1、 . 15/15HYPERLINK :/ 煤礦熱害現狀隨著社會的發展和煤炭資源需求的日益增加，煤炭產量日益增大，淺部煤炭資源越來越少，世界各主要采煤國家相繼進入深部開采。隨著開采深度的增加，地溫也隨之升高。德國和俄羅斯的一些煤礦開采深度已達14001500m；南非卡里頓維爾金礦開采深度達3800m，豎井井底己達地表以下4146m；加拿大超千米的礦井有30對，美國有11對。我國煤礦目前的開采深度平均每年以812m的速度增加，采深超過1000m的礦井已有數十對，采屯煤礦開采深度為1197m、開灤各莊礦開采深度為1159m、新汶村礦為1059m、門頭溝開采深度為1008m、長廣礦開采深度為1000m

2、。據世界各地的測量資料，全球平均地溫梯度約為3/100m。據我國煤田地溫觀測資料統計，百米地溫梯度為24/100m，已探明的儲量中，10002000m深處的煤炭儲量占總儲量的53.2%。根據2001年有關統計，我國已有130多對礦井出現了不同程度的熱害，全國煤礦中采掘工作面氣溫超過30的高溫礦井有88座（不含年產量30萬噸/年以下的礦井），其中30-32的有31座，32-35的有37座，35以上的有20座。按我國行政區域劃分：華中地區有18座，其中以、豐城和為代表；華東地區有39座，其中以兩淮、兗州、新汶、（含大屯）和巨野為代表；華北與東北有26座，其中以峰峰（）、開灤、鐵法、北票、和雞西為代

3、表；其它地區（2座、1座、1座、1座）5座，據最近有關資料，西北的地區煤礦也存在礦井高溫熱害問題。綜上，礦井熱害問題越來越嚴重，已成為與礦井瓦斯、火、粉塵、礦壓、水并列的六大災害之一，熱害已嚴重了影響井下作業人員的身體健康、工作效率和礦山經濟效益，甚至影響整個國民經濟的可持續發展。1.9.2煤礦熱害的危害1.9.2.1 熱害對人的危害在高溫熱害礦井中，工作人員的身心健康受到極大的影響。例如，六礦回采工作面風溫高達32，相對濕度達99以上，1984年8月30日，1個班就有4名礦工中暑倒在工作地點。平煤集團五礦在1996年69月份，井下工人每天都有中暑和被熱擊的，礦山救護車基本每天叫，最多的一次，

4、一班有8人中暑。新汶礦業集團村煤礦2002年79月份，采煤工作面正常工作時每班有48人，但實際出勤人數只有56人，采煤工作幾乎癱瘓，致使三個月的產量沒有正常時一個月的高。日本1979年全國調查統計，3040 氣溫的工作面，比低于30 時的事故率高3.6倍；南非多年的調查統計，當礦作業地點的空氣濕球溫度達到289 時，開始出現中暑死亡事故。氣溫每增加1，礦工勞保醫療費增加810%；根據南非的最新統計，在濕球溫度32.833.8下工作的工人，千人中暑死亡率為0.57，表1為南非金礦井下溫度與事故率的關系。表1 井下溫度與事故率的關系作業地點氣溫/27293132工傷頻次/千人0150300450在

5、高溫環境中，人的中樞神經系統容易失調，從而感到精神恍惚、疲勞、周身無力、昏昏沉沉，甚至中暑昏倒、嘔吐和濕疹等，高溫高濕環境使工人的身體和工作能力受到極大的傷害，同時這種精神狀態成為誘發事故的原因。1.9.2.2 熱害對機電設備的危害礦井里任何機電設備、電纜均是通過與環境的對流來散發本身所產生的熱量，其工作環境溫度、濕度超過規定的限值或長期處在限值附近時，必將導致設備散熱困難，以致發生設備故障。有關統計表面，氣溫每增加1，井下機電設備的故障率增加1倍以上。機電設備的環境溫度要求：我國礦用一般型機電設備的工作環境溫度為40；礦用隔爆型機電設備的45。但這并不等于說，只有到了上述限值才會發生設備故障

