吨/年以下的矿井），其中30-32的有31座，32-35的有37座，35以上的有20座。按我国行政区域划分：华中地区有18座，其中以平顶山、丰城和许昌为代表；华东地区有39座，其中以两淮、兖州、新汶、徐州（含大屯）和巨野为代表；华北及东北有26座，其中以峰峰（邯
3、郸）、邢台、大同、开滦、铁法、北票、抚顺、辽源和鸡西为代表；其它地区（湖南2座、甘肃1座、广西1座、福建1座）5座，据最近有关资料，西北的新疆地区煤矿也存在矿井高温热害问题。综上，矿井热害问题越来越严重，已成为与矿井瓦斯、火、粉尘、矿压、水并列的六大灾害之一，热害已严重了影响井下作业人员的身体健康、工作效率和矿山经济效益，甚至影响整个国民经济的可持续发展。1.9.2煤矿热害的危害1.9.2.1 热害对人的危害在高温热害矿井中，工作人员的身心健康受到极大的影响。例如，鹤壁六矿回采工作面风温高达32，相对湿度达99以上，1984年8月30日，1个班就有4名矿工中暑倒在工作地点。平煤集团五矿在199
4、6年69月份，井下工人每天都有中暑和被热击的，矿山救护车基本每天叫，最多的一次，一班有8人中暑。新汶矿业集团孙村煤矿2002年79月份，采煤工作面正常工作时每班有48人，但实际出勤人数只有56人，采煤工作几乎瘫痪，致使三个月的产量没有正常时一个月的高。日本1979年全国调查统计，3040 气温的工作面，比低于30 时的事故率高3.6倍；南非多年的调查统计，当矿内作业地点的空气湿球温度达到289 时，开始出现中暑死亡事故。气温每增加1，矿工劳保医疗费增加810%；根据南非的最新统计，在湿球温度32.833.8下工作的工人，千人中暑死亡率为0.57，表1为南非金矿井下温度与事故率的关系。表1 井下
5、温度与事故率的关系作业地点气温/27293132工伤频次/千人0150300450在高温环境中，人的中枢神经系统容易失调，从而感到精神恍惚、疲劳、周身无力、昏昏沉沉，甚至中暑昏倒、呕吐和湿疹等，高温高湿环境使工人的身体和工作能力受到极大的伤害，同时这种精神状态成为诱发事故的原因。1.9.2.2 热害对机电设备的危害矿井里任何机电设备、电缆均是通过与环境的对流来散发本身所产生的热量，其工作环境温度、湿度超过规定的限值或长期处在限值附近时，必将导致设备散热困难，以致发生设备故障。有关统计表面，气温每增加1，井下机电设备的故障率增加1倍以上。机电设备的环境温度要求：我国矿用一般型机电设备的工作环境温
6、度为40；矿用隔爆型机电设备的45。但这并不等于说，只有到了上述限值才会发生设备故障,如果机电设备长期处在上述限值附近，则机电设备故障率将大增。日本通产省的调查统计表明：机电设备在相对湿度90%以上、气温为3034的地点工作时，其事故率比低于30的作业地点高3.6倍。这也是我国为甚么规定机电设备硐室空气温度不得超过34的原因。综上所述，热害问题已成为制约煤炭工业发展的瓶颈，影响了整个国民经济的可持续发展，因此煤矿热害防治从思想、人才队伍建设和技术装备材料等多方面提出较高的要求。1.9.3煤矿热害防治技术应用现状国外矿井热害防治技术自20世纪20年代即已兴起，至今已有80余年的历史，但是迅速发展
7、并广泛应用是在20世纪70年代以后，我国开展矿井降温技术研究也近50年。纵观国内外矿井降温技术，可分为非人工制冷降温技术和人工制冷降温技术。1.9.3.1 非人工制冷降温技术非人工制冷降温技术主要以通风降温为主，再辅助以其他降温措施，如控制热源、控制风流、个体防护以及其他方法等。1 增加风量理论和实践都证明，在一定条件下（如原风量较小），增加风量是热害矿井最经济的治理手段之一，增加风量不仅可以排出热量、降低风温，而且还可以有效地改善热体的散热条件，增加舒适感。但增加风量到一定程度时，增风降温效果就会减弱，同时也受到井巷断面和通风机能力的各种因数的制约，有一定的应用范围。联邦德国曾对U型通风的采
