深部采矿的热害防治及治理现状

课外研学

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2014年9月19日

引言

随着矿产资源的不断开发，我国的浅表矿床及开采技术条件相对简单的矿床储量不断消耗，迫使大多数矿山转入深部或复杂矿床的开采。目前，许多硬岩矿床已进入或接近深部开采的范畴，据统计，我国有三分之一的矿山即将进入深部开采。深部矿床开采的技术难点主要集中在三个方面:即深部地压(岩爆)预测与控制技术、井下热害控制技术以及强化开采技术集成。在深部矿床开采技术领域内，国内的研究工作起步较晚，没有成熟的技术和经验可借鉴。在“九五”期间，虽然开展了部分前期研究工作，但现有的采矿技术不能有效地解决深部矿床开采的问题。目前，急需研究开发适应于深部矿床开采的新工艺新技术，同时对现有的技术进行集成与提升，以满足我国不断涌现的深部矿床开采的需要。

由此可以看出，井下热害控制技术在我国深井开采技术中占有很重要的地位[1]。

1井下热源分析

井下气温升高，是由于各种热源散热的缘故。井下热源包括地热、地下水蒸发热、空气压缩热和机械设备放热以及爆热、氧化反应热、人体代谢生成热等。实践证明，地热、空气压缩热、爆热和氧化反应热是主要的井下热源。 1.1地热

［2］

地热是最重要的深井通风热源，据研究，深井岩层放热占井下热量的48%。地热是以围岩传热形式散热，地面以下岩层温度变化规律是：自上而下，岩层划分为变温带、恒温带和增温带，其中，恒温带以下的岩石温度随深度增加而增加，当采掘作业将岩石暴露出来以后，地热便从岩石中释放出来。原岩放热是深井矿山的主要热源之一，当井下空气流经围岩时，两者发生热交换，从而使井下空气温度升高。因受地热增温的影响，岩石温度随深度的增加而升高。围岩与井巷空气热交换的主要形式是传导和对流，即借热传导自岩体深处向井巷传热，或经裂隙水借对流将热传给井巷。在大多数情况下，围岩主要以热传导方式将热传给岩壁，并通过岩壁传给井下空气。

岩石温度随深度而增高的程度决定于岩石成分和岩石的导热性能、水文地质特征和其他一些因素，一般用地热增温率来表征岩石的增温程度［2］：

式中：th为深度h处的岩石温度（oC）；t0为该地区地表空气的年平均温度（C）；

Gt为地热梯度（oC/m）；h为所测定岩石温度之点距地表的深度（m）；h0为恒

温带的深度（m）。

由于围岩与井巷空气热交换是一个复杂的非稳定过程，计算也非常繁琐。为计算方便，视此类问题为沿巷道轴向进行的一维非稳态热传导问题处理，并设岩

［3］

石内温度高于井下空气温度，岩石传给井下空气的热量可按（2）式计算：

式中：Q为岩石传给井下空气的热量（J）；A为巷道断面积（m2）；t为巷道通风时间（S）；Tw为围岩的原始岩温（K）；Ti为巷道内某点空气的温度（K）；k为围岩的热导率［W/（m·K）］；ɑ为围岩的热扩散系数（m2/S）。

1.2空气压缩热

地面空气经井筒进入矿井内，由于受到井筒空气柱的压力而被压缩，空气到达井筒底部时，其所具有的势能转化为热能。试验研究结果表明：空气每下降100m，气流温度升高约0.4C~0.5C，空气压缩放热占井下热量的20%［2］。

当空气沿着井巷向下流动时，在重力场作用下，由于其势能转换为焓，其压力与温度都有所上升。根据能量守恒定律，风流在压缩过程中的焓增与风流前后状态的高差成正比，即：

式中：i1、i2为风流在始点与终点时的焓值（J/kg）；h1、h2为风流在始点与终点状态下的标高（m）；g为重力加速度（m/S2）。

对于理想气体：di=cpdt，即：

式中：cp为空气的定压比热容，cp=1005J/（kg·K）；T1、T2分别为风流在始点及终点时的干球温度（K）。故：T2-T1=0.00976（h1-h2）。

从上述结论可以看出，空气压缩所引起的焓增同风量无关，只与两点标高有关，而且随着开采深度的增加而相应增大。空气沿井筒下降，由于空气沿井筒往下流经100m垂深距离时，热量约增加0.979J/kg。