6、,如果機電設備長期處在上述限值附近，則機電設備故障率將大增。日本通產省的調查統計表明：機電設備在相對濕度90%以上、氣溫為3034的地點工作時，其事故率比低于30的作業地點高3.6倍。這也是我國為甚么規定機電設備硐室空氣溫度不得超過34的原因。綜上所述，熱害問題已成為制約煤炭工業發展的瓶頸，影響了整個國民經濟的可持續發展，因此煤礦熱害防治從思想、人才隊伍建設和技術裝備材料等多方面提出較高的要求。1.9.3煤礦熱害防治技術應用現狀國外礦井熱害防治技術自20世紀20年代即已興起，至今已有80余年的歷史，但是迅速發展并廣泛應用是在20世紀70年代以后，我國開展礦井降溫技術研究也近50年。縱觀國外礦井

7、降溫技術，可分為非人工制冷降溫技術和人工制冷降溫技術。1.9.3.1 非人工制冷降溫技術非人工制冷降溫技術主要以通風降溫為主，再輔助以其他降溫措施，如控制熱源、控制風流、個體防護以與其他方法等。1 增加風量理論和實踐都證明，在一定條件下（如原風量較小），增加風量是熱害礦井最經濟的治理手段之一，增加風量不僅可以排出熱量、降低風溫，而且還可以有效地改善熱體的散熱條件，增加舒適感。但增加風量到一定程度時，增風降溫效果就會減弱，同時也受到井巷斷面和通風機能力的各種因數的制約，有一定的應用圍。聯邦德國曾對U型通風的采煤工作面有效溫度與巖層溫度的關系進行探討，得出當巖層溫度達40時，工作面有效溫度上升到3

8、2(聯邦德國礦熱環境的允許作業溫度上限)，巖層溫度每增加1，有效溫度增加0.7”；“巖層溫度超過40，就不能采用增加風量降溫措施”。南非麥菲爾遜M.J也認為，當原巖溫度超過40，必須減少空氣量，增加空氣冷卻度。2 選擇合理的開拓開采方式和礦井通風系統（1）確定合理的礦井開拓開采方式，盡量減少圍巖和煤體的與風流的接觸面積，有效減少排熱亮；（2）盡可能縮短進風路線的長度，以減少圍巖的散熱量；（3）盡量避免煤流與風流反向運行，以防止煤炭運輸放熱和設備放熱帶入工作面；（4）回采工作面采用下行通風，因為采用下行通風時，風流是從路程較短的上部巷道進入工作面，且減少了煤炭放熱的影響。3 控制熱源的放熱量（1

9、）巷道隔熱，在高溫巷道噴涂或充填絕熱材料，減少圍巖放熱；（2）管道和水流隔熱，減小管道放熱，減小熱水對風流的增溫增濕作用；（3）合理擺放熱源體位置，如發熱量大的大型機電硐室應獨立回風，以減小機電放熱。4個體防護對于個別氣候條件惡劣的地點，由于經濟和技術上的原因，不能采取其他降溫措施時，可對礦工采取個體防護，穿戴輕便的冷卻背心或冷卻帽。南非加爾德萊特公司生產的冷卻背心干冰用量為4Kg，制冷量為80106W，冷卻時間達68小時；德國米塔爾公司的冷卻冰背心，冰量為5kg，沒有冷媒循環系統和運動部件，制冷量220W時可持續2.5小時。礦務局科研所還開發出了個體防護冷卻用的冰背心，由于該冰背心溫度不可調

10、節，在平一礦試用了一段時間。試用表明，工人長期穿冰背心3個月，就會出現關節炎、風濕性心臟病。5 其他措施其他的措施如煤層注水預冷煤層、在進風巷道放置冰塊、利用調熱圈巷道進風等，實踐表面，這些措施的降溫效果皆不理想。另外，還可以縮短勞動時間，將“三八”作業制改為“四六”作業制，間歇性休息，為工作人員提供高溫補貼和防暑飲料等。1.9.3.2 人工制冷降溫技術縱觀國外，自20世紀70年代，人工制冷降溫技術在礦井熱害防治中的應用開始迅速發展，使用越來越廣泛成熟。美國、德國、南非、印度、波蘭、俄羅斯和澳大利亞等國家多采用該項技術。我國自80年代采用機械制冷來治理熱害，經過90年代的發展，到21世紀已經在

11、規模上達到發達國家水平，技術上與發達國家還有一定的差距。從礦井熱害治理的現狀和趨勢來看，人工制冷降溫技術已經成為礦井降溫的主要手段。1 人工制冷降溫技術的分類人工制冷降溫技術根據熱力學特點的不同又可分為人工制取冷水降溫技術、人工制冰降溫技術和壓縮空氣制冷降溫技術。第一類，人工制取冷水降溫技術。（1）蒸汽壓縮式循環制冷技術，主要是以氟里昂和氨為制冷劑的冷水機組，主要是制取冷水，如圖1.9.1所示；（2）以熱電站為熱源的溴化鋰制冷，如圖1.9.2所示，再串聯壓縮式制冷機組或氨吸收式制冷機組制取冷水。圖1.9.1 蒸汽壓縮制冷圖1.9.2 吸收式制冷第二類，人工制冰降溫技術。人工制冰降溫系統主要分為

