新型矿用隔热防水材料在矿井应用的节能实验研究.pdf

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1、Y 1 5 3 0 6 1 j天洋大謦十目m R 镕一m 太#硕士学位论文学科专业：供热、供燃气、通风与空调工作者姓名：李春阳指导教师：朱能教授天津大学研究生院2 0 0 8 年5 月新型矿用隔热防水材料在矿井应用的节能实验研究E x p e r i m e n t a lR e s e a r c ho nE n e r g y-s a v i n go fN e wM i n eI n s u l a t e da n dW a t e r p r o o fM a t e r i a lA p p l i e dO i lM i n e学科专业：供热、供燃气、通风与空调工程研究生：李春阳

2、指导教师：朱能教授天津大学环境科学与工程学院二零零八年五月中文摘要随着社会经济的发展，煤炭需求的增加，我国各类矿井开采深度的不断增加，从而导致矿井热害越来越严重。目前主要的降温措施分两大类，非制冷空调降温和制冷空调降温。上述技术措施在矿井降温方面起到了重要作用，但也存在一定的缺陷。如增风降温技术要受到巷道断面和风速等方面的限制；机械制冷技术存在设备成本高、能耗大、管理复杂等缺点。并且研究表明，在井下高温地段主要进风巷道中，围岩的热辐射导致进风流温度升高，风流在经过高温地段巷道被逐步加温，最终使得工作面气温升高。只要能有效减少空气流通线路上的热辐射，有组织的引导巷道壁面的热水渗透，减少水的蒸发，

3、巷道内风流的温度就会有明显下降，从而降低采掘工作面的温度。采用隔热防水材料可以降低热辐射并且能够减少风流与巷道之间的潜热交换量，降低巷道内相对湿度，是一种主动的矿井热害治理技术，是深部开采条件下高温矿井热害治理新的发展方向。本文将理论分析和模拟实验结合起来。按照相似理论搭建实验台，用与煤矿围岩热工性能相似的混凝土试件代替真实巷道，模拟真实巷道的传热过程。通过变换风流进口的温度、湿度、速度，监测出口空气状态的变化和围岩内部温度的变化。经过多组实验工况的测试并利用统计学工具进行分析研究，分析出风流经过矿井湿壁巷道，沿途增温增湿的影响因素和变化规律，围岩稳态内壁温度的变化规律。着重对比研究填涂隔热防

4、水材料前后风流增加潜热以及显热的节能效率。关键词：矿井巷道；传热传湿；隔热防水材料；潜热显热；节能效率A B S T R A C TW i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i a le c o n o m y,t h em i n i n gd e p t hi si n c r e a s i n ga n dt h eh e a th a r mo fm i n eb e c o m e si n c r e a s i n g l ys e r i o u s A tp r e s e n tt h em a i nm e a s u

5、 r e so fm i l l et e m p e r a t u r ed r o pt e c h n o l o g yi n c l u d e sr e f r i g e r a t i o na n da i r-c o n d i t i o n i n gc o o l i n ga n dn o n-r e f r i g e r a t i o na n da i r-c o n d i t i o n i n gc o o l i n g T h e s et e c h n i c a lm e a s u r e sh a v ep h y e da l li

6、m p o r t a n tr o l ei nt h ea r e ao fm i n et e m p e r a t u r ed r o p B u tt h e ya l s oi n v o l v es o m el i m i t a t i o n s，f o re x a m p l ei n c r e a s i n gw i n df o rl o w e r i n gt e m p e r a t u r ei sl i m i t e db ys e c t i o no fm i l l er o a d w a ya n dw i n ds p e e d

7、 A n dr e s e a r c hs h o w st h a th e a tr a d i a t i o no fw a l lr o c kl e a dt oi n c r e a s et h et e m p e r a t u r eo ft h ew i n di nt h em a i nm i n er o a d w a yo fl l i g h t e m p e r a t u r ea r e a s f i n a l l yt h et e m p e r a t u r eo fw o r k p l a c ew i l lb ei n c r

8、e a s e d I fw eC a l lr e d u c et h eh e a tr a d i a t i o ne f f e c t i v e l yi nt h el i n eo fa i rv e n t i l a t i o n,恤et e m p e r a t u r eo fg u s to fw i n dw i l lb er e d u c e do b v i o u s l y,a sar e s u l tw ec a nr e d u c et h et e m p e r a t u r eo ft h ew o r k p l a c e C

