高原礦井井下環(huán)境參數(shù)測定及改善方案*

徐陽,何淼,黃輝,甘黎嘉,段朝輝

(1.重慶安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院,重慶 404020;2.義海能源有限責(zé)任公司 大煤溝煤礦,青海 海西 817000)

煤炭資源開采強度的加大使得東部地區(qū)礦山資源日漸枯竭,國內(nèi)很多礦山企業(yè)將目光紛紛轉(zhuǎn)向西部.我國西部高原地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富,這些資源的開發(fā)可以更好地促進(jìn)西部經(jīng)濟(jì)建設(shè),更能夠緩解我國礦產(chǎn)資源匱乏的局面.但是高原地區(qū)空氣稀薄、大氣壓力低、氣候寒冷、干燥,高原氣體性質(zhì)大幅度變化,使得高原礦井與平原地區(qū)普通礦井的環(huán)境條件相差較大.人員、設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重的降效現(xiàn)象,特別是人員在高原環(huán)境下工作,不僅勞動效率大幅度下降,而且嚴(yán)重影響身體健康.高原低氧環(huán)境對人的影響主要體現(xiàn)在對人體呼吸系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等方面,容易引起腦組織代謝障礙、顱內(nèi)壓增大、呼吸和心跳異常、腸胃功能紊亂、消化腺分泌減少等問題.如何改善高原礦井作業(yè)環(huán)境條件,保證人員健康安全,成為高原礦井安全生產(chǎn)的一大問題.

崔延紅[1]等通過分析高原低氣壓環(huán)境對礦井安全生產(chǎn)的影響,提出了高原礦井適宜生產(chǎn)環(huán)境指標(biāo),并提出了符合娘姆特煤礦實際的補氧系統(tǒng)設(shè)計.李國清[2]等以高原某金屬礦為研究對象,進(jìn)行了井下環(huán)境數(shù)據(jù)測定,分析了該礦山井下氧氣分布規(guī)律,并提出礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化建議.目前關(guān)于高原病學(xué)及高原保健問題的研究相對廣泛,研究成果(如發(fā)病機(jī)制、防治措施和相關(guān)藥物等)對解決高原礦井應(yīng)急醫(yī)療問題起到技術(shù)指導(dǎo)作用,如董旭、胡松濤[3,4]等學(xué)者分析了高原低氧環(huán)境對人體心肺結(jié)構(gòu)等功能及人體舒適度的影響.張繼業(yè)、張寶勇、康建東[5-7]等學(xué)者針對高寒環(huán)境,提出了井筒防凍加熱系統(tǒng)設(shè)計思路.基于高原礦井井下環(huán)境改善的研究,對保證高原礦井安全、高效生產(chǎn),保障員工生命健康安全具有重要的理論和應(yīng)用意義.

1 礦井概況

大煤溝礦位于柴達(dá)木盆地北緣東部、大肯大板山東南,位于青海海西大柴旦,海拔+3 500 m左右.礦區(qū)年平均氣溫1.6 ℃,最高氣溫29.6 ℃,最低氣溫-28.5 ℃,平均溫差30.8 ℃;年降水量80 mm,最高96.1 mm,降水時間集中在6月～8月.

礦井采用三條斜井雙翼片盤開拓,單水平上下山開采.副斜井作為礦井進(jìn)風(fēng)井和安全出口,擔(dān)負(fù)全礦井升降人員和設(shè)備、提矸下料等任務(wù).礦井現(xiàn)有2個進(jìn)風(fēng)井(主井和副井),一個回風(fēng)井(風(fēng)井).通風(fēng)方式為中央并列式,通風(fēng)方法為抽出式.礦井總進(jìn)風(fēng)量為2 090 m3/min,總排風(fēng)量達(dá)2 198 m3/min,礦井有效風(fēng)量率為88.8%,礦井總等積孔為2.55 m2.

