高原矿井井下环境参数测定及改善方案*

徐阳,何淼,黄辉,甘黎嘉,段朝辉

(1.重庆安全技术职业学院,重庆 404020;2.义海能源有限责任公司 大煤沟煤矿,青海 海西 817000)

煤炭资源开采强度的加大使得东部地区矿山资源日渐枯竭,国内很多矿山企业将目光纷纷转向西部.我国西部高原地区矿产资源丰富,这些资源的开发可以更好地促进西部经济建设,更能够缓解我国矿产资源匮乏的局面.但是高原地区空气稀薄、大气压力低、气候寒冷、干燥,高原气体性质大幅度变化,使得高原矿井与平原地区普通矿井的环境条件相差较大.人员、设备出现严重的降效现象,特别是人员在高原环境下工作,不仅劳动效率大幅度下降,而且严重影响身体健康.高原低氧环境对人的影响主要体现在对人体呼吸系统、中枢神经系统、消化系统等方面,容易引起脑组织代谢障碍、颅内压增大、呼吸和心跳异常、肠胃功能紊乱、消化腺分泌减少等问题.如何改善高原矿井作业环境条件,保证人员健康安全,成为高原矿井安全生产的一大问题.

崔延红[1]等通过分析高原低气压环境对矿井安全生产的影响,提出了高原矿井适宜生产环境指标,并提出了符合娘姆特煤矿实际的补氧系统设计.李国清[2]等以高原某金属矿为研究对象,进行了井下环境数据测定,分析了该矿山井下氧气分布规律,并提出矿井通风系统的优化建议.目前关于高原病学及高原保健问题的研究相对广泛,研究成果(如发病机制、防治措施和相关药物等)对解决高原矿井应急医疗问题起到技术指导作用,如董旭、胡松涛[3,4]等学者分析了高原低氧环境对人体心肺结构等功能及人体舒适度的影响.张继业、张宝勇、康建东[5-7]等学者针对高寒环境,提出了井筒防冻加热系统设计思路.基于高原矿井井下环境改善的研究,对保证高原矿井安全、高效生产,保障员工生命健康安全具有重要的理论和应用意义.

1 矿井概况

大煤沟矿位于柴达木盆地北缘东部、大肯大板山东南,位于青海海西大柴旦,海拔+3 500 m左右.矿区年平均气温1.6 ℃,最高气温29.6 ℃,最低气温-28.5 ℃,平均温差30.8 ℃;年降水量80 mm,最高96.1 mm,降水时间集中在6月～8月.

矿井采用三条斜井双翼片盘开拓,单水平上下山开采.副斜井作为矿井进风井和安全出口,担负全矿井升降人员和设备、提矸下料等任务.矿井现有2个进风井(主井和副井),一个回风井(风井).通风方式为中央并列式,通风方法为抽出式.矿井总进风量为2 090 m3/min,总排风量达2 198 m3/min,矿井有效风量率为88.8%,矿井总等积孔为2.55 m2.

2 井下环境参数测定及分析

图1 测面布置

矿山所在区域高寒缺氧,干旱少雨,气候恶劣,矿区内大部分职工来自平原地区,较难适应高原环境下的连续工作.为改善矿井工人工作环境,保证矿井生产安全,对井下各作业点的氧含量、温湿度、大气压变化等环境参数进行测定分析,掌握其分布规律.

2.1 测定方案

结合前期文献分析及矿山工作实际,制定具体测定方案.选择井下F211040,F211050关键作业点,规划布置(测面布置见图1),利用精密气压计、氧浓度测试仪、干湿球温度计等设备于测点处每1 h检测一次,记录井下主要作业时间内环境参数并分析.测定计划如表1所示.

表1 测定计划表

2.2 测定数据分析

结合测定数据,将每条巷道测点数值取平均,绘制参数变化图,图2～图6为具有代表性的趋势图.

