[科普中国]-矿井热源

能引起矿井气温值升高的环境因素统称为矿井热源。在众多的矿内热源中，有些热源所散发热量主要取决于流经该热源的风流温度及其水蒸气分压力，如岩体散热和水与风流间的热湿交换就属于这种类型，一般称它们为相对热源或自然热源；另一类热源所散发的热量并不取决于风流的温度、湿度，而仅取决于它们在生产中所起的作用，如机电设备的放热，所以也称它们为绝对热源或人为热源。

矿井主要热源大致分为以下几类：地表大气、空气的自压缩、围岩散热、机电设备放热、运输中煤炭及矸石的散热、热水散热、其他热源等。

井下的风流是从地表流入的，因而地表大气温度、湿度与气压的El变化和季节性变化势必影响到井下。

地表大气温度在一昼夜内的波动称为气温的日变化，它是由地球每天接受太阳辐射热和散发的热量变化造成的。虽然地表大气温度的日变化幅度很大，但是当它流入井下时，井巷围岩将产生吸热或散热作用，使风温和巷壁温度达到平衡，井下空气温度变化的幅度就逐渐地衰减。因此，在采掘工作面上，基本上察觉不到风温的Et变化情况。当地表大气温度发生持续数日的变化时，这种变化才能在采掘工作面上察觉到。

地表大气的温、湿度的季节性变化对井下气候的影响要比日变化深远得多。研究表明，在给定风量的条件下，无论是日变化还是季节性变化，气候参量的变化率均与其流经的井巷距离成正比，与井巷的截面积成反比。

流体的自压缩是指空气在重力作用下将其位能经摩擦转换为焓，因而引起温度升高。如果没有和其周围介质进行热、湿交换时，每垂直向下流动100m，其温升约为1℃，则千米井筒里流动的风流的自压缩温升可达10℃。煤矿的井巷并不是完全干燥的，存在湿交换过程，水分的蒸发是要消耗相当数量的热量，从而抵消部分的风流干球温升，使风流实际的干球温升值没有计值那么大。但是，水分的蒸发会使风流含湿量增大，对井下的气候条件也是不利的。

风流的自压缩是无法消除的，对于像南非那样的近4000m的特深金矿来说，其危害更为突出。在无热、湿交换的井筒里，其井底车场中风流的干球温升可达40℃，增焓达40kJ/kg。如进风量为200m3/s，则意味着其热量可达10 MW，这是一个相当巨大的热源，而且进风量越大，其热量的总增量也越高。在此情况下，增大风量已不是一个降低井下风温的有效措施，反而成为负担。1

当流经井巷风流的温度不同于原始岩温时，就要产生换热，即使是在不太深的矿井里，原始岩温也要比风温高，因而热流往往是从围岩传给风流。在深矿井里，这种热流是很大的，甚至于超过其他热源的热流量之和。

原始岩温场的分布规律取决于地球的内部热源和太阳对大地的辐射热，内热与外热共同作用，形成了地壳特有的温度场。根据地温随深度变化特点，自地表向下可将地壳浅层的地温场分为3带：变温带、恒温带和增温带。

煤炭的氧化放热是一个相当复杂的问题，很难将煤矿井下氧化放热量同井巷围岩的散热量区分开来。实测表明，正常情况下一个采煤工作面的煤炭氧化放热量很少能超过30kW，所以不会对采面的气候条件产生显著的影响。但是，当煤层或其顶板中含有大量的硫化铁时，其氧化放热量可能达到相当可观的程度。当井下发生火灾时，根据火势的强弱及范围的大小，可能形成大小不等的热源，但它一般只是个短期现象，在隐蔽的火区附近，则有可能使局部岩温上升。

井下工作人员的放热量主要取决于他们所从事工作的繁重程度以及持续工作的时间，一般煤矿工作人员的能量代谢产生热量为：休息时每人的散热量为90~115 W；轻度体力劳动时每人的散热量为250W；中等体力劳动时每人的散热量为275 W；繁重体力劳动时（短时间内）每人的散热量为470W。虽然可以根据在一个工作地点工作的人员数及其劳动强度、持续时间计算出总放热量，但其值很小，一般不会对井下的气候条件产生显著的影响，所以可忽略不计。

压缩空气在膨胀时，除了做有用功外还有些冷却作用，加上压缩空气的含湿量比较低，所以也能对工作地点补充一些较新鲜的空气，但是压缩空气人井时的温度普遍较高，且在煤矿中用量也较少，可忽略不计。

此外，如岩层的移动，炸药的爆炸都有可能产生出一定数量的热量，它们的作用时间一般很短，不会对井下气候条件产生显著的影响，故忽略不计。

1、岩层热的控制

主要方法有：针对掘进工作面的特点，采用隔热物质喷涂岩壁，防止围岩传热，巷道保持适当的干湿，提高风速以提高空气冷却能力，预冷矿层等。

2、机械热的控制

主要方法有：机电硐室独立通风，选用辅助通风机并选择适当的位置，避免使用低效率的机械等。

3、热水及管道热的控制

主要方法有：超前疏排热水，并用隔热管道排至地面，或经过有隔热盖板的水沟导入水仓，将高温排水管和热压风管敷设于回风道，或将压缩空气冷却后再送入井下等。

4、氧化热的控制。

煤或岩石在运输的过程中，由于与巷道中的气体发生氧化作用而对环境释放热量，为降低其影响可以用一层隔热层将煤或岩石罩住，减少其对空气的传热。2

德国鲁尔煤田，采深1000~1200m处，岩温达50~60℃。超过10m的深井，地层散热量占矿井总热源的40%一50%。空气沿井筒下降时，由于受到井筒空气柱的压力而压缩，垂深每增加100m，空气温度约升高。.97C。井下电钻、装载机、水平巷道输送机等所作的功用于克服摩擦阻力，因此，全部机械功最终以热能形式传给空气;克服重力作功的水泵、提升机械等所作的功，部分用于增加被提升物的位能，另一部分仍转化为热能。机电设备可成为个别地点的主要热源。温泉地带矿井涌出的热水散热，硫化矿物和煤氧化生成的热量，是矿井空气温度升高的主要原因。矿井各种热源所占比例，随矿井开采深度、范围和机械化程度等因素而变化，不同矿井差别较大。南非威特沃特斯兰（Wltwatersrand）金矿深1524m，井下各种热源所占百分比为：岩体占46%、空气压缩占21%、机电设备占抢%、电石灯占7%、人体占14%。