2深部采矿的热害防治及治理现状

2.1国外矿井热害理论研究现状和水平

国外对矿井降温理论的研究始于1740年法国在Belfort矿山附近进行的地温测定[4]。真正在矿井降温理论研究上的发展起步于20世纪20年代。国外在矿井降温理论的发展大致可分为三个时期，即雏形期、发展期和形成完整的学科理论期。

雏形期：20世纪20年代至50年代，这一时期由于世界各国煤矿的开采规模都比较小，矿山热害问题并不是十分严重，所以矿井降温理论研究的发展比较缓慢。研究成果散见于各种文献中，仅限于个别的研究成果。其中比较有代表性的是：1923年西德HeistDrekopt在假定巷壁温度为稳定周期性变化的前提下，

解析了围岩内部温度场的周期性变化，提出了围岩调热圈等概念，尽管其基本假定不尽合理，但这是研究矿井降温问题的最初理论；此后在1939年至1941年间，南非BiccandJappe连续发表了题为―深井风温预测‖的论文，提出了风温预测计算的基本思路；1951年英国VanHeerden、日本平松等结合平巷与围岩的热交换，在理想条件下得出了围岩调热圈温度场的理论解。这个理论解与传热学领域中英国Carslaw等人在1939年用拉普拉斯变换得出的理论解是一致的；1953年前苏联学者又提出了较精确的不稳定换热系数和调热圈温度场的计算方法；1955年平松又提出了围岩与风流不稳定换热时的风温近似计算式，这些研究成果奠定了现代矿井降温理论的研究基础，有的现在还在沿用。

发展期：20世纪50年代至70年代初，这一时期由于电子计算机的应用，矿井降温理论有了较大的发展。如1961年前苏联BopoπaeB、1966年前西德Nottort等发表了用数值计算法描述围岩调热圈温度场的学术论文。同时，矿井围岩热物理参数的测试技术也得到了初步应用。如1964年西德Mucke用圆板状试块测定稳态导热的岩石导热系数。1967年Shernat在现场中对一段巷道强制加热，实测围岩中的温度分布，从实测值和理论值的对比中，得出了一些热参数。同年南非Starfield等对巷道在潮湿条件下的热交换规律进行了初步探讨，矿井降温理论已朝着实用性的方向迈进。

形成学科理论体系期：20世纪70年代中后期至今，学科理论迅猛发展，一些系统专著相继问世，如舍尔巴尼等著的《矿井降温指南》、平松等著的《通风学》、福斯著的《矿井气候》等都对矿井降温理论做了较系统的阐述。而且问题的研究也深入到了采掘工作面。如1971年后西德的J.Voss等相继提出了一整套采掘工作面风温计算方法；1975年美国的J.Mcguaid系统提出了矿井热害治理的各种对策；1977年保加利亚的Shcherban等对掘进工作面的风温计算作了较详尽的论述。进入80年代后，学科的研究更是提高到了一个新的水平，发表论文数量激增，研究成果更加符合实际。如日本内野用差分法求得不同巷道形状、岩性条件下的调热圈温度场，并提出了考虑入风温度变化、有水影响条件下的风温计算式；南非Starfield等也提出了更为精确的不稳定换热系数的计算公式，日本天野等提出了较为完整的矿井降温设计的程序模型；南非RichardGundersen编制了迄今较为完善的矿山通风与降温网络模拟（VUMA）软件等。 2.2国内矿井热害理论研究现状和水平

我国对矿井降温理论的研究起步于20世纪50年代初期。抚顺煤科院最早开展矿井降温地温考察和气象参数的观测。到60年代，随着我国高温矿井数量的增多，国内的一些学者在认真学习国外经验的同时，开始结合我国矿井的实际，逐步开展了矿井降温理论的研究，但进展较慢。直至80年代以后，我国矿井降温理论的研究才有了实质性的发展。有代表性的论文主要有黄翰文的―矿井风温预测的探讨‖、―矿井风温预测的统计研究‖、杨德源的―矿井风流的热交换‖等。到80年代后期，我国也形成了较完整的矿井降温的学科理论体系，相继出版了一些系统专著，如岑衍强等编著的《矿井热环境工程》、余恒昌主编的《矿山地热与热害治理》、王隆平编著的《矿井降温与制冷》等。进入21世纪之后，又有一些新的书籍的出版，如杨德源主编的《矿井热环境及其控制》、胡汉华主编的《深热矿井环境控制》、王朝阳主编的《低热损冷源介质输送技术及高效热交换技术》。这些研究内容都丰富和发展了矿井降温的理论体系，可概括为以下几个方面[5]：

