徐佳昕,游 波,2,施式亮,劉何清,雷克江

(1．湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院, 湖南 湘潭市 411201;2．煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 湘潭市 411201;3．武漢工程大學(xué) 興發(fā)礦業(yè)學(xué)院, 湖北 武漢 430073)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和人民生活水平的提高,礦產(chǎn)資源的消耗量也逐漸上升,礦井開采深度不斷加大,同時(shí),伴隨著機(jī)械化程度升高,深井下的熱害問題越發(fā)突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)調(diào)查得知[1],我國煤礦開采速度每年大約以8~12 m的速度向地下延伸,高溫?zé)岷栴}不斷加劇,盡管國內(nèi)外在礦井熱害防治領(lǐng)域已取得了一定的研究成果,但由于井下條件的局限性和多樣性,僅僅采用單一的降溫措施,不僅難以達(dá)到理想的降溫效果,還可能會(huì)給礦山帶來巨大的經(jīng)濟(jì)壓力和安全隱患。因此,進(jìn)一步對(duì)深井熱害問題進(jìn)行分析評(píng)價(jià),提出切實(shí)可行的對(duì)策措施至關(guān)重要。

1 深井熱害產(chǎn)生原因及危害

1．1 井下熱害來源分析

深井熱害并不是由單一的影響因素造成,而是由多種因素共同作用的結(jié)果,從總體上看,造成深井高溫?zé)岷Φ闹饕蛴械孛娲髿鉁囟茸兓鷰r溫度與風(fēng)流熱交換、空氣自壓縮放熱、井巷內(nèi)熱水和熱氣放熱、機(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程的熱量、礦區(qū)中煤炭氧化放熱、爆破放熱、運(yùn)輸過程中煤矸散發(fā)的熱量以及人員放熱等[2]。

1．2 井下熱害的危害

礦井熱害環(huán)境不但會(huì)影響井下作業(yè)人員的身體健康,還時(shí)刻威脅礦井的安全生產(chǎn)。工人在高溫高濕的環(huán)境中作業(yè)時(shí),人體的血壓、心率、呼吸率、疲勞度、注意力和記憶力都會(huì)發(fā)生改變,人體的熱平衡被破壞,對(duì)流和輻射換熱均由外界傳向人體,從而對(duì)人體健康和工作效率造成一系列不良的影響。如:

(1)工人長時(shí)間在高溫環(huán)境下作業(yè)勞動(dòng),大腦易處于疲倦、昏睡的精神狀態(tài),心理上也易感到煩躁不安,再加上繁重的作業(yè)勞動(dòng),大幅度地降低作業(yè)人員的機(jī)警能力以及勞動(dòng)生產(chǎn)效率。

(2)井下熱環(huán)境會(huì)對(duì)人體的血壓、心率、呼吸頻率和記憶力造成嚴(yán)重影響,使井下作業(yè)人員感覺不適,降低其作業(yè)效率,對(duì)安全生產(chǎn)造成不利影響[3-4]。

2 深井熱害模糊層次分析

深井下的熱害環(huán)境能否得到合理有效的控制與解決,直接對(duì)工人的身體健康和礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益造成影響。因此,為了創(chuàng)造良好的井下作業(yè)環(huán)境,使井下作業(yè)環(huán)境既舒適安全又經(jīng)濟(jì)合理,必須對(duì)深井熱害原因進(jìn)行分析評(píng)價(jià),并結(jié)合地質(zhì)環(huán)境和生產(chǎn)狀況等實(shí)際情況,選擇合理可靠的降溫措施。

2．1 深井熱害評(píng)判因素集和評(píng)語集的確定

(1)因素集。由于引起深井熱害的因素復(fù)雜多樣,本文僅僅選取了地址環(huán)境c1,機(jī)械設(shè)備c2,氧化及代謝過程c3這3個(gè)主要因素進(jìn)行模糊層次分析,所含的二級(jí)評(píng)價(jià)因素集cij共含11個(gè)子因素,其評(píng)判集分別可以表示為:

c1j＝{圍巖放熱,地下熱水及熱氣,地表大氣}

c2j＝{采掘機(jī)械設(shè)備放熱,提升運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備放熱,通風(fēng)設(shè)備放熱,照明設(shè)備放熱,水泵放熱}

c3j＝{礦物及其它有機(jī)物氧化放熱,爆破工作放熱,人員放熱}

根據(jù)深井熱害評(píng)價(jià)因素的識(shí)別,建立評(píng)價(jià)因素層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 深井熱害影響因素模糊判斷層次結(jié)構(gòu)

(2)評(píng)語集。評(píng)語集的確立從本質(zhì)上來講就是對(duì)深井熱害防治主要對(duì)策措施的選擇。本課題將待選擇的深井降溫措施作為評(píng)判集,定義為V＝{v1,v2,v3,v4,v5}＝{礦井通風(fēng)系統(tǒng)降溫,選擇合理的開拓方式降溫,礦井制冷系統(tǒng)降溫,礦井空調(diào)系統(tǒng)降溫,個(gè)體防護(hù)設(shè)備降溫},再由多位評(píng)判專家根據(jù)自己的知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)給各種降溫措施進(jìn)行投票,然后統(tǒng)計(jì)出各降溫措施所得的票數(shù),依據(jù)支持人數(shù)最多的指標(biāo)選出降溫效果最好的降溫措施。

