深井热源分析及人体热平衡研究

高 蕊

(国家安全生产监督管理总局信息研究院)

我国煤矿经过长期开采，浅部资源逐渐消耗殆尽，有些矿井正在向千米以上的深井发展[1]。随着矿井开釆深度不断增加，井下温度越来越高，给矿山安全高效生产带来极大挑战[2]。影响矿井内热环境的因素较多[3]，并且各因素又相互影响，分析矿井热害产生的主要因素，并选取合理公式计算井下热负荷，研究井下热负荷的主要组成部分，对于有效降低高温对人体的影响，提高生产效率，最大限度降低事故发生的可能性具有重要意义[4-5]。

1 深井热害主要热源分析

矿井越深，地温越高。《煤矿安全规程》规定生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26 ℃，机电设备硐室的空气温度不得超过30 ℃；当空气温度超过时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予髙温保健待遇。采掘工作面的空气温度超过30 ℃，机电硐室的温度超过34 ℃时，必须停止作业[6]。矿井热害产生的因素主要有：空气压缩放热、围岩散热、运输中的煤炭以及矸石放热、地下水放热、机电设备散热、照明散热、人体散热、氧化放热、爆破热等[7]。

2 深井热负荷计算

由于影响矿井内热环境的因素较多[8]，并且各因素又相互影响，如围岩散热、机电设备散热、地下热水放热等热负荷，在其他参数不变的情况下，与始端和终端风温差有关，而终端风温又受到井下热源因素的影响，因此准确计算井下热负荷较为困难。国内外关于深井热负荷相关计算方法也不尽相同，综合考虑对我国深井的适用性、公式本身的合理性、参数的可获取性，选取公式计算[9]。

(1)空气压缩放热。当风流沿井巷向下流动时，由于重力作用，空气自身压力值增大，空气自压缩引起的温度变化值计算公式为：

式中，Δt为温度变化值，℃；n为多变指数；g为重力加速度，一般取9.81m/s2；R为气体常数，空气取287J/(kg·K)；ΔZ为始点与终点高差，m。

空气压缩释放热量计算公式为：

qys=QρΔt,

(2)

式中，qys为空气压缩理论热负荷，kW；Q为竖井中空气流量，m3/s；ρ为空气密度，kg/m3。

(2)围岩散热。高温的围岩和风流间的传热是一个复杂不稳定传热过程，在矿井和巷道开凿初期，矿井和巷道壁面以对流放热形式向风流放热，风流温度升高。随着通风时间的延长，矿井和巷道壁面温度逐渐接近风流的温度，壁面向风流的放热趋于稳定。单位长度巷道围岩热流量计算公式为:

qwy=2πλT(Fo)(tys-tbm) ,

(3)

式中，qwy为单位长度巷道的围岩所传递的热流量，W/m；λ为围岩的导热率，M/(m·K)；tys为围岩的原始温度，℃； tbm为巷道壁面的温度，℃；T(Fo)为考虑巷道通风时间、巷道形状以及围岩特性的时间系数，可用傅里叶数来描述；

式中，Fo为傅里叶数；θ为巷道通风时间，s；r为巷道的半径，m；ρr为围岩的密度，kg/m3；cr为围岩的比热容，J/(kg·K)。

当风流的干球温度tgq等于巷道壁面的温度tbm时，在时间θ时，巷道传递的热流量为：

式中，U为巷道周长，m；L为巷道长度，m。

(3)煤炭和矸石冷却放热。采掘出来的煤炭和矸石以原始岩温计算，与风流热量交换，释放热量较大，计算公式为：

qk=mkckΔtk,

(6)

式中，qk为运输中煤炭及矸石的散热量，kW；mk为运输中煤炭及矸石的量，kg/s；ck为运输中煤炭及矸石的平均比热容，kJ/(kg·℃)；Δtk为运输中煤炭及矸石与空气温差，℃。

(4)地下水放热。地下水包括井下涌水和生产水，地下涌水放热量，计算公式为：

qs=mC0(VRT-td) ,

(7)

式中，qs为地下涌水放热量，kW；m为涌水量，kg/s；C0为水比热，kJ/(kg·℃)；VRT为裂隙水温度，℃；td为进入排水系统后水温，℃。

(5)机电设备散热。通常情况下机电设备所消耗的电能只有一部分作有用功，其余的转化热能，散发到周围介质中， 机电设备散热量计算公式为：

Qe=(1-η)NK,

(8)