（1）建立了矿山地热学的理论体系。矿山地热学主要是研究矿区地温场的

分布特征，岩体的热传导规律和岩石的热物理性质，基本上掌握了岩体热传导的基本规律；井巷围岩调热圈温度场变化特征；地壳最上层地温场的特征及其影响因素，钻孔的热平衡理论；地热来源，影响区域地温场的因素；岩石的热物理性质以及矿井水文地质学与地热学的相互关系等。

（2）建立了矿井热交换理论体系。在矿井生产系统形成之后，整个矿井便形成为一个开口的热力系统，矿井热交换理论就是描述这一系统中热交换特征。如风流通过井巷的热质交换规律；井巷围岩与风流间的不稳定热交换特征；矿内煤炭、硫化物以及有机物质的氧化放热特征；矿井涌水的放、吸热和散湿特征；矿内运输中的矿物和矸石的放热特征等。通过大量的现场测试研究和实验室试验，基本上掌握了上述规律和特征，建立了矿井热交换的理论体系。

（3）建立了矿井制冷降温系统的热力学基础。矿井降温系统是由制冷、输冷、传冷和排热4大部分组成，并构成了一个热力系统。掌握了系统各个组成要素的热力学、水力学特征及各个要素的优化组合，对降温技术工艺进行了有益探索。

2.3国外矿井降温工程技术研究现状和水平

国外一些国家应用矿井空调技术已有70多年的历史。英国是世界上最早在井下实施空调技术的国家。早在1923年英国彭德尔顿煤矿就在采区安设制冷机冷却采煤工作面风流，巴西的莫罗维罗矿及南非的鲁宾逊深井也早在30年代就采用了集中冷却井筒入风风流的方法降温。60年代南非便开始了大型的矿井降温工作，矿井空调系统也逐渐大型化和集中化[6]。

德国是目前世界上煤矿开采深度最大的国家，现有生产矿井均采用地面集中或井下集中式或混合式布置水冷机组，井下局部可移动式仅作为上述系统的补充。其矿井降温思路是采用大制冷量的集中式机械制冷水降温系统。比如，依靠其发达的工业设备制造业，尽可能大的提高系统制冷能力来弥补各种冷量损失。以采取地面集中制冷系统的伊本比伦（Ibbenbueren）煤矿为例说明。该矿位于鲁尔矿区东北部，系卜若乌斯煤炭公司（PREussAG）的唯一煤矿。井田尺寸为16×5（km2），中央井垂深818m；深部（北部）立井垂深1436m，距老井约3km，设置一对窄罐和一对宽罐，作进风用；老井两翼各设风井一个。现（北部）采区至老井的胶带机巷长约2500m。煤厚0.86-1.86m，系6个刨煤机综采面。矿井特点是：开采深度大、地温高、矿压大、瓦斯大（瓦斯涌出量37m3/t）。2009年产商品煤160万吨，出矸石174万吨。矿井全员工效4.237吨/工。矿井降温系统制冷量高达10MW[6-7]。

东欧国家以前苏联和波兰为代表，矿井高温问题也相当严重。前苏联从70年代开始采用大规模的矿井空调降温系统，矿井采深达1200m，岩温高达

40~45℃，最高达52℃，井下单机制冷能力最大达1.5MW，地面达4.2MW。波兰煤矿平均采深为575m，岩温为30~43.5℃。1983年波兰首次在井下安装了一套局部空调装置，制冷量为0.25MW，此后，波兰的矿井空调技术发展很快。东欧国家矿井降温思路是采取小制冷量的局部或分散式机械制取冷水降温系统。但由于设备可靠性原因，市场占有率较低。

世界上矿井空调规模最大的当属南非金矿。由于其开采的矿产资源是黄金、钻石等贵重金属，开采深度大（3000-5000m），围岩原始岩温高（50-70℃），矿井高温热害相当严重。全国矿井全部采用矿井空调。南非对矿井空调技术的研究十分重视，其矿井降温思路是采用冰冷低温辐射降温空调系统。1985年11月南非首次在世界上采用冰作载冷剂。由于冰的溶解热高于水的比热，所以对于输

