董 華

(大同煤礦集團有限責任公司四老溝礦，山西 大同 037003)

0 引言

我國煤礦生產(chǎn)發(fā)展趨勢是機械化程度日益加強，開采深度也在不斷增加，但也不斷伴隨著機械散熱和高溫地熱等熱害問題。礦井熱害會降低作業(yè)人員工作效率，嚴重制約礦井經(jīng)濟效率，更為嚴重的是熱害會導致作業(yè)人員身體出現(xiàn)脫水、失鈉、血容量減少、血壓增加、血液粘度增加，導致疲勞、中暑，嚴重時出現(xiàn)熱痙攣、虛脫甚至死亡，也會造成身體和精神上的慢性疾病[1]。

現(xiàn)階段熱害治理通常是通過經(jīng)驗進行摸索，或者單純直接引進一些降溫設備和技術[2-3]。通過研究井下熱害產(chǎn)生的原因和不良影響，采用事故樹分析法對礦井熱害進行系統(tǒng)分析，提出了一些常用的降溫手段，并對未來的發(fā)展提出了初步的設想，以期對煤礦熱害的防治提供一定的幫助。

1 礦井熱害產(chǎn)生的原因

1.1 礦井高溫產(chǎn)生的原因

熱源分類：礦井內(nèi)部系統(tǒng)中能夠造成環(huán)境內(nèi)溫度上升的熱源和因素有很多，但按照屬性分為絕對熱源和相對熱源兩類[4]。絕對熱源主要指井下各類設備、電氣裝置、空氣壓縮以及礦物氧化等直接產(chǎn)熱方式；而相對熱源指熱量高于環(huán)境溫度，如巖層溫度過高，井下熱水散熱，并且?guī)r層高溫是井下高溫的主要原因，也是控制難點，它包含巖壁、堆積和運輸中礦巖，部分礦井也有高溫熱水涌出。

地熱：深井通風的主要熱源是地熱，它通過圍巖進行熱量傳遞，采掘?qū)⒌V巖剝離暴露后，原巖的熱量逐漸散失在空氣中，并且放熱量可以占到礦井井下熱源的48%以上。受到大氣環(huán)境溫度的影響，礦井巖層溫度狀態(tài)分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶[5]。其中地熱增溫率可表述為

ti=t0+G(hi-h0)

(1)

式中：ti—深度i點的井下溫度值，℃；t0—地表空氣溫度，℃；G—溫增地熱梯度，℃/m；h0—恒溫帶巖層h0處深度，m；hi—增溫帶中h點深度，m。

空氣壓縮熱：礦井通風系統(tǒng)存在空氣柱，當新鮮空氣進入井下后，受空氣柱壓力被迫壓縮，自身勢能向熱能轉(zhuǎn)化散熱，而空氣壓縮熱會占到井下熱量的1/5。經(jīng)過相關測試，通常每100 m空氣壓縮產(chǎn)熱0.979 J/kg，空氣溫增0.4 ℃/100 m～0.5 ℃/100 m。

爆破熱和氧化熱：爆破熱指井下生產(chǎn)中爆破碎巖工作由爆破反應產(chǎn)生的劇烈放熱現(xiàn)象，一方面熱量傳遞到大氣中，另一方面熱量會先傳遞到巖層中再緩慢釋放到環(huán)境；氧化熱也是通過礦壓的化學反應，即氧化放熱現(xiàn)象，將化學能向熱能轉(zhuǎn)化。

其他熱源：井下機電設備散熱、圍巖熱、礦物矸石熱、風流壓縮熱這4類情況普遍存在于各井工礦井，圍巖熱又被稱為地熱，主要由于礦井開采深度過大，達到了地熱區(qū)域，該類問題大部分存在于我國中北部高溫礦井中。而礦巖氧化熱和地下熱水涌出現(xiàn)象較少，但是地下熱水也會導致礦井高溫。這類情況載體流動性大，熱容量也較大，同時易散熱與風流進行交換。

