高温矿井风流热湿交换与热害控制.pdf

广西高校中青年教师基础能力提升项目（KY2016YB033）资助出版 高温矿井 风流热湿交换与热害控制 范剑辉 魏宗武 编著 盛戈皞 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 本书主要介绍矿井热源及其计算方法、高温高湿环境下的人机工程学、矿井空气热湿交换原理及其计算方法、井巷围岩与风流热湿交换的数值模拟、矿井热害防治常用技术、矿井制冷降温系统设计方案优选决策及国内外矿井降温工程实例等。本书内容丰富，理论推导严谨，可供采矿、安全及矿井通风等领域的工程技术人员和管理人员参考，也可供高等院校相关专业的师生参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 高温矿井风流热湿交换与热害控制/范剑辉，魏宗武编著.北京：电子工业出版社，2018.1 ISBN 978-7-121-33209-8.高 .范 魏 .高温矿井热害环境控制研究 .TD79 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2017）第 303893 号 责任编辑：杨秋奎（）特约编辑：孙 悦 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7201 000 1/16 印张：11 字数：216 千字 版 次：2018 年 1 月第 1 版 印 次：2018 年 1 月第 1 次印刷 定 价：48.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888，88258888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询联系方式：（010）88254755。随着地表浅层矿产资源的日趋枯竭，开发深部矿产资源已成为必然趋势。深部采矿面临许多新的难题，矿井热害问题就是其中之一。随着开采深度的不断加深，巷道围岩的温度越来越高，导致矿井内风流温度也越来越高，影响井下热环境气候。矿井热害已经成为制约矿井深部开采的最重要因素，成为继岩爆、地压、瓦斯、火、水、顶板、粉尘等之外的又一重要矿井灾害。矿山生产实践表明，井巷越深，热害问题越严重。南非金矿开采的深度已达 4000m，巴西、印度的金属矿山开采的深度也超过 2000m。20世纪 90 年代以来，我国地下开采深度已发展到 700800m，并以每年10m 左右的速度加深。高温问题逐步出现在实际工程问题中，例如安徽铜陵狮子山铜矿冬瓜山矿某 875m 水平处风温达到 3039，湘西某金矿采掘工作面温度约 32，都已超过国家规定的温度。近年来的统计资料显示，我国约有 140 处矿井出现了高温问题，其中约 60 个矿区的采掘工作面温度超过 30。高温高湿的工作环境严重影响了井下工作人员的身心健康，降低了劳动生产率，威胁矿井的安全生产，增加安全生产事故发生的概率。矿井热害理论和防治技术研究已经成为我国矿山安全高效生产中的一个重要课 高温矿井风流热湿交换与热害控制 IV 题。本书主要介绍矿井热源及其计算方法、高温高湿环境下的人机工程学、矿井空气热湿交换原理及其计算方法、井巷围岩与风流热湿交换的数值模拟、矿井热害防治常用技术、矿井制冷降温系统设计方案优选决策、国内外矿井降温工程实例等。由于编著者水平所限，书中不足之处，敬请各位专家和广大读者批评指正。