礦井熱害產(chǎn)生原因及防治措施

董 華

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司四老溝礦，山西 大同 037003)

0 引言

我國(guó)煤礦生產(chǎn)發(fā)展趨勢(shì)是機(jī)械化程度日益加強(qiáng)，開采深度也在不斷增加，但也不斷伴隨著機(jī)械散熱和高溫地?zé)岬葻岷?wèn)題。礦井熱害會(huì)降低作業(yè)人員工作效率，嚴(yán)重制約礦井經(jīng)濟(jì)效率，更為嚴(yán)重的是熱害會(huì)導(dǎo)致作業(yè)人員身體出現(xiàn)脫水、失鈉、血容量減少、血壓增加、血液粘度增加，導(dǎo)致疲勞、中暑，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)熱痙攣、虛脫甚至死亡，也會(huì)造成身體和精神上的慢性疾病[1]。

現(xiàn)階段熱害治理通常是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行摸索，或者單純直接引進(jìn)一些降溫設(shè)備和技術(shù)[2-3]。通過(guò)研究井下熱害產(chǎn)生的原因和不良影響，采用事故樹分析法對(duì)礦井熱害進(jìn)行系統(tǒng)分析，提出了一些常用的降溫手段，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展提出了初步的設(shè)想，以期對(duì)煤礦熱害的防治提供一定的幫助。

1 礦井熱害產(chǎn)生的原因

1.1 礦井高溫產(chǎn)生的原因

熱源分類：礦井內(nèi)部系統(tǒng)中能夠造成環(huán)境內(nèi)溫度上升的熱源和因素有很多，但按照屬性分為絕對(duì)熱源和相對(duì)熱源兩類[4]。絕對(duì)熱源主要指井下各類設(shè)備、電氣裝置、空氣壓縮以及礦物氧化等直接產(chǎn)熱方式；而相對(duì)熱源指熱量高于環(huán)境溫度，如巖層溫度過(guò)高，井下熱水散熱，并且?guī)r層高溫是井下高溫的主要原因，也是控制難點(diǎn)，它包含巖壁、堆積和運(yùn)輸中礦巖，部分礦井也有高溫?zé)崴砍觥?/p>

地?zé)幔荷罹L(fēng)的主要熱源是地?zé)?，它通過(guò)圍巖進(jìn)行熱量傳遞，采掘?qū)⒌V巖剝離暴露后，原巖的熱量逐漸散失在空氣中，并且放熱量可以占到礦井井下熱源的48%以上。受到大氣環(huán)境溫度的影響，礦井巖層溫度狀態(tài)分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶[5]。其中地?zé)嵩鰷芈士杀硎鰹?/p>

ti=t0+G(hi-h0)

(1)

式中：ti—深度i點(diǎn)的井下溫度值，℃；t0—地表空氣溫度，℃；G—溫增地?zé)崽荻?，?m；h0—恒溫帶巖層h0處深度，m；hi—增溫帶中h點(diǎn)深度，m。

空氣壓縮熱：礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在空氣柱，當(dāng)新鮮空氣進(jìn)入井下后，受空氣柱壓力被迫壓縮，自身勢(shì)能向熱能轉(zhuǎn)化散熱，而空氣壓縮熱會(huì)占到井下熱量的1/5。經(jīng)過(guò)相關(guān)測(cè)試，通常每100 m空氣壓縮產(chǎn)熱0.979 J/kg，空氣溫增0.4 ℃/100 m～0.5 ℃/100 m。

爆破熱和氧化熱：爆破熱指井下生產(chǎn)中爆破碎巖工作由爆破反應(yīng)產(chǎn)生的劇烈放熱現(xiàn)象，一方面熱量傳遞到大氣中，另一方面熱量會(huì)先傳遞到巖層中再緩慢釋放到環(huán)境；氧化熱也是通過(guò)礦壓的化學(xué)反應(yīng)，即氧化放熱現(xiàn)象，將化學(xué)能向熱能轉(zhuǎn)化。

其他熱源：井下機(jī)電設(shè)備散熱、圍巖熱、礦物矸石熱、風(fēng)流壓縮熱這4類情況普遍存在于各井工礦井，圍巖熱又被稱為地?zé)幔饕捎诘V井開采深度過(guò)大，達(dá)到了地?zé)釁^(qū)域，該類問(wèn)題大部分存在于我國(guó)中北部高溫礦井中。而礦巖氧化熱和地下熱水涌出現(xiàn)象較少，但是地下熱水也會(huì)導(dǎo)致礦井高溫。這類情況載體流動(dòng)性大，熱容量也較大，同時(shí)易散熱與風(fēng)流進(jìn)行交換。