2 井下環(huán)境參數(shù)測定及分析

圖1 測面布置

礦山所在區(qū)域高寒缺氧,干旱少雨,氣候惡劣,礦區(qū)內(nèi)大部分職工來自平原地區(qū),較難適應(yīng)高原環(huán)境下的連續(xù)工作.為改善礦井工人工作環(huán)境,保證礦井生產(chǎn)安全,對井下各作業(yè)點的氧含量、溫濕度、大氣壓變化等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測定分析,掌握其分布規(guī)律.

2.1 測定方案

結(jié)合前期文獻(xiàn)分析及礦山工作實際,制定具體測定方案.選擇井下F211040,F211050關(guān)鍵作業(yè)點,規(guī)劃布置(測面布置見圖1),利用精密氣壓計、氧濃度測試儀、干濕球溫度計等設(shè)備于測點處每1 h檢測一次,記錄井下主要作業(yè)時間內(nèi)環(huán)境參數(shù)并分析.測定計劃如表1所示.

表1 測定計劃表

2.2 測定數(shù)據(jù)分析

結(jié)合測定數(shù)據(jù),將每條巷道測點數(shù)值取平均,繪制參數(shù)變化圖,圖2～圖6為具有代表性的趨勢圖.

圖2 F211050工作面大氣壓力變化

圖3 F211050工作面進(jìn)風(fēng)巷相對濕度變化

圖4 F211040工作面進(jìn)風(fēng)巷溫度變化

圖5 F211040工作面氧濃度變化

圖6 F211050工作面回風(fēng)巷氧濃度變化

測定結(jié)果表明,井下全天大氣壓力壓差變化在150～200 Pa,相比地面來說,整體變化幅度較小,但大氣壓總體偏低.巷道內(nèi)相對濕度約50%,整體較適宜.井下溫度整體偏低,F211040工作面進(jìn)風(fēng)巷平均溫度約為8.5 ℃,部分測點最低值為5 ℃,遠(yuǎn)低于井下人體工作適宜溫度(15～20 ℃).F211040工作面及F211050工作面回風(fēng)巷氧濃度要比相應(yīng)進(jìn)風(fēng)巷低一個百分點左右,回風(fēng)巷氧濃度(體積分?jǐn)?shù))在19.8%左右,進(jìn)風(fēng)巷氧濃度(體積分?jǐn)?shù))在20.8%左右,原因在于工人們在勞動過程中會消耗部分氧氣,使得回風(fēng)巷中的氧濃度降低.

2.3 井下氧含量分析

經(jīng)測定,井下氧氣體積分?jǐn)?shù)與正常值相比差異不大,但由于高原地區(qū)空氣稀薄,同等體積分?jǐn)?shù)下的氧氣質(zhì)量必然減少,勢必影響工人正常用氧量.

2.3.1 大煤溝礦區(qū)空氣密度

理想氣體狀態(tài)方程為

(1)

式中:P為大氣壓強,Pa;V為氣體體積,m3;m為氣體質(zhì)量,g;M為氣體的摩爾質(zhì)量,M=29 g/mol;R0為通用氣體常數(shù),R0=8.314 J/(mol·K);T為空氣的絕對溫度,K.

由式(1)得空氣密度ρ為

(2)

(3)

根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下P0=101 325 Pa,ρ0=1.293 kg/m3,大煤溝礦區(qū)大氣壓強P=63 624 Pa,根據(jù)式(3)得出大煤溝礦區(qū)空氣密度為0.811 9 kg/m3.

2.3.2 大煤溝礦區(qū)空氣氧含量

氧含量為空氣密度與氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乘積.根據(jù)空氣的平均相對分子質(zhì)量(29)和氧氣相對分子質(zhì)量(32)計算氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為23.1%,大煤溝礦所在海拔的空氣密度約為0.811 9 kg/m3,得出大煤溝礦區(qū)空氣氧含量約為0.188 kg/m3.標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣中的氧氣含量為0.298 kg/m3,可見大煤溝礦區(qū)空氣氧含量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值,僅為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的63.1%,人員長期在氧含量不足的環(huán)境下工作,必定會降低工作效率,影響身體健康.