2．2 各因素指標(biāo)權(quán)重的確定

權(quán)重表示某一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)所包含的評(píng)價(jià)因素在確定評(píng)語等級(jí)時(shí)的重要性程度或貢獻(xiàn)大小[5]。模糊層次分析法在確定各因素的權(quán)重時(shí)客觀性強(qiáng),能夠較好地避免其它評(píng)價(jià)方法較強(qiáng)的主觀性,提高評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性,十分適合用于本文的研究。

2．2．1 一級(jí)評(píng)判因素權(quán)重確定

一級(jí)評(píng)判因素C＝{c1,c2,c3}＝{地址環(huán)境,機(jī)械設(shè)備,氧化及代謝過程},根據(jù)以上這3個(gè)判斷因素,分別進(jìn)行兩兩比較其重要程度的隸屬度,得出的模糊一致判斷矩陣如下:

計(jì)算得出其權(quán)重為:

w＝ (0．314,0．453,0．233)T

2．2．2 二級(jí)評(píng)判因素權(quán)重確定

(1)按照模糊層次分析法的評(píng)價(jià)程序,依據(jù)各評(píng)價(jià)因素重要程度隸屬度兩兩比較的結(jié)果,得出深井熱害二級(jí)評(píng)判因素集cij對(duì)應(yīng)的模糊一致性判斷矩陣及其權(quán)重分配關(guān)系如表1所示。

表1 深井熱害影響因素二級(jí)評(píng)判因素權(quán)重

(2)將一級(jí)、二級(jí)綜合評(píng)判因素計(jì)算所得的權(quán)重匯總于表2。對(duì)于二級(jí)評(píng)判因素pij,分別讓每位專家依據(jù)自身的知識(shí)和見解,對(duì)降溫措施進(jìn)行投票選擇,然后依據(jù)專家票數(shù)對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行評(píng)判,確定單因素判斷矩陣。

(3)由表2中10位專家對(duì)5種降溫措施的投票結(jié)果可以得到地質(zhì)環(huán)境c1、機(jī)械設(shè)備c2和氧化及代謝過程c3這3個(gè)一級(jí)評(píng)判因素的單因素評(píng)判矩陣分別如下:

表2 評(píng)價(jià)因素及降溫措施選擇權(quán)重匯總

(4)根據(jù)表1可知,二級(jí)評(píng)判因素pij的權(quán)重分配為:

采用M(＋,·)運(yùn)算有:

已知一級(jí)評(píng)判因素c1,c2,c3的權(quán)重為A＝(0．314,0．453,0．233),因此B＝A·R＝(0．135,0．098,0．254,0．312,0．210)。

根據(jù)以上的計(jì)算可以得出,深井熱害影響因素中通風(fēng)設(shè)備、地下熱水及熱氣及圍巖散熱對(duì)井下熱環(huán)境危害程度最大,評(píng)判向量0．312所對(duì)應(yīng)的礦井空調(diào)降溫措施值最大,因此在深井下的降溫效果最佳。對(duì)照評(píng)語集的降溫措施,可以得知,礦井空調(diào)系統(tǒng)降溫措施為深井最優(yōu)的降溫方案,然后依次是礦井制冷系統(tǒng)、個(gè)體防護(hù)設(shè)備、礦井通風(fēng)系統(tǒng),最后是選擇合理的開拓方式降溫,但在實(shí)際生產(chǎn)過程中,需要依據(jù)生產(chǎn)的需要和經(jīng)濟(jì)性的要求,綜合選擇和使用上述各種降溫措施。

3 深井熱害的防治對(duì)策

由于礦井開采深度不斷加深,高溫高濕等惡劣的環(huán)境問題越發(fā)明顯,我國部分礦井開采深度已達(dá)到甚至超過1000 m,熱害問題嚴(yán)重影響著深井開采的順利進(jìn)行,降低了井下工人的勞動(dòng)效率、威脅井下工人的生命安全與健康,根據(jù)我國《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定:一旦空氣的溫度超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí),應(yīng)當(dāng)立即采取相應(yīng)的降溫措施。因此,使用有效可靠的治理方案來保障井下工作環(huán)境的舒適和安全非常必要。

3．1 通風(fēng)降溫

通風(fēng)降溫經(jīng)常使用的方法有3種:

(1)選用合理的通風(fēng)系統(tǒng)。盡可能選擇進(jìn)風(fēng)路線短、分區(qū)進(jìn)風(fēng)的通風(fēng)方式,減小因風(fēng)流沿途吸熱導(dǎo)致溫度升高,降低風(fēng)流到達(dá)工作面前的溫度升高值[6];