9、 h o o s i n gt h ei n s u l a t e da n dw a t e r p r o o fm a t e r i a lb o t hc a nr e d u c et h eh e a tr a d i a t i o na n dd e c r e a s el a t e n th e a tb e t w e e nt h e 曲s to fw i n da n dn l i n ar o a d w a y T h a ti sa na c t i v et e c h n o l o g yo ft r e a t i n gt h eh e a th

10、 a r mo fm i n ea n dan e wd e v e l o p m e n td i r e c t i o n I nt h i sp a p e rt h et h e o r ya n a l y s i s，s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n d0 1 Is i t em e a s u r ew e r ec o m b i n e d T h e nt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mw a sb u i l tu n d e rt h ep r i n c i p l eo

11、 fs i m i l a r i t y C o n c r e t ew a su s e dt or e p l a c et h ea c t u a ls a n d s t o n ei nm i n et u n n e l s T h ea c t u a l l yh e a ta n dm a s st r a n s f e rp r o c e s sw a ss i m u l a t e db yt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m 1 1 l ea i rs t a t ep a r a m e t e r sa tt h

12、 eo u t l e ta n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h es u r r o u n d i n gr o c kC a nb em o n i t o r e dw i t hc h a n g i n go ft h et e m p e r a t u r e，h u m i d i t ya n dv e l o c i t ya tt h ei n l e to fa i r f l o w B yal o to fe x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sa

13、n ds t a t i s t i c sm e t h o d s，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dc h a n g el a wo fa i r f l o wh e a t i n ga n dh u m i d i f y i n ga l o n gt h el a n e w a yw h e nf l o w i n gt h r o u g hw e tt u n n e lw a l l sa n ds u r f a c es t e a d yt e m p e r a t u r eo fs u r r o u

14、 n d i n gr o c kw a sc o n c l u d e d E s p e c i a l l ys t u d yt h ee n e r g ye f f i c i e n c yo fl a t e n th e a ta n ds e n s i b l eh e a to fg u s to fw i n da f t e rd a u b i n gi n s u l a t e da n dw a t e r p r o o fm a t e r i a l K e yw o r d s：l a n e w a yo fm i n e：h e a ta n

15、dm a s st r a n s f e r；i n s u l a t e da n dw a t e r p r o o fm a t e r i a l；l a t e n th e a ta n ds e n s i b l eh e a t；e n e r g ye f f i c i e n c y独创性声I!J 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞叁堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中

16、作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：獭阳放宝日I-4 期：卯绛乡月乡甲学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解：苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权鑫盗苤鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：考杏阳导师签名：签字日期：硼g 年月占E t签字日期：蒯年石月多日第一章绪论1 1 问题的提出第一章绪论1 1 1 我国煤炭行业在我国能源工业中的主导地位我国能源资源的特点是富煤贫油，相对于石油和天然

17、气，煤炭在我国的储量占绝对优势，分布也最广泛，因此煤炭是我国战略上最安全和最可靠的能源。因为我国的煤炭资源具有的储量优势，还有煤炭资源在成本上相对石油和天然气具有的竞争优势及为适应我国经济快速增长的能源需求中煤炭需求的巨大潜力。从我国煤炭生产从煤炭供给来看，煤炭的比例有所下降，而石油的比例有所上升，但是总体的能源供给结构保持稳定，煤炭的主导地位并未有质变。一富煤、贫油、少气 这一特点决定了煤炭将在一次性能源生产和消费中占据主导地位且长期不会改变。目前我国煤炭可供利用的储量约占世界煤炭储量的l1 6 7，位居世界第三。我国是当今世界上第一产煤大国，煤炭产量占世界的3 5 以上。我国也是世界煤炭消

18、费量最大的国家，煤炭一直是我国的主要能源和重要原料，在一次能源生产和消费构成中煤炭始终占一半以上。中国统计年鉴2 0 0 7)的统计数据显示，我国过分高度依赖煤炭的生产与消费，煤炭在一次能源生产与消费构成中约占7 0，数据n 1 见表1-1，t-2。表1 1 中国能源生产总量及构成统计表年份裟占能源生产总量的比重()原煤原油天然气水电1 9 7 81 9 8 01 9 8 51 9 8 91 9 9 01 9 9 11 9 9 21 9 9 31 9 9 46 2 7 7 06 3 7 3 58 5 5 4 61 0 1 6 3 91 0 3 9 2 21 0 4 8 4 41 0 7 2 5