1.2 礦井高濕產(chǎn)生的原因

人體舒適度環(huán)境下相對濕度要求為50%～ 60%，而井下作業(yè)環(huán)境整體較為潮濕，通常井下作業(yè)空間內(nèi)相對濕度為80%～90%，回風段的總回風道及回風井相對濕度多數(shù)情況下趨近飽和狀態(tài)。井下空間內(nèi)空氣中水分來源主要是礦井水的直接蒸發(fā)，井巷壁冷凝水的再次散濕，由于降塵、鉆孔冷卻、水力致裂等操作的大量生產(chǎn)用水蒸發(fā)，各類因素下導致礦井內(nèi)部濕度過大超出人體正常工作需要的相對濕度[6-9]。

2 礦井熱害對人體的危害

2.1 礦井高溫的危害

人體正常進行體力勞動適宜環(huán)境為20～30 ℃范圍內(nèi)，當井下溫度超出30 ℃時構(gòu)成高溫環(huán)境，長期處于該環(huán)境下會導致工人的身體和精神都出現(xiàn)一定問題。

身體方面：內(nèi)分泌系統(tǒng)紊亂，鹽分、電解質(zhì)出現(xiàn)功能性紊亂，身體機能下降；體溫升高，體溫調(diào)節(jié)障礙；身體大量脫水，體力勞動情況下工人排汗量能夠達到1～1.2 L/h，每小時的排汗量達到夏季成人全天的正常排汗量，消化、泌尿、體循環(huán)、神經(jīng)系統(tǒng)都會由于脫水、脫鈉而出現(xiàn)紊亂，出現(xiàn)中暑、痙攣，長期會造成部分慢性疾病。

精神方面：高溫環(huán)境下，人體中樞系統(tǒng)會處于疲勞狀態(tài)，易出現(xiàn)系統(tǒng)失調(diào)，身體疲勞、無力、煩躁、精神恍惚、精神不集中，會導致人員不當操作和生產(chǎn)效率下降。

2.2 礦井高濕的危害

礦井內(nèi)部環(huán)境中長期超出80%的空氣相對濕度遠遠超出作業(yè)人員正常下舒適度要求的濕度，構(gòu)成高濕環(huán)境。井下作業(yè)人員長期處在高濕環(huán)境下，人體部分正常生理功能會被打亂，對身體狀態(tài)造成極大的影響。人員長期處于高濕環(huán)境下會引發(fā)大量的慢性疾病，如：皮膚病、風濕、類風濕、皮膚病、消化及泌尿系統(tǒng)紊亂、心臟??；同時長期高濕環(huán)境會誘發(fā)人員的心理問題，長期不舒適感會導致煩躁、壓抑、精神不集中、思想紊亂，嚴重時會導致心理疾病。

3 礦井熱害的事故樹及防治措施

3.1 事故樹的建立

事故樹分析(FTA)法作為安全系統(tǒng)學中最主要的分析方法之一，在對事故發(fā)生的整個系統(tǒng)內(nèi)部進行危險源辨識，通過邏輯關系將系統(tǒng)中的危險源和各子系統(tǒng)相互聯(lián)結(jié)，將事故發(fā)生的直接原因和因果關系直觀表述出來，形成層次分明的事故樹模型，并根據(jù)各子因素概率對整個系統(tǒng)和頂上事件進行定性分析，也可以通過事故概率進行定量分析。通過對引發(fā)熱害事故的各類因素進行歸類和分析，并將礦井高熱、高濕超限定義為頂上事件，頂上事件稱為礦井熱害事故。根據(jù)分析和現(xiàn)場實踐經(jīng)驗，通過整理，構(gòu)建了礦井熱害的事故樹，如圖1所示，各事件的說明見表1[10-12]。

