矿井深部开采的高温气候热源及热因分析.pdf

第 2 9卷 第 3期 2 0 1 3 年 5月 昆明冶金高等专科学校学报 J o u r n a l o f K u n mi n g Me t all u r g y C o l l e g e V0 1 ． 2 9 No ． 3 Ma y ．2 01 3 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 0 4 7 9 ． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 0 1 矿井深部开采的高温气候热源及热因分析 邹尤森 ，段 永祥 1 ．云南楚雄矿冶有限公司，云南 楚雄 6 7 5 0 0 0 ；2 ．昆明冶金高等专科学校矿业学院，云南 昆明 6 5 0 0 3 3 摘要 通过调 查分析 ，得知 某矿床 开采深度 下降之后 ，地 温、 空气 自压 缩热和热 水是主要 热源 ，通风 能力不 足是主要热因。为改善井下高温气候条件 ，提出了优化通风系统、缩短进风和回风线路长度、增加通风量、改 善 通风 效果、辅 以制冷 的综合 降温措 施。 关键词 矿 井深部 ；高温气候 ；热源 ；热 因 中图分类号 T D 7 2 7 文献标志码A 文章编号1 0 0 90 4 7 9一 2 0 1 3 0 3- 0 0 0 1 0 5 An An a l y s i s o f Al t i t h e r mal He a t S o u r c e a n d I t s Ca u s e s i n De e p Mi n e ’S Mi n i n g Z OU Yo u s e n ．DU AN Y o n g x i a n g 1 ．Y u n n a n C h u x i o n g Mi n i n g M e t a l l u r g y C o ． ， L t d ． ， C h u x i o n g ， Y u n n a n 6 7 5 0 0 ， C h i n a ； 2 ．F a c u l t y o f Mi n i n g E n g i n e e r i n g ，K u n m i n g Me t al l u r g y C o l l e g e ， K u n mi n g 6 5 0 0 3 3 ， C h i n a Ab s t r a c t By a n i n v e s t i g a t i o n a n a l y s i s o f t h e s i t u a t i o n s，t hi s p a pe r s h o ws t h a t g r o un d t e mp e r a t u r e， s e l f - c o mp r e s s i n g a i r a n d h o t wa t e r a r e s o u r c e s t h a t c a u s e a h i t h e r ma l h e a t i n d e e p mi n i n g o wi n g t o p o o r v e n t i l a t i o n ．