编著者 2017 年 9 月 第1章 绪论 1 1.1 矿井高温高湿危害1 1.2 矿井热害研究的主要成果2 1.3 矿井热害研究的不足5 第2章 矿井热源 6 2.1 地表大气状态的变化6 2.2 空气的自压缩温升7 2.3 围岩传热9 2.4 机电设备放热11 2.4.1 采掘机械的放热量11 2.4.2 提升运输设备的放热量12 2.4.3 电机车工作时的放热量14 2.4.4 电动机运转时的放热量14 2.4.5 扇风机的放热量14 2.4.6 灯具的放热量15 2.4.7 水泵的放热量15 2.5 其他热源15 2.5.1 氧化放热15 高温矿井风流热湿交换与热害控制 VI 2.5.2 水放热16 2.5.3 人员放热16 2.5.4 其余热源17 第3章 高温高湿环境下的人机工程学 18 3.1 引言18 3.2 高温高湿环境人体生理反应20 3.2.1 神经系统21 3.2.2 心血管系统21 3.2.3 呼吸系统26 3.2.4 热代谢29 3.2.5 水盐代谢36 3.2.6 能量代谢37 3.3 人体的热调节与热适应39 3.3.1 人体的热调节39 3.3.2 人体的热适应43 3.4 按劳动舒适程度评价矿井环境质量的指标 47 3.4.1 湿球温度47 3.4.2 卡他度47 3.4.3 有效温度49 3.4.4 综合温标51 3.4.5 比冷却力51 3.5 矿井环境对人体及劳动生产率的影响 53 3.5.1 矿井环境对人体的影响53 3.5.2 高温对劳动生产率的影响53 3.5.3 高温事故54 3.6 我国高温高湿作业的安全标准 55 3.6.1 工作场所有害因素职业接触限值标准 55 3.6.2 高温作业分级标准56 目录 VII 第4章 矿井空气热湿交换原理 58 4.1 热传导59 4.1.1 热传导定律59 4.1.2 不稳定热传导61 4.2 对流换热63 4.3 复合传热64 4.4 空气与水之间的热湿交换67 4.4.1 热湿交换原理67 4.4.2 热交换量的计算68 4.4.3 空气与水直接接触时的状态变化过程69 第5章 矿井空气热湿交换计算方法 71 5.1 引言71 5.1.1 数理统计法71 5.1.2 模拟巷道法73 5.1.3 数值分析法75 5.2 围岩热传导及调热圈77 5.2.1 围岩热传导微分方程77 5.2.2 调热圈及其相关概念78 5.2.3 调热圈半径的计算79 5.3 流体与固体壁直接接触时的对流传热微分方程组80 5.4 空气流过自由水面时的对流传热传质微分方程组81 5.5 湿壁巷道与风流间的热湿交换 82 5.5.1 湿壁巷道与风流之间的热湿交换的微观解释 82 5.5.2 湿壁巷道对流传热传质微分方程组83 5.6 井巷围岩与风流热湿交换影响因素分析 87 5.6.1 矿内风流的流动状态87 5.6.2 对流换热的特征和影响因素87 5.6.3 对流换热系数88 高温矿井风流热湿交换与热害控制 VIII 5.6.4 不稳定传热系数90 5.6.5 井巷传质常用方法92 5.6.6 井巷围岩与风流热湿计算的趋势93 第6章 井巷围岩与风流热湿交换的数值模拟 95 6.1 计算流体动力学的相关理论 95 6.1.1 计算流体动力学的求解步骤95 6.1.2 相关控制方程96 6.1.3 控制方程的离散化98 6.1.4 离散方程的求解方式99 6.1.5 湍流的数值模拟101 6.2 CFD在FLUENT软件中的应用102 6.2.1 FLUENT软件简介102 6.2.2 FLUENT软件求解的步骤104 6.2.3 流体数值模拟的动力学控制方程105 6.3 边界条件106 6.3.1 固壁边界条件（wall）107 6.3.2 速度进口边界条件（velocity-inlet）108 6.3.3 自由流出边界条件（outflow）108 6.4 流体计算数值模拟的分析108 第7章 矿井热害防治常用技术110 7.1 通风降温110 7.1.1 改良通风系统110 7.1.2 改善通风条件111 7.1.3 调温巷道通风111 7.1.4 其他通风降温措施111 7.2 空调制冷降温和人工制冰降温技术 112 7.2.1 空调制冷降温技术112 7.2.2 人工制冰降温技术113 目录 IX 7.3 控制热源降温115 7.3.1 机械热的控制115 7.3.2 向煤层内注水115 7.3.3 管道热及热水的处理116 7.3.4 