深部高温矿井热害治理技术研究设计专题报告

深部高温矿井热害治理技术研究摘要:本文主要介绍了我国高温矿井的现状，指出了治理高温热害矿井在维护工人健康、提高生产效率、保障生产安全及其经济社会意义；详细阐述了国内外对于矿井热害理论、技术的研究现状，并针对上述理论技术，指出了其存在的不足与改进方向，进而引出井巷喷注隔热材料这一新型井下主动降温方法，并对其进行了初步的实验探究，预计其将有广泛的应用前景。关键词：矿井高温；热害治理；喷注降温1问题的提出与研究意义1.1我国高温矿井现状随着我国煤矿开采年限的增加，浅部资源逐步减少和枯竭，我国煤矿开采平均以812m/a的速度向深部延伸，尤其是近年来煤矿采用更先进的开采技术和采掘机械，开采延伸速度呈现加大趋势，东部以1025m/a的速度发展12。目前一些矿井开采深度已达1000m以下，如开滦矿业集团赵各庄煤矿十三水平开采深度达到1155m，新汶矿业集团孙村矿开采深度达到了1300m，华丰矿开采深度为1070m，徐州矿务集团的旗山矿开采深度为1032m，夹河煤矿开采深度达1100m，张小楼井开采深度己超过1100m。可以预计，我国有大批矿井尤其是中东部地区矿井，将进入1000m以下的深度。二十世纪初国外许多国家逐渐出现了热害问题，世界上矿井热害最严重的是南非金矿，德国煤矿和前苏联煤矿3。南非是当今世界开采深度最大的国家，南非的威特沃特斯兰德盆地极深含金矿礁埋深达3500m5000m4，斯太总统金矿的工作面深度超过3000m，原始岩温高达63；德国的伊本比伦煤矿开采深度达1530m，岩温高达60，前苏联的彼得罗夫煤矿工作面达1200m，原始岩温达到5257。据我国煤田地温观测资料统计，百米地温梯度为24/100m，随着开采深度的逐步增加，深部矿井热害问题已经逐步凸显。近些年来的文献资料和统计资料表明821，我国已有140余个矿井出现了不同程度的高温热害问题，表1.1显示了我国部分矿井的热害情况，同时得到我国矿井热害区划图1.1。由图1.1可见，我国高温矿井主要分布在东部地区，其中热害最为严重的区域，包含我国黄河以南、长江以北的东部各省份，主要是山东、江苏、安徽和河南等省份。该地区开采深度较深，许多矿井开采深度超过800m，已探明未开采煤炭主要在800m1500m之间，地温梯度一般大于2/100m，矿内岩温一般高于30，典型矿区为徐州、兖州、新汶、永城、两淮等。其次在河北、辽宁及内蒙东部地区，开采深度相对较深，部分矿井开采深度超过600m，岩温较高，部分矿井热害现象比较严重，典型矿区为峰峰、开滦、铁法、抚顺等。长江以南的东部各省，热害矿井主要分布在江西、福建和湖南东部。该地区开采深度较大，夏季江南潮热气候，井下热害严重，典型矿区为萍乡、丰城等。表1.1 我国部分矿井热害情况矿井名称采深/m工作面温度/岩温/地温梯度/100m /100m徐州夹河矿1200364012.5徐州三河尖矿10003946.82.753.46徐州张楼煤矿10003540.6徐州旗山矿11003041.91.52.6徐州张小楼矿120033.51.72.7大屯孔庄矿10153740.42.362.42新汶孙村矿13003243.52.7新汶协庄矿1010343123济宁三号井8383335.32.442.96抚顺老虎台7153338423.64.2抚顺东风80033302.74.6长广牛头山9373440.52.28淮南潘一矿65036373淮南潘三矿8103640433.42淮南顾桥矿8003640.13.08淮南丁级矿8263440432.524.02平媒五矿90935503.34平媒八矿6503433.63.4义马跃进矿93031.5331.92河北大城煤田110033573.36图1.1 我国矿井热害区划图1.2矿井热害危害性分析1)危害工人健康矿井高温环境对井下作业人员的健康带来了极大的危害。