8、煤工作面有效温度与岩层温度的关系进行探讨，得出当岩层温度达40时，工作面有效温度上升到32(联邦德国矿内热环境的允许作业温度上限)，岩层温度每增加1，有效温度增加0.7”；“岩层温度超过40，就不能采用增加风量降温措施”。南非麦菲尔逊M.J也认为，当原岩温度超过40，必须减少空气量，增加空气冷却度。2 选择合理的开拓开采方式和矿井通风系统（1）确定合理的矿井开拓开采方式，尽量减少围岩和煤体的与风流的接触面积，有效减少排热亮；（2）尽可能缩短进风路线的长度，以减少围岩的散热量；（3）尽量避免煤流与风流反向运行，以防止煤炭运输放热和设备放热带入工作面；（4）回采工作面采用下行通风，因为采用下行通风
9、时，风流是从路程较短的上部巷道进入工作面，且减少了煤炭放热的影响。3 控制热源的放热量（1）巷道隔热，在高温巷道喷涂或充填绝热材料，减少围岩放热；（2）管道和水流隔热，减小管道放热，减小热水对风流的增温增湿作用；（3）合理摆放热源体位置，如发热量大的大型机电硐室应独立回风，以减小机电放热。4个体防护 对于个别气候条件恶劣的地点，由于经济和技术上的原因，不能采取其他降温措施时，可对矿工采取个体防护，穿戴轻便的冷却背心或冷却帽。南非加尔德莱特公司生产的冷却背心干冰用量为4Kg，制冷量为80106W，冷却时间达68小时；德国米塔尔公司的冷却冰背心，冰量为5kg，没有冷媒循环系统和运动部件，制冷量22
10、0W时可持续2.5小时。平顶山矿务局科研所还开发出了个体防护冷却用的冰背心，由于该冰背心温度不可调节，在平一矿试用了一段时间。试用表明，工人长期穿冰背心3个月，就会出现关节炎、风湿性心脏病。5 其他措施其他的措施如煤层注水预冷煤层、在进风巷道放置冰块、利用调热圈巷道进风等，实践表面，这些措施的降温效果皆不理想。另外，还可以缩短劳动时间，将“三八”作业制改为“四六”作业制，间歇性休息，为工作人员提供高温补贴和防暑饮料等。1.9.3.2 人工制冷降温技术纵观国内外，自20世纪70年代，人工制冷降温技术在矿井热害防治中的应用开始迅速发展，使用越来越广泛成熟。美国、德国、南非、印度、波兰、俄罗斯和澳大
11、利亚等国家多采用该项技术。我国自80年代采用机械制冷来治理热害，经过90年代的发展，到21世纪已经在规模上达到发达国家水平，技术上与发达国家还有一定的差距。从矿井热害治理的现状和趋势来看，人工制冷降温技术已经成为矿井降温的主要手段。1 人工制冷降温技术的分类人工制冷降温技术根据热力学特点的不同又可分为人工制取冷水降温技术、人工制冰降温技术和压缩空气制冷降温技术。第一类，人工制取冷水降温技术。（1）蒸汽压缩式循环制冷技术，主要是以氟里昂和氨为制冷剂的冷水机组，主要是制取冷水，如图1.9.1所示；（2）以热电站为热源的溴化锂制冷，如图1.9.2所示，再串联压缩式制冷机组或氨吸收式制冷机组制取冷水。
12、图1.9.1 蒸汽压缩制冷 图1.9.2 吸收式制冷第二类，人工制冰降温技术。人工制冰降温系统主要分为制冰、输冰、融冰、输冷、排热五个环节，其工艺示意图如图1.9.3所示。图1.9.3 制冰降温系统工艺流程示意图第三类，压缩空气制冷降温技术。又有涡轮式空气制冷、变容式空气制冷、涡流管式空气制冷和压气引射器制冷等形式。压缩空气制冷降温技术是利用空气压缩机出来的压缩空气经过空气制冷机降温，变成低温的高压空气，出来后与局扇风筒中的空气混合而达到降温的目的。根据工艺的不同可分别应用于掘进工作面和采煤工作面，如图1.9.4、图1.9.5所示。图1.9.4掘进面降温工程布置示意图图1.9.5 采煤工作面降
13、温工程示意图2 人工制冷降温布置方式人工制冷降温技术根据制冷站的布置方式可分为地面集中制冷降温系统、井下集中制冷降温系统、井上下联合集中制冷降温系统和井下局部制冷降温系统。地面集中制冷系统，包括制冰、吸收式制冷、蒸汽压缩式制冷、吸收制冷与蒸汽压缩制冷结合的方式（传统的说法叫热电冷联产），地面集中制冷降温系统示意图如图1.9.6所示。图1.9.6 地面集中制冷降温系统井下集中制冷降温系统，制冷和排热都在井下进行，其系统示意图如图1.9.7所示。图1.9.7 井下集中制冷降温系统示意图局部制冷降温，制冷排热都在井下进行，如现在的移动制冷机制冷、空气压缩制冷，其系统示意图如图1.9.8所示。图1.9