12、制冰、輸冰、融冰、輸冷、排熱五個環節，其工藝示意圖如圖1.9.3所示。圖1.9.3 制冰降溫系統工藝流程示意圖第三類，壓縮空氣制冷降溫技術。又有渦輪式空氣制冷、變容式空氣制冷、渦流管式空氣制冷和壓氣引射器制冷等形式。壓縮空氣制冷降溫技術是利用空氣壓縮機出來的壓縮空氣經過空氣制冷機降溫，變成低溫的高壓空氣，出來后與局扇風筒中的空氣混合而達到降溫的目的。根據工藝的不同可分別應用于掘進工作面和采煤工作面，如圖1.9.4、圖1.9.5所示。圖1.9.4掘進面降溫工程布置示意圖圖1.9.5 采煤工作面降溫工程示意圖2 人工制冷降溫布置方式人工制冷降溫技術根據制冷站的布置方式可分為地面集中制冷降溫系統、井

13、下集中制冷降溫系統、井上下聯合集中制冷降溫系統和井下局部制冷降溫系統。地面集中制冷系統，包括制冰、吸收式制冷、蒸汽壓縮式制冷、吸收制冷與蒸汽壓縮制冷結合的方式（傳統的說法叫熱電冷聯產），地面集中制冷降溫系統示意圖如圖1.9.6所示。圖1.9.6 地面集中制冷降溫系統井下集中制冷降溫系統，制冷和排熱都在井下進行，其系統示意圖如圖1.9.7所示。圖1.9.7 井下集中制冷降溫系統示意圖局部制冷降溫，制冷排熱都在井下進行，如現在的移動制冷機制冷、空氣壓縮制冷，其系統示意圖如圖1.9.8所示。圖1.9.8 局部制冷降溫系統布置示意圖3人工制冷降溫國外應用現狀20世紀20年代初，南非、巴西等國家的金礦開

14、采，已深入到1000m以下，出現了礦井熱害。1912年，南非最早系統研究了礦井風流熱力學規律。1920年巴西的莫勞約里赫金礦在地面安裝了第一臺制冷量為1768KW的氨制冷機，建立了世界上第一個礦井空調系統。1924年，德國的依本比倫煤礦建立了井下集中制冷降溫系統。1939年，比利時的Les lie geoi 煤礦地面安裝集中制冷站，制冷量800USRT，服務1000m深采掘工作面降溫，并采用皮爾頓透平機減壓。1951年，德國Neumilhl煤礦在-770m水平掘進面安裝小型局部降溫設備，是世界上最早使用局部降溫的國家。世界上開采深度最大、降溫系統規模最大的當屬南非金礦。1971年南非己有44個

15、礦井采用人工制冷降溫，總制冷量達16.8萬千瓦。1975年，除南非金礦外，世界各國大都是采用局部降溫系統，如原聯研制成功了礦用移動式制冷機，在煤礦和金屬礦獨頭掘進巷道中得到應用。1975年以后，各國礦井降溫工作的發展異常迅速，在德國、俄羅斯、烏克蘭、英國、比利時以與印度等國建立了近百個大型礦井制冷降溫系統。1986年南非的Anglogolds Mponeng 金礦，該礦開采深度3000m以上，總裝機制冰量8800t/d，制冷量為24MW，采用以色列產真空制冰機制取顆粒狀冰，形成了完整的制冰、水平輸冰、垂直輸冰、井下融冰工藝，為世界各國借鑒冰降溫起到了決定性作用。南非開發電真空制冰降溫的主要原因

16、是：井深大，熱害嚴重，傳統的井下集中制冷規模受限；采用地面集中降溫時，井下熱壓轉換設備技術要求高、投資大；采用電制片冰降溫時，冰堵嚴重、能耗大、投資大、運行成本高。因此，采用真空冰降溫的根本目的是為了避免傳統降溫方法存在的問題，但從技術經濟角度綜合考慮，南非相關規程規定：“礦井采深超過3660m，生產水平原始巖溫超過65時才采用冰冷降溫”，美國ASHRAE標準規定：“當礦井開采深度超過3660m，且水和空氣排熱性能受限時，可考慮冰冷降溫系統”。我國煤礦目前，乃至今后很長一段時間，開采水平巖溫超過65的礦井數量極少。1989年，南非一金礦建成壓縮空氣制冷空調系統，管道輸送被壓縮成液態的空氣至井下

