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内容简介

　　《矿井大气环境治理及地热资源的开发利用》作者在大量科研实践中发现，矿山工作人员受井下湿热难题困扰的同时，又对井下大量流失的热能和淡水资源十分惋惜.鉴于此，作者调研走访了国内众多矿山，搜集了矿山技术人员及管理者对井下大气环境治理意见及矿山地热利用的可行性分析意见，在此基础上进行了初步的理论分析和实验研究，形成本书的主要内容,并提出了技术办法。因此，本书对各种地下矿井的环境改善和资源利用，有很好的借鉴意义。

作者简介

　　张永亮，男，（1979-），博士（后），研究生导师。一直从事安全科学与工程、环境工程方面的教学与科研工作，近5年主持各类科研项目近20项，其中主持国家级、省部级科研项目10项，主持企业横向技术开发课题8项。做为主要研究人员参加国家“十二五”科技规划项目、国家自然科学基金项目以及各类横向技术开发课题30余项，在国内外重要刊物公开发表或录用高水平论文近50篇，SCI/EI收录十余篇，目前主持在研各类纵向、横向科研项目10项。获山东省科技进步二等奖、中国黄金协会科技进步一等奖等科研奖励4项。

目录

1　矿山井下环境治理技术研究进展 1
1.1　国内外矿井降温技术 1
1.1.1　国外发展状况 1
1.1.2　国内发展状况 2
1.2　矿山井下大气环境综述 3
1.2.1　井下湿热产生的原因 3
1.2.2　高温、高湿危害 3
1.2.2.1 对人体的危害 4
1.2.2.2 诱发事故，降低劳动效率 4
1.2.2.3 造成恶劣的矿井气候 4
1.2.3　井下粉尘来源及危害 5
1.2.4　治理措施及意义 5
1.3　深井热岩体水渗流及其湿热影响 6
1.3.1　矿山岩石渗流研究现状 6
1.3.2　裂隙渗流对巷道空间的湿热影响 7
1.4　矿山热能利用综述 7
1.4.1　矿山二次资源开发意义 7
1.4.2　国内外矿山地下热能利用概况 8
1.5　矿山热能利用发展趋势 9
1.6　本章小结 10
2　通风改善矿井环境方法优化 10
2.1　矿井通风网络图论 10
2.1.1　流体网络的基本概念 11
2.1.2　流体网络中的图 12
2.1.3　网络图中的路径 14
2.1.4　通风网络矩阵 14
2.1.4.1 节点的邻接矩阵 14
2.1.4.2 关联矩阵及基本关联矩阵 14
2.1.4.3 回路矩阵和基本回路矩阵 15
2.2　通风网络中风流流动的基本规律 15
2.2.1　质量守恒定律 16
2.2.1.1 狭义质量守恒定律 16
狭义上的质量守恒定律 16
2.2.1.2 广义的质量守恒定律 16
2.2.2　能量守恒定律 17
2.2.2.1　风压平衡定律 17
2.2.2.1　阻力平衡定律 17
2.2.3　阻力定律 18
2.3　不同结构的风路及其特点 18
2.3.1　串联风路的风流特点 18
2.3.1.1 各分支风量与总风量(亦称质量流量 () )的关系 18
2.3.1.2 各分支阻力与总阻力的关系 19
2.3.1.3 串联总风阻 19
2.3.2　并联风路的风流特性 19
2.3.3　角联风路的风流特点 20
2.4　矿井通风网络的特点 21
2.4.1　矿井通风网络的复杂性 21
2.4.2　矿井通风网络的动态性 22
2.4.3　矿井通风网络稳定性的影响因素 22
2.5　矿井通风系统的优化 22
2.5.1　矿井通风系统的阻力调节 23
2.5.2　矿井通风系统的风量调节 24
2.5.3　矿井通风系统的主通风机工况优化 25
2.6　本章小结 26
3　巷道湿热交换及角联网络的模拟 27
3.1　流体动力学基本理论及数学模型 28
3.1.1　流体力学基本模型 28
3.1.1.1 连续性方程 28
3.1.1.2 动量方程 29
3.1.1.3 能量方程 29
3.1.2　湍流流动模型 30
3.2　巷道风流湿热交换的数值模拟 31
3.2.1　模型的假设 31
3.2.2　模型的建立 31
3.2.3　边界条件及计算参数的设置 32
3.2.4　模拟结果分析 33
3.2.4.2　湿度场 38
3.2.4.3　结果 42
3.3　井筒风流湿热交换的数值模拟 43
