深井降温技术的研究和应用与发展.pdf

f 碲 ， 斗 ， 深井降温技术 的研究和应 用与发展 北 京 有 色 冶 金 设 计 研 究 总 院 坚 提要 随着采矿工业的不断发晨． 深井高温矿山的数量相继增多．研究深井降温技术巳成为现代 采矿技术一门斯的领域．本文对深井降温技术的国内外研究和应用现状进行了较生面的介甥 ．并提出了 在此领域仍存在的主要问题和今后研究发展方向． 一 、高温矿井 热源及危 害 1 ． 原岩故 热 原岩温度 随开采深度 的增加而 升高，原 岩 放热是澡 井矿 山的主要热 源之 一。井下空 气 经与巷道壁 面进行热交换从而 使 温 度 升 高 ，主要 通风巷道 围 岩 传 给 空 气 的 热 量 Q。 由下式确定 Q 。 2 ． 4 T 一 旦 L 妻 l 一 2 Ⅱ m a l s i n 式 中～√ 琶， 围岩的热 传导 系数， ℃ J 回栗工作面围岩传给空气的热量 Q Q a P T 一 些 l ， J ／ h 式 中 a 围岩表面 和空 气间 的放热 系 数，J ／ m h-℃ p 采场 过风断面周长 ， 其它符 号意义 同前 。 d 与采场工作 面风速 V 的关系t a 5． 3 3． 6 v． ． 2 ． 井下 热水故热 对浅部矿 山，井 下水仅增加矿 山排 水费 用，但对深部矿山，不仅如此，而且热水会 对井下 空气 散发大量热量。井下热水传 给空 气 的热 量 Q Q x p “ l a t 一TN s ， J ／ h J ／ m h 式 中、 I r 散热系数 ，明水 沟取1 ，暗 水 Q。 周岩传给 空气 的热 量， J ／ h T 地热 温度，℃ Q 巷道进 口处 的年平 均气温 ， ℃； Q 。 巷道 出 口处的年平均气温 ， ℃ ； l 巷道 长度 ， ， a 巷道的水力 半径 ， J Q z 巷 道进 口处 的气温渡幅 ， ℃j Q。 巷道 出 口处 的气温 渡幅 ， ℃ ； K 围岩 的温度扩散 系数 ，m ／ h ； ∞ 热交换 函数振动频率 ，H。 t 。 周 期，8 7 6 0 h 、甲 为ma 和 ／ h 的函数 一 1 6一 淘 取0 ． 6 j t 热 水的 平均温度，℃， s 水沟 盖板 对空气的散热面积 ， m2- T 井巷 风流 的平均气温 ，℃， a 热水对空气 的散热 系 数，J ／ 1 1 1 。 h ℃ 3 ． 矿石蕾 化教热 对 高硫矿床 来说 ，矿 石在潮湿环 境中进 行氧化 电化学反应放热是硫化矿山的重 要热源之一。矿石氧化时在单位时间、单位 面积 上对空气 的放热量 Q Qki 。 。 J ／ m s 有 色矿 山一 1 9 9 2 ． 4 维普资讯 式中i 。 矿石氧化 电化学反应腐 蚀 速度，A ／ m | 。 矿石 氧化腐蚀 电位，V。 ● ． 空气绝热压 缩散热 空气经竖井 或斜井进入坑内，由于 空气本身的压缩使之 自身放热升温。试验研 究结果表明 空气每下降1 0 0 m， 气流温度升 高 约 0 ． 4 N 0 ． 5 ℃ 。 除上述 四种 主要热源 外 ，还有井下 各种 机 电、采矿设备 运行 及工 人劳动时 的散热 。 由于矿井内各种热源的散热使空气温度 升高，以致造成高温热害。工人在温热环境 中较 长时 间的作业 ，会 发生 中暑 、热 虚脱等 疾病 ，同时 还会 引起 某些机能障碍 导致 井 下 事故 率增加 ，劳动生产率下 降。