送相同的冷量，冰的质量流量仅为水的1/5，1吨0℃冰融化为0℃水所散发冷量相当于1吨80℃的水降为0℃。

2.4国内矿井降温工程技术研究现状和水平

（1）矿井降温工程技术发展过程

我国矿井空调工程技术的应用始见于60年代。在60年代初，我国开始采用小型制冷设备对矿井风流进行冷却。1964年淮南九龙岗矿在水平分层假顶工作面和掘进头采用一台苏制4ΦY-10型制冷机进行降温试验，取得了一定的效果。1966年武汉冷冻机厂和抚顺煤研所共同研制了JKT-20型矿用移动式空调器。1979年在JKT-20型的基础上又研制出了JKT-70型矿用移动式空调机组在平顶山一矿使用，使用时配备了4台55KW的空冷器，使工作面温度下降了4~6℃。1980年湖南某金属矿在我国第一个采用了地面集中制冷、井下冷却风流的矿井空调系统。地面设置两台6AW-17型制冷机，产冷量达0.67MW，空冷器的实际供冷量达0.22MW，工作面气温平均降低6~7℃，掘进效率提高78~84%，这是我国矿井集中降温的雏形。1984年山东新汶孙村矿在井下-400m水平建立了我国第一个井下集中制冷系统，设备为两台重庆通用机械厂生产的Ⅱ-JBF50×0型离心式制冷机，制冷量为1.75MW。冷水管道总长为1530m，管道保温材料为EPS可发性聚苯乙烯。空冷器设于工作面进风口，冷凝热利用矿井总回风流排放。由于输冷管路系统处于回风流中，冷损高达45%以上，制冷系统可靠性低、降温效果差。―七五‖期间，平顶山八矿又建立了我国第二个井下集中制冷系统。制冷站设备选用了三台国产的Ⅲ-JBF50×0型离心式制冷机，一台德国产的

WKMZ-1200型螺杆式制冷机组，总制冷能力为0.5MW，实际运转制冷能力为0.24MW。采煤工作面安设两台KBL-150型空冷器，安设位置距工作面进风口100m，掘进工作面安设一台KBL-90型空冷器，安设位置距迎头50~100m。供冷管道为双层隔热管道，隔热材料为聚氨酯泡沫塑料，管道冷损量为5.1%，冷凝热利用矿井总回风流排放，总排放量为0.3MW。降温前，平八矿采掘工作面气温一般为29~32℃，最高时达34℃，降温后，当采煤工作面风量为

600~900m3/min时，风温降低4~6℃，掘进工作面风量为80~130m3/min，风温降低3~6℃。1991年孙村矿在千米立井的地面建立了集中制冷系统，设3台制冷机组，2台国产、1台进口德国机组。但没有进口高低压换热器，地面系统未投入运行。90年代末孙村矿在考察平顶山五矿的井下集中制冷系统后，又在井下-800水平建立了集中制冷系统。2002年新汶矿业集团在总结国内20年的矿井制冷降温经验教训后，考察了南非的地面集中制冰、井下输冰的降温系统，在千米立井设置了地面集中制冰、井下输冰的冰冷低温辐射矿井降温系统。

（2）几种矿井降温工程技术

近年来，针对日益严重的矿井高温灾害，相关专家、学者以及现场工程技术人员相继提出、开发出多种具体、特殊的矿井降温工程技术，详细如下：

1）矿井压气空调系统

矿井压气（压缩空气，简称压气，下同）空调系统是利用压缩空气作为供冷媒质，直接向采掘工作面喷射制冷。该系统是由山东科技大学陈平教授2004年首先提出。由于压缩空气压力高，密度大，比常压空气具有更大的输冷能力，且送达工作面后具有较强的吸热能力。由于输气管道的断面小，在采煤工作面上可用金属或橡胶软管沿工作面全长均匀供冷。且由于压气的膨胀吸热能力强，所需的制冷设备负荷小，工作面进风巷道内不需要安设局部通风机。缺点是仅适用于局部地点的降温，如果全矿井采用此种系统，则能耗大，运行费用高，这制约了

该系统的推广应用[8-9]。

淮南矿业集团首先在潘一南风井开始实施热、电、冷三联产项目，利用矿井抽采瓦斯，进行瓦斯燃烧发电，瓦斯发电机组冷却及尾气余热通过溴化锂吸收制冷机组制冷，实现热、电、冷三联产联供，形成瓦斯发电余热制冷井上集中供冷与井下移动制冷结合的矿井降温格局。谢桥、张集矿也采用了这一模式解决矿井热害问题。

2）2007年，兖矿集团开发的矿井工作面降温系统的冷风制备装置利用冷媒水喷淋实现大风量、大温差、大焓差处理制备冷风，可以减少热交换过程次数，降低传热温差，提高整体效率，减少中间过程冷量损失。该矿井降温工程技术适于立井井筒掘砌时期的降温、可延伸到井底车场开拓时期掘进工作面的降温。，该项技术降温效果良好，可充分利用井筒冻结时期制冷设备，实现资源的重复利

