磁西矿井风温预测与热害分析

王 成，方月梅，何明礼，陈 云

(1湖北理工学院环境科学与工程学院，湖北黄石435003; 2中煤邯郸设计工程有限责任公司，河北邯郸056000)

随着深部煤炭资源的开发，矿井采掘深度不断增加，加上矿井的机械化程度日益提高，生产更为集中，使得井下空气温度升高。此外，由于某些矿井出现了地下热水，不但使气温升高，还使得空气湿度增大，严重恶化了矿内的空气环境，形成了被人们称为煤矿六大灾害之一的矿内热害，严重影响矿井的安全生产。

1 矿井的致热因素分析

矿内空气温度、湿度、风速和热辐射是矿内微气候条件的四要素，其中最重要的参数是温度。地面空气进入井下后，由于受到井下各种热源的影响，空气的温度会发生很大变化，现对影响矿井气温的主要因素分析［1－2］如下。

1.1 地面空气温度

地面空气温度直接影响矿内空气温度。尤其是浅井，矿内空气温度受地面气温的影响就更为显著。地面空气温度在一年之中，随着季节的变化而发生周期性变化，即使一昼夜的气温，也是随着时间的变化而呈现周期性变化。地面空气温度的变化对于每一天都是随机的，但遵守一定的统计规律，这种规律可用正弦曲线近似表示［2］:

式(1)中:t0为地面年平均气温(℃);φ0为周期变化函数的初相位(rad);A0为地面气温年波动振幅(℃)，τ为每天具体的时间点。

1.2 空气压缩热

矿井深度的变化，使空气受到的压力状态也随之改变。当风流沿井巷向下流动时，空气的压力值增大，空气的压缩会放热，从而使矿井温度升高。一般认为，矿内空气的压缩或膨胀引起的温升变化值可以按以下公式近似计算［2］:

式(2)中:n为多变指数，对于等温过程，n=1，对于绝热过程，n=1.4;g为重力加速度，g=9.8 m/s2;R为普氏气体常数，对于干空气，R=287 J/(kg·K)，Z为地表测算处的深度(m)。

1.3 围岩散热

矿内空气温升主要是受岩石温度的影响。地壳表层的温度随地面气温的变化而变化。随着深度的增加，地温随气温变化的幅度逐渐减少，当达到一定深度时，温度不再变化。一般将地表下某深处地温常年保持恒定的地带称为恒温带，恒温带以上称为变温带，变温带的温度随地面温度的变化而变化。恒温带以下称为增温带，增温带的岩石温度随深度的增加而增加。不同深度处的原岩温度可用以下公式近似计算［2］:

式(3)中:tr为深度在Z米处的岩石温度(℃);t0为恒温带的温度(℃);Z为地表至测算处的深度(m);Z0为恒温带的深度(m);gr为地温率，即岩石温度增加1℃所增加的垂直温度(m/℃);围岩传递给井下空气的热量可按下式计算［2］:

式(4)中:U为巷道周长(m);L为巷道长度(m);tr为巷道始末两端平均原始岩温(℃);t为流经巷道末端平均气温(℃);Kr为围岩与风流的不稳定换热系数(W/(m2·℃))。

1.4 机电设备散热

由于采掘工作面均装备有大功率的机电设备。电动机除做功转变为其他内能及位能外，其他大部分散发到风流中。机电设备的散热量可按下式计算［2］:

式(5)中:Ni为电动机额定功率(kW);n为机电设备的台数。

1.5 氧化热

矿内有机矿物、坑木、充填材料、油、布料等都能氧化散热，使矿内气温升高，其中以煤的氧化发热量最为显著，矿井巷道中氧化散热量的大小主要取决于巷道的岩性。氧化散热量可按下式计算［2］:

式(6)中:q0为在1 m2的巷道壁面上单位时间内的氧化散热量(W/m2);v为巷道中的风速(m/s);F为氧化面积(m2)。

1.6 其他散热

其他散热包括人体散热、井下热水沟散热等，散热大小因矿井实际情况不同而有差异。

2 矿井概况

磁西1号矿井位于河北省邯郸市峰峰矿区东侧，行政区划隶属磁县和峰峰矿区管辖。井田煤层埋藏深度为1 000～1 500 m，煤层倾角约为12°～16°，井田主要可采煤层为2号煤层，平均厚度为5.52 m，煤层赋存稳定;井田内煤层瓦斯含量较高。矿井设计生产能力为1.8 Mt/a。全井田共划分为7个采区，首采区为中央采区，中央采区设置有1个综采工作面、1个抽采兼治水备用工作面、2条瓦斯抽采专用巷、2个普掘工作面、2个综掘工作面以及2个井底主要水泵房。

综合考虑矿井实际情况，确定磁西1号矿井主要致热因素为地面空气温度、空气压缩热、围岩散热、机电设备散热及氧化热。

3 矿井热害数据输入

3.1 矿井地热分布状况及岩石热物理性质

3.1.1 地热分布状况

根据地质报告提供的气象及钻孔测温资料，磁西勘探区各钻孔地温梯度统计表如表1所示。由表1可知，峰峰矿区的恒温带深度为30 m左右，恒温带温度为15.6℃，磁西1号矿井勘探区的地温梯度为1.10℃/(100 m)～1.87℃/(100 m)，设计取最高地温梯度1.87℃/(100 m)，属地温梯度正常区域;随着开采深度的加大，温度逐渐升高，勘探区出现原始岩温大于37℃的二级高温区，局部地段存在岩温大于40℃的热害区。