3.3.1　模型的假设 43
3.3.2　模型的建立 44
3.3.3　边界条件及计算参数的设置 45
3.3.4　模拟结果分析 45
3.3.4.1 温度场 45
3.3.4.2 湿度场 49
3.3.4.3 结果 52
3.4　角联通风网络数值模拟 53
3.4.1　拟牛顿法(Broyden方法)及基于Matlab编程解算 55
3.4.1.1 拟牛顿法(Broyden方法) 55
3.4.1.2 编程解算及结果分析 55
3.4.2　 FLUENT数值模拟 57
3.4.2.1 模型建立及网格划分 57
3.4.2.2 模拟过程 58
3.4.2.3 模拟结果分析 59
3.5　本章小结 61
4　矿井通风系统参数评价研究 62
4.1　基于熵理论的耗散系统评价分析 62
4.1.1　矿井通风系统耗散结构 63
4.1.2　矿井通风系统状态过程演变 64
4.1.3　应用分析 65
4.1.4　评价结论 66
4.2　逼近理想解方法评价 66
4.2.1　基于熵权的TOPSIS方法 66
4.2.1.1 数据的规范化 67
4.2.1.2 确定评价指标的熵权 67
4.2.1.3 确定评价指标的熵权 67
4.2.1.4 确定理想解和负理想解 68
4.2.1.5 计算距离 68
4.2.1.6 确定相对接近度 68
4.2.2　矿井通风系统方案综合评判 69
4.2.2.1 确定评价对象集 69
4.2.2.2 建立评价指标集 69
4.2.2.3 第二层次综合评价 70
4.2.2.4 第一层次综合评价 71
4.2.2.5 结果分析 71
4.3　本章小结 71
5　矿井工作面增氧技术研究 72
5.1　矿井环境对人体的影响 73
5.1.1 矿井空气对人的影响 73
5.1.2 气候环境对人的影响 73
5.1.3 有毒有害气体对人的影响 73
5.1.4 粉尘对人的影响 74
5.2　矿井增氧量计算 74
5.2.1　矿井新风量 74
5.2.1.1 CO2浓度 74
5.2.1.2 空气中CO2含量的计算 75
5.2.2 　矿井新风量氧气消耗量 77
5.2.3　矿工氧气消耗量 78
5.2.4　矿井漏风氧气消耗量 78
5.3　矿井增氧系统设计 78
5.3.1　矿井制氧设计 78
5.3.1.1 制氧量技术指标 78
5.3.1.2 用途 79
5.3.1.3 使用环境 79
5.3.1.4 工作要求 79
5.3.1.5 制氧机技术指标： 79
5.3.1.6 工程标准 79
5.3.1.7 系统特点 80
5.3.1.8 技术流程 80
5.3.2　矿井供氧设计 81
5.3.2.1 供氧方案分析 81
5.3.2.2 供氧方案的经济性比较 82
5.3.2.3　供氧系统的自动控制系统 82
5.4　工作面增氧通风模型及数值模拟 83
5.4.1　通风风流中的紊流方程 83
5.4.1.1 时均方程 83
5.4.1.2 连续性方程 84
5.4.1.3 涡粘模型 84
5.4.1.4 标准k-ε双方程模型 85
5.4.2　工作面增氧通风模拟 85
5.5　本章小结 98
6　井下粉尘及有害气体治理的理论与实践 98
6.1　井下尘毒来源分析 99
6.2　静电除尘技术 101
6.2.1　静电除尘器粉尘振打 102
6.2.2　粉尘极化能力对粘结力的影响 102
6.2.2.1 介质在恒定电场中的极化 103
6.2.2.2 电介质的微观极化机构 104
6.2.2.3　电介质受力分析 109
6.2.3　推论 111
6.3　影响粉尘粘结力的各种因素 111
6.3.1 　MATLAB语言演示粘结力变化趋势的直观性 111
6.3.1.1　范德华力 112
6.3.1.2 电晕静电力 113
6.3.1.3 极化静电力 115
6.3.1.4 其它的几种力 120
6.3.1.5 小结 121
6.4　矿山尘毒治理实例 121
6.4.1　典型矿山尘毒现状 122
6.4.2　尘毒治理方案选择 122
6.4.2.1 方案选择原则 123
6.4.4.2 除尘技术方案确定 123
6.4.4.3 炸药的配比计算 123
6.4.4.4 水封爆破 124
6.4.4.5 喷雾降尘 124