[10-11]

用，推广应用前景广阔。 3）个体冷却

平顶山矿务局科学研究所1993年研制的矿用冷却服，它适合于矿井高温环境作业人员使用。它分冷却层、保冷层和外罩层，在冷却层的前、后面缝制有数个用来盛装蓄冷剂的口袋，蓄冷剂使用前须经冰柜冷冻，可以反复使用。冷却层的外层是保冷层，它的作用是延长蓄冷剂有效持续时间，达到人体在一定时间范围内降温的目的。在保冷层外为外罩层，它通过束紧带来束紧矿用冷却服的下摆口，进一步起到保冷效果。KL-FP-1型矿用冷却服（专利号：ZL93210390）[12]。

2006年江苏省徐州市陈宁、彭伟设计的矿井降温服装为短袖式四层结构，从内到外由水冷衬层、冷却管网、保温层和耐磨层构成。其特征是降温系统是一套由细软管构成的环形冷却管网，缝制固定在衬层上，降温服上设有接头模块，一端与冷却管网相连接，另一端与外接导管相连接，导管头部设有标准快装接头，接头分别连通冷却水的进水管和出水管。使用时通过外界输入16-20℃的冷水至冷却管网内，由外部动力推动在服装内循环，作业人员可通过接头模块上的流量调节旋钮来调节水流，以达到最佳降温效果。矿井降温服装（专利号：CN200610040352）[13]。

3下一步的工作展望

矿井降温是一项复杂的系统工程，是一门综合性的科学技术，它涉及到采矿工程、通风安全、地热、环境工程、劳动卫生、管理及制冷、空调等多学科领域，需要相关人员的密切合作和技术、经验交流。由于作者基础理论水平和现场经验的不足，仍有一些问题需要进一步的研究：

（1）矿井热害机理的进一步研究。目前，已明确矿井热害形成的各种热源以及三种传统热交换方式，但对于微观系统下热害机理、各种热源及传热方式的耦合作用却鲜有研究，需要继续加强实验分析及现场实践，为建立控制矿井热害的数学物理模型、求解以及工程技术措施奠定理论基础。

（2）矿井涌水热害综合防治技术工艺的优化和完善。目前，国内外鲜有专门针对矿井涌水热害的研究。本文根据矿井生产实际，提出了颇有效果的涌水热害综合防治技术方案，虽然在一定程度上减轻了巷道的涌水热害效应，但技术工艺本身仍处在较低的层次水平，而且并未从源头解决涌水热害问题，只是在问题出现之后的被动应对，某些状况下可能就会失去其有效性。因此，需要将井下涌水热害真正作为主要热害课题进行深入研究，在实践中不断优化和完善涌水热害综合防治技术工艺，从根本上控制、消除高温涌水的热害现象[14]。

[1]胡汉华. 博士学位论文 属矿山热害控制技术研究.长沙：中南大学，2007-10 [2]王英敏 . 矿井通风与防尘［M］ . 北京：冶金工业出版社，1997. [3]陈晋南 . 传递过程原理［M］ . 北京：化学工业出版社，2004.

[4]苏昭桂．巷道围岩与风流热交换量的反演算法及其应用[D]．青岛：山东科技大学，1997．

[5]瓦斯通风防灭火研究所．矿井降温技术的50年历程[J]．煤矿安全，2003，34（S）：34-36．

[6]矿井降温技术应用发展与研究现状[R]．青岛：山东科技大学，2009． [7]吴先瑞，彭毓全．德国矿井降温技术考察[J]．江苏煤炭，1992，（4）． [8]陈平．采用压气供冷的新型矿井集中空调系统[J]．矿业安全与环保，2004，31（3）：1-3． [9]陈平．均匀供冷采煤工作面送风器的布置[J]．矿业安全与环保，2004，31（4）：7-9．

[10]LIUHeqing.Studyandpracticeofthecontrollingtechniqueonheat-harmduringthetunnelinginZhaoloumine.EngineeringSciences,2008,6(4):31-35.

[11]XINSong,WANGZhenping,WEICheng.Researchonpreventionandcureagainstheat-harminconstructingmines.MiningScienceandTechnology,2007,13(3):271–275.

[12]张林，杜伯超，杨德源．矿用冷却服：中国，CN93210379.0[P]．1993-12-29． [13]陈宁，彭伟．矿井降温服装：中国，CN200610040352[P]．2006-12-27． [14]辛嵩，硕士学位论文 掘进工作面涌水热害综合防治技术研究. 山东科技大学，2012-6

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