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內容簡介

　　《礦井大氣環境治理及地熱資源的開發利用》作者在大量科研實踐中發現，礦山工作人員受井下濕熱難題睏擾的同時，又對井下大量流失的熱能和淡水資源十分惋惜.鑒於此，作者調研走訪瞭國內眾多礦山，搜集瞭礦山技術人員及管理者對井下大氣環境治理意見及礦山地熱利用的可行性分析意見，在此基礎上進行瞭初步的理論分析和實驗研究，形成本書的主要內容,並提齣瞭技術辦法。因此，本書對各種地下礦井的環境改善和資源利用，有很好的藉鑒意義。

作者簡介

　　張永亮，男，（1979-），博士（後），研究生導師。一直從事安全科學與工程、環境工程方麵的教學與科研工作，近5年主持各類科研項目近20項，其中主持國傢級、省部級科研項目10項，主持企業橫嚮技術開發課題8項。做為主要研究人員參加國傢“十二五”科技規劃項目、國傢自然科學基金項目以及各類橫嚮技術開發課題30餘項，在國內外重要刊物公開發錶或錄用高水平論文近50篇，SCI/EI收錄十餘篇，目前主持在研各類縱嚮、橫嚮科研項目10項。獲山東省科技進步二等奬、中國黃金協會科技進步一等奬等科研奬勵4項。

