矿井深部热害分析及治理研究.doc

矿井深部热害分析及治理研究黄寿元1，2侯玉强3吴冷峻1，2( 1 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司; 2 金属矿山安全与健康国家重点实验室; 3 贵州金益煤炭开发有限公司)摘 要 高温高湿热害是矿井向深部开拓延伸中普遍面临的问题，给井下作业人员的健康和矿井安全生产带来了极大的影响和危害。论述了热害治理的非人工制冷降温与人工制冷降温 ( 矿 井空调降温) 两条主要思路，分析了非人工制冷降温的主要技术措施及特点，矿井空调降温的主要 类型与基本原理，以及矿井空调降温方案的优缺点。关键词 深部矿井 热害 通风降温 空调降温 热湿交换Analysis and Control Study on Deep Heat Harm of MineHuang Shouyuan1，2Hou Yuqiang3Wu Lengjun1，2( 1 Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co ，Ltd; 2 State Key Laboratory for Safety andHealth of Metal Mine; 3 Guizhou Jinyi Coal Development Co ，Ltd)Abstract High temperature and humidity damages were the common problems faced during mine stretch to the deep，which would bring huge harm and effect to the healthy of underground workers and mine safety production Two major thoughts were discussed of non-artificial refrigeration and cooling and artificial refrigeration and cooling ( mine air conditioning cooling) for heat harm control Main types and basic principle of mine air conditioning cooling were introduced，main technical measures and character- istics were analyzed of non-artificial refrigeration and cooling and the advantages and disadvantages of mine air conditioning cooling schemeKeywords Deep mine，Heat harm，Aeration cooling，Air conditioning cooling，Heat and moisture transfer空气温度、湿度、风速三要素构成了矿井热环境即矿井气候环境。矿井向深部开拓延伸中，随着地 温的升高及采掘机械化程度的提高，井下热湿源数 量增多，且随着通风线路的增加，通风阻力增大，通 风系统复杂，排热排湿困难，形成高温高湿热害矿 井1。当井下风流温度、湿度、风速达到一定状态 后，致使人体散热散湿困难，工人感到闷热，进而出 现体温升高、头晕、虚脱、呕吐等中暑症状，甚至死亡 的矿井热害2。即高温高湿热害是矿井向深部开 拓延伸中普遍面临的难题。采矿业发达国家开采深 度深，热害问题出现早。如南非绝大多数金矿开采 深度在 1 000 m 以下，最深的金矿已达 4 000 m 左 右; 印度、巴西金属矿井超过 2 000 m; 苏联、西德、英、法等国超千米的煤矿较多。我国浅表矿床及开采技术条件相对简单的矿床储量不断消耗，大多数 矿山转向深部、复杂矿床的开采，每年以 8 12 m的 速度向深部延伸，预计在未来 20 a，大多数煤矿将进 入到 1 000 1 500 m 深处开采，金属和有色金属矿 山将进入 1 000 2 000 m 深度开采。矿井热湿源分布在矿井热环境下，能够引起矿井气温升高的影 响因素统称为热源。矿井湿度通常采用相对湿度表 示，矿井最适宜的相对湿度为 50% 60%3。