根 据 日本 7个矿 井的调查 结果 表明在3 0 ～3 7 ℃以上 的工作 面较 3 0 ℃ 以下工 作面的事 故 率 增 加 1 ． 5 N2 ． 3 倍据南 非资料工作面 温度 超过 标准 1 ℃ ，工人 的劳 动效 率降低7 ～ 1 0 J苏 联 的统 计资料。工作 面温度 超 过2 6 ℃ 达 到 3 0 ℃时 ，劳动效 率系 数为0 ． 8 ， 高 于3 WC时 ， 劳动效率系数为0 ． 。矿井气候条件的 好 坏 不但 决定于空气的湿 度，而 且还决定于空气 中的含温量及 风速 。为了保护井一 Fm人 的身 体 健康 ，各 国都相应 制定 了 井 下 “ 湿 球 温 度 ”上 限值 ，我 国煤 矿保安规程 规定 。井 下 湿 球温度上 限值为2 6 ℃ ，凡通过 此上 限值 的 矿井 ，必 须采取 降温 措施 。 二、深井 降温手段及调节方法 1 ． 腰绝热源 降沮 对深井高温原岩的放热，可以通过在巷 遭壁面涂上一层隔热材料或能降低巷遭壁面 与空气热传导系数的物质，以实现减少原岩 对井下空 气的放热 量。治理深井 热水 的热量 和热蒸气进入风流的主要办法是；超前疏干 井下水 源，琉干 的热 水经 有隔热盖板 的水 沟 导入 水仓 ，再用 隔热管路排 至地面。减少矿 岩 氧化放热的 主要 办法有 在硫化矿 有 色矿 山一 l 9 0 2 ． 4 岩表面喷洒阻化荆以阻止或减弱 其 氧 化 速 度 ’ 采 用 充填 采矿 方法 ，一方面可减少 高温 原岩 的 暴 露面积 ，另 一方面使矿岩 与空 气隔绝，减 弱矿岩 的氧化。 隔绝热源 还可从选择矿 山合理 的开 拓运 输系统 ，开 采顺序等方面着手 。如尽可 能把 开 拓工程布置 在热传导系数较小 的围岩中。 2 ． 通风降温 加 大通风量是矿井 降温 有效而价廉的方 法 。 日本 一学者 的试验研究结果 表明。增加 通风量，则气流温度 大幅度 下降，并且该温 度 的 下降程度在 通风量达到一定 量时则有 急 剧加快之势，如果风量再增加则气流温度的 下 降又逐渐缓慢下来，壤经济的通风量为巷 遭长度的0 ． 5 6 ～0 ． 8 4 倍。总之，在矿井热害 不太严重 的情 况下，加大风量 降低井下 温度 是有 效的。 3 ． 人工 制冷降沮 根 据 国内外 的多年实践经验 ，当采用 隔 绝热源、加强通风措施不足以消 除 井 下 热 害，或技术经济效果不佳的情况下，才采取 人工制冷 降温 。 按 制冷 机的容量 和设 置位置 可 大 致 分 为 。 利 用硅 胶等吸湿性盐作 为干 燥剂，除去井下空气中水份的 制 冷 方 式I 3 利用越缩 气体 膨胀时 的吸热作 用降低 气 流温 度的 制冷 方式 。 4 ． 个体 防护 对井 下工人分 散 如，开拓工作 面的 高温工作地点，可采用个体防护。西德 ，苏 联 、南非等国进行过人体防护品 的 研 制 工 作，如采用冰块制冷和压缩气体制冷的冷却 服装，可供在井下湿热的环境中进行 中等强 度劳动3 ～4 小时。 三、我国深热矿井降温 技 术 的研究与应用现状 近 些年来，国 内一些矿井先 后出现 了高 温热害的情况 见表1 ，并且 已有好几个矿 山采 用人 工制冷的方法进行矿井 降温。