我国深部矿井热害治理设想和展望

1、我国深部矿井热害治理设想和展望*刘晓鑫,胡汉华(中南大学资源与安全工程学院, 湖南长沙 410083摘 要:随着浅部矿产资源的利用殆尽,矿井开采必然进入深部开采阶段,必将面临井下严酷的热环境。深井热害,不仅制约生产的顺利进行,还会对矿工的身体造成伤害。根据深井开采的现状以及发展趋势,将未来深井开采按深度划分为亚深井、深井、超深井以及超高温矿井4个开采阶段,针对各个阶段的热环境进行了分析研究,并分别提出了热害控制治理措施。研究对维护生产的顺利进行、保护矿工身体免于事故伤害、提高深井生产效率有参考价值,对我国深部开采热害防治、矿工职业健康保护工作有指导意义。关键词:深井开采;热害治理;高压水回收利

2、用;超长热管技术;无人开采模式中图分类号:TD727.2 文献标识码:A 文章编号:1005-2763(201101-0084-04I magi nation and Pros p ect of H eat H ar mCon trol i n D eep M i ne LIU X iaox i n,H U H anhua(Schoo l o f R esources and Sa fety Eng i nee ri ng ,Cen tra l SouthU niversit y,Changsha ,Hunan 410083,Ch i naAbstrac t :W ith the dep l

3、etion o f m i nera l resources i n sha ll ow stratu m,m i n i ng consequentiall y get i nto deep stratu m,w hich re su lt i n a harsh h i gh te m pera t ure env i ron m ent .H eat har m i n deep m i ne not on l y constra i ns t he prog ram o f product ,but a lso har m s the m i ner 's health .A

4、cco rd i ng to t he status and deve l op m ent trends of deep m i ning ,the f u t ure deep underground m i n i ng bed i v i ded i n t o four stages :sub-deep m i n i ng stage ,deep m i n i ng stage ,u ltra-deep m i ning and u ltra -h i gh te m pera t ure under g round m i ning stage .A fter ana l yz

5、ing the t her m a l env iron m ent for the each stage ,the managem ent m easures to control heat har ma re proposed .T he study has reference va l ue f o r m a i nta i n i ng t he s m ooth deve l op m en t of production ,protecti ng m i ners aga i nst ac c i dents and i njury as w ell as i m prov i

6、ng producti v ity of deep m i n i ng ,has the guidi ng si gn ifi cance for the preventi on and con tro l o f hea t har m i n deep m i nes and m i ners 'occupa tiona l hea lt h pro tecti on .K ey W ords :D eep m i n i ng ,H eat har m contro ,l R ecovery and uti li zati on of h i gh pressure w ate

7、 r ,L ong hea t p i pe techno l ogy ,U nm anned m ini ng mode地球浅部资源日趋枯竭,我国矿山将逐步进入深井开采。目前已有少量矿山采深超过800m,即已进入深部开采阶段。煤炭安全规程规定,采掘工作面温度不得超过26 。由于岩石温度梯度大约是3 /100m 1,加之采掘工作面的机器和井下热水的放热,深井温度一般都超过标准,作业的矿工有可能受到热击伤害,易出现中暑、热晕症状,导致体能迅速下降,工作效率降低,导致事故频发。随着采掘深度的加大,这些危害会更加明显。1 热害控制现状我国井下开采深度大部分仍在1000m 以内,井下热害还不很严重,但

8、对人体热平衡和机器设备有很大影响。热害可以从源头,传播途径(空间、受害者3个方面控制。地球内部放射性元素不断进行着热核反应,具有很高的能量,地下岩石圈及地下水因热辐射和热传导和对流具有高温,须采取合理的方式隔离热源、排出地下热水;空气与热岩石对流散播大量的热,可采取通风制冷措施降温;人体、机器是地下高温的直接影响者,运用防护手段来保护人体以及机器免受外界高温环境的侵扰和损坏。总的来说,井下热害治理,主要有隔离热源、增强通风和人工制冷方式局部降温、个体防护等几种方法。近年来我国在矿井地热研究方面已取得一些理论成果2,如建立了矿井热交换、矿山地热学的理论体系,建立了矿井制冷降温系统的热力学基础。且

9、对热害治理方面的研究从未间断,并呈逐年递增趋势,在中国知网上输入热害治理,有84篇文献,分别如图1、图2所示,可以看出:热害问题日趋严重,人们对其重视程度逐年增加;降温手段仍以通风降温为主,对制冷降温的研究也占很大比重。ISS N 1005-2763CN 43-1215/TD 矿业研究与开发第31卷第1期M I N I NG R &D ,V o.l 31,N o .12011年2月Feb .2011*收稿日期:2010-10-27作者简介:刘晓鑫(1986-,女,湖南邵阳人,硕士研究生,从事矿山地热和矿产资源监理方面的研究,Em ai:l taangx i aoxiao 。 图1 20