3.1.2 可采煤层上下层段岩石物理性质

可采煤层上下主要层段岩石热物理性质特征如表2所示。

表1 磁西勘探区各钻孔地温梯度统计表 ℃/(100 m)

表2 岩石热物理性质统计表

3.2 工作面设备配置情况

煤巷综掘工作面主要设备配备如表3所示。岩巷普掘和岩巷综掘工作面主要设备配备如表4～5所示。

表3 煤巷综掘工作面主要设备配备表

表4 岩巷普掘工作面主要设备配备表

表5 岩巷综掘工作面主要设备配备表

4 矿井气象条件预测及分析

4.1 风温预测资料及区域

矿井气象条件预测的目的主要是掌握井下热害状况及定量分析各种热源对风流的影响，从而为降温方案设计提供可靠依据。

4.1.1 地面气象资料

本设计所涉及的地面气象参数主要包括气温、相对湿度及气压这3个参数。根据中国气象科学数据共享服务网提供的数据可知，邯郸地区近5年年平均气压100.18 kPa，年平均气温13.7℃，年平均相对湿度62%;邯郸地区年最热月份为7月，最热月气象参数平均值为:平均气温 26.8℃，平均气压99.40 kPa，平均相对湿度75%。

4.1.2 原始岩温等主要参数

根据地质报告可知，峰峰矿区的恒温带深度为30 m，温度为15.6℃，磁西1号勘探区的地温梯度为1.10℃/(100 m)～1.87℃/ (100 m)，设计取最高地温梯度1.87℃/(100 m);随着开采深度的加大，温度逐渐升高，勘探区内出现不少原始岩温大于37℃的2级高温区，部分钻孔地段出现岩温大于40℃的热害区。

4.1.3 风温预测的区域

根据磁西1号井的开拓部署，矿井通风容易时期设计的采区为井田中央采区，该采区同时投产1个综采工作面、1个抽采兼治水备用工作面、2条瓦斯抽采专用巷、2个普掘工作面、2个综掘工作面以及2个井底主要水泵房，确定将矿井中央采区作为风温预测的主要对象。

4.2 风温预测计算

4.2.1 风温预测软件介绍

矿井巷道风流温、湿度预测软件为中国矿业大学安全工程实验室研发，采用Visual Basic6.0编程语言及其数据库技术实现相应的功能，可预测计算井巷的温度和湿度。

矿井风流温、湿度预测软件系统主要包括5个部分，即:软件系统的控制主界面、入风井筒的风温预测计算系列界面、水平及缓倾斜巷道风温预测计算系列界面、压入式通风掘进工作面风温预测计算系列界面和采煤工作面风温预测计算系列界面。它的功能主要有基本数据输入、预测计算以及实现数据的保存、导出与打印等［3］。

4.2.2 风温预测计算及分析

根据矿方提供的《地质勘查报告》等地质资料和矿井开拓、开采布置、矿井通风条件、设备布置及型号等，采用中国矿业大学安全工程实验室的矿井气象条件预测技术，对本矿井中央采井下主要工作地点的风温进行了预测。通风容易时期采掘工作面最热月(7月)气象条件预测结果如表6所示。通风容易时期井下主要热源散热量计算表如表7所示。

表6 通风容易时期温度、湿度预测结果

表7 通风容易时期井下主要热源散热量计算表

综合分析表6和表7中的数据可知:

1)夏季最热月(7月)井下主要工作地点的风温均在30℃以上，其中首采工作面和综掘工作面风温高达38℃，相对湿度均在85%以上，高温、高湿的环境势必影响工人作业，降低劳动效率，严重的情况下还会危及工人生命安全。《煤矿安全规程》中第106条规定［4］:采掘工作面的空气温度不得超过26℃，机电硐室的空气温度不得超过30℃;超过以上条件时，应采取降温或其他防护措施。建议矿方采取必要措施维护矿井下良好气象条件，确保工人生命健康和安全。

2)通风容易时期井下主要热源散热总量为2 552.16 kW，其中机电设备及运输中煤矸石散热量为 1 868.13 kW，占总散热量的73.2%，矿方只要做好机电设备及运输中煤矸石的散热工作，就能满足大部分的散热要求。

5 结论

深部矿井在开采过程中均会出现不同程度的风流温度超限问题，导致井下风流温度升高的因素有很多，在矿井风温预测当中，一定要找到影响矿井风温升高的主要因素，才能准确预测矿井风流温度，为安全决策提供科学依据［5－6］。

［1］ 王成，杨胜强.矿井降温措施综述［J］.能源技术与管理，2008(1):15－17.

［2］ 赵以蕙.矿井通风与空气调节［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1990:193－193.

［3］ 程健维，杨胜强，于宝海.高温矿井风流温度和湿度预测及其程序编制［J］.能源技术与管理，2007(1):3－5.

［4］ 国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程［M］.北京:中国法制出版社，2011:242－243.

［5］ 黄寿元，侯玉强，吴冷峻.矿井深部热害分析及治理研究［J］.现代矿业，2011，27(10):24－27.

［6］ 蒋正君.井下回风冷却站在矿井降温工程中的应用［J］.煤炭工程，2013(1):19－21.