高温热害矿井热环境参数测试及降温技术研究

刘增平，王坚志，孙京凯

(山东唐口煤业有限公司，山东济宁272100)

山东唐口煤业有限公司是淄矿集团在济北煤田投资新建的一座现代化大型矿井，设计年产量为300万吨。开采水平已达-1000m左右，原始岩温37℃，夏季7、8、9三个月，井下热害问题极为突出。为选择合理的降温技术，在2005年进行了环境参数的测试和降温技术的研究。

1  采掘工作面风温测试及分析

为了掌握唐口矿井井下热环境的现状及温度分布情况，于2005年4月至8月对唐口矿井的热害情况进行了实际调查和测试，2005年4～8月间采掘工作面的空气干球温度变化如图1～7所示。

根据对唐口矿井的实际测试结果分析可见：

    (1)煤巷的热害程度要高于岩巷。4月份井下煤巷掘进工作面每个独头巷道只配备一台局扇时，煤巷内的风温接近31℃，岩巷掘进工作面独头巷道内的风温达到27℃；5月份煤巷独头巷道虽配备两台局扇，但风温仍超过31℃，岩巷内的风温高于28℃；7、8月份，虽1301和2301已形成工作面和独立的通风系统，但巷道内平均风温仍高达32．6℃，个别地点接近34℃，此时，岩巷内的风温亦达到或超过32℃。

    (2)1301回采工作面的风温要高于2301面。4、5月份，1301工作面巷道内的风温要高于2301工作面3℃左右，7、8月份高1℃左右。

    (3)岩巷的热害现象不容忽视。虽煤巷的热害程度要高于岩巷，但目前井下同时作业的岩巷数目要远大于煤巷，大部分岩巷处于独头掘进作业时期，巷道内供风量小，风温高，人的不舒适感较强。

    (4)煤巷独头掘进时期是预防热害事故的重中之重。在回采工作面未形成独立的通风系统前，煤巷内的风量很小，风温很高，很容易发生中暑等热害事故。

    (5)井下空气的相对湿度非常大。各月份相对湿度RH都很大，这对通过提高风量来达到降温效果带来了困难，因为风量再大，如果RH很高，人体的汗液就不易蒸发，人就会觉得非常不适。

2  采掘工作面W13GT指数测试和分析

    WBGT作为工业热暴露极限指标，是一个用来评价高温作业环境的热强度指数；湿球黑球温度(WBGT)指数是由黑球、自然湿球、干球3个温度综合构成的，它综合考虑了空气温度、风速、空气湿度和辐射热(平均辐射温度)4个因素，可以比较准确地反映工作地点的气象条件。现在国际上比较通用的W13G'I指数是通过公式计算而获得的。(计算各参数时，还考虑到其随时间和空间的变化而采取平均值)。

    在室内和室外无太阳辐射热时：

    ；

    在室外有太阳辐射热时：

    ；

式中：一自然湿球温度，℃；

    一黑球温度，℃；

    一千球温度，℃。

    为了解唐口矿井井下热环境的WBGT指数情况，于2005年4月至8月对各采掘工作面的WBGT指标进行测试，如图8～14。根据测试结果，在4、5月份，唐口煤矿井下掘进工作面的WBGT指标已接近极限值(31℃)，7、8月份则超过该值。矿工在极其恶劣的热环境下进行作业，这从矿工的肺活量测试计算出的劳动强度指数也可以看出。

    经过在井下艰苦劳动之后，受测试两组(11／组)员工的体重减少主要集中在2～3kg这一区间范围，此区间约占受试人数的73％；仅有1人劳动前后的体重减少量少于1kg，占受试人数的4．5％；有2人(属于南部辅助运输大巷(岩巷)测试组)劳动前后的体重减少量大于5kg，占受试人数的9％，如表1和图15所示。

表1  工人个体劳动导致体重损失对比表

3  矿井地温测试和分析

    为了确定矿井原始岩温，选取矿井不同采掘地点对矿井原始岩温进行了测定。

3．1岩巷原始岩温测定

    (1)西部辅助运输巷与南大巷交叉口

    巷道开掘时间：2004年3月下旬；钻孔标高：-990m；钻孔离地面高度：1．75m；钻孔深度：4m；钻孔所在位置热环境参数：壁温30．70℃、干球温度30．1℃、湿球温度29．6℃、辐射温度30．6℃、相对湿度RH 94．6％、综合热舒适指标WBGT29．9℃。地温随钻孔深度增加的规律如表4一l所示。