但我 国在降温技术的研究与应用方面与西方发选 国家相 比相 差甚 远 ，国内除 中南工业 大学做 过一些有热害 原岩放热，热水，矿石氧化 放 热采场 关于通风参数的试验研究 外，其 他单 位很 步着 手这一领 域的 研 究 工 作 。因 此，我国降温技术的基础研究很薄弱，在应 用 制冷机降温方面仍处在试 验阶 段。下面简 述 国内两个 典型 的应用人工制冷空调矿山 实 例 。 全 瞽部 分煤矿 寓鼍矿井一 监寰 寰1 躁腰 温度 地强 地温梯 匿 ． 序号 省 矿 务局 矿井 注 m ℃ ℃ ℃／m 1 辽宁 抚氟 老虎台 6 8 5 1 I 5 3 O 3 8 4 2 3 ． B k3 2 辽宁 抚龋 龙属 7 1 5 8 o o 3 0 3 3 3 0 2 ． 7 --4 ． 6 3 辽宁 插顺 胜利 T 3 0 9 0 0 3 0 3 3 3 ． 2 4 辽宁 北票 台吉 2 2 a T 2 2 T 3 t 3 卜 一 3 8 2 ． 卜- 2 ． 2 5 吉 辽谭 太信四井 T l o S 2 0 2 8 f 3 5 3 ． { B 河南 平顶山 一矿 2 5 0“2 0 3 0 3 1 2 ． 8 4 ． 8 T 河南 平顶山 八矿 5 1 0 3 3 4 2 3 ． 8 8 河 南 平顶 山 十三 矿 3 5 2 ． 3 9 河北 开凛 唐山 6 4 0 8 5 0 3 2 3 ． 2 1 o 河北 嶂睦 梧束 6 7 0 2 8 3 一{ 1 3 ． 0 l 1 安散 淮南 九龙 岗 3 l 1 ． 8 1 2 安散 淮南 藩集 2 8 4 0 4 3 3 ． D 一3 ． 1 I 3 { 折 江 长广 牛头山I 号 ； 4 3 f B I 8 2 8 3 0 I 4 浙江 长广 牛头 山T 号 2 6 3 3 一 重 5 i ． 口 一 2 ． 4 I 5 广西 台山 置些 2 7 7 “ 3 T 3 0 3 0 2 ． 5 出热永 3 3 ℃ i B 山东 枣庄 陶庄 6 2 7 7 1 2 3 0 3 2 2 1 3． I 1 山东 新改 孙村 5 1 2 2 8 I 8 山东 _ 坊子 5 2 0 f 6 6 O 2 7 2 8 由 热永2 T ‘ -- 3 0 ℃ I 9 江西 萍乡 高坑 3 9 0 5 0 0 2 9 03 出热水3 0 3 O 匹西 丰城 建新 2 g 2 l 江苏 涂州 张小接 2 6 出热永2 8 ℃ 2 2 湖北 黄石 胡末湾 3 5 o“T 0 3 3“0 由热水3 0 ℃ 2 3 广 西 台山 石村 3 0 5 3 I 出 热水3 B ℃ 1 ． 台吉煤矿 l 0 7 9 年 台吉煤矿 采用 武汉冷冻机厂生产 一 l 8一 的J KT 一 2 0 型移动式矿用空 调 机 在 一7 0 0 m 承 西井巷掘进 [ 作面进行制冷降温。泼处 有 色矿 山一 l 9 9 3． 4 维普资讯 巷道在煤系地层底板砾岩及凝灰砂质岩中， 原岩 温度3 3 ℃，工 作 面温 度为 2 7 ． 5 ～3 l ℃ ， 相对 湿度9 0 9 5 。应用于该处 的移动式空 调机 组制冷系统 流程 示意 见 图1 。 J KT 一 2 0 型空调机是采用s K 一4 F 1 O型氟里昂活塞 压 缩机 ， 电机功率 N2 2 k W ， 产冷 量2 ． 