研究表明，人长时间处在高温环境中生理调节机能将发生严重障碍。表现在：(1)体温升高，参与人体代谢的各种酶随着体温升高其活性减弱，破坏体内热平衡，造成代谢紊乱。(2)温度过高，引起体温调节系统障碍，中枢系统特别是大脑皮层的负担加大，降低其兴奋性，同时引起条件反射活动的紊乱，加深抑制过程，甚至发生高级神经活动的病理变化。(3)高温作业使体表血管扩张，输送皮下血管的血量增多，相应输向内脏的血量减少，返回心脏的血量减少，血压降低，脉搏加快，再加上大量出汗，体内缺水，血液的粘滞度增大，从而影响心脏的功能。(4)在高温环境从事重体力劳动，呼吸浅而急促，氧气供应不足，肺功能的负担增加。如果长期处于这种环境，会引起肺功能职业病。在高温环境中，尤其从事重体力劳动时，容易出现体温升高，代谢紊乱，心跳加快，心律失常，血压升高等现象，人体失去热平衡，易造成热虚脱、热衰竭、热惊厥、中暑等热病，严重甚至危及生命。另外，矿工长期在高湿的矿井下作业，会使人患上风湿病、皮肤病、皮肤癌、心脏病及泌尿系统和消化系统等疾病，还会使人产生心绪不宁、心情浮燥，诱发人精神方面的疾病，严重影响矿工的身心健康。2)降低生产效率长期在井下高温高湿环境中作业，容易破坏体内热平衡，造成代谢紊乱，引起体温调节系统障碍，中枢神经系统失调，出现精神恍惚、疲劳、浑身无力、昏昏沉沉等状况，这是矿山劳动生产率低下的主要原因。据大量的高温矿井统计：采掘工作面气温每超过标准(26) 1时，劳动生产率将下降68%；气温升至32时生产率降低5%左右，升至34将会降低50%。许多高温矿井夏季工人的出勤率明显降低，劳动生产率显著下降，有的甚至被迫停产。我国高温矿井的劳动生产率都较低，有的甚至仅为30%40%。3)威胁生产安全长时间处于高温高湿的作业环境中，会使作业人员对周围的注意力、判断力及反应能力逐渐减退，疲惫乏力、精神烦躁、精力不集中，从而增加了事故的发生率。表1-2显示了矿井温度与事故率的关系。据日本北海道7个矿井的调查资料，3034的工作面事故发生率比30以下高1.52.3倍。表1.2 矿井温度与事故率的关系作业地点气温/27303233工伤频次/次/千人0150300450同时矿井高温可引发瓦斯、煤尘爆炸、煤炭自燃等重大灾害事故，给矿井安全生产带来极大威胁。目前矿井高温已成为与瓦斯、煤尘、火灾、水灾并列的重大自然灾害。4)我国矿内气候标准我国煤矿安全规程中第108条对煤矿井下的作业环境提出了明确的规定：(1)生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26，机电设备铜室的空气温度不得超过30；(2)在超温的个别地点，经采取加大风量、局部降温等措施后，仍超过本条文所规定的空气温度时，报省(区)煤炭局批准，可以适当超过空气温度的规定，在超温地点的工作人员应缩短工作时间，并给予高温保健待遇；(3)采掘工作面的空气温度超过30、机电铜室的空气温度超过34时，必须停止作业；(4)新建、改扩建矿井设计时，必须进行矿井风温预测计算，超温地点必须有制冷降温设计，配齐降温设施。1.3 矿井热害研究意义1)矿井工人健康、生产效率、安全意义由上一小节的分析可知，人长时间处在高温环境中可能使人产生一系列生理功能的改变，严重影响矿工的身心健康；高温矿井劳动生产率低下且严重影响矿井安全。所以，治理矿井热害，适度降低矿井温工人作业环境温度，可以保护工人的健康，提高劳动生产率，减少矿井安全事故。2)经济社会意义中国煤由地质总局第三次全国煤炭资源预测，在全国5个赋煤区、85个含煤区、542个煤田/煤产地中，共圈定了2554个预测区，预测总面积39.3X104km2，垂深2000m以浅的预测资源量为4.55 X 1012t，垂深1000m以浅的预测资源量为1.84X1012t，垂深600m以浅的预测资源量为0.94X 1012t。埋深大于1000m的占全国预测总量的59.5%。