深井熱源分析及人體熱平衡研究

高 蕊

(國家安全生產監督管理總局信息研究院)

我國煤礦經過長期開采，淺部資源逐漸消耗殆盡，有些礦井正在向千米以上的深井發展[1]。隨著礦井開釆深度不斷增加，井下溫度越來越高，給礦山安全高效生產帶來極大挑戰[2]。影響礦井內熱環境的因素較多[3]，并且各因素又相互影響，分析礦井熱害產生的主要因素，并選取合理公式計算井下熱負荷，研究井下熱負荷的主要組成部分，對于有效降低高溫對人體的影響，提高生產效率，最大限度降低事故發生的可能性具有重要意義[4-5]。

1 深井熱害主要熱源分析

礦井越深，地溫越高。《煤礦安全規程》規定生產礦井采掘工作面空氣溫度不得超過26 ℃，機電設備硐室的空氣溫度不得超過30 ℃；當空氣溫度超過時，必須縮短超溫地點工作人員的工作時間，并給予髙溫保健待遇。采掘工作面的空氣溫度超過30 ℃，機電硐室的溫度超過34 ℃時，必須停止作業[6]。礦井熱害產生的因素主要有：空氣壓縮放熱、圍巖散熱、運輸中的煤炭以及矸石放熱、地下水放熱、機電設備散熱、照明散熱、人體散熱、氧化放熱、爆破熱等[7]。

2 深井熱負荷計算

由于影響礦井內熱環境的因素較多[8]，并且各因素又相互影響，如圍巖散熱、機電設備散熱、地下熱水放熱等熱負荷，在其他參數不變的情況下，與始端和終端風溫差有關，而終端風溫又受到井下熱源因素的影響，因此準確計算井下熱負荷較為困難。國內外關于深井熱負荷相關計算方法也不盡相同，綜合考慮對我國深井的適用性、公式本身的合理性、參數的可獲取性，選取公式計算[9]。

(1)空氣壓縮放熱。當風流沿井巷向下流動時，由于重力作用，空氣自身壓力值增大，空氣自壓縮引起的溫度變化值計算公式為：

式中，Δt為溫度變化值，℃；n為多變指數；g為重力加速度，一般取9.81m/s2；R為氣體常數，空氣取287J/(kg·K)；ΔZ為始點與終點高差，m。

空氣壓縮釋放熱量計算公式為：

qys=QρΔt,

(2)

式中，qys為空氣壓縮理論熱負荷，kW；Q為豎井中空氣流量，m3/s；ρ為空氣密度，kg/m3。

(2)圍巖散熱。高溫的圍巖和風流間的傳熱是一個復雜不穩定傳熱過程，在礦井和巷道開鑿初期，礦井和巷道壁面以對流放熱形式向風流放熱，風流溫度升高。隨著通風時間的延長，礦井和巷道壁面溫度逐漸接近風流的溫度，壁面向風流的放熱趨于穩定。單位長度巷道圍巖熱流量計算公式為:

qwy=2πλT(Fo)(tys-tbm) ,

(3)

式中，qwy為單位長度巷道的圍巖所傳遞的熱流量，W/m；λ為圍巖的導熱率，M/(m·K)；tys為圍巖的原始溫度，℃； tbm為巷道壁面的溫度，℃；T(Fo)為考慮巷道通風時間、巷道形狀以及圍巖特性的時間系數，可用傅里葉數來描述；

式中，Fo為傅里葉數；θ為巷道通風時間，s；r為巷道的半徑，m；ρr為圍巖的密度，kg/m3；cr為圍巖的比熱容，J/(kg·K)。

當風流的干球溫度tgq等于巷道壁面的溫度tbm時，在時間θ時，巷道傳遞的熱流量為：

式中，U為巷道周長，m；L為巷道長度，m。

(3)煤炭和矸石冷卻放熱。采掘出來的煤炭和矸石以原始巖溫計算，與風流熱量交換，釋放熱量較大，計算公式為：

qk=mkckΔtk,

(6)

式中，qk為運輸中煤炭及矸石的散熱量，kW；mk為運輸中煤炭及矸石的量，kg/s；ck為運輸中煤炭及矸石的平均比熱容，kJ/(kg·℃)；Δtk為運輸中煤炭及矸石與空氣溫差，℃。

(4)地下水放熱。地下水包括井下涌水和生產水，地下涌水放熱量，計算公式為：

qs=mC0(VRT-td) ,

(7)

式中，qs為地下涌水放熱量，kW；m為涌水量，kg/s；C0為水比熱，kJ/(kg·℃)；VRT為裂隙水溫度，℃；td為進入排水系統后水溫，℃。

(5)機電設備散熱。通常情況下機電設備所消耗的電能只有一部分作有用功，其余的轉化熱能，散發到周圍介質中， 機電設備散熱量計算公式為：

Qe=(1-η)NK,

(8)