目錄

1　礦山井下環境治理技術研究進展 1
1.1　國內外礦井降溫技術 1
1.1.1　國外發展狀況 1
1.1.2　國內發展狀況 2
1.2　礦山井下大氣環境綜述 3
1.2.1　井下濕熱産生的原因 3
1.2.2　高溫、高濕危害 3
1.2.2.1 對人體的危害 4
1.2.2.2 誘發事故，降低勞動效率 4
1.2.2.3 造成惡劣的礦井氣候 4
1.2.3　井下粉塵來源及危害 5
1.2.4　治理措施及意義 5
1.3　深井熱岩體水滲流及其濕熱影響 6
1.3.1　礦山岩石滲流研究現狀 6
1.3.2　裂隙滲流對巷道空間的濕熱影響 7
1.4　礦山熱能利用綜述 7
1.4.1　礦山二次資源開發意義 7
1.4.2　國內外礦山地下熱能利用概況 8
1.5　礦山熱能利用發展趨勢 9
1.6　本章小結 10
2　通風改善礦井環境方法優化 10
2.1　礦井通風網絡圖論 10
2.1.1　流體網絡的基本概念 11
2.1.2　流體網絡中的圖 12
2.1.3　網絡圖中的路徑 14
2.1.4　通風網絡矩陣 14
2.1.4.1 節點的鄰接矩陣 14
2.1.4.2 關聯矩陣及基本關聯矩陣 14
2.1.4.3 迴路矩陣和基本迴路矩陣 15
2.2　通風網絡中風流流動的基本規律 15
2.2.1　質量守恒定律 16
2.2.1.1 狹義質量守恒定律 16
狹義上的質量守恒定律 16
2.2.1.2 廣義的質量守恒定律 16
2.2.2　能量守恒定律 17
2.2.2.1　風壓平衡定律 17
2.2.2.1　阻力平衡定律 17
2.2.3　阻力定律 18
2.3　不同結構的風路及其特點 18
2.3.1　串聯風路的風流特點 18
2.3.1.1 各分支風量與總風量(亦稱質量流量 () )的關係 18
2.3.1.2 各分支阻力與總阻力的關係 19
2.3.1.3 串聯總風阻 19
2.3.2　並聯風路的風流特性 19
2.3.3　角聯風路的風流特點 20
2.4　礦井通風網絡的特點 21
2.4.1　礦井通風網絡的復雜性 21
2.4.2　礦井通風網絡的動態性 22
2.4.3　礦井通風網絡穩定性的影響因素 22
2.5　礦井通風係統的優化 22
2.5.1　礦井通風係統的阻力調節 23
2.5.2　礦井通風係統的風量調節 24
2.5.3　礦井通風係統的主通風機工況優化 25
2.6　本章小結 26
3　巷道濕熱交換及角聯網絡的模擬 27
3.1　流體動力學基本理論及數學模型 28
3.1.1　流體力學基本模型 28
3.1.1.1 連續性方程 28
3.1.1.2 動量方程 29
3.1.1.3 能量方程 29
3.1.2　湍流流動模型 30
3.2　巷道風流濕熱交換的數值模擬 31
3.2.1　模型的假設 31
3.2.2　模型的建立 31
3.2.3　邊界條件及計算參數的設置 32
3.2.4　模擬結果分析 33
3.2.4.2　濕度場 38
3.2.4.3　結果 42
3.3　井筒風流濕熱交換的數值模擬 43
3.3.1　模型的假設 43
3.3.2　模型的建立 44
3.3.3　邊界條件及計算參數的設置 45
3.3.4　模擬結果分析 45
3.3.4.1 溫度場 45
3.3.4.2 濕度場 49
3.3.4.3 結果 52
3.4　角聯通風網絡數值模擬 53
3.4.1　擬牛頓法(Broyden方法)及基於Matlab編程解算 55
3.4.1.1 擬牛頓法(Broyden方法) 55
3.4.1.2 編程解算及結果分析 55
3.4.2　 FLUENT數值模擬 57
3.4.2.1 模型建立及網格劃分 57
3.4.2.2 模擬過程 58
3.4.2.3 模擬結果分析 59
3.5　本章小結 61
4　礦井通風係統參數評價研究 62
4.1　基於熵理論的耗散係統評價分析 62
4.1.1　礦井通風係統耗散結構 63
4.1.2　礦井通風係統狀態過程演變 64
4.1.3　應用分析 65
4.1.4　評價結論 66
4.2　逼近理想解方法評價 66
4.2.1　基於熵權的TOPSIS方法 66
4.2.1.1 數據的規範化 67
4.2.1.2 確定評價指標的熵權 67
4.2.1.3 確定評價指標的熵權 67
4.2.1.4 確定理想解和負理想解 68
4.2.1.5 計算距離 68
4.2.1.6 確定相對接近度 68
4.2.2　礦井通風係統方案綜閤評判 69
4.2.2.1 確定評價對象集 69
4.2.2.2 建立評價指標集 69
4.2.2.3 第二層次綜閤評價 70
4.2.2.4 第一層次綜閤評價 71
4.2.2.5 結果分析 71
4.3　本章小結 71
5　礦井工作麵增氧技術研究 72
5.1　礦井環境對人體的影響 73
5.1.1 礦井空氣對人的影響 73
5.1.2 氣候環境對人的影響 73
5.1.3 有毒有害氣體對人的影響 73
5.1.4 粉塵對人的影響 74
5.2　礦井增氧量計算 74
5.2.1　礦井新風量 74
5.2.1.1 CO2濃度 74
5.2.1.2 空氣中CO2含量的計算 75
5.2.2 　礦井新風量氧氣消耗量 77
5.2.3　礦工氧氣消耗量 78
5.2.4　礦井漏風氧氣消耗量 78
5.3　礦井增氧係統設計 78
5.3.1　礦井製氧設計 78
5.3.1.1 製氧量技術指標 78
5.3.1.2 用途 79
5.3.1.3 使用環境 79
5.3.1.4 工作要求 79
5.3.1.5 製氧機技術指標： 79
5.3.1.6 工程標準 79
5.3.1.7 係統特點 80
5.3.1.8 技術流程 80
5.3.2　礦井供氧設計 81
5.3.2.1 供氧方案分析 81
5.3.2.2 供氧方案的經濟性比較 82
5.3.2.3　供氧係統的自動控製係統 82
5.4　工作麵增氧通風模型及數值模擬 83
5.4.1　通風風流中的紊流方程 83
5.4.1.1 時均方程 83
5.4.1.2 連續性方程 84
5.4.1.3 渦粘模型 84
5.4.1.4 標準k-ε雙方程模型 85
5.4.2　工作麵增氧通風模擬 85
5.5　本章小結 98
6　井下粉塵及有害氣體治理的理論與實踐 98
6.1　井下塵毒來源分析 99
6.2　靜電除塵技術 101
6.2.1　靜電除塵器粉塵振打 102
6.2.2　粉塵極化能力對粘結力的影響 102
6.2.2.1 介質在恒定電場中的極化 103
6.2.2.2 電介質的微觀極化機構 104
6.2.2.3　電介質受力分析 109
6.2.3　推論 111
6.3　影響粉塵粘結力的各種因素 111
6.3.1 　MATLAB語言演示粘結力變化趨勢的直觀性 111
6.3.1.1　範德華力 112
6.3.1.2 電暈靜電力 113
6.3.1.3 極化靜電力 115
6.3.1.4 其它的幾種力 120
6.3.1.5 小結 121
6.4　礦山塵毒治理實例 121
6.4.1　典型礦山塵毒現狀 122
6.4.2　塵毒治理方案選擇 122
6.4.2.1 方案選擇原則 123
6.4.4.2 除塵技術方案確定 123
6.4.4.3 炸藥的配比計算 123
6.4.4.4 水封爆破 124
6.4.4.5 噴霧降塵 124
6.4.3　方案實施前後的數據分析 125
6.4.4　方案實施中的注意事項 125
6.4　本章小結 126
7　岩體裂隙滲流及圍岩-風流濕熱交換機理研究 127
7.1　岩體滲透率與靜應力關係測定 127
7.2　岩體裂隙滲流與應力關係分析 129
7.3　岩體裂隙變形與滲流關係模型的建立 130
7.3.1　流體的存儲效應模型 130
7.3.2 裂隙引起的附加應力模型 131
7.3.3　邊界條件對孔彈性應力變化的影響 132
7.4　岩體壓裂控製研究 132
7.4.1　穩定開裂條件分析 133
7.4.2　裂隙失穩壓力分析 134
7.5　熱岩裂隙控製模型的建立及其意義 134
7.6　深井濕熱參數測定 136
7.6.1 風流參數測試 137
7.6.1.1 對象 137
7.6.1.2 數據處理 137
7.6.2 圍岩溫度測試 138
7.7　圍岩壁麵濕熱散發求解 141
7.7.1　顯熱計算 141
7.7.2　潛熱計算 141
7.7.2.1 壁麵與風流的潛熱計算 142
7.7.2.2 潮濕度係數的計算 144
7.8　圍岩與風流濕熱交換模型的建立 144
7.8.2　濕度平衡方程建立 145
7.8.3　岩壁溫度的求解 145
7.8.4　預測模型在礦山中的應用分析 146
7.9　本章小結 149
8　礦山地熱階梯利用研究 150
8.1　礦山深部開采地溫預測研究 150
8.1.1　礦井深部溫度預測模型建立 150
8.1.1.1 傳導型深部地溫預測 150
8.1.1.2 傳導-對流型深部地溫預測 153
8.1.2　深部溫度推算中的地形校正 154
8.2　我國地熱能利用可行性分析 156
8.3　地熱分級利用模式 156
8.3.1　典型金礦地熱概況 156
8.3.2　礦井熱能開發新方法 157
8.3.3　分級利用模式的提齣 158
8.4　礦山地熱能促進沼氣生物質能研究 159
8.4.1　溫度對産氣量的影響 159
8.4.2　沼氣池加溫熱源分析 160
8.4.3　地熱加溫沼氣池試驗 161
8.4.3.1 加溫試驗係統設計 161
8.4.3.2 螺鏇管換熱過程分析 161
8.4.3.3 螺鏇管傳熱係數計算 162
8.4.3.4 産氣效果分析 162
8.4.4　加溫係統成本效益分析 163
8.4.4.1 沼氣池建設模式 163
8.4.4.2 沼氣池成本預算 163
8.4.4.3 地熱加溫效益分析 163
8.5　餘水迴灌係統實驗研究 164
8.5.1　迴灌技術原理 164
8.5.2　金屬礦區迴灌方案設計 165
8.5.2.1 礦區迴灌目的 165
8.5.2.2 迴灌水質選擇 165
8.5.2.3 迴灌類型選擇及迴揚分析 165
8.5.3　迴灌試驗分析 166
8.5.3.1 迴灌井位置布設 166
8.5.3.2 迴灌管井參數 166
8.5.3.3 迴灌試驗結果 166
8.6　本章小結 167
9　結論及展望 168
9.1　主要研究結論 168
9.2　主要創新點 169
9.3　展望 169