19、 61 1 1 0 5 91 1 8 7 2 97 0 36 9 47 2 87 4 17 4 27 4 17 4 37 4 07 4 62 3 72 3 82 0 91 9 31 9 O1 9 21 8 91 8 71 7 62 93 O2 O2 O2 02 02 O2 01 93 13 84 34 64 84 74 85 35 9第一章绪论1 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 51 2 9 0 3 41 3 2 6 1 61 3 2 4 1 01 2 4 2 5 01 0 9

20、1 2 61 0 6 9 8 81 2 0 9 0 01 3 8 3 6 81 5 9 9 1 21 8 4 6 0 02 0 5 8 7 67 5 37 5 27 4 17 1 96 8-36 6 66 8 67 1 27 4 27 5 67 6 51 6 61 7 O1 7 31 8 52 1 02 1。81 9 41 7 31 5 21 3 51 2 61 92 02 I2 53 13 43 33 12 93 03 26 25 86 57 17 68 28 78 47 77 97 72 0 0 62 2 1 0 0 07 6 811 93 57 8表I-2 中国能源消费总量及构成统计表能

21、源消费总量占能源消费总量的比重()牛份(万吨标准煤)煤炭石油天然气水电1 9 7 85 7 1 4 47 0 72 2 73 23 41 9 8 06 0 2 7 57 2 22 0 73 14 01 9 8 57 6 6 8 27 5 81 7 12 24 91 9 8 99 6 9 3 47 6 11 7 12 14 71 9 9 09 8 7 0 37 6 21 6 62 15 11 9 9 11 0 3 7 8 37 6 11 7 12 04 81 9 9 21 0 9 1 7 07 5 71 7 51 94 91 9 9 31 1 5 9 9 37 4 71 8 21 95 21 9

22、 9 41 2 2 7 3 77 5 01 7 41 95 71 9 9 51 3 1 1 7 67 4 61 7 51 86 11 9 9 61 3 8 9 4 87 4 71 8 01 85 51 9 9 71 3 7 7 9 87 1 72 0 41 76 21 9 9 81 3 2 2 1 46 9 62 1 52 26 71 9 9 91 3 0 11 96 8 02 3 22 26 62 0 0 01 3 0 2 9 76 6 12 4 62 56 82 0 0 11 3 4 9 1 46 5 32 4 32 77 72 0 0 21 4 8 2 2 26 5 62 4 02 67

23、 82 0 0 317 0 9 4 36 7 62 2 72 77 02 0 0 41 9 7 0 0 06 7 72 2 72 67 02 0 0 52 2 3 3 1 96 8 92 1 02 97 22 0 0 62 4 6 2 7 06 9 42 0 43 07 22 一第一章绪论我国是一个多煤少油的国家，煤炭资源相当丰富，已探明的煤炭储量占世界煤炭储量的3 3 8。我国产煤量位居世界第一位，出口量仅次于澳大利亚而居于第二位。专家预测，到2 0 1 0 年，煤炭在一次性能源生产和消费中将占6 0 左右；到2 0 5 0 年煤炭所占比例不会低于5 0。可以预见，在未来几十年内，煤炭仍将是

24、我国的主要能源和重要的战略物资，具有不可替代性，煤炭工业在国民经济中的基础地位将是长期和稳定的船。1 1 2 高温煤矿的出现随着社会经济的发展，能源日益紧张，煤炭作为基础能源需求量越来越大，这就使得矿井开采深度增加。由于地热的影响，开采越深，井巷围岩的岩温越高，围岩的散热量越大；此外随着采矿机械化程度的提高，机械设备的散热量也大幅增加，使得高温矿井的数量日益增多，而且危害程度也日趋严重1。目前，世界各主要采煤国家相继进入深部开采，开采深度逐步增加，据有关资料町阳1，南非的斯太总统金矿是世界上最深的矿井，开采深度超过3 0 0 0 r n，岩温达6 3 以上；德国的依本比伦煤矿为世界上最深的采煤

