南非金矿深部开采的井下降温技术.pdf

黄金 G oL D 2 0 1 3年第 9期／ 第 3 4卷 南非金矿深部开采 的井下降温技术 岳发强 ， 胡宪铭 ， 张景奎 1 ． 中国黄金集团投资有限公司； 2 ． 中国黄金集团公司 摘要 目前 ， 南非的黄金产量有近 6 0％以上来 自2 5 0 0 m以下的深部地下矿床 ， 最大开采深度 已经达到 3 7 7 7 m。深部开采中所遇到的技术难题之一是地热对开采环境的危 害， 南非金矿井下岩 石表面的温度最高可以达到4 7℃。经多年 实践 ， 南非金矿在深部开采的井下降温方面开发 了许 多 实用技 术， 积 累了丰富的经验。介绍了南非金矿深部开采的技 术条件以及在不同条件下采取的通 风降温措施和技术特点 ， 对中国矿山深部开采解决类似问题具有很好的参考借鉴价值。 关键词 南非金矿 ； 深部开采； 井下降温 中图分类号 T D 8 5 3 ． 3 9 2 文献标志码 A 0 引 言 根据南非矿业协会的统计 ， 在 2 0 1 1 年 ， 南非 的黄 金产量有近 6 0％以上来 自2 5 0 0 IT I 以下的深部地下 矿床 ， 预计到 2 0 1 5年 ， 南非 5 0％ 的黄金产量将来 自 3 0 0 0 m以下的超深矿床 卜 见 图 1 。其 中， 安格 鲁 阿善堤黄金公 司 A n g l o G o l d A s h a n t i 的 Mp o n e n g 蔓 器 嚣 3 0 文章 编号 1 0 0 1 1 2 7 7 2 0 1 3 0 9 0 0 3 4 0 4 d o i 1 0 ． 1 1 7 9 2 ／ 2 0 1 3 0 9 0 8 金矿 ， 其开采深度在 2 0 1 1年 已经达到 3 7 7 7 m。个别 金矿的规划开采深度达到 6 0 0 0 I n 。 随着开采深度的加大 ， 随之带来的工程技术难题 之一就是井下作业环境的通风降温问题。在这方面 ， 南非金矿深部开采起步较早 ， 经验丰富 ， 值得研究和 借鉴。 开采深度 ／ i n 图 1 南非金 矿不 同开 采深度 的产量 比例 1 南非金矿深部开采井下降温的技术难点 南非金矿深部开采作业环境温度升高的主要原 因是地热 ， 即主要热源是原岩释放 出的热量 。根据南 非矿业协会提供的资料， 南非金矿井下岩石表面的温 度在开采深度 为 2 0 0 0 I T I 时， 最高可 以达到 4 7℃ ； 3 0 0 0 m时可达 5 8℃ 见 图2 。 为了解决深部开采的通风制冷问题 ， 南非黄金开 采领域的工程技术研究人员进行了大量的研究工作。 首先对深部岩体的热源分布进行了详细的调查研究 ， 搞清了不同岩体的热传导特性、 热量在井下环境的扩 散特性 、 开采中岩体暴露面积与热量扩散 的关系等 ， 图2 原岩温度与深度的关系 收稿 日期 2 0 1 3 0 72 5 作者简介 岳发强 1 9 7 0 一 ， 男 ， 山东莒县人 ， 高级工程师 ， 博士 ， 主要从 事资源开发及矿 山开采技术研究和管理工作 ； 北京市 朝阳区安定 门外 大街 1号信义大厦 4层 ， 中国黄金集团投资有限公司 ， 1 0 0 0 1 1 2 0 1 3年第 9期／ 第 3 4卷 找出了在不同开采深度 、 不 同采矿方法 中， 通风 和制 冷需求的估算方法 。尽管如此 ， 考虑到井下开采空间 的复杂性、 井巷圾采场结构参数的变化和差异等， 对 风流量和制冷量的估算 ， 最后还需通过经验类 比的方 法加以调整修改。 ． 2 南非金矿深部开 采的技术措施 南非金矿 开采的通风制冷技术 起步于 2 0世纪 7 0年代 ， 成熟于 8 0年代 ， 到了 9 0年代开始 向高效 、 低能耗 、 智能化 的方 向发展。