I t a l s o p r o p o s e s t h a t v e n t i l a t i o n b e o p ti mi z e d，the l i n e s f o r a i r i n l e t＆ r e t u r n b e s h o r t e n e d， t o g e t h e r w i t h g e n e r a l c o o l i n g me a s u r e s t o i mp r o v e c o n d i t i o n s i n d e e p mi n e s S O t h a t v e n t i l a t i o n v o l u me c o u l d b e i n c r e a s e d a n d v e n t i l a t i o n e f f e c t i v e n e s s c o u l d b e g r e a t l y i mp r o v e d ． Ke y wor d sd e e p mi n e；a l t i t h e r ma l h e a t ；h e a t s o u r c e；he a t c a us e s O 引 言 开采深部资源是矿山企业生存和可持续发展的需要，矿井深部高温环境是开采设计必须解决的主要 技术问题 。云南楚雄某矿床埋藏标高为 一1 0 51 9 7 0 m，目前开采的小河一石门坎矿段标高已在 1 2 2 8 m 以下 ，从地表计算开采深度超过了 1 2 0 0 m，井下高温热害问题 日趋严峻。为了改善井下气候 ，给采矿 作业创造 良好的环境条件 ，云南楚雄矿冶有限公司与昆明冶金高等专科学校合作 ，应用该校承担的国家 自然科学项目和云南省应用基础研究项 目 成果，在共同完成的楚雄矿冶重点科技攻关项 目 “ 小河一石 门坎矿段通风系统总体规划及分期构建方案优化研究” ①当中，对井下深部热源、热因，以及 改善途径 和措施进行了分析研究 。 1该矿床概况及热害情况 该矿床于 1 9 6 6年建矿 ，1 9 7 6年建成投产 ，至 2 0 1 2年已有 4 6 a的建矿史 、3 6 a的生产史 ，累计生产 精矿含铜近 3 0万 t ，电积铜 2万 t ，为国家和上级公司作 出了重要贡献 。参照 国内有色金属矿山划分标 收稿 日期 2 0 1 3 0 1 2 6 基金项目国家自然科学基金大中型矿井单元化可控式高效低耗通风机理及方法研究 5 1 1 6 4 0 2 1 ；云南省应用基础 研究项 目单元式高效低耗通风系统计算机辅助设计关键技术研究 2 0 1 0 C D 0 9 3 。 作者简介邹尤森 1 9 7 1 一 ，男，云南永胜县人，采矿工程师，工学学士，主要从事采矿生产技术管理工作。 ①小河一石 门坎矿段通风系统总体规划及分期构建方案优化研究报告。 2 昆明冶金高等专科学校学报 2 0 1 3年 5月 准，地表以下 8 0 0～1 0 0 0 m为深部开采 ，该矿床地表海拔高程在 1 9 0 0～2 4 3 0 m，如以地表平均高程 2 1 2 0 m计算 ，则 1 3 2 0 m水平以下即为深部开采。 截至2 0 1 2 年底，该矿床深部保有矿石量 1 5 8 7 ． 5 7万 t ，铜金属量 1 6 ． 8 0万 t ，其中基建区域 1 0 8 0～ 7 4 0水平保有矿石量 4 1 6 ． 3 7万 t ，铜金属量 4 ． 9 3万 t ；勘探 区域 7 4 0～ 4 0 0水平保有矿石 量 2 3 6 ． 1 3万 t ，铜金属量 2 ． 2 3万 t ；预测区域 4 0 0水平以下至石门坎 1 2 4 0水平以下矿石量 9 3 5 ． 0 7 万 t ，铜金属量 9 ． 6 4万 t ，整个深部资源储量具有较大的开采价值。 该矿床在氧化矿 、硫化矿和刀把 I 期开采时，井下气候与地表差别不大，对劳动生产率影响不大 。 但是开采至 Ⅱ、Ⅲ期 1 5 0 0中段以下之后 ，由于矿床埋藏较深，地温上升比较明显 ，到 了 1 0 8 0中段地 温即达到 3 7 ． 