17、，經膨脹后與工作面風流摻混，實現對工作面風流的冷卻。1989年，波蘭推出了渦流管式空氣制冷裝置，在掘進工作面使用取得了一定的空調效。德國截至1990年全國煤礦32座礦井就有27對采用了機械降溫，總制冷能力為300MW。目前，南非、德國、英國、加拿大等國家，在制冷裝置和熱交換設備的容量、安裝地點的選擇、設備選型和提高設備制冷效率等方面的研究較多。美國是世界上礦井降溫專利、專著最多的國家。4人工制冷降溫在我國應用現狀我國在上世紀60年代初開始采用局部制冷空調，如冷凍機廠研制了JKT70型礦用移動式冷水機組，制冷量為232KW。19641975年，在九龍崗礦設計了我國第一個礦井局部制冷降溫系統。19

18、821987年，新汶礦務局村煤礦在400m水平建立了我國第一個井下集中空調系統，制冷站制冷能力為326KW，設備選用通用機器廠生產的IIF50O型離心式制冷機，制冷量為581KW，投資600萬元。19861991年，八礦建立了我國第二個井下集中空調系統，制冷站制冷能力為4652KW。采用IIIF100O型離心式制冷機，制冷量為1163KW，投資1000萬元。 1993年7月，礦務局科研所和原中國航空工業總公司第609研究所改裝成KKL10渦輪空氣壓縮制冷機，制冷原理為壓縮空氣對外膨脹對外做功制冷。19921995年，新汶礦務局建立了我國第一個礦井地面集中制冷降溫系統，引進美國設備，設計制冷能力

19、為5600KW，當時可算是亞洲最大的礦井制冷降溫系統，投資2300萬元。1997年，平煤八礦采用塊冰制冷，通過保溫車運到掘進工作面形成冰水混合物，通過空冷器實施掘進面降溫，取得了較為明顯的降溫效果，但由于運冰過程影響生產運輸，無法實現連續、穩定降溫，且降溫運行成本高等，導致該項技術未能推廣。2002年夏，三礦1442工作面裝備了一臺LFJ-160礦用移動式冷風機組，降溫12。同年，新集礦210807綜放面裝備了兩臺德國LKM-290型礦用冷風機組，降溫2左右。2004年6月15日，新汶村礦建立冰冷低溫輻射降溫礦井空調系統，由制冷、制冰、輸冰、融冰、輸冷、散冷等六大系統組成，投資5600多萬元，

20、一期工程日產冰達500噸。2006年礦業集團公司從德國WAT公司引進了6臺DV400井下移動式大氣降溫機組成2套工作面局部降溫系統，分別在一礦2171(1)、三礦14102(1)2個高溫工作，降溫幅度23。2007年，國投新集莊礦和德國西瑪格合作安裝兩套制冷設備，合計制冷能力5.5MW，可向井下冷卻循環回路提供3、300m3/h冷凍水，總投資1億，僅電費運行成本200萬元/月。2007年，平煤集團四礦設計安裝了利用電廠余熱的熱電冷聯產的雙效溴化鋰吸收式制冷機組一套，螺桿式乙二醇制冷機組3套，總裝機制冷量12260KW，一期工程制冷量7750KW，首期投資4500萬，僅電費運行成本50萬元/月。

21、2008年，礦業顧橋礦建成30噸/日制冰站，將冰運輸至井下撒冰，或將冰塊放置于局扇進風口，效果較差。2009年，礦業丁集礦、顧橋礦、一礦、三礦等正在積極引進德國設備，建立熱電冷聯產的地面集中制冷降溫系統。2009年，永榮礦業煤礦正在打造降溫效果與經濟并重的礦井降溫系統。5人工制冷系統技術比較地面集中制冷系統，包括制冰、吸收式制冷、蒸汽壓縮式制冷、吸收制冷與蒸汽壓縮制冷結合的方式（流行的說法叫熱電冷聯產）；井下集中制冷系統，制冷、排熱都在井下進行；井上井下聯合，包括井下制冷地面排熱式、井上井下二級制冷地面排熱式；局部制冷降溫，制冷排熱都在井下進行，如現在的移動制冷機制冷、空氣壓縮制冷；這些方式各