14、.8 局部制冷降温系统布置示意图3人工制冷降温国外应用现状20世纪20年代初，南非、巴西等国家的金矿开采，已深入到1000m以下，出现了矿井热害。1912年，南非最早系统研究了矿井风流热力学规律。1920年巴西的莫劳约里赫金矿在地面安装了第一台制冷量为1768KW的氨制冷机，建立了世界上第一个矿井空调系统。1924年，德国的依本比伦煤矿建立了井下集中制冷降温系统。1939年，比利时的Les lie geoi 煤矿地面安装集中制冷站，制冷量800USRT，服务1000m深采掘工作面降温，并采用皮尔顿透平机减压。1951年，德国Neumilhl煤矿在-770m水平掘进面安装小型局部降温设备，是世界
15、上最早使用局部降温的国家。世界上开采深度最大、降温系统规模最大的当属南非金矿。1971年南非己有44个矿井采用人工制冷降温，总制冷量达16.8万千瓦。1975年，除南非金矿外，世界各国大都是采用局部降温系统，如原苏联研制成功了矿用移动式制冷机，在煤矿和金属矿独头掘进巷道中得到应用。1975年以后，各国矿井降温工作的发展异常迅速，在德国、俄罗斯、乌克兰、英国、比利时以及印度等国建立了近百个大型矿井制冷降温系统。1986年南非的Anglogolds Mponeng 金矿，该矿开采深度3000m以上，总装机制冰量8800t/d，制冷量为24MW，采用以色列产真空制冰机制取颗粒状冰，形成了完整的制冰、
16、水平输冰、垂直输冰、井下融冰工艺，为世界各国借鉴冰降温起到了决定性作用。南非开发电真空制冰降温的主要原因是：井深大，热害严重，传统的井下集中制冷规模受限；采用地面集中降温时，井下热压转换设备技术要求高、投资大；采用电制片冰降温时，冰堵严重、能耗大、投资大、运行成本高。因此，采用真空冰降温的根本目的是为了避免传统降温方法存在的问题，但从技术经济角度综合考虑，南非相关规程规定：“矿井采深超过3660m，生产水平原始岩温超过65时才采用冰冷降温”，美国ASHRAE标准规定：“当矿井开采深度超过3660m，且水和空气排热性能受限时，可考虑冰冷降温系统”。我国煤矿目前，乃至今后很长一段时间，开采水平岩温
17、超过65的矿井数量极少。1989年，南非一金矿建成压缩空气制冷空调系统，管道输送被压缩成液态的空气至井下，经膨胀后与工作面风流掺混，实现对工作面风流的冷却。1989年，波兰推出了涡流管式空气制冷装置，在掘进工作面使用取得了一定的空调效。德国截至1990年全国煤矿32座矿井就有27对采用了机械降温，总制冷能力为300MW。目前，南非、德国、英国、加拿大等国家，在制冷装置和热交换设备的容量、安装地点的选择、设备选型和提高设备制冷效率等方面的研究较多。美国是世界上矿井降温专利、专著最多的国家。4人工制冷降温在我国应用现状我国在上世纪60年代初开始采用局部制冷空调，如武汉冷冻机厂研制了JKT70型矿用
18、移动式冷水机组，制冷量为232KW。19641975年，在淮南九龙岗矿设计了我国第一个矿井局部制冷降温系统。19821987年，新汶矿务局孙村煤矿在400m水平建立了我国第一个井下集中空调系统，制冷站制冷能力为326KW，设备选用重庆通用机器厂生产的IIJBF50O型离心式制冷机，制冷量为581KW，投资600万元。19861991年，平顶山八矿建立了我国第二个井下集中空调系统，制冷站制冷能力为4652KW。采用IIIJBF100O型离心式制冷机，制冷量为1163KW，投资1000万元。 1993年7月，平顶山矿务局科研所和原中国航空工业总公司第609研究所改装成KKL10涡轮空气压缩制冷机，