河北、山西、内蒙古、江苏、安徽、山东、河南、陕西等重要产煤省(区)，埋深1000m以下的预测资源分别占该省(区)预测总量的65.5%92.4%，说明这些产煤地区埋藏较浅的煤炭资源潜力已经有限，深部煤炭资源所占的比例非常高。深部资源的开采，可以解决东部沿海省份煤炭资源的缺口。可以说，深部高温矿井开采技术，在一定程度上决定着我国的经济的可持续发展和国家安全战略的实施。2国内外研究现状2.1 国外研究现状在矿业发达国家，由于开采时间长、矿井深，热害问题出现较早。据资料文献记载，最早研究矿井高温问题是1740年在法国Belfort地区的矿山进行的低温测定。二十世纪初，许多国家逐渐出现了矿井热害问题，开始了高温矿井的基础研究及降温技术研究。1915年，巴西的莫劳约里赫金矿建立了世界上第一个矿井空调系统，在地面建立了集中制冷站，把空调器应用于井下。随后，南非在1919年也开始了矿井风流热力学规律的研究。二十年代，矿内热环境的最初理论开始形成。1923年，英国的彭德尔顿煤矿是第一个在采区安设制冷机，冷却采面风流，首开局部制冷先河。同年，德国Heise Drekopt假定巷道壁面温度为稳定周期变化，解析分析围岩内部稳定的周期变化，提出了调热圈概念，此成果是矿内热环境问题研究领域的最初理论。三、四十年代，矿井风温预测计算理论开始发展。在1939-1941年间，南非Biccard Jappe连续发表了四篇关于“深井风温预测”的论文，提出了风温计算的基本思想，被称为近代风温预测计算的基础。二十世纪五十年代矿井风温计算理论进一步发展。1951年英国的Van Heerden35、日本的平松良雄36，1952年德国的Knig等人结合平巷围岩与风流热交换，在理想条件下提出围岩调热圈温度场的理论解。1953年，南非首次在洛博尔矿安装大型风流冷却设备。同年苏联学者提出较精确的不稳定换热系数和调热圈温度场计算方法。1955年平松良雄又提出围岩与风流组成体系的传热方程式随时间变化的风流温度的近似计算法。六十年代，采用计算机技术进行风温预测的计算。1961年苏联的BopoaB、1966年德国的Npttrot等人采用数值计算方法来描述调热圈温度场。1964年Mcke用圆板状试块测定岩石稳态的导热系数。1967年Sherrat在现场对一段巷道强制加热，实测围岩中的温度分布，从实测值与理论计算值对比中求出一些热参数。同年，南非的Starfield42等人初步探讨论述了潮湿、有质交换条件下的热交换规律。在此期间，南非也开始采用了大型矿井集中式空调，苏联、日本等国的矿井也随后应用制冷降温。矿井降温理论开始向实用化的方向发展。七十年代，一些矿内热环境工程的系统专著逐渐问世，形成了学科理论体系。1974年日本的平松通风学，1977年epaH的矿井热环境调节指南，福斯的矿井气候等都对矿井降温理论做了较系统的阐述。随着学科研究的发展，矿井降温技术的各方面都提高到一个新水平，问题的研究也深入到解决最核心的采掘工作面、井筒等降温问题。西德从1970-1980年，制冷能力剧增15倍。日本从1975-1985年，制冷机总的制冷能力达到4528MW，制冷系统亦向大型化发展，单个系统的最大制冷量已达50MW。进入二十世纪八十年代以后，美国、苏联、德国、日本、南非、捷克、匈牙利、波兰和保加利亚等国都争相进行该学科的研究工作，着重分析了风流与围岩间的不稳定换热系数、热湿比、当量热导率与湿度系数等关键系数。内野健一差分法求得不同巷道形状，岩性情况下调温圈的温度场，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。南非的Starfeld等也提出了更为精确的不稳定传热系数的计算式。到八十年代末，国内外对矿井风温的预测精度均达到了1. 5的高水平。