矿井深部开采降温技术的研究.pdf

2 0 1 6年第6期煤矿机电 7 9 潘爱民，石乃敏．矿井深部开采降温技术的研究 [ J ] ．煤矿机电， 2 0 1 6 6 7 9 8 1 ． d o i 1 0 ． 1 6 5 4 5 ／ j ． c n k i ． c ru e t ． 2 01 6． 0 6． 0 2 3 矿井深部开采降温技术的研究水潘爱民，石乃敏广西现代职业技术学院，广西河池 5 4 7 0 0 0 摘要随着矿产资源的不断开发，多数矿山已转入深部开采，造成深井热害程度日趋严重，矿井内部高温环境严重影响了工人的健康和安全，矿产开采设备的生产效率也随之降低。为解决深井热害环境的热点课题，从矿井热源入手，研究分析了对高温矿井热害的处理，并进一步总结了高温矿井的降温技术。关键词矿井热源；深部开采；热环境的治理措施；制冷技术；降温技术中图分类号 T D 8 0 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 0 8 7 4 2 0 1 6 0 6- 0 0 7 9 0 3 S t u d y o n t h e Co o l i n g Te c h n o l o g y i n De e p Mi n i n g o f Co a l Mi n e Pa n Ai mi n． Na i mi n G u a n g x i M o d e m C a r e e r T e c h n i c a l C o l l e g e ， H e c h i 5 4 7 0 0 0， C h i n a Ab s t r a c t Wi t h t h e c o n t i a u o u s d e v e l o p me n t o f mi n e r a l r e s o u r c e s ，f o r c i n g mo s t mi n e s i n t o d e e p mi n i n g ，c a u s e d e e p t h e r ma l d a ma g e d e g r e e i s mo r e a n d mo r e s e r i o u s ，i n s i d e t h e mi n e h i g h t e mp e r a t u r e e n v i r o n me n t ，s e r i o u s i mpa c t o n t h e he a l t h a n d s a f e t y o f wo r k e r s ，r e d u c e s t h e p r o du c t i o n e f f i c i e n c y o f mi n i n g e q u i p me n t ． Ho t t o p i c a n d e n v i r o n me n t i n o r d e r t o e f f e c t i v e l y s o l v e t h e d e e p h e a t ，s t a r t i n g f r o m t h e s o u r c e o f mi n e ，r e s e a r c h a n d An a l y s i s o n t h e h i g h t e mp e r a t u r e mi n e]h e a t da ma g e，f u r t he r s u mma riz e s t h e hi g h t e mp e r a t u r e mi ne c o o l i n g t e c h n o l o g y． K e y wo r d s mi n e h e a t s o u r c e ；d e e p mi n i n g ；t h e r ma l e n v i r o n me n t c o n t r o l me a s u r e s ；r e f r i g e r a t i o n t e c h n o l o gy ； c o d i n g t e c h n o l o g y 0引言 1 矿井内热环境的产生广西河池地处环太平洋金属成矿带，属南岭成矿带的一部分，其矿产资源十分丰富，矿产资源开发已形成相当的规模。