5℃ 1 1 斜井联道裂隙涌水温度 ，气温达到 3 2 c I ，湿度达到 9 5 ％，闷热 、潮湿的环境 ， 使人在繁重体力劳动的条件下，能量代谢加快 ，产热量增多，排汗量下降 ，体内热量散发不出去，积热 增多，导致人体产热与散热的动平衡状态遭到破坏，发生中暑、热衰竭、热虚脱及热痉挛等热病。热害 经常使人心理、生理反应失常，从而降低生产能力，基建进度迟缓，甚至被迫停工。 有关资料报道 ，人在风速为 2 m ／ s 、相对湿度为 9 0 ％的条件下 ，气温为 2 5℃时 ，劳动生产效率为 9 0 ％，3 0℃时为7 2 ％， 3 2 ℃时为6 2 ％；气温在2 7～ 3 l ℃范围时，工作效率下降，疲劳速度加快；当 气温达到 3 2℃以上时 ，难以进行较高注意力的工作。井下高温热害 问题严重危害劳动者的身体健康， 给安全生产带来了较大的影响。 2 井下热源及热 因分析 2 ． 1地表地形与气候情况 该矿区地表地形山岭沟壑纵横 ，地表海拔 1 8 1 0～2 4 3 0 m，相对高差约 6 2 0 m，平均海拔 2 1 2 0 m； 森林植被 覆盖 率约 为 6 0 ％，最 低温 度 一3 ． 0℃，最 高 温度 3 1 ． 4℃ ，年平 均 气温 1 5 ． 3 ℃。降雨 量 1 0 7 1 m m，蒸发量 1 7 6 0 mm，年平均相对湿度约 7 0 ％ 9 、1 0月份最高达 8 4 ％ ，3月份最低至 4 9 ％ ， 地表气候温和 、湿润 。主要风向为南西 向，风力不超过 5级。 2 ． 2 地温梯度调查分析及计算 该矿 区地表未发现温泉出露 ，并非火山成因矿床 ，属于沉积型矿床。在氧化矿 、硫化矿和刀把 I 期 开采时 ，井下气候与地表差别不大，仍然比较舒适。但是开采至 Ⅱ、Ⅲ期 1 5 0 0中段以下之后 ，由于矿 床埋藏较深 ，地温上升比较明显 ，到 了 1 0 8 0中段地温即达到 3 7 ． 5℃ 1 1 斜井联道裂 隙涌水温度 ， 气温达到 3 2℃ ，湿度达到 9 5 ％，闷热 、潮湿的环境让人非 常不舒服 ，影 响劳动效率。经过调查分析 ， 地温是井下的主要热源 ，地温递增是井下主要热因。 地壳岩层温度在大地热流场和地表大气 的共同作用下 ，各个层带的温度各不相同，沿垂直方向大致 可划为变温 、恒温 、增温 3个层带。地表浅部属于变温带，厚度在 1 0 m左右 ，由于受地表气候 的影响 ， 岩层温度 随地表大气温度的变化而呈周期性地变化。随着深度增加至 2 04 0 m，岩层温度受地表大气 的影响逐渐减弱 ，而受大地热流场的影响逐渐增强，当到达某一深度时，二者趋于平衡 ，岩温常年基本 保持不变，这一层带称为恒温带，其温度 比当地年平均气温高 1～ 2℃。以此理论及地表年平均气温推 算 ，该矿区恒温带 的温度为 1 6 ． 3～1 7 ． 3℃。 在恒温带以下 ，由于受大地热流场的影响，岩层原始温度随深度的增加而增加 ，大致呈线性变化规 律， 这一层带称为增温带。在增温带内，岩层原始温度随深度的变化规律可用地温率或地温梯度来表 示，分别测算如下 1 地温率 是指恒温带 以下岩层温度每增加 1 ℃所增加的垂直深度。根据恒温带温度和 1 0 8 0 中段 实测地温 ，可以计算出该矿床的地温率为 t t 3 7 5 1 7 3-5 0 ． ， 一 ． 一． ℃⋯⋯ ⋯ 式中z n 为恒温带深度 ，按 3 0 m计算 ；Z为 1 0 8 0中段距离地表平均海拔的深度 2 1 2 0 m一1 0 8 0 m 第 3 期 邹尤森 ，段永祥矿井深部开采的高温气候热源及热因分析 3 1 0 4 0 m；￡ ，0 为恒温带温度 ，按 1 7 ． 