1.2 礦井高濕產(chǎn)生的原因

人體舒適度環(huán)境下相對(duì)濕度要求為50%～ 60%，而井下作業(yè)環(huán)境整體較為潮濕，通常井下作業(yè)空間內(nèi)相對(duì)濕度為80%～90%，回風(fēng)段的總回風(fēng)道及回風(fēng)井相對(duì)濕度多數(shù)情況下趨近飽和狀態(tài)。井下空間內(nèi)空氣中水分來(lái)源主要是礦井水的直接蒸發(fā)，井巷壁冷凝水的再次散濕，由于降塵、鉆孔冷卻、水力致裂等操作的大量生產(chǎn)用水蒸發(fā)，各類因素下導(dǎo)致礦井內(nèi)部濕度過(guò)大超出人體正常工作需要的相對(duì)濕度[6-9]。

2 礦井熱害對(duì)人體的危害

2.1 礦井高溫的危害

人體正常進(jìn)行體力勞動(dòng)適宜環(huán)境為20～30 ℃范圍內(nèi)，當(dāng)井下溫度超出30 ℃時(shí)構(gòu)成高溫環(huán)境，長(zhǎng)期處于該環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致工人的身體和精神都出現(xiàn)一定問(wèn)題。

身體方面：內(nèi)分泌系統(tǒng)紊亂，鹽分、電解質(zhì)出現(xiàn)功能性紊亂，身體機(jī)能下降；體溫升高，體溫調(diào)節(jié)障礙；身體大量脫水，體力勞動(dòng)情況下工人排汗量能夠達(dá)到1～1.2 L/h，每小時(shí)的排汗量達(dá)到夏季成人全天的正常排汗量，消化、泌尿、體循環(huán)、神經(jīng)系統(tǒng)都會(huì)由于脫水、脫鈉而出現(xiàn)紊亂，出現(xiàn)中暑、痙攣，長(zhǎng)期會(huì)造成部分慢性疾病。

精神方面：高溫環(huán)境下，人體中樞系統(tǒng)會(huì)處于疲勞狀態(tài)，易出現(xiàn)系統(tǒng)失調(diào)，身體疲勞、無(wú)力、煩躁、精神恍惚、精神不集中，會(huì)導(dǎo)致人員不當(dāng)操作和生產(chǎn)效率下降。

2.2 礦井高濕的危害

礦井內(nèi)部環(huán)境中長(zhǎng)期超出80%的空氣相對(duì)濕度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出作業(yè)人員正常下舒適度要求的濕度，構(gòu)成高濕環(huán)境。井下作業(yè)人員長(zhǎng)期處在高濕環(huán)境下，人體部分正常生理功能會(huì)被打亂，對(duì)身體狀態(tài)造成極大的影響。人員長(zhǎng)期處于高濕環(huán)境下會(huì)引發(fā)大量的慢性疾病，如：皮膚病、風(fēng)濕、類風(fēng)濕、皮膚病、消化及泌尿系統(tǒng)紊亂、心臟?。煌瑫r(shí)長(zhǎng)期高濕環(huán)境會(huì)誘發(fā)人員的心理問(wèn)題，長(zhǎng)期不舒適感會(huì)導(dǎo)致煩躁、壓抑、精神不集中、思想紊亂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致心理疾病。

3 礦井熱害的事故樹及防治措施

3.1 事故樹的建立

事故樹分析(FTA)法作為安全系統(tǒng)學(xué)中最主要的分析方法之一，在對(duì)事故發(fā)生的整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行危險(xiǎn)源辨識(shí)，通過(guò)邏輯關(guān)系將系統(tǒng)中的危險(xiǎn)源和各子系統(tǒng)相互聯(lián)結(jié)，將事故發(fā)生的直接原因和因果關(guān)系直觀表述出來(lái)，形成層次分明的事故樹模型，并根據(jù)各子因素概率對(duì)整個(gè)系統(tǒng)和頂上事件進(jìn)行定性分析，也可以通過(guò)事故概率進(jìn)行定量分析。通過(guò)對(duì)引發(fā)熱害事故的各類因素進(jìn)行歸類和分析，并將礦井高熱、高濕超限定義為頂上事件，頂上事件稱為礦井熱害事故。根據(jù)分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)整理，構(gòu)建了礦井熱害的事故樹，如圖1所示，各事件的說(shuō)明見(jiàn)表1[10-12]。

圖1 礦井熱害的事故樹模型

表1 礦井熱害事故樹模型的事件說(shuō)明

3.2 事故樹的作用

事故樹的作用是能夠以結(jié)構(gòu)化的方式清晰顯示可能導(dǎo)致事故發(fā)生的因素之間的邏輯關(guān)系，從圖1中可以看出，以礦井熱害為頂事件，包含了5個(gè)中間事件和12個(gè)底事件。各事件間互為邏輯或門關(guān)系，由此各底事件各自成為最小割集，即最小割集為{x1}、{x2}、…、{x12}。也就是下列各事件任一發(fā)生都會(huì)導(dǎo)致頂上事件礦井熱害事件發(fā)生，即礦井濕、熱環(huán)境超出限值。在實(shí)踐應(yīng)用中，當(dāng)分析礦井熱害事故時(shí)，可依此事故樹為參照，結(jié)合實(shí)際情況，分析可能出現(xiàn)的事故原因，為現(xiàn)場(chǎng)提供理論指導(dǎo)。同時(shí)也可以通過(guò)最小徑集原理，將上述12個(gè)底事件同時(shí)進(jìn)行管控，會(huì)大大減少礦井熱害事故發(fā)生。