1985年11月，南非金矿首次将冰送入井下，利用冰的溶解热 (80Kcal/Kg)吸热制冷，冰用量仅为同一冷却用水量的1/5，此制冷系统能力达628MW。9 0年代，德国已有28对矿井采用了空调降温，制冷能力达256MW。目前，国外矿井降温技术发展的特点和趋势是：1)建立了系统的矿山热力学的理论体系，并应用其解决采矿工程中的一些重大技术问题，例如矿床的合理开采深度，合理的开拓系统和开采程序，以及合理的矿井通风系统和供风量等。2)应用高科技手段来解决矿井降温的重大技术问题，如三管式能量转换装置，板式蒸发器，可调速水泵以及内隔热保冷管道等;应用智能化控制系统来控制矿井降温系统，使矿井降温系统始终处在优化的状况下运行。3)矿用制冷设备性能良好，运行安全可靠。板式蒸发器的使用，可将冷水温度降到0左右。大型冷水机组无故障运行时间可达70000h，最高可达成120000h。4)矿井传冷技术发展日新月异。矿用空气冷却器，由20世纪60年代以前的翅片管式，80年代的板管式到光管式，80年代后期到90年代各国都在试图用喷淋式或混合式。2.2国内研究现状我国矿井降温工作在二十世纪五十年代初就开始了地温考察和气象参数的观测。六十年代，在淮南九龙岗矿采用小型制冷设备进行矿井降温，并取得较好的降温效果。七十年代，原中国煤炭部在中国科学院地质研究所等单位的协助下，对平顶山八矿、枣庄陶庄矿、淮南九龙矿等许多矿井，有计划地进行了系统观测，用数据统计方法提出了风温预测数学模型。杨德源将国内外学者研究的成果与自己的工作实践相结合，提出了矿内风流热力计算方法。八十年代后期矿井降温学科理论开始形成较完整的体系有关高校的矿山通风和安全相关专业也加强了热环境工程的课程和研究内容，科研单位也以此为研究课题进行了大量的研究，公开发表了众多学术论文和专著，例如，岑衍强等编著的矿山热环境工程、余恒昌主编的矿山地热与热害治理、严荣林等主编的矿井空调技术等，这些研究成果极大的丰富和发展了我国矿井降温理论体系。1986年，国务院颁发了煤炭资源地质勘探规范将地温条件评价的有关规定纳入相应条文。九十年代，高温矿井降温技术逐步应用，其中主要是矿井空调系统的应用。1990年，平顶山八矿建立了第二个井下集中降温系统，开展了综合性降温技术研究。1992年孙村矿又在井下集中制冷的基础上，在-800m水平的降温设计中采用了地面集中制冷系统，设备选用了二台国产的LSLGF-2000型冷水机组，二台德国产的WKMZ-1500型冷水机组，涉及制冷量达5.5MW，高低压换热器也从德国进口，该系统总投资为2032万元，是我国当时最大的矿井集中空调系统。1993年7月，平顶山矿务局科研所和原中国航空工业总公司第609研究所联合研制成KKL101矿用无氟空气制冷机。1995年，山东矿业学院陈平等提出用压气引射器与制冷机相结合进行矿井空调。在此之前，我国采用的制冷设备主要是以氟里昂和氨为制冷剂的冷水机组。1996年，韩学廷提出了矿井降温冷源与煤矿热电冷联产的理论。1998年，抚顺煤科院研制出我国第一台矿用可移喷淋式空冷器，产冷量128KW。2003年孙村煤矿在深井降温设计中采用了冷水直接喷射制冷和裸管热交换制冷的方式，取得了很好的效果，该项成果达到了国际先进水平。目前，一些学者正致力于世界上比较先进的深井降温冰冷却系统的研制。近年来，许多学者在矿山热害防治及降温技术的研究上做出了卓越的贡献。孙树奎等人研究了埋深对煤矿巷内温度场分布的影响。周西华49等人通过对矿内风流与巷壁换热过程的理论分析，得出了围岩与风流的不稳定对流换热系数的解析式、理论解和实用式，导出了风流温度变化和围岩调热圈的计算方法。从能量和质量守恒定律出发，提出了矿井风流场模型，通过数值模拟，初步得出了矿井回采工作面与掘进面风流速度场、温度场与采煤机对回采工作面风流热力性质的影响。左金宝在对围岩与风流热湿交换理论研究的基础上，利用井巷壁面潮湿度系数处理壁面水分蒸发问题，并对对流放热系数和围岩与风流不稳定换热系数的计算进行了研究，建立了高温矿井风温预测模型；将BP神经网络应用到了风温预测中，提出了风流热状况预测方法。