3 ℃计算 ；t ， 为 1 0 8 0中段地层温度 ，按实测的 3 7 ． 5℃计算。 2 地温梯度 是 指恒温带 以下 ，垂直 深度每增 加 1 0 0 m时原始岩温的升高值 ，它与地温率之间的关 系为 G 1 0 0 ／ g 1 0 0 ／ 5 0 ． 0 2 ． 0 o C ／ 1 0 0 m 2 ． 3 主要中段地温增幅推算 按照调查分析计算 的地温率及地温梯度 ，可以根 据各中段距离地表平均高程 2 1 2 0 m 的垂直深度 ，推 算 出这些深部主要中段地层的大致温度 表 1 。 2 ． 4 热水 温度探 查 深部钻探及开拓工程发现 ，在 1 0 8 0 以下部分中段 表 1 主要中段地温推算 注恒温带温度按 1 7 ． 3 C，厚度按 3 0 m，深度 砂岩裂 隙 中涌 出了 4 4～4 6℃ 的高 温热 水。布 置在 按地表平均高程2 1 2 0 m计算。 1 2 2 8 中段探矿主沿脉 9个探矿钻孔 ，初步揭示 了深部热水的出水高程及温度 表 2 。 表 2 深部地下热水钻孔探查统计表 钻探结果初步揭示深部热水主要赋存于标高为 1 0 7 4 m以下 白垩系马头 山组砂岩裂 隙之中。水温最 高为Z K 1 7 2下2 孔4 6 ℃，最低为Z K 1 8 0 下2孔3 9 ℃， 平均水温4 3 ． 8 0℃，单孔涌水量最大为 Z K 1 5 0 下 2孑 L 达 9 2 1 ． 6 m ／ d ，最小 为 Z K 1 8 0下 2孔 1 0 7 ． 4 6 m ／ d ，平均涌水量 7 0 6 ． 4 7 m。 ／ d ，热水 总汇水量达 6 3 5 8 m ／ d 。地下热水的形成机制主要是受南北 向隐伏构造及其伴生的低序次低级别断裂控制 ，含水层 的形态 、储量取决于深部断裂带的构造。 表 2反映了深部热水层赋存位置 ，印证 了深部地温大幅递增的情况。据有关水文资料介绍 ，水平或 缓倾斜含水层 中的地下水容易与周围岩石趋于热平衡 ，水温 地温 ；而急倾斜含水层与周围岩石难 以达 到热平衡，水温≠地温，故地温推算值与水温实测值之间会有一定差值。因此 Z K 1 8 0号钻孔在4 6 9 m高 程涌出热水温度 3 9℃ ，与 5 0 0 m高程预测地温 4 9 ． 1 o C略有出人 ，属正常现象。 自从 1 2 2 8中段探矿主沿脉从 2 9号穿脉钻孔涌出深部热水之后 ，坑 内气温一度达到 3 9 4 6℃，湿 度达到 9 8 ％ ，热害非常严重 ，表明深部开采时热水层会带来热害问题 ，一定要提前采取疏 干、隔绝等 措施 ，同时只有做好通风与降温工作 ，才能为采矿生产创造良好的环境条件。 2 ． 5 风流自压缩温升分析 随着开采深度增加 ，井下热源除了地温 、热水之外 ，还有不可忽视的风流 “自压缩热” ，即当可压 缩的空气沿着井巷向下流动时，位压逐渐减小 ，静压随之增大。在位压与静压 的转化过程中，空气压力 与温度都会有所上升，这个过程产生的温升现象称之为 “ 自压缩热” 。 在 自压缩过程中，如果风流同外界不发生换热、换湿 ，根据能量守恒定律 ，在纯 自压缩过程中的焓 增量与风流前后状态的高差成正比，即 i 2 一 l g z 2 一 1 ， 式中i 。 与 i 分别为风流在始点与终点时的焓值，J ／k g ； 。 、z 分别为风流在始点与终点状态下的标 4 昆明冶金高等专科学校学报 2 0 1 3年 5月 高，m；g为重力加速度 ，m ／ s 。 对于理想气体来说 ，在任意压力下d i c p d t ，即i 2 一i C p t 2 一t 。 ， 式中，C p 为空气的质量定压热容 ，J ／ K；t 。 、t 分别表示风流在始点及终点时的干球温度， c 【 。 