19、制冷原理为压缩空气对外膨胀对外做功制冷。19921995年，山东新汶矿务局建立了我国第一个矿井地面集中制冷降温系统，引进美国设备，设计制冷能力为5600KW，当时可算是亚洲最大的矿井制冷降温系统，投资2300万元。1997年，平煤八矿采用块冰制冷，通过保温车运到掘进工作面形成冰水混合物，通过空冷器实施掘进面降温，取得了较为明显的降温效果，但由于运冰过程影响生产运输，无法实现连续、稳定降温，且降温运行成本高等，导致该项技术未能推广。2002年夏，潘三矿1442工作面装备了一台LFJ-160矿用移动式冷风机组，降温12。同年，新集矿210807综放面装备了两台德国LKM-290型矿用冷风机组，降温
20、2左右。2004年6月15日，新汶孙村矿建立冰冷低温辐射降温矿井空调系统，由制冷、制冰、输冰、融冰、输冷、散冷等六大系统组成，投资5600多万元，一期工程日产冰达500吨。2006年淮南矿业集团公司从德国WAT公司引进了6台DV400井下移动式大气降温机组成2套工作面局部降温系统，分别在潘一矿2171(1)、潘三矿14102(1)2个高温工作，降温幅度23。2007年，安徽国投新集刘庄矿和德国西玛格合作安装两套制冷设备，合计制冷能力5.5MW，可向井下冷却循环回路提供3、300m3/h冷冻水，总投资1亿，仅电费运行成本200万元/月。2007年，平煤集团四矿设计安装了利用电厂余热的热电冷联产的
21、双效溴化锂吸收式制冷机组一套，螺杆式乙二醇制冷机组3套，总装机制冷量12260KW，一期工程制冷量7750KW，首期投资4500万，仅电费运行成本50万元/月。2008年，淮南矿业顾桥矿建成30吨/日制冰站，将冰运输至井下撒冰，或将冰块放置于局扇进风口，效果较差。2009年，淮南矿业丁集矿、顾桥矿、潘一矿、潘三矿等正在积极引进德国设备，建立热电冷联产的地面集中制冷降温系统。2009年，重庆永荣矿业永川煤矿正在打造降温效果与经济并重的矿井降温系统。5人工制冷系统技术比较地面集中制冷系统，包括制冰、吸收式制冷、蒸汽压缩式制冷、吸收制冷与蒸汽压缩制冷结合的方式（流行的说法叫热电冷联产）；井下集中制冷
22、系统，制冷、排热都在井下进行；井上井下联合，包括井下制冷地面排热式、井上井下二级制冷地面排热式；局部制冷降温，制冷排热都在井下进行，如现在的移动制冷机制冷、空气压缩制冷；这些方式各有优缺点，比较如表1.9.1所示表1.9.1 人工制冷系统比较表空调系统优 点缺 点地面集中排热方便、安全可靠要用高低压换热装置供冷管道长，冷损大井下集中冷损小 、无高压冷水系统设备有特殊要求基建、安装、维护、管理不便联合布置减少冷损系统复杂、设备分散、不易管理局部式冷量损失小、简单设备分散，排热困难，不适合该矿压缩空气式制冷能力小、只适用于掘进头制冰式制冷量大、 适用大型深热矿井初期投资大、能耗高2.9煤矿热害防治
23、技术发展战略2.9.1 加强理论实验研究矿井热害治理工程设计是一项系统工程，涉及地球物理学、流体力学、热力学、传热学、传质学、力学、环境卫生学、空调技术、给水排水、电气控制、管网学、监测监控及其他相关设计技术等多个学科，系统复杂。为此各种理论仍需要不断发展，如精确测量地温梯度、热源调查、采掘面与风流间的对流换热系数、螺杆压缩制冷机型线、供冷排热理论、热力参数科学测定和预测、井田地温场与地层构造、水文地质的相互关系等，目前的各种理论仍需继续发展。加强进行劳动卫生学研究，为制定矿内气象环境的卫生标准提供科学依据。2.9.2 发展热害治理技术、装备和材料2.9.2.1个体防护装备高温矿井个体防护装备
24、主要是冰背心，通过国内外应用经验表明，连续长期使用会导致关节炎、心脏病等病症，因此，这种个体防护装备一直都未推广应用开来，我国也只是在平一矿试验用过一段时间，在其他高温矿井中未见应用。因此，研制新型的高温矿井个体防护装备，将在矿井降温投入上节约大量人力、物力和财力。2.9.2.2强化高效换热技术及装备安徽刘庄矿引进德国制冷设备建立的集中制冷系统，月运行费用200万元。平煤四矿建立了吸收电厂余热远大空调加螺杆冷水机二级制冷机组的地面集中制冷系统，仅电费仍需50万元/月。究其原因是地面至井下高差较大，载冷剂为水溶液，地面冷冻水需不断和井下换热器进行热交换，目前深井降温系统中常用的热压转换设备有高低
