浅析煤矿深井热害及其防治技术

1.深井热害的成因
　　1.1地面大气温度的变化
　　井下的风量一部分是由地面风流流入煤矿内部供应的。众所周知，地面大气的温度是随季节做周期性变化的，夏季气温高，冬季气温低，甚至一天之内气温都有较大的波动。这种气温的周期性波动，对井下的气温有直接的影响。对于原岩温度在28℃以上的矿井，巷道围岩调节圈对夏季风温的调节作用随着原岩温度的升高而减弱，还会出现季节性热害现象。
　　1.2围岩温度
　　围岩温度随着开采深度的加大呈线性增加，当流入巷道的风流与围岩存在温差时，两者之间就会产生热量传递。围岩的传热主要取决于围岩与风流之间的温度差和传热系数的大小，由于围岩受地热影响，温度高于井巷风流，对流换热过程中把一部分热量传给风流，使风温上升，且风流滞留时间越长，通风距离越远，换热现象也越显著。
　　1.3井下物质的氧化生热
　　煤矿中具有自燃倾向性的煤炭自开采后呈破碎状态，与空气接触，自身发生物理化学变化，氧化放出的热量也是使井下气温升高的一个重要原因，当散热较多时，甚至会引发煤炭的自然发火，造成矿井火灾。除此之外煤岩以及其他有机物的缓慢氧化，井下爆破作业等均会导致矿井气温的升高，高温热害的形成。
　　2深井热害的影响
　　2.1影响作业人员的身体健康
　　人体的热平衡主要通过皮肤表面与周围空气的对流、辐射和蒸发散热，其中对流和辐射的效果主要取决于空气的温度，蒸发散热取决于相对湿度和流速。在矿井深部高温环境中，汗液蒸发是煤矿工人最主要的散热方式。随着深井气温的升高，环境呈高湿状态，人体蒸发散热较慢，直接导致体温升高。若作业人员长期在高温环境中工作，将会使人的各项身体机能下降，轻则注意力分散，精神恍惚，严重时会给人的神经系统带来损伤，诱发各种疾病。
　　2.2影响煤矿的生产效率
　　当煤矿工人长期在高温环境中作业时，由于受气温的影响，精神状态不佳，易产生疲劳现象，肌肉的活动能力也会显著下降，这些都会导致生产效率大大降低。科学研究表明，当井下作业地点的气温高于人体体温时，每超出1℃，工人的作业效率会下降7%～10%，当作业地点的温度超过30℃时，事故的发生概率是温度低于30℃时的1～1.5倍。《煤矿安全规程》规定生产矿井采煤工作面温度超过30℃，机电设备硐室温度超过34℃时，必须停止作业，撤出人员，采取措施，进行处理。
　　2.3瓦斯异常突出
　　一般认为，瓦斯在煤中的吸附属于单层物理吸附，温度升高，瓦斯解吸速度加快，瓦斯分子活化能升高，脱离煤的表面成为游离瓦斯分子。游离瓦斯分子大量积聚导致井下瓦斯浓度升高。在瓦斯应力和地应力的综合作用下，煤与瓦斯突然向采掘空间大量喷出，这种现象称为煤与瓦斯突出。发生煤与瓦斯突出时，采掘工作面的煤壁将遭到破坏，大量的煤与瓦斯将从煤层内部以极快的速度向巷道或采掘空间喷出，充塞巷道。同时此过程中还伴有强大的冲击力，将摧毁巷道设施，破坏通风系统，严重时，还会发生风流逆转，造成人员窒息;发生瓦斯爆炸、燃烧及烟流埋人事故。
　　3 防治深井热害的措施
　　3.1非人工制冷降温技术
　　3.1.1通风降温
　　通风降温是通过加大井下的通风量来达到降温的目的，通过此种途径处理高温具有较好的效果。煤矿实际生产中，可通过以下几种通风措施降低温度。
　　（1）选择合理的通风系统：应尽可能选择进风路线长度较短的矿井通风系统，合理优化通风方式，进风路线越长，风流与围岩的接触越多，传热越多。一般而言，采用分区式通风可以缩短进风路线长度。
　　（2）采用下行通风方式：采煤工作面上部水平的围岩温度较低，新鲜风流从上部水平流入，与围岩之间传热获得的热量较少，使进风流温度较低。待新鲜风流到达采煤工作面时，工作面温升较低。
　　（3）加强通风管理：必须具有独立、完整的矿井通风系统。生产矿井必须采用机械通风，必须同时安装两台主通风机。矿井主要通风机必须在合理工况范围内运行，运行效率不得低于60%，风压不得高于最高允许风压的90%。
　　3.1.2煤层注水降温
　　开采之前利用钻孔将低温水注入煤体中，注水后，低温水通过压差、渗透、毛细作用进入煤层的各个部分充满整个煤体。使得煤体的含水量、导热系数和热容量增大，煤体的温度不易升高，同时由于水具有较大的比热容和汽化潜热，对矿井降温是十分有利的。
　　3.1.3个体防护
　　在井下的某些工作地点，气候条件较为恶劣，由于技术或经济上的原因采取其他降温措施难以达到理想的效果，这时可以采用让作业人员穿上冷却服的方法来实现个体防护，维持身体热平衡。冷却服可有效避免高温环境对人体的辐射和对流传热，同时具有吸收热能，将人体与高温环境隔绝的功能。
　　3.2人工制冷降温技术
　　3.2.1空气压缩制冷降温
　　空气压缩制冷降温是利用压缩空气作为制冷装置的工质，通过一级或多级压缩，把湿空气压缩到高压状态，向需冷工作面喷射冷气制冷，其吸热及放热过程均为定压过程。
　　3.2.2人工制冷水降温
　　目前，当采用通风降温技术不能有效降低矿井温度时，采用最多的是蒸汽压缩式制冷降温技术。按照制冷机组在井上、井下的安装位置不同，蒸汽压缩式制冷降温系统可分为：井下集中式、地面集中式、井上下联合式、分散式四类。实践证明，地面集中式和井上下联合式在经济方面具有优越性。自上世纪70年代蒸汽压缩式制冷降温技术出现以来，其发展迅猛，制冷技术不断成熟，已成为矿井降温的主要手段。
　　3.2.3人工制冰降温
　　人工制冰降温技术是通过地面制冰厂制取的颗粒状冰或泥状冰在风力、水力等动力下或依靠自身重力由垂直输冰管道输送到井下的融冰装置中，形成0℃左右的水，再由供水管道送至需冷工作面，达到治理热害的目的。人工制冰降温系统包括三个主要组成部分：冰的制备、冰的溶解和冰的溶解，其中冰的融化是制冰降温系统中一个至关重要的环节，但目前这种技术还很不成熟，具有较大的发展空间。