式中，Qe為機電設備散熱量，kW；η為機電設備效率，%；當機電設備處于水平巷道作功時，η=0；N為機電設備的功率，W；K為機電設備的時間利用系數。

(6)照明散熱。以電能為能源的照明設備，所消耗的電能不作有用功，全部轉化為熱能，計算公式為：

Qz=nz·Nz，

(9)

式中，Qz為電力照明設備散熱量，kW；nz為電力照明設備的個數；Nz為電力照明設備平均功率，kW。

(7)氧化放熱。煤炭大面積接觸氧氣會發生氧化放熱，而高溫會加速氧化能力。煤炭的氧化放熱是一系列復雜的氧化還原反應，一般單個采煤工作面的氧化放熱量不超過30kW。

(8)爆破熱。爆破熱量在瞬間釋放，對井下瞬間的空氣溫度提升起主導作用，但沒有后續熱量增加，持續時間短。爆破后需要通風一段時間后人員方可進入。因此暫不考慮爆破熱量的疊加。

3 某煤礦夏季井下熱負荷計算

以某礦為例計算空氣壓縮放熱、圍巖散熱、運輸中的煤炭以及矸石放熱、地下水放熱、氧化放熱、機電設備散熱、照明散熱、人體散熱等放熱量，根據公式(1)～(9)計算，結果見表1～表6。

表1 空氣壓縮放熱量

表2 圍巖放熱量

表3 運輸中的煤炭以及矸石放熱量

表4 地下水放熱量

表5 機電設備散熱量

由表1～表6可知，在井下熱負荷熱源貢獻率方面，井下熱源中空氣自壓縮放熱量占比最大為47.7%，機電設備放熱量次之占比為31.1%，空氣壓縮放熱和機電設備散熱，是井下熱負荷的主要組成部分，是礦井制冷降溫系統應主要克服的[10-13]。

表6 照明散熱量

4 人體熱平衡模型及舒適度研究

人體在正常情況下能夠依靠自身的生命調節能力使產熱和散熱保持在動態平衡狀態[9]，平衡關系式為：

M-W±C±R-E=S，

(10)

式中，M為人體新陳代謝過程中產熱量，kJ/h；W為肌肉作功而消耗的熱量，kJ/h；C為人體與周圍環境以對流傳導方式散(吸)熱量，kJ/h；R為人體與周圍物體表面之間輻射換熱量，kJ/h；E為人體通過皮膚表面顯性發汗或不感蒸發所散發的熱量，kJ/h；S為蓄存人體內的熱量，kJ/h。

當人體產熱量和散熱量相等時，即S=0；當產熱量大于散熱量時，即S>0，人體熱平衡破壞，導致體溫升高；當散熱量大于產熱量時，即S<0，導致體溫降低。

當空氣中的溫度較低時，對流、輻射作用加強，人體向外散熱，會感到寒冷；當溫度適中時，會感到舒服；當空氣溫度超過25 ℃并接近人體溫時，對流、輻射作用減弱，汗蒸發散熱加強；氣溫達到37 ℃時，人體將從空氣中吸收熱量，從而感到悶熱，有時還會引起中暑；因此井下溫度一般不應超過25 ℃。另外，相對濕度大于80%時，人體出汗不易蒸發；相對濕度低于30%時，則感到干燥并引起粘膜開裂；人體感到舒適的相對濕度是50%～60%。礦井相對濕度多為80% 以上，故井下氣候的調節多從溫度和風速來考慮，隨著溫度的增高，可適當提高風速，以提高散熱效果[14-15]。

礦工的熱舒適性是煤礦工人在井下勞動時，對井下熱環境的舒適感覺。舒適性直接影響著礦工的生理和心理健康、工作效率、安全生產狀況。對于礦井環境的舒適度主要有7個影響因素，溫度、濕度、風速、輻射、照明5個外部環境因素，勞動強度、穿衣情況2個內部人體因素。高溫作業可使工人產生悶熱、頭暈、心慌、心煩、口渴、疲倦等不適感[16]。

5 結 論

煤礦井下，夏季受地表高溫的影響，高溫風流流入井下，在自壓縮作用下溫度再升高，結合較高的原巖溫度，產生井下工作場所的熱環境，如果沒有有效的降溫措施，就會超過人體生理機能承受限度，降低生產效率，并增加事故發生的可能性。為了有效降低高溫對人體的影響，應采取有效的降溫措施，并排除空氣中有害物質，適當調整作息時間，減輕勞動強度，減少皮膚暴露，適當補充水和無機鹽，提高耐熱能力，減少中暑的發生，減輕礦井惡劣環境對人體的影響。