深井高温矿床热害治理实践.pdf

深井高温矿床热害治理实践刘东锐，刘伟强，李印洪，王志，李亚俊（湖南有色冶金劳动保护研究院，湖南长沙４１００１４）摘要针对某深部矿井温度高的问题，对其井下的热源进行了详细的调查及分析，特别是进风段和用风段的热源，并根据调查结果，针对性地制订了相关的热害治理措施，工程应用表明，经过治理后，工作面温度降低了２℃，取得了良好的效果，适于在相关矿山推广应用。关键词深井开采；高温矿井；热源分析；热害治理０前言随着浅部矿产资源的不断减少，国内大多数矿山已进入中深部或深部资源开采，调查结果显示，开采深度超过千米的金属矿山有上百座。国外对矿井降温理论研究较早，始于２０世纪２０年代，至今已形成完善的学科理论体系。研究对象由最初的整个系统降温，逐步转向对采掘工作面降温。国内研究相对较晚，起步于２０世纪５０年代初期，我国学者在国外理论的基础上，结合国内矿山实际情况，开展了矿井降温理论的研究，至今已形成了完善的矿井降温体系［１－２］。目前对于深井开采的矿山，最行之有效的降温方案为机械制冷，但由于国内的矿山普遍深度较浅，采用较多的为增大风量降温［３］。某矿目前开采深度近１０００ｍ，属硫化矿床，随着开采深度的增加和采掘机械化程度的不断提高，深部巷道及工作面高温高湿突显，工作面平均温度为３５．２℃，最高温度为４２℃，目前已成为制约企业经济效益和危害井下作业人员身心健康的重要因素。本文针对该矿深部温度高的问题，在对现场深入调查的基础上，分析了矿井进风段及用风段的热源，并根据分析，提出了相应的治理措施，并取得了良好的降温效果。１矿山现状某矿自上世纪９０年代开始采矿，属于硫化矿床，采用机械化上向水平分层采矿法。目前开采深度近１０００ｍ，通风系统由浅部的单翼对角式通风系统，逐步演变为目前的两翼对角分区不独立通风系统。根据金属非金属矿山安全规程规定，井下作业点空气的温度不得超过２８℃，超过时，应该采取降温措施或其他防护措施。调查组深入井下现场，对各个中段的作业面、休息点、中段巷道、斜坡道等处的温度进行了测量，并对测量结果进行了平均（见图１）。图１中段－温度变化图由图１可知，随着深度的增加，矿井空气温度逐渐增加，由于３００ｍ、２５０ｍ中段均为封闭中段，无法进入工作面进行测量，此结果为在进风路中测量，温度较低；进入－６０ｍ后，井下温度即接近２８℃，－２５０ｍ中段空气温度达到３４．７℃。平均温度达３５．２℃，最高工作面温度达４２℃。２矿山热源调查分析该矿井下热源主要有空气自压缩放热、围岩放热、井下水放热（－２００ｍ处有两处热水放热）、机械设备放热。由于矿山通风路线较长，因此将其从进风段和用风段分别分析矿山的热源。２．１进风段热源调查及分析根据相关规范规程，金属矿井井筒内的温度梯ＩＳＳＮ１６７１－２９００ＣＮ４３－１３４７／ＴＤ采矿技术第１７卷第４期ＭｉｎｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．１７，Ｎｏ．４２０１７年７月Ｊｕｌｙ２０１７ DOI10.13828/ki.ckjs.2017.04.022 度为０．９６℃。经调查，２００～６９０ｍ竖井口温度为１３．２℃，２００ｍ中段石门口温度为２０．２℃，空气自压缩释放的热量为４．７℃，其他热源放热释放的热量为３．３℃；４＃盲斜井井口为２５．９℃，井底温度为２８．７℃，空气自压缩释放的热量为２．５℃，其他热源放热为０．３℃；６＃盲斜井－６０ｍ井口石门温度为２７．９℃，－２００ｍ６＃盲斜井温度为２９．６℃，升高１．７℃，空气自压缩放热为１．３℃，其他热源放热仅为０．４℃。