式中，Qe为机电设备散热量，kW；η为机电设备效率，%；当机电设备处于水平巷道作功时，η=0；N为机电设备的功率，W；K为机电设备的时间利用系数。

(6)照明散热。以电能为能源的照明设备，所消耗的电能不作有用功，全部转化为热能，计算公式为：

Qz=nz·Nz，

(9)

式中，Qz为电力照明设备散热量，kW；nz为电力照明设备的个数；Nz为电力照明设备平均功率，kW。

(7)氧化放热。煤炭大面积接触氧气会发生氧化放热，而高温会加速氧化能力。煤炭的氧化放热是一系列复杂的氧化还原反应，一般单个采煤工作面的氧化放热量不超过30kW。

(8)爆破热。爆破热量在瞬间释放，对井下瞬间的空气温度提升起主导作用，但没有后续热量增加，持续时间短。爆破后需要通风一段时间后人员方可进入。因此暂不考虑爆破热量的叠加。

3 某煤矿夏季井下热负荷计算

以某矿为例计算空气压缩放热、围岩散热、运输中的煤炭以及矸石放热、地下水放热、氧化放热、机电设备散热、照明散热、人体散热等放热量，根据公式(1)～(9)计算，结果见表1～表6。

表1 空气压缩放热量

表2 围岩放热量

表3 运输中的煤炭以及矸石放热量

表4 地下水放热量

表5 机电设备散热量

由表1～表6可知，在井下热负荷热源贡献率方面，井下热源中空气自压缩放热量占比最大为47.7%，机电设备放热量次之占比为31.1%，空气压缩放热和机电设备散热，是井下热负荷的主要组成部分，是矿井制冷降温系统应主要克服的[10-13]。

表6 照明散热量

4 人体热平衡模型及舒适度研究

人体在正常情况下能够依靠自身的生命调节能力使产热和散热保持在动态平衡状态[9]，平衡关系式为：

M-W±C±R-E=S，

(10)

式中，M为人体新陈代谢过程中产热量，kJ/h；W为肌肉作功而消耗的热量，kJ/h；C为人体与周围环境以对流传导方式散(吸)热量，kJ/h；R为人体与周围物体表面之间辐射换热量，kJ/h；E为人体通过皮肤表面显性发汗或不感蒸发所散发的热量，kJ/h；S为蓄存人体内的热量，kJ/h。

当人体产热量和散热量相等时，即S=0；当产热量大于散热量时，即S>0，人体热平衡破坏，导致体温升高；当散热量大于产热量时，即S<0，导致体温降低。

当空气中的温度较低时，对流、辐射作用加强，人体向外散热，会感到寒冷；当温度适中时，会感到舒服；当空气温度超过25 ℃并接近人体温时，对流、辐射作用减弱，汗蒸发散热加强；气温达到37 ℃时，人体将从空气中吸收热量，从而感到闷热，有时还会引起中暑；因此井下温度一般不应超过25 ℃。另外，相对湿度大于80%时，人体出汗不易蒸发；相对湿度低于30%时，则感到干燥并引起粘膜开裂；人体感到舒适的相对湿度是50%～60%。矿井相对湿度多为80% 以上，故井下气候的调节多从温度和风速来考虑，随着温度的增高，可适当提高风速，以提高散热效果[14-15]。

矿工的热舒适性是煤矿工人在井下劳动时，对井下热环境的舒适感觉。舒适性直接影响着矿工的生理和心理健康、工作效率、安全生产状况。对于矿井环境的舒适度主要有7个影响因素，温度、湿度、风速、辐射、照明5个外部环境因素，劳动强度、穿衣情况2个内部人体因素。高温作业可使工人产生闷热、头晕、心慌、心烦、口渴、疲倦等不适感[16]。

5 结 论

煤矿井下，夏季受地表高温的影响，高温风流流入井下，在自压缩作用下温度再升高，结合较高的原岩温度，产生井下工作场所的热环境，如果没有有效的降温措施，就会超过人体生理机能承受限度，降低生产效率，并增加事故发生的可能性。为了有效降低高温对人体的影响，应采取有效的降温措施，并排除空气中有害物质，适当调整作息时间，减轻劳动强度，减少皮肤暴露，适当补充水和无机盐，提高耐热能力，减少中暑的发生，减轻矿井恶劣环境对人体的影响。