胡华军以孙村矿为研究对象，重点就煤巷风温预测、井巷风流热湿交换及配风量进行了研究。苏昭杜采用反演算法确定了井巷围岩与风流的散热、导热等系数和基本参数。吴强采用有限元法分析了掘进工作面散热规律。邓军对工作面采空区温度场分布特征进行了模拟分析。张树光针对热害影响下的巷道温度分布规律进行了研究，分析了风流和渗流祸合作用下围岩的温度场和温度矢量分布。肖林京利用ANSYS的FLOTRAN CFD模块模拟分析了工作面温度场分布的一般规律，并通过优化计算获得了空冷器最佳安装位置。刘冠男等利用标准k-模型分析了高温高湿矿井风流温度特征，并对喷淋雾化降温效果进行了数值模拟，为工作面降温方案的设计提供了理论依据。由于我国矿井降温工作的起步较晚，资金不足，同发达国家相比还有较大差距，目前在热害治理方面存在的主要问题是：1)对矿井热环境的评价依据及方法在一定程度上缺乏科学依据。2)如何经济、高效、持续地将井下工作地点的恶劣气候条件改善到合乎要求的水平。由于矿井空调降温的费用甚高，仅在采用加强通风等措施无效时方可采用。3)目前在矿井空调领域中从事研究的单位和研究人员虽然较多，但缺乏全面系统的规划来协调指导各方面的工作。4)热矿山的设计、管理尚缺乏规范性的依据，已建成的矿井空调系统的管理工作有待加强，许多重大问题尚待研究解决。5)国产的制冷设备质量有待提高。在空冷器、高低压换热器、冷却塔及其他有关器材的研制和新产品开发方面没有连续工作的研究力量。3 井下高温热源分析3.1地热影响地热是最重要的深井热源，据研究，深井岩层放热占井下热量的48%。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。3.2热水涌出的影响涌水对气温的影响有两个方面：一是热水在流经巷道的过程中对空气传导热，导致空气温度升高；二是热水蒸发，吸收空气热量，有利于降低气温。但前者占主导。3.3 空气下行压缩升温地面空气经井筒进矿井内，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0.4一0.5，空气压缩放热占井下热量的20%。3.4机电设备放热及局部风机压缩热由于现代化矿井，机械化程度高，电器设备的数量越来越多。机电设备的输入功率中，其有效功率转化为热使其风流升温。不仅如此，有效功率克服摩擦所耗的那部分能量也转化为热传给风流。3.5化学反应放热煤和含煤、含碳、含硫围岩及支护材料的氧化散热，也是局部气温升高热源之一。锚喷支护的掘进头，喷涂混凝土时，水泥和速凝剂凝结作用放热，也影响矿井空气温度。3.6爆炸放热井下炸药爆炸具有两重放热性，一方面在爆破时期内迅速向空气及围岩放热，形成一个较高的局部热源;另一方面炸药爆炸时传向围岩中的热又以围岩放热的形式在一个较长的时期内缓慢地向矿内大气释放出来。3.7采运中的煤、矸放热采、掘工作面中采落下来的煤和矸石温度接近围岩的初始温度，在其井下运输过程中，煤和研石将自身热传递给风流，引起风流温升。3.8其他放热地面气温影响和井下操作人员放热等。4热害的治理我国煤矿安全规程第102条明确规定：生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26，机电设备硐室的空气温度不得超过30，否则应采取降温或其它防护措施。针对矿井热源，各国有热害的矿山都采取了不同的防治措施。主要是非制冷空调降温和冷空调降温。4.1非制冷空调降温4.1.1通风降温增加风量法。增加风量可以大大降低空气的含热量，是一种有效的降温方法。可采用下列措施实现：减少风阻；防止漏风；加大通风机能力；采用合理分风与辅助风路通风法；加强通风管理等。但是，风量的增加不是无限制的，它受规定的风速和降温成本的制约。