25、矿井，采深达1 5 3 0 m，岩温达6 0；前苏联的彼得罗夫煤矿采深达1 2 0 0 m，原始岩温达到5 2；加拿大超过1 0 0 0 m的矿井有3 0 对，美国有1 1 对，德国和俄罗斯开采深度都达到1 4 0 0 -1 5 0 0 m。我国煤矿大约以每年1 0 米左右的速度向下延伸，近年来我国高温矿井的数目日益增多。据不完全统计，目前我国国有重点煤矿采深大于7 0 0 m 的矿井有5 0 多处，最深矿井已超过1 0 0 0 m，已有8 0 多对矿井出现了不同程度的热害，其中有3 8对矿井采掘工作面的气温超过3 0 嘲。例如新汶矿务局孙村煤矿，在深7 6 0 m 处，平均岩温达3 4 9。

26、C，部分采掘工作面风温都在3 0-3 2，矿井需冷量为2 2 0 0 k W，当深度达到1 0 5 0 m 时，岩温达到4 0-4 5，采掘工作面风温达到3 2 3 4。C，矿井需冷量为7 5 0 0 k W 口1。另外，丰富的地下水资源使得井内空气湿度也随之增加，如山东新汶矿务局孙村矿l0 0 0 m 深的巷道岩温达4 2。C，掘进工作面气温3 9 -4 0，相对湿度高达1 0 0。由此可以预测，随着矿井开采深度的进一步加深，矿井热害随之产生，高温矿井即随之出现。1 1 3 井下高温高湿环境矿井中高温对人体的危害，所谓矿井高温，是指矿井下气温超过3 0。人们长期在矿井下高温环境中作业，高温可

27、能使人产生一系列生理功能的改变：(1)体温调节发生障碍，主要表现为体温和皮温升高；(2)盐、水代谢现出紊乱，有机体的机能受到影响；第一章绪论(3)神经系统、循环系统、消化系统和泌尿系统等均会因高温下机体大量失水，改变正常的功能，甚至致病。人们长期在矿井下高温环境中作业，人的中枢神经系统特别容易失调，从而造成人精神恍惚、疲劳、浑身无力、昏昏沉沉，这种状况成为矿山劳动生产率低下的主要原因。调查表明【9】，在我国高温矿井中，一般劳动生产率均较低，有的矿山劳动生产率仅为3 0 -4 0。矿井高温除了造成矿山劳动生产率低下外，还成为诱发矿山事故的重要原因。1 9 8 4 年8 月3 0 日，黑龙江鹤壁某

28、矿因回采工作面风温高达3 2，相对湿度达9 9 以上，一个班就有4 名矿工因高温中暑晕倒在工作地点；湖南省湘潭某煤矿1 9 9 6 年-1 9 9 8 年3 年调查统计表明，在矿井中2 9 3 2 气温的工作面，矿井下温度与工伤频次的关系为：作业地点气温2 9，工伤频次为1 5 5 次千人，作业地点气温3 0，工伤频次为2 3 1 次千人，作业地点气温3 1，工伤频次为3 2 0 次千人，作业地点气温3 2，工伤频次为4 8 6 次千人；日本1 9 7 9 年全国调查统计，矿井中3 0 -4 0 气温的工作面比低于3 0。C 气温的工作面的事故率高3 6 倍：南非多年全国调查统计表明，当矿井中

29、作业地点的空气湿球温度达到2 8 9。C 时，相当于干球温度3 0，就开始出现高温中暑死亡事故。表1 3 为南非金矿矿井下温度与事故率的关系随1。表1-3 南非矿井下温度与事故率的关系矿井中高湿对人体的危害，高湿是指矿井下的相对湿度超过8 0。人们长期在高湿的矿井下作业，将会使人产生一系列的生理功能改变，影响人的正常生理功能，使人的机理不能有效地散发热量，出现中暑晕倒，严重的会出现死亡。另外，矿工长期在高湿的矿井下作业，会使人患上风湿病、皮肤病、皮肤癌、心脏病及泌尿系统和消化系统等疾病，还会使人产生心绪不宁、心情浮燥，诱发人精神方面的疾病，严重影响矿工的身心健康。据调查有以下典型案例1，1 9