3.3 礦井地質(zhì)熱害防治措施

現(xiàn)有主要防治手段：為了有效控制礦井內(nèi)部高溫高濕環(huán)境，常見(jiàn)降溫措施有：①保溫隔離措施。通過(guò)對(duì)巖壁進(jìn)行噴涂隔熱物質(zhì)形成保溫層，減少圍巖傳熱;②減少井下設(shè)備散熱。對(duì)大功率的局扇應(yīng)合理布置設(shè)立位置，機(jī)電硐室應(yīng)設(shè)置獨(dú)立通風(fēng)，調(diào)整工作面布置方式，減小不必要的風(fēng)路長(zhǎng)度；③管道熱控制。井下存在部分熱水管路和熱壓風(fēng)管，該類管路應(yīng)盡量敷設(shè)在回風(fēng)段，并且進(jìn)行超前疏水，管路進(jìn)行保溫處理，導(dǎo)水溝蓋板選用隔熱材質(zhì)；④爆破熱控制。井下爆破也是產(chǎn)熱源之一，該熱量應(yīng)及時(shí)通過(guò)回風(fēng)段排出，同時(shí)為人員安全考慮盡量與開采作業(yè)時(shí)間岔開；⑤調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)節(jié)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)流速度，加快風(fēng)流流速，對(duì)工作面內(nèi)的空氣進(jìn)行冷卻帶離。這就需要對(duì)主扇的工作特性進(jìn)行提升，并且減少整個(gè)礦井中不必要的漏風(fēng)，降低整個(gè)礦井的通風(fēng)風(fēng)阻值；⑥礦井通風(fēng)的輔助降溫。通過(guò)對(duì)進(jìn)風(fēng)井口進(jìn)行噴水對(duì)進(jìn)風(fēng)進(jìn)行冷卻，必要時(shí)對(duì)井壁進(jìn)行凍結(jié)，局部進(jìn)行噴淋降溫，采用壓風(fēng)引射器調(diào)風(fēng)，利用巖層調(diào)熱圈冷卻巷道風(fēng)流等。

未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)：由于制冷技術(shù)的快速發(fā)展，同時(shí)由于利用礦井通風(fēng)降溫、保溫隔離等方式也無(wú)法正?？刂凭伦鳂I(yè)環(huán)境超標(biāo)，應(yīng)考慮利用局部制冷調(diào)溫措施。由于井下空間需冷量范圍較大，同時(shí)空間相對(duì)密閉，對(duì)設(shè)備規(guī)模，設(shè)備安全性能都有極高的要求。通常制冷包含壓縮制冷、傳輸、散熱等部分，制冷劑必須符合井下防火、防爆以及無(wú)毒要求，冷量輸送介質(zhì)可選用水作為載體，通過(guò)管道輸送，對(duì)于深度較大礦井，必要時(shí)將冰塊直接輸送到井下作業(yè)面。國(guó)內(nèi)外在深井開采中傳冷處理上，常見(jiàn)方法為表面空冷式、噴淋式、吸收式等，同時(shí)制冷機(jī)的散熱問(wèn)題也是一個(gè)較大難點(diǎn)，通常利用礦井回風(fēng)系統(tǒng)將熱量帶出，該方法較為經(jīng)濟(jì)有效，但是應(yīng)注意不能超出回風(fēng)溫度上限。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)造成井下熱害現(xiàn)象各類因素進(jìn)行危險(xiǎn)源辨識(shí)，認(rèn)為井下熱害常規(guī)源為地?zé)帷⒖諝鈮嚎s熱、爆破熱、氧化熱以及設(shè)備散熱等，并對(duì)礦井熱害對(duì)人員身體和精神的危害進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了井下熱害事故樹分析模型，并將事故分為4層5個(gè)中間事件以及12個(gè)基礎(chǔ)底事件，并通過(guò)最小割集原理得知模型各底事件的發(fā)生都會(huì)對(duì)井下作業(yè)環(huán)境造成威脅。事故樹的建立可以為煤礦實(shí)踐工作提供指導(dǎo)，提高事故分析的效率。同時(shí)，分析總結(jié)了常用的礦井熱害防治手段，并對(duì)未來(lái)的防治方法進(jìn)行闡述，可以對(duì)礦井熱害的防治提供一定的參考。