10、012009年我国矿井热害治理文献发表情况(来源:中国知网 图2 20052009年我国矿井热害治理方式情况(来源:中国知网在降温技术手段上,许多专家学者针对我国复杂的矿井环境,有着建设性的意见和见解。平煤四矿首创热-电-乙二醇低温制冷降温3;张福国4指出利用瓦斯发电与余热制冷技术是热害治理的新方向;胡汉华以局部降温为主要方向,对局部风流计算优化,并设计了热帐和井下轻便式空调5,利用excel 数字化复杂高温矿井通风网络5,6;何满潮提出了以矿井涌水作为冷源的深井开采高温热害控制HE M S 技术7,将地热能和风能相结合利用转能系统转为冷能降温8;杨丽9于2008年设计出一种新的井下降温方法

11、冰直接冷却系统;宋子良等10研究融冰机理,提出高压循环水回流反冲技术解决输送冰过程堵塞及融冰慢难题。2 发展趋势从我国矿产开采状况和国民工业发展的强势劲头来看,矿产资源的深井开采势在必行。矿山可开采深度大约是17km ,根据矿山的开采深度,将矿井井下深部开采分为亚深井开采阶段(开采深度<1000m ,深井开采阶段(1000m <开采深度<5000m ,超深井开采(5000m <开采深度<10000m 以及超高温矿井开采阶段(开采深度>10000m 4个阶段,并对每个阶段的特点和研究内容分别分析。目前我国矿井已进入或近期即将进入亚深井和深井开采阶段,以下是对这

12、2个阶段的特点和研究方向的具体分析。2.1 亚深井阶段我国大部分矿井将进入这个阶段,深井开采情况与目前的开采相近,地热危害初步显现,对高温的治理仍以通风为主,可对目前方向进一步研究。在现有技术环境下,我国急需解决深井通风排热系统优化、控制热源问题。2.1.1 优化通风系统矿井生产实践中,随着矿井深度的增加,开拓范围增大,经常会对矿井通风系统改造优化。增大通风量,减少通风阻力;优化通风设施,减少通风设施数量,提高质量;建立智能温控通风系统,用VB ,MATLAB 等编程核算通风量5,6,11,12,充分利用自然通风,减少人工通风次数,降低噪音,节能减排。改进通风管道,减少漏风。纳米氧化铝粒径是2

13、0n m,比表面积!160m 2/g ,具有耐高温的惰性,将纳米材料涂在管道内壁及其表面,由于材料的空隙小,对于有效减小漏风、水分的流出、有害物质的交换、隔热等均将有一定的效果。2.1.2 热源控制技术矿井下的主要热源13,14有岩层热、机械热、地下热水,它们释放的热量造成井下的高温。在深井下,控制热源15应注意岩壁的隔热技术和机械热控制技术。(1岩壁隔热。研发高效无毒、廉价并具有很好防火性能的巷道隔热材料。石棉具有高度耐火性、电绝缘性和绝热性,是重要的防火、绝缘和保温材料,但石棉纤维能引起石棉肺、胸膜间皮瘤等疾病。若通过改进实验,在石棉的表面涂一层致密的材料,同时工人配备能降低与有害粉尘接触

14、的防护口罩,减少纤维与人体呼吸系统的接触,减少对人体的伤害,应该将是一种良好的矿井绝热材料。(2机械热的控制。机械热作为矿井的主要热源之一,主要通过加强管理来控制放热。我国井下地形复杂,国外引进的大型机械并不能完全适用,自行设计和研制适宜我国复杂深矿井的高效能的机械设备,加强对扇风机、井下大型设备的管理使用,加强直接利用井下水能和热能作为机械动力来源的研究利用,可有效降低机械热。2.2 深井开采阶段按地温梯度3 /100m 计算,深井岩石温度将在40140 之间,治理井下高温,应以制冷降温为主要方法。研究制冷新技术,对制冰技术研发创新,解决井下冰输送过程中产生的问题,研究井下高压水能量回收利用

15、问题,建立数字矿山监管井下通风85刘晓鑫,等: 未来我国深部矿井热害治理设想和展望降温系统。2.2.1制冷新技术(1新型制冷剂的研究。加强对普通材料作制冷剂的研究,改善传统制冷剂的缺点。干冰的储冷量大,气化为CO2,需要体积小、运输方便;碳氢化合物凝固点低、不溶于水、不腐蚀金属、溶油性好、经济实惠,制冷范围较合适。用它们作制冷剂,都对环境友好,无爆炸危险,且易于获得,作为井下制冷剂具有较大潜力。(2研究新型制冷技术。21世纪发展了多种制冷方式,对热与电、磁、声关系的研究有了很大的突破,这些新型方式与传统的制冷方式相比,无需污染环境的制冷剂,脱离了传统载冷剂,制造和运输制冷剂的费用降低,成本上有

16、很大优势。井下1000m 以下温度较高、地底压力大,可通过热磁制冷、热声制冷、热电制冷等方式对井下降温。2.2.2 制冰和输冰技术制冰和输冰技术关系到制冷降温的效果和成本,冰制冷方式在国内矿井还未普遍使用,开采深井前要综合考虑冰的形状、运输方式、废水的处理、制冰机安装位置16等因素。充分考虑冰的形状对运输方式、融冰速度的影响,在运输过程中尽量减少冰的表面积,减少冷量损失,而在工作面上,要可以充分发挥其制冷效果,输冰管道可选用冷量损失少的无缝钢管,要防止钢管被冻裂和腐蚀。2.2.3 高压水能回收利用技术当地下开采到达1000m深后,制冷水的热能转变成压能,成为高压水。而空气冷却器使用的冷水是常压