据现场增风降温的经验，高温工作面的风量最低限应为800-1000m3/min.。采场通风形式。采场通风有多种形式，但以能抑制采空区热气串入工作面和增加工作面有效风量的形式降温最有利。采场下行通风时，矿岩运输方向与风流同向，这样使矿岩运输过程中放出的热量和水蒸气，以及运输设备的机电设备散热等不再返回工作面，从而大大改善工作面入风流的空气状态。此外，新鲜风流从岩温较低的上水平进入采区，从围岩获得的热量也相对较少。4.1.2合理的开拓方式降温开拓方式不同，入风线路长度不同，因此，风流到达工作面的风温也不同。一般情况下，分区式开拓可以大大缩短入风线路长度，降低入风流到达工作面前的温升。4.1.3充填采矿法降温应用充填采矿法有利于采场降温，这是因为减少了采空区岩石散热的影响，采空区漏风量大大降低，同时，充填物还可大量吸热，可起到冷却井下空气的作用。4.1.4减少热源法1)岩层热的控制。主要方法有：采用隔热物质喷涂岩壁；防止围岩传热；巷道保持适当的干燥；提高风速以提高空气冷却能力；预冷矿层等。2)机械热的控制。主要方法有：机电硐室独立通风；择用辅助风机并选择适当的位置；避免使用低效率机械等。3)热水及管道热的控制。主要方法有：超前疏排热水，并用隔热管道排至地面；或经过有隔热盖板的水沟导入水仓；将高温排水管和热压风管敷设于回风道；或将压缩空气冷却后再送入井下等。4)爆破热的控制。井下采掘爆破产生的热量，一般在爆破后不久即由回风道排到井外，为免受其影响，通常将爆破时间与井下人员的工作时间分开。4.1.5 个体防护在矿工分散的井下高温作业地点，不便采取集中降温措施时，可采用个体防护措施。例如，澳大利亚布里斯班的昆士兰大学研制成功两种新型冷却工作服。实验结果表明，当使用水冷却工作服时，人体出汗率可减少25%；当使用空气冷却工作服时，人体出汗率可减少35%。即使温度高达40，这种工作服仍可将温度调节到适合人体的温度。4.1.6 其它措施其它矿井降温措施，有全矿性的，如进风井口喷水；利用进风巷道岩层调热圈冷却风流；利用冻结井筒的冻结壁，自然解冻做空调冷源等。局部性措施如喷雾、放置冰块、利用压风引射器通风、利用空气调节器降温等。4.2 空调制冷降温矿井空调降温是空调应用技术发展的一个新领域。当采用非空调降温措施仍无法达到所要求的作业环境标准或不经济时，应考虑使用空调降温技术。人工制冷降温是目前国内外普遍采用的降温措施。人工制冷降温技术关键是制冷、输冷、传冷与排热，以及降温系统及其控制。4.2.1制冷从世界上第一台制冷机的产生到现在，已有近200年的历史-我国从50年代末开始制造制冷机，但将制冷设备用于矿井仅有70余年的历史。由于煤矿井下空气中含有瓦斯、煤尘等可燃易爆气体，因此，要求制冷机所用的制冷剂必须符合无毒、不可燃和无爆炸危险的要求。目前国内外广泛采用的制冷剂为氟里昂，这种制冷剂虽然符合煤矿井下的特殊要求。但其散放到大气中对臭氧层有破坏作用，世界上已逐步限制使用氟里昂制冷，80年代后各国都在努力研制新的制冷剂来代替氟里昂。在有高温蒸汽、高温水等余热的地方可采用吸收式制冷机。独联体国家共22个矿采用了溴化锂吸收式制冷机，利用矿井瓦斯燃烧作为热源。4.2.2 输冷在大范围的矿井降温工程中，制冷站制取的冷量大都通过管道用水作为载冷剂进行输冷。在管道输冷技术中，主要解决两个问题，即降低供冷量损失与降低管道的阻力损失，鉴于井下空气湿度大，巷道中有淋水，管道敷设条件差及搬运困难等原因，保冷材料要由防腐（防锈层、隔热(保冷层、防潮层(又称空气阻凝层和保护层组成)。目前，国内外常用的矿用保冷材料以泡沫塑料制品为主。主要有聚苯乙烯、聚乙烯、聚氨酯、苯酚甲醛、聚异氰脲酸酯及脲醛等泡沫塑料。利用冰块输冷，目前在南非已由试验向实际应用转化。80年代初期对南非金矿的降温系统分析表明，井深达3000m(其井下地热条件相当于我国煤矿1500m深的井下条件时，用冰块输冷较用水输冷有利。