采空区降温116 7.4 个体防护措施116 7.5 隔热-换热-压缩空气制冷综合技术 117 7.5.1 降温技术简介117 7.5.2 隔热材料的选择117 7.5.3 换热袋的规格及使用方法118 7.5.4 气压缩制冷装置119 7.6 其他新型降温技术120 7.6.1 压缩空气制冷技术120 7.6.2 HEMS降温系统120 7.6.3 空气透平膨胀制冷系统121 7.6.4 压气蒸发冷却技术121 7.6.5 热电乙二醇降温冷却技术121 7.6.6 瓦斯发电制冷降温技术122 7.6.7 热管降温技术122 第8章 矿井制冷降温系统设计方案优选决策 123 8.1 引言123 8.1.1 决策理论123 8.1.2 决策理论在矿业领域的应用125 8.1.3 矿井降温系统确定的步骤125 8.2 矿井制冷降温系统方案决策评价指标及权值 126 8.2.1 矿井降温系统方案决策评价指标体系确立 126 8.2.2 按相对重要性序列矩阵法确定指标权值 129 8.2.3 评价指标的权值确定131 8.3 矿井制冷降温系统方案确定的多目标决策法 132 高温矿井风流热湿交换与热害控制 X 8.3.1 评价值数据处理方法133 8.3.2 多目标决策法的步骤134 8.3.3 专家评议法135 第9章 国内外矿井降温工程实例 136 9.1 德国煤矿降温概况136 9.2 南非矿山降温概况139 9.3 河南平煤集团矿井降温概况 141 9.3.1 矿井热害现状142 9.3.2 平煤五矿矿井降温工程概况142 9.3.3 存在的问题146 9.3.4 近期降温工作146 9.3.5 长远降温工作146 9.4 国投新集矿业集团矿井降温概况 146 9.4.1 主要设备及参数147 9.4.2 系统工艺流程147 9.4.3 国内配套设备情况148 9.4.4 采掘工作面制冷降温系统安装方式148 9.4.5 制冷降温效果149 9.4.6 存在的问题及经验教训150 9.5 新汶矿业集团孙村煤矿矿井降温概况 153 9.5.1-800m水平自然涌水排热降温工程153 9.5.2 冰冷低温辐射降温技术155 9.6 兖矿集团巨野矿区赵楼矿井降温概况 159 9.6.1 基建矿井地面喷淋临时降温技术159 9.6.2 井下集中式永久制冷降温技术161 参考文献 164 绪 论 随着矿井（煤矿及非煤矿井）开采深度逐渐增加、综合机械化程度不断提高，地热和井下设备向井下空气散发的热量显著增加；与此同时，从岩石裂隙中涌出的热水或与热水接触的高温围岩放热，不仅使矿内气温升高，而且还增大了湿度。矿内高温高湿环境严重影响井下作业人员的身体健康和生产效率，形成了矿井热害，并成为制约矿物开采深度的决定性因素。根据矿井热害形成的热源（包括岩温、地下热水的水温及煤层和硫化物矿体的氧化放热等）划分热害类型，我国矿井热害的类型有：（1）正常地热增温型矿井热害，矿床一般分布在地热正常区，矿井温度随着开拓深度的增加而逐渐升高。（2）异常地热增温型矿井热害，除一部分在区域地热异常区出现外，多数矿床分布在局部地热异常区。这类矿区，当开采深度不大时（常在 500m 深度以内）就在井巷内出现高温。如安徽省罗河铁矿在-700m 水平的岩温高达 3842。（3）热水地热异常型矿井热害，主要是由深循环地下热水造成的。地下热水沿断层裂隙带上升的，沿裂隙进入矿井造成热害。由于热水流速快、水量大，矿井气温很快升高，还可能造成热水淹井事故。（4）煤炭或硫化物氧化型矿井热害。划分矿井热害类型的目的在于预测矿床井下开采时可能出现的矿井高温、矿井热害，并根据划分的类型设计治理措施；此外，机电设备生热和入风气温过高也可成为热源。1.1 矿井高温高湿危害 矿井热害会给安全高效生产和井下作业人员的身心健康造成多方面的危害和影响。第 1 章 高温矿井风流热湿交换与热害控制 2（1）对井下工作人员的影响。由于井下的特殊环境，空气湿度往往比较高，采掘工作面空气相对湿度常年接