30、 9 6 年7 月2 5 日，湖南省邵阳某矿因回采工作面风温高达3 2，相对湿度达9 8 以上，一个班就有5 名矿工因中暑晕倒在工作地点，经抢救才幸免于难；湖南省冷水江某矿多年调查统计表明，矿工长期在高湿的矿井下作业，患风湿病、皮肤病、皮肤癌、心脏病的比例很高，并有如下调查结果：患风湿病的比例为1 8 6 千人，患心脏病的比例为7 9 人千人，患皮肤病的比例为1 2 1 人千人，患皮肤癌的比例为4 5 人千人。第一章绪论1 1 4 矿井热害的概念矿井热害是指井下空气的温度、相对湿度、风速和环境温度(指向人体辐射放热的高温岩边和物体等)达到一定状态后，致使人体散热困难，工人感到闷热，劳动生产率下

31、降，进而出现大汗不止、体温升高、头昏、虚脱、呕吐等中暑症状，甚至死亡的自然灾害口，。地壳表层的温度受地面温度的影响呈周期性的变化，但这种影响随着深度的增加而逐渐减弱的。到一定深度，这种影响基本消失，从而地温保持恒定。地温常年保持恒定的带称为恒温带。在恒温带以上，地温受太阳辐射热的影响而具有周期性的变化规律，故称为变温带。在恒温带以下，地温的变化受大地热流场的影响，随着深度的增加而不断增温，故称为增温带。恒温带则是变温带与增温带的分界面。由于恒温带的深度大都只有十余米或数十米，而矿井生产的深度大都为数百米，甚至超千米，远远深于恒温带的深度。随着采深的增加，地温也逐渐的升高，当地温超过某一温度时，

32、就将引起矿井高温热害问题n j l。因此可以说，高温热害是矿井生产向深部发展过程中不可避免的问题。在矿业发达国家，由于矿井深，热害问题出现早。如南写E、最深金矿己达4 0 0 0 m 左右；印度、巴西的金属矿井有的己超过2 0 0 0 m；苏联、西德、英、法等国的超千米煤矿较多。另外，在某种待殊条件下，矿井虽然深度不大，但也会遇到较高的岩温或水温。国外热矿井遇到的岩(矿)体或水温高达5 0-9 0。7 0 年代，我国在千米深煤矿井下遇到的岩温和水温达到或超过4 0，预计未来将超过5 0o c 1 副。这种恶劣的高温、高湿工作环境使得作业人员思维下降，注意力分散，使井下事故率上升，对煤矿安全生产

33、构成严重威胁。有资料表明n 引，工作区域内温度每超过标准l(标准为2 6)，工人的生产效率会降低6-8，当温度由2 7 增加到3 0 时，劳动效率显著下降。在闷热、潮湿的矿井中从事繁重的体力劳动时，人的排汗量大大增加，如不及时地补充水分，则可能导致人脱水、血液浓度及粘稠度增大，再加上血管扩张，血容量更显不足，以至引起周围循环衰竭，从而使人产生热疲劳、中暑、热衰竭、热痉挛、热疹，甚至死亡，造成重大安全事故。煤炭资源地质勘探地温测量若干规定指出：平均地温梯度不超过3 l O O m 的地区为地温正常区；超过3 l O O m 为高温异常区。同时还指出，原始岩温高于3 1 的地区为一级热害区，原始岩

34、温高于3 7 的地区为二级热害区f 1 4】o热害已成为我国矿井的新灾害。据不完全统计，国有重点煤矿中有7 0 多处第一章绪论矿井采掘工作面温度超过2 6，其中3 0 多处矿井采掘工作面温度超过3 0，最高达3 7。随着开采深度的增加，矿井热害日趋严重n 引。总之，矿井热害不仅影响井下作业人员的工作效率，影响矿山的经济效益，而且严重地影响井下作业人员的身体健康和生命安全，高温热害已经和水、火、瓦斯、地压并称为煤矿的五大灾害u 引。为了保护矿工免受高温危害，保护矿工的生命安全，我国煤矿安全规程中第1 0 8 条对煤矿井下的作业环境提出了明确的规定n 7 1：(1)生产矿井采掘工作面空气温度不得超