井越深，这种优点越突出。在向井下输同样的冷量时，冰的质量、耗量约为水的1/5。4.2.3 传冷如何有效地将制取的冷量传递给风流，这是矿井降温中的重要环节，目前国内外在传冷方式上主要有以下几种：1)表面式空气冷却器传冷；2)喷淋式空冷器传令；3)其它传冷方式传冷。4.2.4 排热如何有效地排除制冷机的冷凝热，是维持制冷机正常运行、提高矿井降温系统经济效益的关键技术之一。制冷机安设在地面时，排热问题比较简单，容易解决；当安设在井下时，排热问题比较复杂，且难以解决。目前世界上许多井下大型降温系统都是利用回风流排热。这是一种经济有效的方法。利用井下回风流排热的主要方式有：1)在井下水平巷道中建立喷淋硐室；2)利用井下暗立井建立垂直冷却塔；3)为了适应井下小型制冷设备的排热要求，制造出可移式水冷却器。集中制冷降温系统分为三种基本类型，即地面集中、地下集中和地面与井下分别设制冷站的联合系统。用哪一种，要根据矿井的具体条件，通过技术经济分析比较和系统优化确定。由于矿井逐步向深部延深，地温高，回风温度也高，利用回风流排热困难。因此，集中制冷站由井下转移到地面将成为发展趋势。5井巷喷注隔热材料降温伴随深部资源的开采而来的热害问题已经严重影响了矿井工人的健康、矿井的生产效率和安全生产，深井热害问题亟待解决。而降温技术就是深部高温矿井开采技术的必不可少的一环。目前国内外矿井巷道降温主要采用机械制冷空调技术，存在设备投资大、能耗高、管理复杂等缺点。喷注隔热降温是基于减少热量传递到巷内的主动降温思想，不但节能环保，而且投入少、成本低。因此，深井开采的降温问题还远未得到很好的解决，无论是降温理论还是降温技术尚需进一步深入研究。基于此，万志军教授提出向巷道围岩裂隙中注入与巷壁喷射隔热浆料相结合的方法控制井巷热害的方法具有重要意义和导向作用，该方法将矿井的隔热降温与深部巷道支护技术结合，再辅以适当的通风降温和人工制冷降温等降温技术，可以有效解决高温深井热害问题，并起到节能降耗的效果。本人在万志军教授的指导下也对该方法进行了初步的实验探究。5.1井巷喷注隔热材料降温实验装置设计方案5.1.1设计方案的提出引起矿井高温的主要因素有以下几个方面：围岩散热、机电设备散热、氧化散热、风流自压缩等。矿井热害主要是受围岩散热的影响，并且随着开采深度的增加，围岩散热的比例会上升。所以，控制巷道围岩散热，是解决巷道热害的根本。由于高温热害矿井开采深度较大，围岩承受应力增大，塑性变形和流变明显，造成围岩裂隙发育、顶板下沉、底鼓、两帮移近量加大等现象。在深入分析国内外控制矿井热害理论与技术的基础上，提出采用向巷道围岩裂隙中注入与巷壁喷射隔热浆料相结合的方法控制井巷热害的方法。通过自主研发的井巷喷注隔热材料降温实验装置，研究隔热降温的效果，全面认识深井巷道围岩及裂隙对巷内温度环境的影响，喷浆、注浆隔热降温的机理、效果，为下一步工业性应用提供理论及技术依据。本设计采用主动的隔绝井巷主要热源的方式，可以与通风降温和人工制冷降温等被动降温方式相结合，综合解决高温深井热害问题。为了模拟巷道不同围岩条件（围岩不含预制裂隙、裂隙发育程度、喷浆厚度、注浆、围岩温度变化等）下，围岩与巷内空间的热交换过程。设计研究了井巷喷注隔热材料降温实验装置，该装置包括：巷道热环境模拟装置，恒温加热装置，测温装置。5.1.2 巷道模拟装置为较准确的模拟巷道围岩环境及井巷内温度环境，取一块长宽高比为20020300mm的砂岩，砂岩与井下围岩热导率相近；此砂岩板作为巷道的一个巷帮，用隔热板与砂岩板围成一长方体，此长方体长宽高比为10010300mm，板间用泡沫胶粘结，有缝隙处用隔热材料涂抹，直至形成封闭的巷内空间。通过加热此长方体的砂岩面来模拟巷内热环境。实验主体装置见图5.1。