2.4 井下作業(yè)感受調(diào)查及肺通氣量測定

2.4.1 井下作業(yè)感受調(diào)查

為了解一線工人在井下低壓低氧狀態(tài)下的工作感受,制定調(diào)查問卷(見表2).

表2 大煤溝礦井下人員作業(yè)感受調(diào)查

分別在掘進(jìn)隊、運輸隊、通修隊和采煤隊四個隊中隨機(jī)抽取30名工人作為調(diào)查對象進(jìn)行問卷調(diào)查分析.調(diào)查結(jié)果為掘進(jìn)隊30名工人中,有24名工人在工作達(dá)7 h后出現(xiàn)氣喘嚴(yán)重的現(xiàn)象;運輸隊30名工人中,有15名工人在工作達(dá)5 h內(nèi)出現(xiàn)氣喘現(xiàn)象,有10名工人在工作超過5 h后出現(xiàn)氣喘嚴(yán)重現(xiàn)象;通修隊30名工人中,有18 名工人在工作5 h內(nèi)出現(xiàn)氣喘現(xiàn)象,有16名人在工作5 h后氣喘嚴(yán)重,同時也有4名工人在工作2 h后即出現(xiàn)氣喘嚴(yán)重現(xiàn)象;采煤隊30名工人中,有16名工人在工作不到2 h就出現(xiàn)氣喘現(xiàn)象,21名工人工作達(dá)4 h以上出現(xiàn)氣喘嚴(yán)重現(xiàn)象.調(diào)查結(jié)果表明,多數(shù)工人井下作業(yè)時有明顯缺氧感受,氣喘嚴(yán)重.

2.4.2 井下工人肺通氣量測定及分析

為衡量大煤溝礦井下工人的勞動強度適宜度,采用整群抽樣法[3],對井下工人肺通氣量情況進(jìn)行了實測,測試儀器為FT-01型肺通氣量儀,具體測定結(jié)果見表3.

由測試結(jié)果分析可得

1)各工種人員的肺通氣量比平原地區(qū)高.井下肺通氣量較小的為絞車司機(jī)和技術(shù)員(因其體力勞動相對較小),其平均流量達(dá)到15.79 L/min,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出平原地區(qū)成人的6～8 L/min[8].

2)不同工種人員的肺通氣量差異明顯.勞動強度低的工種人員肺通氣量低,如絞車司機(jī)和技術(shù)員;勞動強度高的工種人員肺通氣量高,如采煤工、架子工和掘進(jìn)工.

3)相對于平原地區(qū),高原地區(qū)同工種作業(yè)人員需氧量較大,又因高原地區(qū)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低,實際供氧量達(dá)不到氧需的要求,工人勞動強度變相增大,因此礦山在進(jìn)行勞動組織設(shè)計時要把供氧問題納入考慮.

表3 大煤溝煤礦各工種肺通氣量數(shù)據(jù)(均值)

3 井下環(huán)境改善方案

為改善大煤溝煤礦井下低溫、低壓、低氧含量的環(huán)境狀況,創(chuàng)建適宜的煤礦井下工作環(huán)境,提出以下優(yōu)化建議.

3.1 井口風(fēng)流加熱

查閱歷年氣象資料發(fā)現(xiàn),近年來該礦區(qū)溫度每年4月～10月相對較高,11月至次年2月較低,平均溫度在5 ℃左右,最低氣溫可達(dá)-30 ℃左右.為保證冬季正常作業(yè),依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》要求,需對風(fēng)流進(jìn)行加熱處理.可在進(jìn)風(fēng)井附近設(shè)置專用空氣加熱室,采用電爐加熱或利用低濃度瓦斯蓄熱氧化加熱技術(shù),對進(jìn)風(fēng)流進(jìn)行加熱處理,保證井下各作業(yè)點溫度適宜[5-7].該方案在實施時要考慮溫度變化對風(fēng)速和風(fēng)量的影響,定期調(diào)節(jié)風(fēng)量風(fēng)速,保證用風(fēng)合理性;還需考慮溫度沿風(fēng)流方向衰減的現(xiàn)實問題,在確定初始加熱溫度時要綜合考慮,結(jié)合現(xiàn)場溫度實測,合理調(diào)節(jié),必要時可采取多級多點加熱的方法.