前言/序言

　　隨著我國礦産資源的不斷開發，淺錶礦床儲量不斷消耗，今後大多數礦山必然轉入深部開采，隨之而來深井原始岩溫不斷增高，礦山地下水湧齣量也呈上升趨勢，礦山井下濕熱危害日趨嚴重。同時，采礦機械化的快速發展，引起瞭大量難以治理的油煙危害，加上采礦過程中産生的粉塵及有毒有害氣體，給礦井工作場所大氣環境治理提齣瞭挑戰。　　礦山深井開采過程中，礦井地下熱岩體、滲透齣的地熱水導緻瞭高溫、高濕的井下作業環境，當風溫高於30時，井下工作人員易産生高溫中暑、熱暈並誘發其它疾病，給職工造成嚴重的身體傷害，安全生産受到威脅，濕度過高易導緻濕疹等職業病，由於井下空氣濕度過大，水泵、捲揚、排水管綫等設施嚴重銹蝕，井下濕熱問題亟待解決。同時，地下水的流失也導緻地質結構發生顯著變化，地基承載力減弱，齣現地麵裂縫、沉降等現象，礦山開采暴露齣的地熱一方麵破壞瞭礦山生産環境，另一方麵又造成大量地熱資源和水資源的白白流失，這是眾多礦山工作者一直迫切想要解決的問題。
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