实验装置模型图图5.1实验主体装置如图5.1，中间部分为加热水箱，依靠加热器给水箱中的液体加热直至恒定在设定温度，水箱的两侧紧贴模拟巷道的砂岩板，模拟巷道一个面为砂岩，其他面为隔热板的封闭空间，设定不同的温度并保持至巷内温度恒定，通过温度计测定巷内各点温度，以此来模拟巷内热环境。5.1.3 恒温加热系统恒温加热装置分为水箱加热装置和控温系统。1)水箱加热装置水箱长宽高比为300300300mm，内置加热器给水箱内液体加热，小搅拌器用来搅拌箱内液体，使其温度均匀。由于水箱两长板的温度与水箱内液体无论是升温时还是恒温时都一致，水箱两边的模拟巷道实验边界条件完全相同，有利于对比实验的准确性。2)控温系统控温系统包括XMT-SF50S双屏智能温控仪、PT100热电阻和交流接触器，将其组合成控温系统，温控仪将温度都控制在40，当温度比设定温度小时（左表显示测量温度为39.9），为加热状态，指示灯不亮；当温度比设定温度大时（左表显示测量温度为40.1），为非加热断电状态，指示灯亮。其中XMT-SF50S智能温控仪见，使用先进的CPU芯片，是高性能抗干扰、高可靠性、操作简单的温度自动控制系统。技术指标：仪表精度0.2，冷端补偿误差2，功耗3W。图中所示为控温仪正控制温度在40，下表显示为设定的控制温度，上表显示为测定实际温度。温控仪连接交流接触器和PT100热电阻实现对水箱温度的实时控制。用热电阻测量水箱内液体温度，并将温度信号传输给温控仪，当水箱温度高于温控仪设置温度时，温控仪输出信号，交流接触器断开，水箱加热停止；当水箱温度低于温控仪设置温度时，交流接触器收到温控仪信号吸合，加热开始。使得水箱内水温保持恒定。图5.2恒温加热系统系统5.1.4 温度测量和采集系统采用CENTER304测温仪测温，测温系统如图5.3，是以K-type热电偶温度感测器为Sensonr的数位温度计，可记忆16000个数据，具有四位数液晶显示器，测量精度在0.1。通过在隔热板钻眼将测温仪探头插入模拟巷道空间内，测量模拟巷道不同点的温度，并与计算机进行连接输出。图5.3 测温系统为了保证测温的准确性，需在测温前标定测温仪。标定方法：将测温仪探头放在室温和一个恒定的温度点，读58组温度值；测得水银温度计的误差在0.10.2，测温仪误差较大，调整了测温仪的修正值之后，得到的温度值与温度计误差在0.2以内。5.2井巷喷注隔热材料降温实验装置实验方案及效果分析5.2.1实验方案及实施首先安装温控系统、模拟巷道和测温系统。安装完成之后对各个系统进行初步的加热调试，检测测温和控温准确度，模拟巷道的封闭性。检测完毕后开始对比实验，为了减少实验的误差，在水箱600500的两面密贴模拟巷道的砂岩部分，一组传热对比实验可以同时模拟两种巷道围岩情况1)围岩不含预制裂隙与围岩含一条预制裂隙的巷道传热比较水箱一边模拟巷道砂岩保持原有状态，另一边砂岩切出一条长300mm宽5mm深10mm的裂隙，裂隙位置在砂岩中间，将二者进行对比实验。2)一条预制裂隙围岩注浆与围岩含三条预制裂隙的巷道传热比较将上一组实验的一条预制裂隙围岩注入隔热材料，同时将模拟围岩不含预制裂隙的卸掉，安装上割有三条预制裂隙的砂岩组成的模拟巷道，裂隙尺寸与上一组一条预制裂隙的尺寸相同，三条裂隙在砂岩中间每50mm一条，并列排开。3)喷浆厚度不同的巷道传热比较将两块砂岩涂抹隔热材料，隔热材料厚度分别为5mm和10mm，等隔热材料晾干成型后，在四周粘贴上隔热板模拟巷道，将隔热材料一面放入模拟的巷道中，将砂岩一面贴在水箱上加热。实验过程中五分钟记录一次数据，平行于巷道砂岩壁在水箱两面的模拟巷道中各布置3个温度测点，巷道中部每隔150mm布置一个测点。将水箱温度分别控制在30、35、40、45、50、55和60。当某一个围岩温度点下的巷道温度基本稳定时，调节温控仪所控制的温度标准，使水箱温度上升至下一个温度段，并记录在升温过程中模拟巷道内的温度变化。分别分析巷道围岩裂隙传热规律、喷射隔热材料降温规律、注入隔热材料