6.4.3　方案实施前后的数据分析 125
6.4.4　方案实施中的注意事项 125
6.4　本章小结 126
7　岩体裂隙渗流及围岩-风流湿热交换机理研究 127
7.1　岩体渗透率与静应力关系测定 127
7.2　岩体裂隙渗流与应力关系分析 129
7.3　岩体裂隙变形与渗流关系模型的建立 130
7.3.1　流体的存储效应模型 130
7.3.2 裂隙引起的附加应力模型 131
7.3.3　边界条件对孔弹性应力变化的影响 132
7.4　岩体压裂控制研究 132
7.4.1　稳定开裂条件分析 133
7.4.2　裂隙失稳压力分析 134
7.5　热岩裂隙控制模型的建立及其意义 134
7.6　深井湿热参数测定 136
7.6.1 风流参数测试 137
7.6.1.1 对象 137
7.6.1.2 数据处理 137
7.6.2 围岩温度测试 138
7.7　围岩壁面湿热散发求解 141
7.7.1　显热计算 141
7.7.2　潜热计算 141
7.7.2.1 壁面与风流的潜热计算 142
7.7.2.2 潮湿度系数的计算 144
7.8　围岩与风流湿热交换模型的建立 144
7.8.2　湿度平衡方程建立 145
7.8.3　岩壁温度的求解 145
7.8.4　预测模型在矿山中的应用分析 146
7.9　本章小结 149
8　矿山地热阶梯利用研究 150
8.1　矿山深部开采地温预测研究 150
8.1.1　矿井深部温度预测模型建立 150
8.1.1.1 传导型深部地温预测 150
8.1.1.2 传导-对流型深部地温预测 153
8.1.2　深部温度推算中的地形校正 154
8.2　我国地热能利用可行性分析 156
8.3　地热分级利用模式 156
8.3.1　典型金矿地热概况 156
8.3.2　矿井热能开发新方法 157
8.3.3　分级利用模式的提出 158
8.4　矿山地热能促进沼气生物质能研究 159
8.4.1　温度对产气量的影响 159
8.4.2　沼气池加温热源分析 160
8.4.3　地热加温沼气池试验 161
8.4.3.1 加温试验系统设计 161
8.4.3.2 螺旋管换热过程分析 161
8.4.3.3 螺旋管传热系数计算 162
8.4.3.4 产气效果分析 162
8.4.4　加温系统成本效益分析 163
8.4.4.1 沼气池建设模式 163
8.4.4.2 沼气池成本预算 163
8.4.4.3 地热加温效益分析 163
8.5　余水回灌系统实验研究 164
8.5.1　回灌技术原理 164
8.5.2　金属矿区回灌方案设计 165
8.5.2.1 矿区回灌目的 165
8.5.2.2 回灌水质选择 165
8.5.2.3 回灌类型选择及回扬分析 165
8.5.3　回灌试验分析 166
8.5.3.1 回灌井位置布设 166
8.5.3.2 回灌管井参数 166
8.5.3.3 回灌试验结果 166
8.6　本章小结 167
9　结论及展望 168
9.1　主要研究结论 168
9.2　主要创新点 169
9.3　展望 169

前言/序言

　　随着我国矿产资源的不断开发，浅表矿床储量不断消耗，今后大多数矿山必然转入深部开采，随之而来深井原始岩温不断增高，矿山地下水涌出量也呈上升趋势，矿山井下湿热危害日趋严重。同时，采矿机械化的快速发展，引起了大量难以治理的油烟危害，加上采矿过程中产生的粉尘及有毒有害气体，给矿井工作场所大气环境治理提出了挑战。　　矿山深井开采过程中，矿井地下热岩体、渗透出的地热水导致了高温、高湿的井下作业环境，当风温高于30时，井下工作人员易产生高温中暑、热晕并诱发其它疾病，给职工造成严重的身体伤害，安全生产受到威胁，湿度过高易导致湿疹等职业病，由于井下空气湿度过大，水泵、卷扬、排水管线等设施严重锈蚀，井下湿热问题亟待解决。同时，地下水的流失也导致地质结构发生显著变化，地基承载力减弱，出现地面裂缝、沉降等现象，矿山开采暴露出的地热一方面破坏了矿山生产环境，另一方面又造成大量地热资源和水资源的白白流失，这是众多矿山工作者一直迫切想要解决的问题。
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