深井熱源分析及人體熱平衡研究

高 蕊

(國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院)

我國(guó)煤礦經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期開(kāi)采，淺部資源逐漸消耗殆盡，有些礦井正在向千米以上的深井發(fā)展[1]。隨著礦井開(kāi)釆深度不斷增加，井下溫度越來(lái)越高，給礦山安全高效生產(chǎn)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)[2]。影響礦井內(nèi)熱環(huán)境的因素較多[3]，并且各因素又相互影響，分析礦井熱害產(chǎn)生的主要因素，并選取合理公式計(jì)算井下熱負(fù)荷，研究井下熱負(fù)荷的主要組成部分，對(duì)于有效降低高溫對(duì)人體的影響，提高生產(chǎn)效率，最大限度降低事故發(fā)生的可能性具有重要意義[4-5]。

1 深井熱害主要熱源分析

礦井越深，地溫越高?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定生產(chǎn)礦井采掘工作面空氣溫度不得超過(guò)26 ℃，機(jī)電設(shè)備硐室的空氣溫度不得超過(guò)30 ℃；當(dāng)空氣溫度超過(guò)時(shí)，必須縮短超溫地點(diǎn)工作人員的工作時(shí)間，并給予髙溫保健待遇。采掘工作面的空氣溫度超過(guò)30 ℃，機(jī)電硐室的溫度超過(guò)34 ℃時(shí)，必須停止作業(yè)[6]。礦井熱害產(chǎn)生的因素主要有：空氣壓縮放熱、圍巖散熱、運(yùn)輸中的煤炭以及矸石放熱、地下水放熱、機(jī)電設(shè)備散熱、照明散熱、人體散熱、氧化放熱、爆破熱等[7]。

2 深井熱負(fù)荷計(jì)算

由于影響礦井內(nèi)熱環(huán)境的因素較多[8]，并且各因素又相互影響，如圍巖散熱、機(jī)電設(shè)備散熱、地下熱水放熱等熱負(fù)荷，在其他參數(shù)不變的情況下，與始端和終端風(fēng)溫差有關(guān)，而終端風(fēng)溫又受到井下熱源因素的影響，因此準(zhǔn)確計(jì)算井下熱負(fù)荷較為困難。國(guó)內(nèi)外關(guān)于深井熱負(fù)荷相關(guān)計(jì)算方法也不盡相同，綜合考慮對(duì)我國(guó)深井的適用性、公式本身的合理性、參數(shù)的可獲取性，選取公式計(jì)算[9]。

(1)空氣壓縮放熱。當(dāng)風(fēng)流沿井巷向下流動(dòng)時(shí)，由于重力作用，空氣自身壓力值增大，空氣自壓縮引起的溫度變化值計(jì)算公式為：

式中，Δt為溫度變化值，℃；n為多變指數(shù)；g為重力加速度，一般取9.81m/s2；R為氣體常數(shù)，空氣取287J/(kg·K)；ΔZ為始點(diǎn)與終點(diǎn)高差，m。

空氣壓縮釋放熱量計(jì)算公式為：

qys=QρΔt,

(2)

式中，qys為空氣壓縮理論熱負(fù)荷，kW；Q為豎井中空氣流量，m3/s；ρ為空氣密度，kg/m3。

(2)圍巖散熱。高溫的圍巖和風(fēng)流間的傳熱是一個(gè)復(fù)雜不穩(wěn)定傳熱過(guò)程，在礦井和巷道開(kāi)鑿初期，礦井和巷道壁面以對(duì)流放熱形式向風(fēng)流放熱，風(fēng)流溫度升高。隨著通風(fēng)時(shí)間的延長(zhǎng)，礦井和巷道壁面溫度逐漸接近風(fēng)流的溫度，壁面向風(fēng)流的放熱趨于穩(wěn)定。單位長(zhǎng)度巷道圍巖熱流量計(jì)算公式為:

qwy=2πλT(Fo)(tys-tbm) ,

(3)

式中，qwy為單位長(zhǎng)度巷道的圍巖所傳遞的熱流量，W/m；λ為圍巖的導(dǎo)熱率，M/(m·K)；tys為圍巖的原始溫度，℃； tbm為巷道壁面的溫度，℃；T(Fo)為考慮巷道通風(fēng)時(shí)間、巷道形狀以及圍巖特性的時(shí)間系數(shù)，可用傅里葉數(shù)來(lái)描述；