向深部开拓延伸，地温逐渐升高，地热不断地从原始岩温内部以导热形式传递到巷道壁面，到达围岩表面的 热量与巷道内空气不断进行热湿交换，围岩散热是 造成井下高温的主要热源。空气自压缩并非热源， 因为风流在重力作用下向深部流动，风流位能转换1的危害 如 图 5 所 示4。人体生理性体温为 35 40 。在稳定的环境下，能使人体保持能量平衡。 当有多余热量未排出时，使得体温升高，逐渐使人体 感觉不舒适。在稳定的热环境条件下，人体得、失热 保持平衡。在高温作业环境中，汗液蒸发成为人体散 热的主要方式，据研究资料表明，汗液的蒸发量、脉搏 次数、体温随空气温度变化如表 1 所示5。着矿井深度日益增加，已成为影响矿井风流热力状态的一个重要因素，是引起矿井高温的主要原因之 一。从空气热物理性质可知，一定温度下的空气含 有一定量的水蒸气，空气湿度常采用相对湿度表征 水蒸气接近于饱和的程度。在井下，因温度、压力、 流速参数的动态变化，矿井风流状态时刻发生变化， 各处风流将发生汇合和分流，即不同状态下的风流 相互混合掺杂，矿井含湿量必然发生变化。地下水 通过岩体从支护材料的毛细孔渗漏，或者地面水和 地下水在重力作用下通过岩体裂缝、断层、破碎带等 导水通道进入巷道空间。当岩层处于破碎、断层带 且处于地表雨季时、支护施工等质量较差情况下，矿 井渗漏水严重，甚至在壁面上流淌，是造成井下潮湿 的主要原因。空气湿度受矿井水文地质、矿区气候 环境等客观因素以及井下生产作业中围岩支护、作 业喷雾洒水等人为因素的综合影响。图 1 为矿井热 湿源分布( 不包括热水型矿山) 。图 1 矿井热湿源分布图高温高湿对人体的危害人体与外界环境之间的热量交换是一个相当复2杂的过程。高温高湿的井下作业环境，直接影响作业人员的身体健康，使人注意力、判断力以及协调反应 能力下降，进而影响工人工作效率，使劳动生产率下 降，事故率的上升。据前苏联和德国的调研资料介 绍，矿内作业环境气温超标 1 ，劳动生产率则下降6% 8% ，当气温超过 28 时，事故发生率将增长20% 。日本北海道 7 个矿井的调查结果表明: 30 37 工 作 面 比 30 以下工作面的事 故 率 增 加1 15 2 13倍。南非金矿统计资料表明，以井下空气 温度 28 时劳动生产率为 100% ，气温升高后，不同 风速下的劳动效率变化如图 2 所示，引发的伤频数如 图 3 所示。空气温度与人体温差决定对流、辐射换热 中热量传递方向。空气温度升高使人体皮肤温度升 高，排汗量增加，人的主观热感觉向着热的方向发展。 人体体温范围变化如图 4 所示。矿工若长期在矿井 高温环境中作业，可能使人产生一系列生理功能的改 变。根据医学研究成果，井下不同的空气温度对人体表 1 汗液蒸发量、脉搏次数随体温变化规律气温 / 汗液蒸发量 / ( g / min)脉搏次数 / ( 次 / min)体温 / 252830321 5 2 12 8 4 23 6 4 75 0 6 41318202236 93737 137 2遍使用的是通风降温。一般来说，增加工作面风量，能改善矿井通风效果，但并不是风量越大，通风效果 越好，风量不可以无限增加。同时，通风量增加，主 扇能耗等运行成本相应地增加。因此，应结合矿井 的具体情况，从长远发展规划及安全经济的角度，重 视非人工制冷技术，改善矿井气候环境。在高温高 湿矿井中，当采用加大风量等非人工冷却风流措施 均无法使气温达到作业要求时，再考虑采取矿井空 调降温。图 6 为矿井热害治理的主要措施，表 2 为 非人工制冷的一般措施及各措施的主要特点。图 5 不同空气温度下对人体的危害热害治理措施 非人工制冷措施 一般说来，非人工制冷降温投资、运行成本相对33 1于人工制冷降温在短期内要少得多，且技术相对简单 成熟，因此，在非人工制冷降温中，优先考虑且普表 2 非人工制冷措施图 6 矿井热害治理主要措施降温方法特点通风降温( 首选)增加工作面风量，能改善通风效果，但并不是风量越大通风效果越好，风量不可以无限增加。通风量的增加，主扇能耗等运行成本相应地增加。此外，受井巷断面的限制，风量的加大造成风速的增加，粉尘飞扬，作业环境受到负面影响。围岩散热: 主要采用隔热物质喷涂岩壁，减缓围岩的传热6。当井下围岩温度大于 35 时，可使巷道内的温度降低 3 4 5 。隔热层只能减缓而不能消除围岩散热，且作用在一定的时间后会消失。