图2 F211050工作面大气压力变化

图3 F211050工作面进风巷相对湿度变化

图4 F211040工作面进风巷温度变化

图5 F211040工作面氧浓度变化

图6 F211050工作面回风巷氧浓度变化

测定结果表明,井下全天大气压力压差变化在150～200 Pa,相比地面来说,整体变化幅度较小,但大气压总体偏低.巷道内相对湿度约50%,整体较适宜.井下温度整体偏低,F211040工作面进风巷平均温度约为8.5 ℃,部分测点最低值为5 ℃,远低于井下人体工作适宜温度(15～20 ℃).F211040工作面及F211050工作面回风巷氧浓度要比相应进风巷低一个百分点左右,回风巷氧浓度(体积分数)在19.8%左右,进风巷氧浓度(体积分数)在20.8%左右,原因在于工人们在劳动过程中会消耗部分氧气,使得回风巷中的氧浓度降低.

2.3 井下氧含量分析

经测定,井下氧气体积分数与正常值相比差异不大,但由于高原地区空气稀薄,同等体积分数下的氧气质量必然减少,势必影响工人正常用氧量.

2.3.1 大煤沟矿区空气密度

理想气体状态方程为

(1)

式中:P为大气压强,Pa;V为气体体积,m3;m为气体质量,g;M为气体的摩尔质量,M=29 g/mol;R0为通用气体常数,R0=8.314 J/(mol·K);T为空气的绝对温度,K.

由式(1)得空气密度ρ为

(2)

(3)

根据现场实测数据,标准状态下P0=101 325 Pa,ρ0=1.293 kg/m3,大煤沟矿区大气压强P=63 624 Pa,根据式(3)得出大煤沟矿区空气密度为0.811 9 kg/m3.

2.3.2 大煤沟矿区空气氧含量

氧含量为空气密度与氧气质量分数的乘积.根据空气的平均相对分子质量(29)和氧气相对分子质量(32)计算氧气的质量分数约为23.1%,大煤沟矿所在海拔的空气密度约为0.811 9 kg/m3,得出大煤沟矿区空气氧含量约为0.188 kg/m3.标准状态下空气中的氧气含量为0.298 kg/m3,可见大煤沟矿区空气氧含量远低于标准值,仅为标准状态下的63.1%,人员长期在氧含量不足的环境下工作,必定会降低工作效率,影响身体健康.

2.4 井下作业感受调查及肺通气量测定

2.4.1 井下作业感受调查

为了解一线工人在井下低压低氧状态下的工作感受,制定调查问卷(见表2).

表2 大煤沟矿井下人员作业感受调查

分别在掘进队、运输队、通修队和采煤队四个队中随机抽取30名工人作为调查对象进行问卷调查分析.调查结果为掘进队30名工人中,有24名工人在工作达7 h后出现气喘严重的现象;运输队30名工人中,有15名工人在工作达5 h内出现气喘现象,有10名工人在工作超过5 h后出现气喘严重现象;通修队30名工人中,有18 名工人在工作5 h内出现气喘现象,有16名人在工作5 h后气喘严重,同时也有4名工人在工作2 h后即出现气喘严重现象;采煤队30名工人中,有16名工人在工作不到2 h就出现气喘现象,21名工人工作达4 h以上出现气喘严重现象.调查结果表明,多数工人井下作业时有明显缺氧感受,气喘严重.

2.4.2 井下工人肺通气量测定及分析

为衡量大煤沟矿井下工人的劳动强度适宜度,采用整群抽样法[3],对井下工人肺通气量情况进行了实测,测试仪器为FT-01型肺通气量仪,具体测定结果见表3.

由测试结果分析可得

1)各工种人员的肺通气量比平原地区高.井下肺通气量较小的为绞车司机和技术员(因其体力劳动相对较小),其平均流量达到15.79 L/min,远远超出平原地区成人的6～8 L/min[8].