随着矿产开采量的增加，开采深度也在不断加深，开采与掘进工作面的j 不境热害日趋严重，不少工作面的气温已超过 3 0℃ ，个别达到 3 5℃ 一 4 1℃之间，井下热环境对工人的健康与安全、井下设备的安全及生产效率都造成很大的影响。因此，如何有效解决矿井深部开采的热害问题已经成为一个热点课题。广西高校科技研究基金项目 K Y 2 0 1 5 Y B 4 6 7 导致矿井内热的热源较多，归纳起来主要有以下几个方面 1 地热。地球是一个庞大的热库，蕴藏着巨大的热能，地球主要分为三层，每一层的温度都不相同，地表距地面约 1 5 m 以下约 1 5 k m范围内，地温随深度增加而增高。现已基本测算出，地表以下平均每下降 1 0 0 m，温度就升高 3℃。在地热异常区，温度随深度增加得更快，如我国华北平原某一个钻井钻到 1 0 0 0 m时，温度为 4 6 ． 8℃，而钻到 2 1 0 0 m时，温度升高到 8 4 ． 5℃。这些热量一部分来源于地球深处的溶融体，另一部分来源于放射性元素衰变所产生的热量传导，还有一部分来源于深井内空气自压缩势能转换引起的风流温升。这些都是产生 8 0 煤矿机电 2 0 1 6 年第6期矿井热害的主要热源。 2 氧化热和爆破热。矿石氧化时都会产生一定的热量，当矿石含硫量达到了自燃的程度时，产生的热量就会更大。另一方面，矿井的施工常常会用到各种炸药，炸药爆破所产生的热能会直接散发到空气中。因而，氧化和爆破所产生的热能是产生矿井热害的第二热源。 3 机电设备热。目前，我国矿井中所使用的机械设备绝大部分是电力机械设备，这些大容量机电设备在利用电能拖动生产机械的同时还会消耗一部分电能，消耗的电能转换为大量的热能，这些热能直接散发到矿井空气中，进一步造成了矿井环境温度的升高。 4 其它热。如人体、充填材料和井下热水散热等，都会对矿井内环境产生一定的影响。 2 矿井内热环境的治理措施对于矿井高温，为了改善其热环境，根据热害严重程度，可以从以下 5个方面来考虑治理措施。 2 ． 1 通风措施入风气温过高是小型浅井和大型深井建井时期夏季高温的主要原因，主要发生在低纬度地区，故保证矿井通风是自然的降温方法。矿井通风还可以为矿内采掘工作面及机电硐室提供足够的新鲜空气，以此来冲淡或带走有毒有害气体，达到安全生产的要求。具体措施有 1 加大通风强度，可以降低风温。 2 选择合理的通风系统。如采用两翼式或分区式通风，主通风机工作方式由抽出式改为压入式，进风巷道布置在上部低温岩石中，上行风改为下行风，都是有利于矿井降温的通风方案。 3 改革通风方式。尽可能减少进风路线的长度，在进行开拓系统设计时，要注意与通风系统相结合。深采工作面的通风方式主要有 U型、 E型、 w 型、 Y型、 z型等，其中 u型应用最为广泛。但从降低工作面风流温度角度来看， E型和 W 型更有利。这是因为部分或全部风流不经过运输顺槽，风流在工作面运行路线短，工作面和通风形成并联结构，进风口与出风口之间的压差小、漏风小，故可降低工作面的进风温度。 4 加强通风构筑物的密闭性，防止风量泄漏。据报道，由于井下通风设施漏风所损失的风量占总风量的 3 7 ％以上。 2 ． 2 控制热源 1 岩壁隔热。在大多数情况下，围岩主要以热传导的方式放热，故可采用隔热材料喷涂岩壁来阻止围岩热传导，如用聚氨脂泡沫塑料喷涂岩壁，喷涂厚度约为 1 0 m m时，就能产生较好的隔热效果。国外有些国家也曾采用聚乙烯泡沫塑料、硬质氨基甲酸泡沫、膨胀珍珠岩等隔热材料喷涂岩壁，也取得了较好效果。但因隔热费用较高，且隔热层的时效性较差，还必须注意防火、防毒等安全问题，这种方法的应用受到了限制。 2 用水隔热。定期对主要进风巷道和生产区域采用水幕、洒水等措施，来吸收井下各掘进工作面和采煤工作面的温度，以降低井下的温度。 3 机械热的控制。现代矿井井下大型机电硐室的发热量很大，如果这些设备的热量直接进入进风流，将引起矿井风流的温升，故对井下大型机电硐室如中央变电所、泵房和绞车房等建立独立的回风系统，避免把热量带到采掘工作面。注意辅助扇安装位置，增加局部区域的风速。避免使用低效率机械设备。 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，为了免受其影响，可采取将爆破时间与井下人员的工作时间分开。 5 热水及管道热的控制。当井下热水大量涌出时，对附近的环境也会造成很大的影响，应尽可能将热水集中排放，并用管路或隔热管道排到地表，或在水沟用加盖板把水排走，防止热水在巷道里漫流。 2 ． 