控制热源机电设备散热: 尽量将工作面的辅助设备布置在回风侧; 机电硐室建立独立的回风系统; 安装辅助风机，局部散热; 使用高效率的机电设备等。爆破热: 及时排出热量，实行爆破时间与井下人员的工作时间分开。风流通过一段喷淋巷道，利用巷道的地温水与风流进行热交换，以此降温。预冷入风流利用恒温层温度最低的特点，使风流经过岩层温度较低的巷道，风流与围岩进行热交换，达到降温的目的。个体防护其他在矿井局部高温区域，不宜采取风流冷却措施时，可以采取个体防护。选择合理的开拓系统、充填方法以及适当的充填材料。人工制冷措施矿井空调降温过程遵循热力学第二定律，通过 制冷剂从低温冷却剂( 水、空气、冰) 中不断吸取制 冷量，通过载冷剂( 水或者空气) 散发到温度较高的 作业地点，从而降低作业区域的环境温度。矿井空调降温是空调应用技术发展的一个新领域，人工制冷降温是目前国内外普遍采用的降温措施。根据矿 井空调系统的热力学特点，分为空气压缩式制冷、人 工制冰降温式和人工制冷水降温。表 3 为矿井降温 方式的对比分析。3 2表 3 矿井空调降温方案比较制冷方案缺点优点空气压缩式制冷能力小，系数低，投资及运行成本均高于人工制冷水降温。技术可靠，系统简单; 应用灵活; 工作面冷量分布合理均匀。管道设备要求高; 冰冷却降温技术仍处在试验研究阶段，冰的输送和冰的融化技术目前还不太成熟; 沿途冷量损耗大; 投资运行 成本高; 喷雾降温，难以降低湿度。冰融化降温，所需的冰量小; 冰水直接接触换热，换热效率高，送入空冷器的水量相应减少，减少水泵的输送能耗; 克服 静水压力和冷凝热排放等困难。人工制冰降温人工制冷水降温井上集中式静水压力大，需要高低压转换设备，对设备承压要求高; 技术要求高; 井下集中式冷凝热排放困难; 投资运行成本高。技术成熟先进; 井下集中式输送管路短; 冷量损耗小; 井下热害转化为热能输送至地面，节能环保。空气压缩式制冷1989 年南非金矿建成了压缩空气制冷系统。1973年煤科院抚顺分院研制了 YP-100 型环缝式压力引 射器、涡流管制冷器; 1993 年平顶山矿务局和原中3 2 1空气压缩式制冷降温的基本原理是利用压缩空气作 为 供 冷 媒 质，直接向采掘工作面喷射制 冷。国航空工业总公司 609 研究所联合研制了 KKL101型矿用无氟空气制冷机。矿井空气压缩式制冷降温 在技术上具有显著的优点，系统简单，应用灵活且运 行经济合理，能够有效地解决我国当前矿井集中降 温中存在的问题，可用金属或橡胶软管沿工作面布 置管路进行喷射制冷，工作面冷量分布合理均匀，降 温效果好7。由于压缩空气的吸热量有限，该技术 适用于需冷量不大的小型矿井降温。同时，空气压 缩制冷循环相对于人工制冷水降温制冷系数小、单 位制冷量的投资和年运行费用高8。3 2 2人工制冰降温人工制冰降温是利用制冰机制取粒状冰块，在 风力或水力作用下输送至井下的融冰池，然后利用 工作面回水进行喷淋融冰，融冰后的冷水以喷雾形 式对工作面降温。人工制冰降温包括制冰、输冰、融 冰的 3 个主要环节。人工制冰降温的研究与应用主 要以南非为主，1976 年南非曾在环境工程实验室提 出井下输冰供冷方式，1986 年南非 Harmony 金矿首 次采用冰冷却系统进行井下降温，取得了一定的降 温效果，现在已经停止运行，最成功的矿井冰冷却降 温系统是 ERPM( East Rand Proprietary Mines) 系统。 我国于 2004 年在孙村煤矿采用了人工制冰降温空 调系统，并获得预期降温效果。冰冷却降温系统主要是利用冰的融化潜热降 温，获得相同冷量所需的冰量仅为水冷系统水量的1 /5 1 /4。通过冰与水的直接接触换热，换热效率 高，送入空冷器的水量相应减少，减少了水泵的输送 能耗。同时克服了高静水压力和冷凝热排放困难等 问题。但是，冰冷却降温技术仍处在试验研究阶段， 特别是冰的输送和冰的融化技术目前还不太成熟。 图 7 为人工制冰降温系统示意图。压缩式制冷是制冷剂( 氟利昂、氨、二氧化碳、混合溶液) 经压缩机压缩，进入冷凝器中冷凝放热( 热量 被冷却剂( 水或空气) 吸收，产生高温冷却水) ，制冷 剂继续通过膨胀阀、毛细管等节流装置调节冷凝器 与蒸发器之间的压力以及进入蒸发器中的制冷剂流 量，再进入蒸发器中气化蒸发吸热( 冷量被载冷剂( 水或者盐水溶液或者乙二醇等有机化合物水溶 液) 吸收，产生低温冷冻水) ，高温高压制冷剂蒸气 最后进入压缩机中完成一个循环。