式中，F(xiàn)o為傅里葉數(shù)；θ為巷道通風(fēng)時(shí)間，s；r為巷道的半徑，m；ρr為圍巖的密度，kg/m3；cr為圍巖的比熱容，J/(kg·K)。

當(dāng)風(fēng)流的干球溫度tgq等于巷道壁面的溫度tbm時(shí)，在時(shí)間θ時(shí)，巷道傳遞的熱流量為：

式中，U為巷道周長(zhǎng)，m；L為巷道長(zhǎng)度，m。

(3)煤炭和矸石冷卻放熱。采掘出來(lái)的煤炭和矸石以原始巖溫計(jì)算，與風(fēng)流熱量交換，釋放熱量較大，計(jì)算公式為：

qk=mkckΔtk,

(6)

式中，qk為運(yùn)輸中煤炭及矸石的散熱量，kW；mk為運(yùn)輸中煤炭及矸石的量，kg/s；ck為運(yùn)輸中煤炭及矸石的平均比熱容，kJ/(kg·℃)；Δtk為運(yùn)輸中煤炭及矸石與空氣溫差，℃。

(4)地下水放熱。地下水包括井下涌水和生產(chǎn)水，地下涌水放熱量，計(jì)算公式為：

qs=mC0(VRT-td) ,

(7)

式中，qs為地下涌水放熱量，kW；m為涌水量，kg/s；C0為水比熱，kJ/(kg·℃)；VRT為裂隙水溫度，℃；td為進(jìn)入排水系統(tǒng)后水溫，℃。

(5)機(jī)電設(shè)備散熱。通常情況下機(jī)電設(shè)備所消耗的電能只有一部分作有用功，其余的轉(zhuǎn)化熱能，散發(fā)到周?chē)橘|(zhì)中， 機(jī)電設(shè)備散熱量計(jì)算公式為：

Qe=(1-η)NK,

(8)

式中，Qe為機(jī)電設(shè)備散熱量，kW；η為機(jī)電設(shè)備效率，%；當(dāng)機(jī)電設(shè)備處于水平巷道作功時(shí)，η=0；N為機(jī)電設(shè)備的功率，W；K為機(jī)電設(shè)備的時(shí)間利用系數(shù)。

(6)照明散熱。以電能為能源的照明設(shè)備，所消耗的電能不作有用功，全部轉(zhuǎn)化為熱能，計(jì)算公式為：

Qz=nz·Nz，

(9)

式中，Qz為電力照明設(shè)備散熱量，kW；nz為電力照明設(shè)備的個(gè)數(shù)；Nz為電力照明設(shè)備平均功率，kW。

(7)氧化放熱。煤炭大面積接觸氧氣會(huì)發(fā)生氧化放熱，而高溫會(huì)加速氧化能力。煤炭的氧化放熱是一系列復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)，一般單個(gè)采煤工作面的氧化放熱量不超過(guò)30kW。

(8)爆破熱。爆破熱量在瞬間釋放，對(duì)井下瞬間的空氣溫度提升起主導(dǎo)作用，但沒(méi)有后續(xù)熱量增加，持續(xù)時(shí)間短。爆破后需要通風(fēng)一段時(shí)間后人員方可進(jìn)入。因此暫不考慮爆破熱量的疊加。

3 某煤礦夏季井下熱負(fù)荷計(jì)算

以某礦為例計(jì)算空氣壓縮放熱、圍巖散熱、運(yùn)輸中的煤炭以及矸石放熱、地下水放熱、氧化放熱、機(jī)電設(shè)備散熱、照明散熱、人體散熱等放熱量，根據(jù)公式(1)～(9)計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1～表6。

表1 空氣壓縮放熱量

表2 圍巖放熱量

表3 運(yùn)輸中的煤炭以及矸石放熱量

表4 地下水放熱量

表5 機(jī)電設(shè)備散熱量

由表1～表6可知，在井下熱負(fù)荷熱源貢獻(xiàn)率方面，井下熱源中空氣自壓縮放熱量占比最大為47.7%，機(jī)電設(shè)備放熱量次之占比為31.1%，空氣壓縮放熱和機(jī)電設(shè)備散熱，是井下熱負(fù)荷的主要組成部分，是礦井制冷降溫系統(tǒng)應(yīng)主要克服的[10-13]。