从而 自压缩热t 2 一t l g z 2 一 z 1 ／ c 。 因为 g 9 ． 8 1 m ／ s ，C 1 0 0 5 J ／ K 所以当高差 2 一 l 1 0 0 0 m时，纯 自压缩热 t 2 一t 。 9 ． 8 1 m ／ s 1 0 0 0 m ／ 1 0 0 5 J ／ K9 ． 7 6 K 以上数据说明 ，在纯 自压缩状态下 ，高差为 1 0 0 0 m时风流温升可达 9 ． 7 6 K，这是一个相当大的 数值 ，不过好在实际上并不存在完全的绝热压缩 过程 。其原 因一方面是井巷里存在着一些水分 ，这 些水分蒸发会消耗部分风流 自压缩所产生 的热量 ，并增大风流 的含湿量。另一 方面是井巷 的吸热和 散热作用也抵消 了部分风流 自压缩温 升。例如 在夏天 ，由于围岩吸热 ，风流 的温升要 比平均值低 ； 而在冬天 ，由予围岩放热 ，风流的温升要 比平均值高 。所 以风流实际的 自压缩 温升没有 理论计算值 那么大。 这种规律在 2 0 1 0年 2月 9日3 竖井贯通之后井 口和井底风流温度测定时得到了验证。3 竖井井 口 高程 2 1 6 0 m，至 1 0 8 0中段马头门高差为 1 0 8 0 m，理论上纯 自压缩热温升为 t 2 一 t 1 9 ． 8 1 m ／ s 1 0 8 0 m ／ 1 0 0 5 J ／ K 1 0 ． 5 4 K 但实际上由于井壁涌水的蒸发吸热作用 ，实测得井 口进风气温 1 1℃ ，到了 1 0 8 0中段升至 1 5℃ ， 温升仅为 4℃ ，远远小于纯 自压缩热温升 l 0 ． 5 4 K。以此可以计算出 3 竖井高程 2 4 3 0～1 0 8 0 m之间的 实际 自压缩热温升率为 2 7 0 ． 0 m／t t 1 5 1 1 ℃ ， 一 ． 一 ． 一 ℃ ’ 式中 为井 口高程 ， 2 1 6 0 m；H i 为井底高程 ， 1 0 8 0 m；t 为井 口温度 ，实测得 1 1 ． 0 c c；t i 为井底温 度 ，实测得 1 5 ． 0℃。 根据地表平均气温及实际 自压缩热温升率 ，以及 各中段与 3 竖井井 口的垂直深度 ，推算 出各 中段 自压 缩热温升及新风原始平均气温 ，如表 3所示 。 同理，风流沿井筒或倾斜巷道 向上流动时，风流 因减压而膨胀 ，焓值减少 ，风温下降 ，其数值 同 自压 缩增温一样 ，不过是相反而 已。所以 ，矿井上部 的气 候条件 自然要 比深部好一些。 从上述测定及推算结果可知 ，随着开采深度增加 ， 风流 自压缩热引起 的温升不可忽视。如 1 0 8 0 m 中段 风流 自压缩热 已有 4℃ ，对新风降温能力影响还不算 表 3 主要 中段 自压缩温升及新风原始平均温度推算 注自压缩热温升率 2 7 0 m ／ ％，地表平均气温 1 5 ． 3 c c，深度按 3 井口高程21 6 0m计算。 太大 ；0m中段风流 自压缩热将达到 8 o C，新风平均温度将达到 2 3 ． 3 c 【 。分析结果说 明风流 自压缩热虽 然会大大削弱新风的降温效果 ，但是机械通风手段仍然具有一定的降温能力。 2 ． 6热因分析 该矿床是典型的沉积型矿床，并非火山成因矿床 ，地表也未发现温泉出露 ，前期开采氧化矿 、硫化 矿和刀把 I 期时井下气候与地表差别不大，井下环境仍然比较舒适。但是开拓工程掘进至 1 5 0 0中段以 下之后，由于矿床埋藏深度增加，地温上升比较明显，井下气候环境逐渐恶化。通过上述分析可知，地 温、空气 自压缩热和热水是深部主要热源 ，通风能力不足是主要热 因。 3 改善井下高温气候的意见和建议 3 ． 