8 ～ 6万 e a l ／ h 1 e a l 4 ． 1 8 8 8 J 空调机先冷却水 ， 再 用管路供 给冷凝器，水温 为2 2 ． CC，水量 1 0 m。 ／ h ， 经 冷水玲却 后的空气 用局扇 经 双 层 隔热 风筒送 至工作 面。降温效果工作 面 温度保持 在2 4 ～2 6 ℃，平 均 降温3 ． 5 ～5 ℃。 圈1 移动 式空啊 机担制冷流程 示意圈 2． T l 1 铀 矿 该矿主矿带8 0 m中段开拓时总涌水 量 为1 6 4 0 m ／ h ，平均水温4 5 ℃，平均 原 岩 温 度3 8 ． C C，掘进工作 面 空 气 温 度3 5 ～4 O ℃ 湿球 ，湿 度9 5 1 0 0 。为 了改善 井 下 作 业条件 ，该矿 采用 6 Aw l 7 型氨 压缩机 ， 电机功率N1 8 0 k W ， 产冷量为5 6 万 e a l ／ h 。 采取地面 集中制冷，井下分散 降温方案 。 其空调 系统如图 2。 地面冷冻 站的汽化 器 内制成 5～l O ℃的 冷水 ，用 泵将冷水沿 竖 井管道送 到井 下空气 冷却 器 矿 自制 的 G L 一 6型表 面式 空气 冷 却器 内，冷水与空气 进行 热交换 ，热水 由回风管路返 回到汽 化器 水箱中，再降温，往复循环。被冷却的空气 通过 局扇和隔热 风筒送往 掘进工作 面。 另 外，平 顶 山八矿采 用武汉冷 冻机 厂制 造的J Z -- KF 1 2 5 C D 螺杆制冷机组建立 了 井下固定式空铡系统。淮南九岗煤矿采用喷 雾式 空气 冷却器设置 了井 下 固定式 制冷空调 有 色矿 山一 l 9 9 2 ． 4 圈2 地面冷冻站 空调 系统 系 统 。 四、深井 降温技术的发展 随着采矿工业的不断发展，采掘深度的 不断延深，原岩温度也将随之增高，加之井 ’ F 采掘工作面的不断变化，因此，给深井工 作面进 行有 效地 降温 提 出了更高 的要求 ，而 且带来了愈来愈复杂的技术问题。国外有关 深井 降温 技术的研究与应用工作 也随之不 断 深入 。 在隔绝热源降温方面，国外曾采用塞璐 璐泡沫、硬魇氨基甲酸泡沫，国内采用喷涂 水泥膨胀珍珠岩 [ 水泥 膨胀珍珠岩t速凝 剂 红星 一型 为1}1 2} 3 体 积 比]等 隔热材料喷涂岩壁，对减弱悃岩传热取得了 一 定 的效果 ． 目前 主要 研究方 向着重于开发 一 种价格合理、原料来源广穹 乏 且便于井下施 工朐 低传热系数 的高 教隔热材料 。 为了把制冷机 的产 冷量更 有效地传 送到 高温作业面，因此，研究隔 热 风 筒 或水 管也 日趋重要 。 日本在研制 隔热 风筒缠包 材料及其构造方 面 已取得 一定成果 ，在缠包 材料 方面，使用聚苯 乙烯 薄膜 及软 质的 泡洙 聚苯乙烯较为实用，在风筒结构构造方面已 由在风筒上缠包单层或多 层隔热材料发展成 为把 乙烯 风筒做成双层 层 间利用 空气 层隔 热风筒。今后，在寻求新型高效的风筒缠 包材料方面仍有 待进行继 续深入的研究 。 维普资讯 在通风降温方面深井通风的主要作用 之一是冷 却坑 道，风量越 大，坑 道的冷 却效 果 越好，但 随之又带来 了通 风动 力费用 的增 加 ，因此 ，通风 降温 的效果是 有 一 定 限 度 的，超过这一 限度就 必须采用 人 [ 制冷。