2)不同工种人员的肺通气量差异明显.劳动强度低的工种人员肺通气量低,如绞车司机和技术员;劳动强度高的工种人员肺通气量高,如采煤工、架子工和掘进工.

3)相对于平原地区,高原地区同工种作业人员需氧量较大,又因高原地区氧气质量分数降低,实际供氧量达不到氧需的要求,工人劳动强度变相增大,因此矿山在进行劳动组织设计时要把供氧问题纳入考虑.

表3 大煤沟煤矿各工种肺通气量数据(均值)

3 井下环境改善方案

为改善大煤沟煤矿井下低温、低压、低氧含量的环境状况,创建适宜的煤矿井下工作环境,提出以下优化建议.

3.1 井口风流加热

查阅历年气象资料发现,近年来该矿区温度每年4月～10月相对较高,11月至次年2月较低,平均温度在5 ℃左右,最低气温可达-30 ℃左右.为保证冬季正常作业,依据《煤矿安全规程》要求,需对风流进行加热处理.可在进风井附近设置专用空气加热室,采用电炉加热或利用低浓度瓦斯蓄热氧化加热技术,对进风流进行加热处理,保证井下各作业点温度适宜[5-7].该方案在实施时要考虑温度变化对风速和风量的影响,定期调节风量风速,保证用风合理性;还需考虑温度沿风流方向衰减的现实问题,在确定初始加热温度时要综合考虑,结合现场温度实测,合理调节,必要时可采取多级多点加热的方法.

3.2 改变通风方式

矿井目前通风方法是抽出式通风,该方式为负压通风,加剧了井下低压问题.高原地区大气压强计算公式为

(4)

式中:P为大气压强,Pa;h为海拔标高,m.

根据式(4)计算各测点自然状态下的大气压,结合井下实测大气压数据,对比发现井下抽出式通风状态下大气压强比自然状态下平均约低723 Pa,详见表4.

表4 井下抽出式通风与自然状态大气压对比

从表4数据看出,在抽出式通风影响下,井下低压状态不仅没有改善,反而更加严重,井下的氧分压更低.建议矿山综合考虑各项因素,优先选择压入式通风[9,10].同时可以合理设置进、回风段风阻,减小用风段阻力,提高回风段阻力,增加用风段大气压力,辅助解决低压问题[2].

3.3 井下集中与局部弥散补氧

图7 局部弥散补氧

为应对井下员工因缺氧产生的突发性事故,及时提供救助条件,可在地面建立制氧系统,通过氧气管网送至井下各补氧地点.在井底车场、避难硐室等固定场所设置集中补氧点,当工人出现思维紊乱、头晕呕吐等缺氧状况时能被及时送至集中补氧点进行吸氧恢复.在工作面、掘进面等作业人员集中场所(工作强度大、需氧量大)设置弥散式补氧[11-14],即在上述地点利用输氧管网适当补充氧气,提高局部作业区域的氧含量,满足井下高强度作业工人的需氧量(弥散补氧示意图见图7).弥散式补氧的主要目的在于保证正常生产时多人用氧需求.由于输氧管网中存在高压、高浓度氧气,氧化性极强,需加强对氧气管网的风险识别和隐患排查,考虑掘进面、工作面环境复杂和多变性,要实时监测补氧点的氧含量,装设氧浓度监测报警和超标联锁切断装置,以保证补氧的安全性.在具体实施时,要结合矿山实际,综合考虑设备的高原适应性和安全性,以及方案的经济合理性等.

4 结论

1)大煤沟地区井下环境温度整体偏低,应采用井口风流加热的方法调节井下温度.

2)矿井在抽出式通风状态下,井下大气压比自然状态下平均约低722.9 Pa,加剧了井下低压缺氧问题,应将通风方式调整为压入式通风.

3)大煤沟矿区空气氧含量约为0.188 kg/m3,仅为标准状态下的63.1%,井下员工多数受到低压缺氧环境影响.井下应采用集中与局部弥散补氧相结合的补氧方案.