表6 照明散熱量

4 人體熱平衡模型及舒適度研究

人體在正常情況下能夠依靠自身的生命調(diào)節(jié)能力使產(chǎn)熱和散熱保持在動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)[9]，平衡關(guān)系式為：

M-W±C±R-E=S，

(10)

式中，M為人體新陳代謝過(guò)程中產(chǎn)熱量，kJ/h；W為肌肉作功而消耗的熱量，kJ/h；C為人體與周?chē)h(huán)境以對(duì)流傳導(dǎo)方式散(吸)熱量，kJ/h；R為人體與周?chē)矬w表面之間輻射換熱量，kJ/h；E為人體通過(guò)皮膚表面顯性發(fā)汗或不感蒸發(fā)所散發(fā)的熱量，kJ/h；S為蓄存人體內(nèi)的熱量，kJ/h。

當(dāng)人體產(chǎn)熱量和散熱量相等時(shí)，即S=0；當(dāng)產(chǎn)熱量大于散熱量時(shí)，即S>0，人體熱平衡破壞，導(dǎo)致體溫升高；當(dāng)散熱量大于產(chǎn)熱量時(shí)，即S<0，導(dǎo)致體溫降低。

當(dāng)空氣中的溫度較低時(shí)，對(duì)流、輻射作用加強(qiáng)，人體向外散熱，會(huì)感到寒冷；當(dāng)溫度適中時(shí)，會(huì)感到舒服；當(dāng)空氣溫度超過(guò)25 ℃并接近人體溫時(shí)，對(duì)流、輻射作用減弱，汗蒸發(fā)散熱加強(qiáng)；氣溫達(dá)到37 ℃時(shí)，人體將從空氣中吸收熱量，從而感到悶熱，有時(shí)還會(huì)引起中暑；因此井下溫度一般不應(yīng)超過(guò)25 ℃。另外，相對(duì)濕度大于80%時(shí)，人體出汗不易蒸發(fā)；相對(duì)濕度低于30%時(shí)，則感到干燥并引起粘膜開(kāi)裂；人體感到舒適的相對(duì)濕度是50%～60%。礦井相對(duì)濕度多為80% 以上，故井下氣候的調(diào)節(jié)多從溫度和風(fēng)速來(lái)考慮，隨著溫度的增高，可適當(dāng)提高風(fēng)速，以提高散熱效果[14-15]。

礦工的熱舒適性是煤礦工人在井下勞動(dòng)時(shí)，對(duì)井下熱環(huán)境的舒適感覺(jué)。舒適性直接影響著礦工的生理和心理健康、工作效率、安全生產(chǎn)狀況。對(duì)于礦井環(huán)境的舒適度主要有7個(gè)影響因素，溫度、濕度、風(fēng)速、輻射、照明5個(gè)外部環(huán)境因素，勞動(dòng)強(qiáng)度、穿衣情況2個(gè)內(nèi)部人體因素。高溫作業(yè)可使工人產(chǎn)生悶熱、頭暈、心慌、心煩、口渴、疲倦等不適感[16]。

5 結(jié) 論

煤礦井下，夏季受地表高溫的影響，高溫風(fēng)流流入井下，在自壓縮作用下溫度再升高，結(jié)合較高的原巖溫度，產(chǎn)生井下工作場(chǎng)所的熱環(huán)境，如果沒(méi)有有效的降溫措施，就會(huì)超過(guò)人體生理機(jī)能承受限度，降低生產(chǎn)效率，并增加事故發(fā)生的可能性。為了有效降低高溫對(duì)人體的影響，應(yīng)采取有效的降溫措施，并排除空氣中有害物質(zhì)，適當(dāng)調(diào)整作息時(shí)間，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，減少皮膚暴露，適當(dāng)補(bǔ)充水和無(wú)機(jī)鹽，提高耐熱能力，減少中暑的發(fā)生，減輕礦井惡劣環(huán)境對(duì)人體的影響。