所 以，今后必须综 台研究 坑道 ，通风等费用确 定最经济有效 的风 量及 通风方式 。 日本 已开 发 出应用计算机 同时计算矿 井风 量、气 温和 湿度的计算程序 。为此，有必要继通风计算 后，再进行温度 ，制冷设 备的容量及其成本 计算，实现上述计算的计算机程序化是其主 要发展 方 向。 在人工制 冷降温方 面，1 9 2 9 年世界上第 一 个在地表安装以液氨为致冷剂的大型制冷 机的是Mo r i o Ae l h o 山，之后，相继在 南 非、德国、英国、日本等国建立了各种不同 类型 的矿 山制冷装置 。总之，从制冷装置和 热交换器的容量、安装地点的选择、设备选 型和提高设备制冷效率等方面的研究一直方 兴来艾 。在大型 制冷机应 用 于 井 。 深1 0 0 O 3 0 0 0 m的矿井 降温 技术 日益成熟并 已取 得 赵 好的经济效果 。南P r e s i d e n t S t e y a金 矿 的制冷效果表 明 r 此矿 井深 近 3 0 0 0 m，由 子采用制冷机制冷降温获得较低 的 井 下 温 度，提高的劳动生产率，相当于 增 加9 0 0 人 的产量，安装制冷系统的工程费将在 6 年之 内达到支 出 收入平 衡点 。如 何进 一步提 高制冷设备和热交换器 的效率及冷水 风 输送效率都将是今后提高人工制冷效果的主 要研究方 向 。 开发深部矿产资源将使我们面临更多、 更复杂的技术和经济j可题，深井降温技术就 是其 主要 问题 之一 。我 国 已经发 现埋深超 过 9 0 0 m以下 的硫化矿床 ， 因此，很 有必 要加强 以下几方面 的基 础技术的开发研究 工为 把 工 作 面温度 控制在一定 限度 下需要 的最台理的 通风 系统 ，全矿需风量 和所 需制冷 设备 的容 量及 台理 布置 ，有必要开发 实现这些计算过 程的计算机化的软件程序。 主要参考文献 1 钟发楹 矿井降温技术的现桡与发展 ，第一屠垒 国采矿学术会议论文．1 9 8 3 年l o b 2 ]马鞍山钢锭设计院编 矿山设计 1 9 7 7 年No 【 ， 2。 3 3 采矿设计手册 矿床开采卷 下，中国建筑工业 出版社，【 9 8 9 年B 月 “ 第十一届世界采矿舍1戗论文集 下 ，1 9 3 3 年 7 月 5 ]朱学义，文艳．硫化矿岩自燃机理的研究．湖 南 冶金 1 9 B 9 年恤 C 9 L a n eh i t e 辅 矿山通风，第三届国际 会 议 报 告，1 9 3 1 年 责任编辑肖泽诂 { }。 I{ 糟 * 黼 黼 替 _ 。 I { * 错 * }j 。 K 黼持 l {e 坤 艚 柏 觥- _ 。 I { }。 ≮* 糍 静 K 黼 。 } * * 糍 黼 * 冁 1 9 9 1 年加拿大镍产量下降 加拿 大各 镍矿 1 9 9 1 年产 镍 1 8 9 2 0 0 t ， 己 连续两年下降。1 9 8 9 1 9 9 0 年的矿镍产量分 别为1 9 5 6 0 0 t 【 1 9 5 0 0 0 ． 。最 大一玖产筮 下降是1 9 9 1 年第4 季度，仪4 7 O 0 0 t ，而前年 同期 镍产量是5 3 4 O O t 。 李怀先 译 自 Mi n ． J ． “Ma r ． 1 3 ， 【 992． 1 82 有 色矿 山一 1 9 9 2 ． 4 维普资讯