3.2 改變通風(fēng)方式

礦井目前通風(fēng)方法是抽出式通風(fēng),該方式為負(fù)壓通風(fēng),加劇了井下低壓問題.高原地區(qū)大氣壓強計算公式為

(4)

式中:P為大氣壓強,Pa;h為海拔標(biāo)高,m.

根據(jù)式(4)計算各測點自然狀態(tài)下的大氣壓,結(jié)合井下實測大氣壓數(shù)據(jù),對比發(fā)現(xiàn)井下抽出式通風(fēng)狀態(tài)下大氣壓強比自然狀態(tài)下平均約低723 Pa,詳見表4.

表4 井下抽出式通風(fēng)與自然狀態(tài)大氣壓對比

從表4數(shù)據(jù)看出,在抽出式通風(fēng)影響下,井下低壓狀態(tài)不僅沒有改善,反而更加嚴(yán)重,井下的氧分壓更低.建議礦山綜合考慮各項因素,優(yōu)先選擇壓入式通風(fēng)[9,10].同時可以合理設(shè)置進(jìn)、回風(fēng)段風(fēng)阻,減小用風(fēng)段阻力,提高回風(fēng)段阻力,增加用風(fēng)段大氣壓力,輔助解決低壓問題[2].

3.3 井下集中與局部彌散補氧

圖7 局部彌散補氧

為應(yīng)對井下員工因缺氧產(chǎn)生的突發(fā)性事故,及時提供救助條件,可在地面建立制氧系統(tǒng),通過氧氣管網(wǎng)送至井下各補氧地點.在井底車場、避難硐室等固定場所設(shè)置集中補氧點,當(dāng)工人出現(xiàn)思維紊亂、頭暈嘔吐等缺氧狀況時能被及時送至集中補氧點進(jìn)行吸氧恢復(fù).在工作面、掘進(jìn)面等作業(yè)人員集中場所(工作強度大、需氧量大)設(shè)置彌散式補氧[11-14],即在上述地點利用輸氧管網(wǎng)適當(dāng)補充氧氣,提高局部作業(yè)區(qū)域的氧含量,滿足井下高強度作業(yè)工人的需氧量(彌散補氧示意圖見圖7).彌散式補氧的主要目的在于保證正常生產(chǎn)時多人用氧需求.由于輸氧管網(wǎng)中存在高壓、高濃度氧氣,氧化性極強,需加強對氧氣管網(wǎng)的風(fēng)險識別和隱患排查,考慮掘進(jìn)面、工作面環(huán)境復(fù)雜和多變性,要實時監(jiān)測補氧點的氧含量,裝設(shè)氧濃度監(jiān)測報警和超標(biāo)聯(lián)鎖切斷裝置,以保證補氧的安全性.在具體實施時,要結(jié)合礦山實際,綜合考慮設(shè)備的高原適應(yīng)性和安全性,以及方案的經(jīng)濟(jì)合理性等.

4 結(jié)論

1)大煤溝地區(qū)井下環(huán)境溫度整體偏低,應(yīng)采用井口風(fēng)流加熱的方法調(diào)節(jié)井下溫度.

2)礦井在抽出式通風(fēng)狀態(tài)下,井下大氣壓比自然狀態(tài)下平均約低722.9 Pa,加劇了井下低壓缺氧問題,應(yīng)將通風(fēng)方式調(diào)整為壓入式通風(fēng).

3)大煤溝礦區(qū)空氣氧含量約為0.188 kg/m3,僅為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的63.1%,井下員工多數(shù)受到低壓缺氧環(huán)境影響.井下應(yīng)采用集中與局部彌散補氧相結(jié)合的補氧方案.