1降温途径分析 1 随着开采深度下降，生产及开拓系统越来越庞大 ，进风路线增长，新风与井巷热交换的面积和时 第 3期 邹尤森 ，段永祥矿井深部开采的高温气候热源及热因分析 5 间增加，原来按照排尘要求确定的风量难以满足深部降温要求，应该采取优化、缩短进风路线 ，减少进风 风流与井巷热交换的面积和时间， 减少地温升高对风源质量的影响，降低新风温升幅度，提高新风质量。 2 随着开采深度下降，回风线路增长 ，阻力增大 ，电耗增加 ，漏风通道增多 ，会形成循环风流 ， 深部湿热污风不能全部及时排出地表，通风系统排尘、排烟及降温效能下降明显，井下环境不断恶化， 工作效率及效益降低，可采取优化机站布局和风机配置，增强回风系统的可控性和有效性，减少漏人进 风系统的有害循环风流 ；改造回风系统，增加 回风量 ，增大工作面风速 ，增强通风系统的降温能力 。 3 堵塞、封闭或疏干、疏导开采范围内涌出的热水，减少热水对井下环境及风源质量的影响。 4 超深部开采时应在风源增加制冷降温辅助措施。 3 ． 2 具体降温措施 1 2 0 1 2 年投资1 ． 4 9 亿元， 新建成3 提升进风竖井 西南第一深井 ， 井深1 1 0 7 ． 5 m， 将进风线路由 原来的4 ． 2 k m缩短到 1 ． 5 k m，减少了2 ． 7 k m，这一路新风从地表到达井下 1 0 8 0水平的温升仅为 6 ． 0 c C， 比原来降低了 1 1 ℃ ，使该水平附近的气温从 3 5℃降至 2 7℃左右 ，显著改善了井下气候条件。 2 针对刀把Ⅳ期以上回风线路长 4 ． 3 k m，回风道断面不足 1 0 m ，最大允许 回风量仅有 1 4 6 ． 1 0 m ／ s ， 达不到降温要求， 存在阻力大、电耗高、 漏风多、可靠性低、有效性差、维护成本高等问题，经过调查研 究、方案论证，提出了拟再建4 回风竖井，井深1 1 2 1 m，概算投资7 3 5 0 万元， 将回风量增高至2 5 0 m ／ s ， 彻底撇开上部回风系统，大幅度地改善回风条件，消除回风漏风对进风质量的影响，改善通风降温效果， 缩短回风线路长度，减小回风阻力，降低通风电耗，降低生产成本。 3 优化通风机站布局和风机配置 ，采用单元化可控式高效低耗通风方式 ，增强 回风系统的可控性和 有效性，减少漏入进风系统的有害循环风流。加强局部通风工作， 增加风量，降低深部开拓作业面温度。 4 该矿床中亚段次含矿层 、下亚段主含矿层是矿井主含水层 ，水温 4 0～ 4 4 ℃ ，开拓工程施工时 ， 将涌出来的热水就近排至永久泵站水仓 内。将主要发热机电设备布置在回风工程附近，使用保温隔热排 水管道 ，使新风尽量避开这些局部热源 ，减少热源对新风风流的加热 ，降低新风流温度和湿度的上升。 5 开采至Ⅲ期工程7 6 0水平时，应辅以适当的制冷降温措施。 4结 语 大部分矿山随着浅表资源的逐渐消耗 ， 将深部资源作为持续接替开采对象，都将面临深部高温环境 问题。本文通过分析该矿床深部热源和热因，提出了优化通风系统 ，采用单元化可控式高效低耗通风 ， 增加通风量， 缩短进风、回风线路长度、封堵隔离高温热水，深部再设置人工制冷辅助降温措施的意见 和建议 ，研究成果为楚雄矿冶重点攻关项 目 “ 小河一石门坎矿段通风系统总体规划及分期构建方案优 化研究”提供了依据，为井下深部开采环境条件的改善提供了技术指导①。 参考文献 [ 1 ]吴超， 段永祥． 矿井通风与空气调节[ M] ． 长沙 中南大学出版社， 2 0 0 8 ． [ 2 ]胡国斌， 袁世伦， 杨承祥．冬瓜山铜矿床 1 0 0 0 m深井开采技术问题的思考[ J ] ． 采矿技术 ， 2 0 0 4， 4 3 4 6 ①某矿床 “ 刀把” v期矿段接替工程项 目 建议书。