表2地温测定结果

(2)南部辅助运输大巷迎头

    巷道开掘时间：2005年8月2日；钻孔标高：-1000m；钻孔离地面高度：1．7m；钻孔深度：4m；钻孔所在位置热环境参数：壁温为32．9℃、干球温度为32．9℃、湿球温度为32．4℃、辐射温度为32．5℃、相对湿度RI-I为96．4％、综合热舒适指标WBGT为32．5℃。地温随钻孔深度增加的规律如表3所示。

表3地温测定结果

(3)西部辅助运输巷与南大巷交叉口(2005年8月11日测试)：

    钻孔所在位置热环境参数：壁温为30．9℃、干球温度为31．4℃、湿球温度为30．5℃、辐射温度为31．7℃、相对湿度RH为93．8％、综合热舒适指标WBGT为30．9℃。地温随钻孔深度增加的规律如表4所示。

表4地温测定表

(4)南部辅助运输大巷迎头(2005年8月11日测试)：

钻孔所在位置热环境参数：壁温为33．4℃、干球温度为32．2℃、湿球温度为31．9℃、辐射温度为31．1℃、相对湿度RH为95．5％、综合热舒适指标WBGT为31．7℃。地温随钻孔深度增加的规律如表5所示

表5地温测定表

3．2  煤巷原始岩温测定,

    西部胶带运输巷迎头(2005年8月11日测试)：

    巷道开掘时间：2005年8月11日；钻孔标高：-950m；炮眼深度：2m；炮眼所在位置热环境参数：壁温为33．3℃、干球温度为31．6℃、湿球温度为31．3℃、辐射温度为31．0℃、相对湿度RH为96．5％、综合热舒适指标WBGT为31．3℃。炮眼温度为35．4℃。

    从上述地温情况可看出，地温变化较大，在30～37℃之间，考虑到西部辅助运输巷与南大巷交叉口开拓时间已有一定时间，已形成调热圈，故在-1100m水平，原始岩温确定为37℃。过和地质勘探时的地温基本一致。

4  降温技术的研究

    我国开展降温技术研究也近50年，目前国内外矿井降温技术，可分为非机械制冷降温技术，机械制取冷水降温技术，机械制冰降温技术和空气压缩式制冷技术。

    大量的现场实验也说明增加风量具有较好的降温作用，可使工作面风流温度降低1～4℃。日本学者的试验研究表明，增加通风量，则气流温度大幅度下降，并且温度的下降程度在通风量达到一定量时，有急剧加快之势，如果风量再继续增加，则气流温度的下降幅度又逐渐缓慢下来，最经济的通风量为巷道长度的0．56～0．84倍。

    增加风量是一种简单易行的降温方法，但是其降温幅度是有限的，其受进风温度和围岩温度等因素的影响。当围岩温度达到一定高度时，增加风量将不起作用。东滩煤矿研究表明原岩温度每增加1℃，工作面气温约增加0．5～0．6℃；“当生产水平岩温为34．8℃，风量在1000～1400m³/min降温效果较为明显，当综采工作面的风量增加到1600 m³／min后，可计算出采煤工作面的风温仍在30℃左右”；再增加风量也不会使工作面风温降到我国《煤矿安全规程》规定的26't2；孙村煤矿研究结果表明，：当采面风量在8 00m³／min以下时，工作面的温度随着风量增加，降温效果十分明显，800～1200 m³／min时，随着工作面风量增加，也有一定的降温效果。超过1200 m³／min时，而后恶化工作面的气候条件。唐口煤矿的实测也表明，在围岩温度较高时，增加风量效果并不明显，在1301轨顺4月份，风量在300m³／rnin时，气温在29℃，两台局扇供风，风量增加到560 m³／min，气温仍高达31℃。因此，可认为“当生产水平岩温超过35℃时，应考虑采取其它降温措施”。联邦德国曾对u型通风的采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。

    对于唐口矿井来说，-1000m水平地温在37℃，通风降温已不能取得较好的效果，增加风量只能增加人的舒适程度，从实测情况来看，效果并不明显，为此对整个矿井降温来说，通风已不能解决唐口矿井高温问题，必须进行机械降温。

作者简介：刘增平(1964一  )，男，汉族，1988年毕业于山东矿业学院，硕士学位，高级工程师。现为山东唐口煤业公司总工程师。