高温矿井热湿环境对矿工安全的影响机理及热害治理对策研究

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深部矿产资源开发是未来矿山企业生存和发展的必然趋势,深井开采中存在的核心危害是“两高”问题:高应力岩爆危害及高地热引致的热湿危害。随着地下矿井开采深度增加、矿井内部岩温升高,以及开采设备功率增大、数量增多、生产强度提升引致的放热量增大,导致近年来高温矿井数量日趋增多、热湿危害愈加严重。深井开采中的高温高湿危害已成为重大矿井灾害之一,井下高温高湿环境严重影响了作业人员的生理状态和生产安全,该问题已成为深井开采矿山企业亟待解决的关键问题之一。针对该问题,论文主要研究内容如下:(1)高温矿井热湿环境系统分析。从对井下热湿环境的认知出发,梳理了井下热湿来源及计算,基于热力学焓差计算理论提出了井下热荷载反演计算模型及工作面冷负荷计算方法,通过掘进巷道温度场-风速场、运输巷道风速场增压、采掘区围岩注水降温三个数值模拟实验,揭示了高温矿井热湿环境特征及热害治理的本源方向。(2)高温矿井热湿环境对矿工身心安全的影响机理。首先,设计了热湿环境下矿工生理、心理及行为变化测试实验,设置23~26℃、27~30℃、31~34℃、35~38℃、39~42℃五个温度范围,60%-70%、70%-80%、80%-90%三个湿度区间,0.5m/s、1.5m/s和2.5m/s三种风速工况,对井下50名矿工进行了生理、心理及行为测量;其次,依据现场测定数据分析了各指标在不同环境工况下的变化规律,构建了高温矿井热湿环境对矿工生理、心理、行为影响的回归分析模型,基于回归分析结果实现了热湿环境对矿工身心安全的影响机理模型构建;最后,结合涌现理论计算了矿工身心安全态势影响指标的影响度及耦合关系,揭示了矿工身心安全态势影响指标的耦合作用机理。(3)高温矿井热湿环境对矿工身心安全影响态势评估。基于热湿环境对矿工身心安全影响指标体系,提出基于集对分析的矿工自身安全影响态势评估模型;并利用扩展的多元联系数计算矿工自身安全影响的偏联系度,将传统的三元联系数集对分析拓展为与矿工身心安全影响等级相适应的五元联系数模型,将模糊层次分析理论(FAHP)与信息熵理论(IE)结合,确定评价指标的权重,对多元联系数不断求偏导得出矿工安全影响偏联系度的计算方法,利用偏联系度和跃迁距离综合反映矿工自身安全影响的发展趋势,最后采用物元可拓模型评定矿工身心安全态势影响等级。(4)高温矿井热害治理及防护对策。首先梳理了高温矿井热害治理的三种人工制冷降温对策;其次针对高温矿井通风系统,提出了动态补偿冷风的降温减湿对策,针对井下采掘区提出了基于大风流水幕喷淋净化的可控循环增风降温对策,针对掘进及运输作业区提出了局部增压降温对策;最后,针对矿工自身,从能力上岗、作业制度、安全防护、营养及体质、应急救援、环境检测等方面提出了安全防护对策措施建议。(5)结合实例,进行JQ金矿的通风问题诊断,对该矿井井下矿工自身安全进行了影响态势评估,制定并实施了矿井通风系统优化改造及风水协同治理措施,取得了明显的治理效果。在理论方面,论文基于热力学焓差计算理论提出了井下热荷载反演计算模型及工作面冷负荷计算方法,基于涌现理论揭示了矿工身心安全态势影响指标的耦合作用机理,构建了基于FAHP-IE优化集对分析的矿工身心安全影响态势评估模型,有助于丰富高温矿井热湿环境影响机理的理论体系。在应用层面,论文基于实际进行了热湿环境下矿工生理、心理及行为变化测试实验,收集的现场数据及分析结果,间接推动了矿山企业对矿工身心安全及职业健康的重视保障;论文基于工程实践,采用技术组合创新形式提出了动态补偿冷风高温矿井热害水风协同治理方法,实现了高温矿井热害的有效治理。论文对高温矿井矿工安全防护、井下安全生产管理具有一定参考意义,对高温矿井热湿环境的治理改善具有较好应用价值。
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