35、过2 6，机电设备硐室的空气温度不得超过3 0；(2)在超温的个别地点，经采取加大风量、局部降温等措施后，仍超过本条文昕规定的空气温度时，报省(区)煤炭局批准，可以适当超过空气温度的规定，在超温地点的工作人员应缩短工作时间，并给予高温保健待遇；(3)采掘工作面的空气温度超过3 0、机电硐室的空气温度超过3 4 C 时，必须停止作业；(4)新建、改扩建矿井设计时，必须进行矿井风温预测计算，超温地点必须有制冷降温设计，配齐降温设施。国外也有类似规定，西德：1 9 4 9 年规定，干球温度在2 8 以上的工作面，劳动时间为6 h；1 9 6 5 年规定，感光温度3 2 为正常工作的气温上限。日本：1

36、 9 4 9年规定，干球温度2 7 为标准。目前，一般以干球温度3 0 为标准。荷兰：禁止在干球温度为3 5 以上的环境中劳动，在3 0 以上劳动时间为6 h。捷克：；规定以湿度9 0，干球温度2 8，湿度8 0，干球温度3 0。C 作为标准。比利时：禁止在有效温度为31 以上的地方劳动。因此，如何改善矿井内空气环境，控制热害，保障安全生产已经成为煤矿生产亟待解决的问题之一。1 1 5 课题的提出随着我国各类矿井开采深度的不断增加，矿井热害会越来越严重。影响矿内环境的热源主要有：围岩散热、机电设备散热、氧化散热、风流自压缩等。据统计，在这些热源中，围岩散热占5 7，机电设备散热占J 5 2 0

37、，氧化热占1 2，自压缩热占9 n 引。可见，矿井热害主要是受围岩散热的影响，同时丰富的地下水又是造成井下相对湿度较高的重要原因。目前我国出现了很多的热水型矿井，由于地下深循环热水的存在和涌入，矿井环境最主要的问题是高温高湿，因此热水治理是热水型矿井环境治理的基点。矿井热水的危害，主要是使井下高温区作业人员的体温和脉博明显提高。例第一章绪论如七一一矿一号井田总涌水量1 1 6 0 m 3 h，水温4 7 -5 4，由于热水的涌出，使井下空气温度和湿度升高。据测定掘进工作面气温达3 5 -4 1，相对湿度达9 0 以上。同时七一一矿井下高温区作业人员的脉搏，超过1 0 0 次m i n 的有5

38、5，超过1 2 0 次m i n 的有1 5，比钢铁厂炉前工人的情况严重得多。对井下1 0 0名高温区作业工人多次调查的结果：劳动m 的，口温为3 8 6 -3 8 7。C，脉搏为6 0 1 4 0 次m i n n 钉。其次，矿井热水还损害劳动力，使约5 的工人工作不到5年就不得不改换工种，降低劳动效率，延缓工期，提高工程造价，从而降低企业经济效益。因此，矿井热水治理在控制矿井热害中至关重要。1 2 国内外矿井降温现状1 2 1 国外研究现状矿井高温热害的出现，严重地影响了采矿工业的发展，世界各高温矿井的国家早在7 0 年前便开始了高温矿井降温技术的研究。1 9 1 9 年南非就开始了矿井风

39、流热力学规律的研究心们。1 9 1 5 年在巴西的莫劳约里赫金矿建立了世界上第一个矿井空调系统，在地面建立了集中制冷站。英国是世界上最早在井下实施空调技术的国家，1 9 2 3 年英国彭德尔顿煤矿第一个在采区安设制冷机，冷却采面风流心0 1。德国最早于1 9 2 4 年在拉德劳德煤矿的地面安设冷冻机，井下最早是1 9 5 3年在洛伯尔格矿安设大型风流冷却设备。巴西莫罗维罗矿和南非的鲁滨逊深井于三十年代采用集中冷却井筒入风流的方法降温，南非六十年代便开始了大型矿井集中式空调。苏联、日本等国矿井七十年代开始应用制冷降温。现在，国外矿井空调规模越来越大，发展迅猛。目前世界上矿井空调规模最大的当属南非

40、金矿，全国4 4 对矿井都安装了降温用的冷冻机，1 9 8 8 年总制冷能力己超过5 0 0 M W，平均每个矿井超过1 1 4 M W 啪1。德国共有2 3 对矿井，已有2 8 对矿井采用空调降温，1 9 8 6 年总制冷能力达2 9 1 4 M W，1 9 9 3 年9 月为2 5 6 M W 妇呦1。目前国外的深井巷道降温技术以德国最先进、最具代表性。德国煤矿开采的最大深度已超过15 0 0 m，最高原始岩温已超过6 0，几乎所有矿井在不同程度上采取了空调降温措施，并根据矿井气候条件规程、矿山健康保护法，以及煤矿企业与工会等部门的协调确定，以干球温度2 8、有效温度2 5 作为井下每班允