由实际调查及上述分析可知，除空气自压缩及岩石放热外，进风段无其他明显热源，且进风段的主要热源为空气自压缩放热。２．２用风段热源调查及分析空气进入深部后，经石门、斜坡道及天井等井巷工程进入各个工作面，由于高程变化不明显，机械设备作业增加，并有热水热量混入，岩石放热效应更加明显。经计算分析可知，各个热源在井下用风段的百分比分别为围岩放热７１％，水放热１５％，机械设备７％，空气压缩放热７％。因此，风段主要热源为围岩放热。３矿山热害治理措施矿井热害治理方式主要可分为两类采用通风、隔热等非机械降温以及采用空气冷却器等机械降温。目前国内大部分存在深井热害的矿山，均采取增大风量，增强通风，减少围岩放热等非机械的降温方式，相比于机械降温方式，该方式具有更好的经济性［４－８］。根据该矿井下温度变化的特点，结合对井下热源的调查及分析，较适合井下实际的是采用非机械降温方式。３．１增大风量增加风量可以大大降低空气的含热量，是一种有效的降温措施。日本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，最经济的通风量为巷道的０．５６～０．８４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。改善通风系统，增加井下通风量，可采用减少风阻、防止漏风、加大扇风机能力、采用合理分风与辅助风路通风法、加强通风管理等措施。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１３．３～１６．７ｍ３／ｓ，风速应在０．５ｍ／ｓ以上。根据前文的计算，该矿井下的作业面均未达到这一标准，需重新选择风机，降低矿区风阻，提高矿区的通风效率。３．２个体防护个体防护的主要措施是工人穿冷却服。冷却服的适用范围很广，适用于独头高温作业面作业，以及井下各种大型设备操作人员和未采用中央制冷空调时的井下游动工作人员和生产管理者。根据现场调查，该矿矿体为高硫矿床，极易导致局部温度偏高，区域间的温差大等问题，个体防护特别适用于此种情况，建议为深部开拓及独头掘进工作面工作配备冷却服，以保障井下一线工人的职业健康卫生。３．３隔绝（减少）热源该矿井下主要的热源有围岩、热水、机械放热和空气自压缩。除空气自压缩放热无法采用隔绝外，其他三种热源均可采取相应的措施，隔绝（减少）热量的释放。减少围岩放热的方法有通过在巷道壁面涂上一层隔热材料能降低巷道壁面与空气热传导系数的物质、尽可能把开拓工程布置在热传导系数较小的围岩中、改良采矿方法，尽量减少暴露面积等。减少热水对井下空气影响的主要为超前疏干，将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。机械放热可通过改用小功率的机械或采用效率更高的机械进行矿石和废石的运输工作，比如，将无轨运输改用有轨运输。４结论通过对该矿实际情况的调查，总结及分析出了矿井热源，即空气自压缩放热、围岩放热、井下水放热、机械设备放热，并针对矿山实际特点，对井下的进风段和用风段的热源进行了单独分析，评价矿井的热害程度。根据分析，针对性的制定了矿井降温措施，并应用于矿山实践，作业面温度较之前降低了２℃，取得了良好的效果。参考文献［１］胡汉华．金属矿山热害控制技术研究［Ｄ］．长沙中南大学，２００８．６６采矿技术２０１７，１７（４）［２］刘晓明，罗周全，夏长念，等．深井高温矿山热害控制新技术［Ｊ］．安全与环境工程，２００６（０１）８５－８８．［３］张维滨，郭树林，等．中国金属矿山深井通风技术研究现状综述［Ｊ］．黄金，２００９（０９）２６－２９．［４］谢贤平．