25、压换冷器、三腔式换热系统和透平机能量回收装置三种， 造成电费居高不下，为此可发展“U”型管技术，充分利用循环冷冻溶液的势能动能转换装备，并更换载冷剂，而不仅仅是实现高、低压转换的技术和装备。还需发展制冷降温分析技术和确定管网系统的经济流速，以减少运行费用。人工制冷运行费用高的因数还有换热器不够高效，致使排热不畅，造成制冷效率下降，因此强化高效换热技术、装备也需要发展。2.9.2.3高效绝热管网和监测技术及装备我国大部分热害矿井进风路线都比较长，热害是由多种热源的共同作用形成的。下表所示为典型深热矿井沿风流路线各热源所占比例。表1 我国典型深热矿井热源分布情况矿井名称围岩散热机电散热压缩热运输散
26、热氧化散热其它潘三矿40%24%20%8%6%2%潘一矿36.04%27.66%20.85%7.7%6.45%1.3%平五矿-450m水平51%10%14%19%4%平五矿-650m水平72%6%16%4%2%孙村矿51%8%21%10%6%4%永川矿55.85%13.1%14.51%12.06%4.48%从上表可以看出，我国热害矿井中，绝大部分热害都是由地温引起的，因此研究针对控制围岩散热的技术对矿井防治矿井热害具有重要意义。国内外针对围岩散热曾经采取过向围岩表面喷涂隔热材料的方法，在喷涂隔热材料后的一段时间内有一定的效果，时间一长，隔热材料的作用渐渐减弱直至消失。这跟隔热材料的隔热性能以及
27、巷道半封闭无限空间的特性有很大关系。因此，研制适合巷道空间、高效廉价的围岩隔热喷涂材料，可节约大量的矿井热害防治的成本。2.9.2.4高效经济绝热新型绝热材料很多热害矿井进风路线都较长且通风系统优化已达极限，热害矿井中的放热源主要来自于围岩散热，因此可以发展高效廉价的围岩绝热喷涂材料，目前的绝热材料成本相对较高。2.9.2.5发展热害治理软件目前国内外的热害治理软件仅是停留在热力参数预测方面，国家“七五”攻关“矿井气温预测及计算程序研究”的预测结果和实际相差较大，其原因是是预测模型不够完善。建议结合地球物理学、传热学、热力学、流体力学等多学科，发展三维矿井热害治理软件，预测、各种治理措施治理后
28、的实际情况便可一目了然。2.9.2.6发展新能源技术目前国内外大部分矿井降温系统都是采用的电能，运行费用非常高。而利用电厂废热，瓦斯发电，实现热电冷联产，则可降低运行费用。另外地热、废热水、低浓度瓦斯发电或燃烧等等，都可以作为动力来源，还可开发新型能源，如太阳能、风能等。2.9.2.7发展矿井制冷设备国内目前出现两种矿井热害治理实践趋向，一种在国外矿井降温实践的基础上，根据我国矿井的实际情况，结合现有的技术水平，研究新的工艺，研发自主知识产权的设备。这种形式用国内低价的设备代替进口的高价设备，减少了初期投资和运行成本，但是跟国外成熟的设备相比，性能和可靠性要差些，需要不断的完善和改进；另一种趋
29、向是直接购买国外的工艺和设备，再配套国内的设计和安装。这种形式增加了初期的投资费用、运行费用和管理维护费用。随着矿井热害治理技术日趋成熟，在国内外差距越来越小的情况下，自主开发价格低、性能好的矿井热害治理设备是一种趋势。2.9.2.8发展较低温度吸收制冷机组目前国内外吸收制冷机组要求的废热温度一般大于300，而对于70、80的电厂废热则无可奈何，只能白白排放，因此发展较低温度吸收制冷机组具有很广的市场前景。2.9.2.9综合措施与其他灾害治理一样，矿井热害治也要综合治理。在充分掌握热害治理技术和手段的基础上，综合各方面的影响因素和矿井的实际情况，完成基础研究、方案选择、方案设计、设备选型、设备安装与调试、效果考察与经济分析等一套完整的矿井热害治理学科体系。矿井热害治理是涉及多学科多领域的系统工程，依靠单一的手段无法从本质上解决矿井的热害问题，而且投资大、能耗大，造成人力、物力和财力的大量浪费；以某一手段为主导，综合其它技术和措施往往会收到很好的效果，我国矿井降温实践也证明了这点。