17、水,高压水在转变成常压水的过程中,如果不采用措施吸收其中的压能,这部分压能会转变成热能释放于井下。回收高压水的意义不仅仅是回收这部分能量,更重要的是防止其转变成井下的热源。(1利用高压水能发电。高压水本身具有很高的热能和动能,将其转化为电能后可以直接向深井下的大型机械提供电能,减少井下输电设备的使用,降低电能消耗,高压水还可以循环使用,经济方便。(2直接利用高压水的动能。高压水作为推动井下水轮发动机、井下风扇、制冷设备的动力17。(3其他利用。高压水通过碰撞冲击产生细小的水雾用来除尘降尘;利用高压水的高压来切割岩石,减少机械切割产生的粉尘和能量耗损;高压水射流18还可以清洗传输管道中的污垢。2

18、.2.4 建立数字可视化矿山数字化矿山1922使工程师和专家可以对矿山开采状况和危险源预测、监控、分析和做出决策,实现计算机网络管理的管控一体化,有利于矿山企业实现整体协调优化,保障企业的可持续发展,提高其整体效益、市场竞争力和适应能力,同时有利于国家对矿山企业的管理监控。针对深井下的高温环境,建立数字化通风制冷降温系统,模拟各种降温措施,选出较合理的方案,可以减少井下多次试验往复的经济和时间损失,同时可避免因井下高温试验产生的危险。3 展 望3.1 超深井开采50a以后,我国或将进入超深井开采阶段,岩石温度将达到150 以上,对抗恶劣的热环境可以着眼于利用超深注浆技术隔离矿区周边热源,利用超

19、长热管技术导热以及地热发电技术先将岩层适当冷却后再采矿。(1超深注浆技术。通过钻孔向地层注入水泥浆或其他浆液,可有效防止地热水渗入工作面引起高温高湿,降低地表下沉,减少岩石崩裂砸伤工人。超深注浆技术不仅要考虑围岩的力学特性等常规参数,更要确定好注浆具体部位、深度,对注浆方法进行压力试验和高温检测,并根据实验效果选择最佳注浆材料。(2超长热管技术23。热管是封闭的管壳中充以工作介质并利用介质的相变吸热和放热进行热交换的高效换热元件,具有很高的导热能力、优良的等温性。热管技术已经广泛运用于制冷空调领域,将超长热管技术运用在超深井开采中,将局部地区的高温迅速传导出去,有效控制井下工作面的高温,并将其

20、稳定在适宜温度范围内。(3地热发电技术。地热是一种清洁可再生能源,有热流密度大、易收集、可全天候开采、使用方便、安全可靠等优点。据统计,地热能约为全球煤热能的1.7亿倍。利用地热发电技术,可减少井下的热能,降低工作面的温度。在目前煤炭等传统资源濒临枯竭的情况下,地热能源更应加强利用,地下5000m以上,岩层温度大约达到200 ,研究干热岩发电和岩浆型地热发电技术16,24,充分利用中高温地热发电,将大量缓解能源压力。3.2 超高温矿井开采超深井下的高温已经超出人的极限,只能依靠86矿业研究与开发 2011,31(1机器、人工智能方式采矿,通过构建一种全新的数字化与智能化的矿山模式,即高度现代化

21、的无人采矿模式22来实现。结合数字化矿山系统动态监测、调度和管理设备,协调人机关系,智能遥控机器人作业。这个阶段对井下设备的要求严格,井下设备要耐热、使用寿命长、本质安全。4 结 论本文通过对未来深井发展趋势的研究,将井下开采深度分为4个阶段,针对各个深度下热环境的状况,提出了多项控制热害措施。(1亚深井阶段。优化通风系统,改良矿井通道;对热源加强控制,对各种机器设施妥善管理使用;研究新型隔热材料,减少热量散发。(2深井阶段。对制冷技术进行开发研究,充分利用井下条件,利用井下的高压水作为动力,减少能量消耗;设计冰冷方式的最佳方案,利用信息技术模拟矿山井下热害并采取措施控制。(3在井下开采深度更

22、大的超深井阶段,利用高效的注浆技术隔热、热管技术导热、地热发电技术消耗热能,使井下温度降低到一定程度,再采用普通的通风降温措施使井下温度下降到国家法律法规规定的临界温度。(4在未来10000m的超高温深井采矿阶段,开发无人采矿技术。我国将在未来的100150a内高速发展科技,对非可再生能源综合开发利用,大力提倡和使用各种可再生能源的使用。深井开采是目前我国能源需求的必然举措,但随着核能、氢能等清洁能源在工业上的广泛应用,我国对传统能源的需求量会相对减少,矿井开采深度也会有一个关于经济效益的临界点。参考文献:1余恒昌.矿山地热与热害治理M.北京:煤炭工业出版社,1991.2王志军.高温矿井地温分

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