41、许工作8 小时的限值，以有效温度大于3 2 (2 作为禁止工作的限值，超过规定，则将作业时间相应减少。各矿为避免产量的损失和工人健康的影响，均设法通过空调，以使井下温度满足于规定要求也。第一章绪论1 2 2 国内研究现状我国矿井降温的研究工作始于5 0 年代初期，1 9 5 4 年抚顺煤科分院对抚顺煤矿的高温问题进行了科学研究啪】【2 3】。六十年代在淮南九龙岗矿采用小型制冷设备进行矿井降温，并取得了较好的降温效果。七十年代在北票台吉矿、湖南7 1 1 矿也进行了降温试点乜。八十年代初在新汶局孙村矿建立了我国第一个井下集中制冷站，1 9 9 0 年又在平顶山八矿建立了第二个井下集中降温系统，开

42、展综合性降温技术研究口州2 妇啪1。但我国高温矿井制冷降温规模小，发展速度慢，大型集中式空调系统中的许多问题仍亟待解决。五十多年来，关于矿井降温的各项研究如矿井降温的基础理论研究和矿井降温的实用技术研究等各都取得了丰硕的成果，具体包括：矿井热交换理论体系、矿山地热学的理论体系、矿井制冷降温系统的热力学基础、矿内风流热力状况预测技术、矿井制冷降温系统的设计研究、矿井降温技术装备的研制等等。2 0 0 2 年，焦作煤业集团研制了一种深井煤矿巷道隔热材料乜6 2 6 1，其原料组成见表1 4 所示：表1 4 巷道隔热材料的组成该隔热材料的主要技术指标为：抗压强度为1 6 3 M P a，密度为O 7

43、 2 7 9 c m 3，导热系数为0 17 W(m K)。在井下围岩温度大于3 5。C 条件下的进风巷道内应用本隔热材料的效果较明显，可使巷道内的温度最大降低3 -4 5，采煤工作面温度可降低2 3。但这种隔热材料仍存在较大的缺陷：第一，该材料为无机材料，导热系数在隔热材料中仍属于比较高的范围；第二，该材料没有防水特性，在隔热的同时不具备防水的功能，并没有达到最佳的防水隔热效果。1 3 本课题的目的及意义随着社会的发展和煤炭资源开发的日益加强，矿井的开采深度不断增大。目前世界各主要采煤国家相继进入深部开采，开采深度的逐步增加，地温也随之升高。据有关资料b m，加拿大超过1 0 0 0 m 的

44、矿井有3 0 对，美国有1 1 对，德国和第一章绪论前苏联开采深度都达到1 4 0 0 -1 5 0 0 m。我国煤矿1 9 8 0 年的平均开采深度为2 8 8 m，到1 9 9 5 年已达4 2 8 m，并且目前的开采深度平均每年以8 -1 2 m 的速度增加，采深超过1 0 0 0 m 的矿井已有数l O 对。在深部开采条件下，地温的升高恶化了井下作业环境，使劳动生产率下降，矿井热害问题越来越突出。矿井热害问题将是深部开采条件下影响矿井生产效率的主要因素之一。目前国内外在对高温矿井热害治理、降温技术等方面进行了一些研究。如德国在开采深度大、地温高的矿井采用机械制冷措施，技术上居世界领先地

45、位。我国通过引进国外或自行开发制冷设备实施人工制冷、采取增风降温等技术措施收到了一定的效果。此外，还采取了个体防护措施和疏导隔热措施，个体防护措施即采取冷水或空气冷却工作服或穿冰袋服等个体防护工具，但其冷却时间短，也加重了工人负担，使用不方便，疏导隔热措施为采用疏导井下热水、掘进工作面采用隔热风筒等。上述技术措施的采用在高温矿井热害治理、井下局部降温方面起到了重要作用，但也存在一定的缺陷。如增风降温技术要受到巷道断面和风速等方面的限制；机械制冷技术存在设备成本高、能耗大、管理复杂等缺点。并且这些措施“治标不治本，因为井下除机电设备散热、煤氧化放热等热源以外，地下高温围岩热源不是封闭的系统，而是