深井降温技术中的新方法［Ｊ］．江西有色金属，１９９６（０１）７－１０．［５］樊满华．深井开采通风技术［Ｊ］．黄金科学技术，２００１（０６）３６－４２．［６］文艳．深井降温技术的研究和应用与发展［Ｊ］．有色矿山，１９９２（０４）１６－２０．［７］胡汉华．深井高温矿山通风与降温技术研究动态［Ｊ］．金属矿山，１９９９（０７）４０－４２，４７．［８］王运敏，陈宜华，贾敏涛．金属矿山深井高温巷道通风预冷降温技术［Ｊ］．金属矿山，２０１３（０２）１４３－１４６．（收稿日期２０１７－０４－２６）櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂（上接第４４页）建立了各岩组与最终边坡的三维可视化模型。并利用三维模型选取１４个剖面建立了计算模型，综合分析敖包锌矿边坡稳定性状况。分析过程考虑了爆破震动、地震力、重力及地下水对边坡稳定性的影响，边坡稳定性分析结果见表１。表１整体边坡稳定性计算结果剖面编号Ｓｐｅｎｃｅｒ法Ｍ－Ｐ法Ｂｉｓｈｏｐ法有限元强度折减法１１．６０８１．６０４１．６８１１．５９２１．３８５１．３７２１．４５８１．３６３１．３０９１．２９３１．３８３１．３２４１．１１９１．１０９１．１７５１．１２５１．５００１．４７６１．５８８１．４９６１．３３５１．３９７１．２９４１．４０７１．０３２１．０９２１．０２５１．０６８０．９９２１．０３３０．９７６０．９４９０．９９４１．０５０．９７７１．０１１０１．０４４１．０９９１．０２３１．０７１１１．２３０１．１７０１．２８０１．０３１２１．５０１１．５５６１．４４１１．４３１３１．９１８１．９７２１．８８４１．９１１４２．００１２．０８７１．９９９２．０８由表１可以看出，受不良地质条件影响，４，７，８，９，１０，１１剖面整体安全系数小于允许安全系数１．１５，不能满足边坡整体稳定性要求，存在边坡整体滑动的威胁，计算结果与现场情况较为吻合。４．２边坡参数优化研究为解决敖包锌矿边坡失稳对露天开采的威胁，确定科学合理的边坡结构参数，根据边坡稳定性状况计算结果，充分考虑边坡工程地质、水文地质条件、地震力、地下水、爆破震动等影响因素，采用多种极限平衡法及有限元强度折减法开展了敖包锌矿边坡结构参数优化研究。研究推荐边坡参数为Ⅰ区整体边坡角为４２～４３；Ⅱ区整体边坡角４１～４２； Ⅲ区整体边坡角４３～４５；Ⅳ区整体边坡角４２～４４。５结论（１）针对图木尔廷－敖包锌矿所面临的边坡问题，在充分分析已有地质资料的基础上，通过现场工程地质调查与分析，研究了矿山工程地质分区及各分区边坡破坏模式，并确定了各工程地质分区的岩体力学参数。（２）采用多种极限平衡法及有限元强度折减法对敖包锌矿１４个剖面进行了边坡稳定性分析及边坡参数优化，得出了各工程地质分区科学合理的边坡参数，为边坡下一步设计提供了可靠的依据，同时保障了矿山安全高效开采，为提高矿山经济效益、国际影响创造了良好的条件。参考文献［１］江思宏，聂凤军，苏永江，等．蒙古国图木尔廷敖包大型锌矿床地质特征及成因［Ｊ］．地球学报，２０１０，３１（３）３２１－３３０．［２］王尚祯，赵文奎．玉龙铜矿露天边坡稳定性计算与评价［Ｊ］．露天采矿技术，２０１４，１４（５）１３－１６．［３］王旭，唐绍辉，潘懿，等．基于数值模拟的露天边坡稳定性分析［Ｊ］．矿业研究与开发，２０１６，３６（８）３７－４０．（收稿日期２０１７－０５－１７）作者简介阮琰文（１９６６－），男，陕西渭南人，工程师，主要从事露天开采现场技术管理工作，Ｅｍａｉｌ４７６４１８９４８＠ｑｑ．ｃｏｍ。７６刘东锐，等深井高温矿床热害治理实践