圖1 礦井熱害的事故樹模型

表1 礦井熱害事故樹模型的事件說明

3.2 事故樹的作用

事故樹的作用是能夠以結(jié)構(gòu)化的方式清晰顯示可能導致事故發(fā)生的因素之間的邏輯關系，從圖1中可以看出，以礦井熱害為頂事件，包含了5個中間事件和12個底事件。各事件間互為邏輯或門關系，由此各底事件各自成為最小割集，即最小割集為{x1}、{x2}、…、{x12}。也就是下列各事件任一發(fā)生都會導致頂上事件礦井熱害事件發(fā)生，即礦井濕、熱環(huán)境超出限值。在實踐應用中，當分析礦井熱害事故時，可依此事故樹為參照，結(jié)合實際情況，分析可能出現(xiàn)的事故原因，為現(xiàn)場提供理論指導。同時也可以通過最小徑集原理，將上述12個底事件同時進行管控，會大大減少礦井熱害事故發(fā)生。

3.3 礦井地質(zhì)熱害防治措施

現(xiàn)有主要防治手段：為了有效控制礦井內(nèi)部高溫高濕環(huán)境，常見降溫措施有：①保溫隔離措施。通過對巖壁進行噴涂隔熱物質(zhì)形成保溫層，減少圍巖傳熱;②減少井下設備散熱。對大功率的局扇應合理布置設立位置，機電硐室應設置獨立通風，調(diào)整工作面布置方式，減小不必要的風路長度；③管道熱控制。井下存在部分熱水管路和熱壓風管，該類管路應盡量敷設在回風段，并且進行超前疏水，管路進行保溫處理，導水溝蓋板選用隔熱材質(zhì)；④爆破熱控制。井下爆破也是產(chǎn)熱源之一，該熱量應及時通過回風段排出，同時為人員安全考慮盡量與開采作業(yè)時間岔開；⑤調(diào)節(jié)通風系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)礦井通風系統(tǒng)的風流速度，加快風流流速，對工作面內(nèi)的空氣進行冷卻帶離。這就需要對主扇的工作特性進行提升，并且減少整個礦井中不必要的漏風，降低整個礦井的通風風阻值；⑥礦井通風的輔助降溫。通過對進風井口進行噴水對進風進行冷卻，必要時對井壁進行凍結(jié)，局部進行噴淋降溫，采用壓風引射器調(diào)風，利用巖層調(diào)熱圈冷卻巷道風流等。

未來的發(fā)展趨勢：由于制冷技術的快速發(fā)展，同時由于利用礦井通風降溫、保溫隔離等方式也無法正?？刂凭伦鳂I(yè)環(huán)境超標，應考慮利用局部制冷調(diào)溫措施。由于井下空間需冷量范圍較大，同時空間相對密閉，對設備規(guī)模，設備安全性能都有極高的要求。通常制冷包含壓縮制冷、傳輸、散熱等部分，制冷劑必須符合井下防火、防爆以及無毒要求，冷量輸送介質(zhì)可選用水作為載體，通過管道輸送，對于深度較大礦井，必要時將冰塊直接輸送到井下作業(yè)面。國內(nèi)外在深井開采中傳冷處理上，常見方法為表面空冷式、噴淋式、吸收式等，同時制冷機的散熱問題也是一個較大難點，通常利用礦井回風系統(tǒng)將熱量帶出，該方法較為經(jīng)濟有效，但是應注意不能超出回風溫度上限。

4 結(jié)語

通過對造成井下熱害現(xiàn)象各類因素進行危險源辨識，認為井下熱害常規(guī)源為地熱、空氣壓縮熱、爆破熱、氧化熱以及設備散熱等，并對礦井熱害對人員身體和精神的危害進行分析。在此基礎上，構(gòu)建了井下熱害事故樹分析模型，并將事故分為4層5個中間事件以及12個基礎底事件，并通過最小割集原理得知模型各底事件的發(fā)生都會對井下作業(yè)環(huán)境造成威脅。事故樹的建立可以為煤礦實踐工作提供指導，提高事故分析的效率。同時，分析總結(jié)了常用的礦井熱害防治手段，并對未來的防治方法進行闡述，可以對礦井熱害的防治提供一定的參考。