3 个体保护目前矿井内的高温环境主要危害人的身体健康，故在矿井内热害严重的地点，可以让矿工穿上冷却服。当环境温度较高时，冷却服可以通过冷却介质，在人体周围形成相对低温的微环境，降低人体体温，使人体免受热伤害。 2 ． 4 集中制冷降温当采用以上非人工制冷的矿井降温措施都不能有效地解决采掘工作面的高温问题时，就要采用人工制冷降温技术。人工制冷设备由地面制冷系统和井下供冷系统组成。制冷系统供给冷冻水，供冷系统利用冷冻水冷却空气，根据制冷系统所处的位置不同来分，主要分为以下 3种基本类型。 1 地面集中式。将制冷系统设置在地面，其基本原理是利用地面制冷机组制备冷冻水，通过隔热 2 0 1 6年第6期煤矿机电 8 1 管路输送到井下，通过膨胀机膨胀成气态后，再进入空气制冷机，排出低温空气冷却工作面，实现降温。它适用于开采深度大，超温工作面数目多、分布广，需冷量大的热害矿井。由于从地面至井下高差大，载冷剂输送管道中的静压力大，必须在井下增设高低压转换装置，通过二次循环将冷却水输送到高温工作面的空冷器，且在井下需开凿高低压转换装置专用硐室。其主要优点是施工、维修和冷却水处理都比较方便，但冷冻水往井下输送途中会因吸收热量而产生 3。 C～ 4。 C的温升，降低冷却效果，且系统复杂。 2 井下集中式冷却系统。井下集中式冷水降温系统基本原理是利用井下制冷机组制备冷冻水，将冷冻水直接输送到高温工作面的空冷器实现降温。井下集中式制冷机组设在井下，通过管道集中向各工作面输送冷却水，没有换热器，只有冷却水循环管道，系统较为简单，但要在井下开凿大断面硐室，设备占用空间大，设备维护、维修困难，随着开采深度的增加，降温需冷量增加，井下集中式降温系统的冷凝热排放是薄弱环节，采用这种方式时一定要妥善解决冷却水的循环处理问题。 3 井上、井下联合式冷却系统。这种布置形式是在地面、井下同时设置制冷站，冷凝热在地面集中排放，实际上相当于两级制冷。其主要优点是冷却水易于处理，冷却效果好，但系统复杂，设备分散，不便管理，在冷冻水转换过程也会产生 3。 C一 4。 C的温升。 2 ． 5 局部制冷由于集中制冷系统费用高，广西矿山开采深度接近 1 0 0 0 m，暂且不需集中制冷，但在开拓时期热害比较严重，故在个别热害严重的地点可采用局部移动式空调机组。其制冷系统固定，冷却系统随工作面移动，由压缩机、冷凝器、蒸发器、防爆电动机和控制系统等组成。系统机组体积小、重量轻，随掘进、采煤工作面移动方便，无需专用硐室，安装位置可以距需要降温的工作场所很近，冷量传输距离小，基建投资小。 3结语通过分析比较可知，传统的通风方法和控制局部热源等降温方法已很难满足高温矿井的降温需求，机械制冷降温技术可以有效降低井下温度，但其投资大，运转费用高。据南非金矿的经验，当岩温不超过 3 6 ℃时，用通风降温方法有明显的效果；岩温在 3 6℃ ～ 5 5℃之问时，靠通风降温只能取得部分效果；当岩温超过 5 5℃时，则采取人工制冷降温措施。总之，矿井的高温原因各不相同，热害程度也轻重不一，在进行矿井降温设计时，应具体问题具体分析，要因地制宜，有针对性地采取降温措施，对高温矿井降温中的制冷技术进行不断地研究和创新，使高温矿井的降温起到良好效果。参考文献 [ 1 ] 胡汉华．深热矿井环境控制 [ M] ．长沙中南大学出版社， 2 0 0 9． [ 2 ] 耿俊俊，王新民，齐学元．矿井热环境空调降温技术研究[ J ] ．科技信息， 2 o o 8 2 9 ． [ 3 ] 陈效友．高温深井降温技术及其经济性研究[ D ] ．淮南安徽理工大学， 2 0 1 3 ． [ 4 ] 王进，赵运超，梁栋．矿井降温空调系统的分类及发展现状 [ J ] ．中山大学学报论丛， 2 0 0 7 2 ． [ 5 ] 李鹏达．机械制冷降温技术在矿井热害治理中的应用研究 [ J ] ．山东工业技术， 2 0 1 5 4 ．作者简介潘爱民 1 9 6 3 一，女，副教授。1 9 8 4年毕业于广西民族大学物理系物理专业，现在广西现代职业技术学院电子电力工程系任教，主要从事电气环境保护方面的研究工作。收稿日期 2 0 1 6 0 12 6 责任编辑边永梅欢迎订阅 2 0 1 7年煤矿机电杂志本刊邮发代号 4 - ．7 8 3 。地址上海市天钥桥路 1号煤科大厦 1 8楼，邮编 2 0 0 0 3 0 电话 0 2 1 6 4 3 8 8 7 6 4 、 6 4 3 8 8 7 3 9 、， -__ -___ _ ， ‘