46、能不断得以补充的近似恒定地热源系统。研究表明，在井下高温地段主要进风巷道中，围岩的热辐射导致进风流温度升高，风流在经过高温地段巷道被逐步加温，最终使得工作面气温升高。所以，只要能有效减少空气流通线路上的热辐射，巷道内风流的温度就会有明显下降，从而降低采掘工作面的温度。这种将深井地下的巨大热源封闭隔离在巷道围岩以内、减少围岩体热量进入巷道系统对矿井降温具有重要意义。同时采用具有隔水性能的隔热材料还可以减少风流与巷道之间的潜热交换量，也能降低巷道内的相对湿度。因此采用巷道隔热防水材料降温技术是一种主动的矿井热害治理技术，是深部开采条件下高温矿井热害治理新的发展方向。1 4 本课题的研究内容及方法本

47、课题着力于研究新型矿用隔热防水材料聚氨酯涂料在矿井降温应用中的节能效果，采用理论分析与模拟实验相结合的方法，通过多组实验工况的测试及统计学工具进行分析研究，具体工作如下：(一)首先研究煤矿巷道围岩与风流的传热、传湿机理。通过对围岩内部热源的特征以及影响围岩与风流传热、传湿的因素分析，理解矿井巷道区别于建筑围护结构的特点及传热散湿规律，为下一步研究奠定坚实的基础。第一章绪论(二)在实验室搭建巷道模拟实验台，模拟围岩与风流的不稳定传热、传湿过程，改变实验条件重复实验，得到反映巷道与风流传热、传湿特征的基础数据。(三)在模拟巷道内壁面填涂聚氨酯隔热防水材料，利用实验仪器测出风流经过模拟巷道前后的有关

48、参数，如温度，相对湿度，速度等，进而计算出风流经过巷道后潜热以及显热负荷量。(四)利用统计学工具进行数据分析，得出隔热防水材料在填涂巷道之后的风流流经巷道后潜热，显热负荷的减少量的变化规律，分析隔热防水材料在矿井应用中的节能效率。第二章矿井热害产生的原因及其防治措施第二章矿井热害产生的原因及其防治措施2 1 矿井热源分析在众多的矿内热源中，有些热源所散发热量的多少主要取决于流经该热源的风流的温度及其水蒸气分压力，例如岩体和矿井水与风流间的热、湿交换就属于这种类型，一般称它们为相对热源：另一类热源所散发的热量多少并不取决于风流的温、湿度，而仅取决于它们在生产中所起的作用而定，例如机电设备的放热，

49、所以称它们为绝对热源。空气由地面进入矿井，在其沿井巷运动的途中，要受到各种因素的影响，不断改变其温度、相对湿度、压力，从而也改变着空气的含湿量和焓值。影响空气热动力参数改变的主要因素有：矿井进风的温度和含湿量，空气沿垂直或倾斜巷道升降时的自然压缩或减压，地热的影响(包括岩层温度、地下水及地下热水的影响)，机电设备的散热量(包括电缆、电线、照明设施、机械摩擦碰撞等的生热量)，煤、矸石及支护材料氧化及其他化学反应热，人体散热等口7 1。2 1 1 围岩散热巷道围岩的散热有着基本的散热规律，但对于不同环境下的巷道，其围岩与风流的热交换有着不同的方式，直接影响着矿井气温及并下空气状况。一、巷道围岩散热

50、的基本方式巷道围岩与风流的热交换是一个复杂的不稳定交换过程。在交换过程中，既有围岩往围岩壁的热传导过程，又有围岩壁与巷道内空气的对流热交换过程，围岩对围岩壁的传热过程是不稳定的连续过程，其损失的热量又不断地从远处的地温场得以补充，但围岩温度已经发生了变化，其继续传输热量的大小也发生了改变。在围岩壁对流传热给巷道中的空气时，在干燥巷道中，其热流量全部用于增加空气的热量，使温度上升，而在潮湿巷道中，因围岩壁上面的水分影响，一部分热量将以显热的方式传给空气，使得空气中的热量不断增多，温度增加，另一部分热量则以潜热的形式传给空气中的水分，水分不断地增发，使空气中湿度增加，但在整个传热过程中，又受到围岩