制冷原理如图 8 所示。图 8 蒸汽压缩式制冷原理图人工制冷水降温系统包括制冷( 制冷机组) 、输 冷( 管路) 、散冷( 空冷器) 、排热( 冷却塔) 4 个过程。 制冷机组制取低温冷冻水，经水管输送至空冷器，在 空冷器散冷得到冷却风流，冷却风流经风筒输送到 工作面对高温高湿空气降温降湿。经空冷器产生的 冷冻水回流至机组，得到冷却回水。冷却回水通过 冷却塔散热装置而排出热量。图 9 为人工制冷水降 温原理图。目前国内外的大部分矿井空调降温系统 都采用该形式。根据制冷站所在位置不同，人工制 冷水降温系统又分为井上集中式、井下集中式、井上 下联合式和井下分散式局部制冷降温系统 4 种类 型。图 9 人工制冷水降温原理图结语4高温高湿热害是矿井向深部开拓延伸中必须面临的难题，当矿井通风降温无法解决深部高温高湿 热害时，必须采用人工制冷降温，即矿井空调降温， 以改善井下作业环境。矿井空调降温技术涉及采矿 方法、矿井通风与安全、地温地热、环境工程、制冷技 术以及劳动卫生等多学科领域，需要各专业及生 产、制造、科研设计、施工监理等各( 下转第53 页)图 7 人工制冰降温系统示意图人工制冷水降温3 2 3在 20 世纪 70 年代，人工制冷水降温技术开始迅速发展并逐渐成熟，已成为矿井降温的主要手段。 人工制冷水降温系统可以分为蒸汽压缩式和蒸发吸 收式制冷，以蒸汽压缩式制冷使用最为广泛。蒸汽( 2) 在利用原有井巷工程的前提下，由 460 m中段分别间隔 50 m 施工下矿天井和探矿天井。由 460 400 m( 400 m 为原民营矿山的开拓中 段) 形成通风人行和下矿天井后，分别在 440 m 中 段和 400 m 中段沿矿体在脉内施工探矿沿脉巷 道，并在间隔 50 m 预留间柱内施工探矿穿脉。探矿 巷道规格为 2 0 m 2 0 m，电耙出矿，掘进矸石通 过下矿天井至 460 m 中段，由 460 m装车运出。( 3) 预留间柱内施工 520 460 m 措施天 井，措施天井穿过矿体控制矿体垂直厚度，措施天井 作为# 矿体开采的下矿井。( 4) 主勘探线 1 9 线进行钻探，探明 460 m中段以下矿体，提高储量级别。 440 m 探矿平面见图 2。凿岩硐室规格为( 2 7 2 8 ) m 2 8 m，布孔参数:孔底距 1 6 1 8 m，排距 1 4 1 5 m; 拉槽硐室规 格为 4 0 m 2 8 m，切割天井规格 2 0 m 2 0 m， 布孔参数: 孔距 1 0 m，排距 1 0 m。从切割天井开 始拉槽，形成自由面后，后退式爆破，第一分层爆破 同时进行扩斗，上面分层超前下分层 3 5 m 爆破， 采用粒状铵油炸药，单耗 0 45 t / kg。( 2) 浅孔留矿法。底部结构同中深孔，探矿天 井作为人行通风天井，间隔 5 7 m 掘进人行联络道 与采场 相 通。 采 用 YT-24 机 凿 岩，分 层 高 度 2 2 5 m，爆破后出矿 35% 40% ，余下矿石作为垫 层，待回采结束后大量出矿。2 3取得成效通过探采结合工程，不到 8 个月的时间内完成探矿工作，为采准设计提供可靠的矿体资料，提交( 122B) 级矿量 65 万 t，矿石品位( Cu) 1 4% ; 探采结 合，探矿巷道尽可能在矿体内施工减少掘进废石量， 作为后续开采的凿岩硐室、电耙道、联络天井或下矿 井等，提高采准速度，节省了投资。利用探矿巷道，减少采切工作量，# 矿体提前 形成生产能力，达到 250 t / d 的生产要求。图 2 440 m 探矿工程平面1已有巷道; 2探矿巷道; 3探矿天井; 4、5探矿穿脉; 6矿块结论与建议目前随着经济的发展，国内铜资源量严重不足， 我国粗铜原料 50% 以上需要进口，国内小型盲矿体 开采也呈快速增长态势。对小型盲体开采，采用探 采结合的方式，可以降低投资风险，加快矿山建设速 度，胡村后# 矿体探采结合的成功实例，对小型盲 体开采具有借鉴作用。3采矿方法结合矿体产状、赋存条件，胡村后矿床采用中深 孔分段崩落空场嗣后充填法和浅孔留矿法。矿块划 分拟沿走向布置，矿块长 50 m，矿房长 42 44 m，矿 柱宽 6 8 m，矿块宽度即为矿体水平厚度。( 1) 中深孔分段崩落空场嗣后充填法。底部漏 斗受矿，漏斗间距 5 7 m，斗颈 2 0 m 2 0 m，底柱 高 6 m，