22、有優缺點，比較如表1.9.1所示表1.9.1 人工制冷系統比較表空調系統優 點缺 點地面集中排熱方便、安全可靠要用高低壓換熱裝置供冷管道長，冷損大井下集中冷損小 、無高壓冷水系統設備有特殊要求基建、安裝、維護、管理不便聯合布置減少冷損系統復雜、設備分散、不易管理局部式冷量損失小、簡單設備分散，排熱困難，不適合該礦壓縮空氣式制冷能力小、只適用于掘進頭制冰式制冷量大、 適用大型深熱礦井初期投資大、能耗高2.9煤礦熱害防治技術發展戰略2.9.1 加強理論實驗研究礦井熱害治理工程設計是一項系統工程，涉與地球物理學、流體力學、熱力學、傳熱學、傳質學、力學、環境衛生學、空調技術、給水排水、電氣控制、管網學

23、、監測監控與其他相關設計技術等多個學科，系統復雜。為此各種理論仍需要不斷發展，如精確測量地溫梯度、熱源調查、采掘面與風流間的對流換熱系數、螺桿壓縮制冷機型線、供冷排熱理論、熱力參數科學測定和預測、井田地溫場與地層構造、水文地質的相互關系等，目前的各種理論仍需繼續發展。加強進行勞動衛生學研究，為制定礦氣象環境的衛生標準提供科學依據。2.9.2 發展熱害治理技術、裝備和材料2.9.2.1個體防護裝備高溫礦井個體防護裝備主要是冰背心，通過國外應用經驗表明，連續長期使用會導致關節炎、心臟病等病癥，因此，這種個體防護裝備一直都未推廣應用開來，我國也只是在平一礦試驗用過一段時間，在其他高溫礦井中未見應用。

24、因此，研制新型的高溫礦井個體防護裝備，將在礦井降溫投入上節約大量人力、物力和財力。2.9.2.2強化高效換熱技術與裝備莊礦引進德國制冷設備建立的集中制冷系統，月運行費用200萬元。平煤四礦建立了吸收電廠余熱遠大空調加螺桿冷水機二級制冷機組的地面集中制冷系統，僅電費仍需50萬元/月。究其原因是地面至井下高差較大，載冷劑為水溶液，地面冷凍水需不斷和井下換熱器進行熱交換，目前深井降溫系統中常用的熱壓轉換設備有高低壓換冷器、三腔式換熱系統和透平機能量回收裝置三種， 造成電費居高不下，為此可發展“U”型管技術，充分利用循環冷凍溶液的勢能動能轉換裝備，并更換載冷劑，而不僅僅是實現高、低壓轉換的技術和裝備。

25、還需發展制冷降溫分析技術和確定管網系統的經濟流速，以減少運行費用。人工制冷運行費用高的因數還有換熱器不夠高效，致使排熱不暢，造成制冷效率下降，因此強化高效換熱技術、裝備也需要發展。2.9.2.3高效絕熱管網和監測技術與裝備我國大部分熱害礦井進風路線都比較長，熱害是由多種熱源的共同作用形成的。下表所示為典型深熱礦井沿風流路線各熱源所占比例。表1 我國典型深熱礦井熱源分布情況礦井名稱圍巖散熱機電散熱壓縮熱運輸散熱氧化散熱其它三礦40%24%20%8%6%2%一礦36.04%27.66%20.85%7.7%6.45%1.3%平五礦-450m水平51%10%14%19%4%平五礦-650m水平72%6

26、%16%4%2%村礦51%8%21%10%6%4%礦55.85%13.1%14.51%12.06%4.48%從上表可以看出，我國熱害礦井中，絕大部分熱害都是由地溫引起的，因此研究針對控制圍巖散熱的技術對礦井防治礦井熱害具有重要意義。國外針對圍巖散熱曾經采取過向圍巖表面噴涂隔熱材料的方法，在噴涂隔熱材料后的一段時間有一定的效果，時間一長，隔熱材料的作用漸漸減弱直至消失。這跟隔熱材料的隔熱性能以與巷道半封閉無限空間的特性有很大關系。因此，研制適合巷道空間、高效廉價的圍巖隔熱噴涂材料，可節約大量的礦井熱害防治的成本。2.9.2.4高效經濟絕熱新型絕熱材料很多熱害礦井進風路線都較長且通風系統優化已達極限，熱害礦井中的放熱源主要來自于圍巖散熱，因此可以發展高效廉價的圍巖絕熱噴涂材料，目前的絕熱材料成本相對較高。2.9.2.5發展