(2)適當(dāng)增加風(fēng)量。在一定程度上,增大風(fēng)量有利于降低溫度,但當(dāng)風(fēng)量增大到一定量值時(shí),再增大風(fēng)量將不會(huì)對(duì)風(fēng)溫產(chǎn)生任何實(shí)際意義的影響,反而會(huì)影響人體熱、浪費(fèi)能量,使得礦井通風(fēng)費(fèi)用增加[7];

(3)增強(qiáng)礦井通風(fēng)安全管理。盡可能避免或減小采空區(qū)漏風(fēng),提高采煤工作面的有效風(fēng)量。

3．2 改變礦井通風(fēng)方式

在一般情況下,將上行風(fēng)改為下行風(fēng)可使工作面風(fēng)流溫度降低1℃~2℃[8]。

3．3 冰冷降溫

冰冷降溫是從地面制冰系統(tǒng)取已制好的粒狀或者泥狀冰,通過風(fēng)力或者水力將冰送到井下,利用冰溶解吸熱使水冷卻到0℃,然后將冷卻水送至各采煤工作面。相較于一般的礦井空調(diào)制冷系統(tǒng)而言,冰冷降溫系統(tǒng)能在相同冷負(fù)荷條件下,向井下輸送更少的冰量[9]。

3．4 控制熱源降溫

(1)圍巖散熱的控制?？赏ㄟ^向巖壁上噴涂防水性能和隔熱效果好的物質(zhì)(如聚乙烯泡沫、鍋爐渣等),從而阻斷圍巖的傳熱路徑[10]。

(2)將水注入煤層之中?？梢酝ㄟ^在煤層上鉆孔,然后利用水壓將低溫水注入煤層,從而起到預(yù)冷臨近煤層和巖體的作用,這種方法不僅可以使采煤工作面的風(fēng)流溫度降低1℃~5℃,還可以起到防治瓦斯和沖擊礦壓以及防治粉塵的作用。

(3)控制機(jī)械熱?？筛鶕?jù)各種發(fā)熱機(jī)械的差別,采用不同的控制方法。例如,為井下散熱量較大的大型機(jī)電硐室設(shè)立單獨(dú)的通風(fēng)路線,從而使機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的熱量隨回風(fēng)流排出[11];選取合適的地點(diǎn)開鑿機(jī)電硐室并配備與其相對(duì)應(yīng)的輔助通風(fēng)機(jī)來輔助散發(fā)熱量;盡可能使用機(jī)械效率比較高的機(jī)電設(shè)備等。

(4)處理熱水和熱管道。利用隔熱管道或者加隔熱蓋板的水溝預(yù)先對(duì)井下熱水進(jìn)行導(dǎo)排疏放[10];可以利用回風(fēng)井排水,在回風(fēng)井設(shè)置水倉,所有回風(fēng)水平涌出的熱水均應(yīng)該經(jīng)由回風(fēng)井向地面排出,防止熱水流入進(jìn)風(fēng)水平或者進(jìn)風(fēng)巷道對(duì)風(fēng)流加熱,使風(fēng)流溫度升高;將明水溝改造成為暗水溝,降低井下熱水散發(fā)到空氣中的熱量[12]。

3．5 礦井空調(diào)系統(tǒng)降溫

對(duì)于高溫?zé)岷ΦV井而言,熱害問題已經(jīng)不能僅僅單靠礦井通風(fēng)的方式進(jìn)行降溫處理,要改善礦井的熱害狀況,必須采用礦井空調(diào)系統(tǒng)解決礦井熱害問題。礦井空調(diào)系統(tǒng)有多種形式,必須結(jié)合礦井的實(shí)際情況選擇合理的礦井空調(diào)系統(tǒng)。

3．6 冷卻服

當(dāng)考慮到經(jīng)濟(jì)問題或采取其他降溫措施效果不明顯的熱害區(qū)域,就必須采用個(gè)體防護(hù)措施降溫。冷卻服有助于吸收人體新陳代謝產(chǎn)生的熱量并且抵御來自外界環(huán)境中熱量的傷害,是井下熱害環(huán)境中工人抵御高溫侵害、提高作業(yè)效率的主要防護(hù)用品之一[13]。

4 結(jié) 論

本論文對(duì)深井熱害原因及其防治的安全對(duì)策措施進(jìn)行了簡要的分析,并基于模糊層次分析法對(duì)深井熱害風(fēng)險(xiǎn)及防治措施進(jìn)行了評(píng)價(jià),根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出深井下通風(fēng)設(shè)備、地下熱水和熱氣以及圍巖放熱對(duì)井下熱環(huán)境影響最大。同時(shí),根據(jù)模糊層次分析法中各降溫措施權(quán)重,得出礦井空調(diào)降溫措施對(duì)解決深井熱害問題效果最為明顯,與礦山各降溫措施的降溫效果實(shí)際情況相符。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中,要結(jié)合具體情況,必要時(shí)可將各類降溫措施綜合起來,采取既安全合理、又經(jīng)濟(jì)可靠的降溫措施。