在 7 0年代 ， 南非金矿井 下作业环境 的温度 湿球温度 规范为 3 2℃ ， 到 了 8 0 年代下降到 2 8℃ ， 目前的标准是 2 7℃ 。 南非金矿研究人员认为 ， 矿山井下降温的第一原 则是尽量延长仅 由通风解决井下环境 的周期 。所 以， 应对井下高热环境的首选措施是控制或限制热量 的产生和加大通风。显然 ， 这些办法的成本肯定会 比 建立和维持一个复杂 的制冷系统要低得多。归纳起 来 ， 这些措施包括 ①尽量减少燃料驱动设备的使用 ； ②尽量减少井下岩体 的暴露面积和暴露时间 ； ③尽快 充填采空区； ④尽量封闭不再使用的开挖空问 ； ⑤在 永久井巷 、 硐室的混凝土衬砌或喷射混凝土支护中加 入具有隔热保温的材料或者添加剂等 J 。 但是 ， 随着 开采深度 的增加 ， 仅靠通 风降低井下 工作场所 的温度 ， 必然受到空气 自我压缩升温的制约 和地表环境温度 的影响。矿井通风 的最大风量是 由 通风系统 ， 特别是主要通风井的风量 、 风流速度决定 的。因此 ， 对于不 同矿 山的开采技术 条件 ， 特别是井 下岩石温度的分布情况 ， 在通风降温和制冷 降温之间 有一个开采深度极 限。在这一深度极限以下 ， 必须采 取额外的制冷措施才能将部分热负荷转移到地表。 第二原则是尽量采用地表空气制冷体系并尽可 能延长其服务周期 ， 以便延缓井下制冷系统的需求 ， 从而避免复杂 的工程和成本的增加 。 因此 ， 在解决一个矿山的通风制冷问题之前 ， 最 为重要 的是确定在一个特定 的矿 山和开采深度条件 下 ， 应该采取的制冷降温措施的类 型， 或者说找到不 同降温措施所对应的技术 经济平衡极 限深度 。尽管 在建立矿山降温模型时需要对一些不定条件进行假 设 ， 但 由此得出的结论仍有非常实用的参考意义。 根据矿 山井下开采环境 的具体情况 ， 深部开采的 井下降温可 以采取以下不同措施 1 冷却井下生产用水降温。 2 进风风流的二级空气制冷。 3 控制通风区域的再循环和相应的大量空气制 冷。 4 三级制冷 采场降温 。 2 ． 1 冷却井下生产用水降温 南非金矿的井下生产大约每吨矿石需用 3 t 水。 在井下生产用水量较大的情况下 ， 用冷却井下生产用 水降温这种办法分配冷源非常有效。不但井下凿岩 所消耗的水 ， 可 以直接起到 降温作用 ， 而且可以借助 通达作业场地的管路实现热交换。必要时还可以向 掌子面喷洒冷水进一步降温 。在这种情况下 ， 沿途的 供水管路必须采取保温 隔热措施。这种方法不用铺 设专门的制冷管路 ， 但仅 限于制冷降温需求总量不大 的情况。 2 ． 2 进风风流的二级空气制冷 进风风流的二级空气 制冷是南非金矿深部开采 中应用非常广泛的一种传统方法。所谓二级制冷是 指首先在地表对冷却水制冷 ， 在井下再通过水对风流 进行制冷。在具体应用中可以采用 2种不 同热交换 方式 第一种方式是在进风巷道安设 喷水管 ， 进行直 接接触式的热交换 见图 3 ； 第二种方式是采用闭路 循环冷却管 热交换器 见 图 4 。这 2种方式各有优 劣， 前者热交换效率高 ， 但对泵送有影响 ； 而后者则热 交换效率相对较低 ， 但对泵送有利 。 图 3 水平喷洒热 交换 系统示意 图 图 4 闭路循环冷却管热 交换器示 意图 在实际应用中， 二者之间的选择主要取决于所需 热交换功率和现场的具体情况。一般来说 ， 热交换能 在 1 ． 5 M W 以下 时 ， 多采用 闭路循环 冷却管热交换 器 ； 当热交换能负荷大于 1 ． 5 MW 时 ， 一般采用直接 接触式 的喷洒热交换器。通常要有二级热交换 ， 在回 水泵送水成本较高 的情况下 ， 则需要采用 三级热交 换 ， 以达到合理的热交换效率 。 2 0 1 3年第 9期／ 第 3 4卷 ⋯ 回 风热 排 玻 i l 二 进风 回风 图 6井下 制冷设 施示意图 另外， 有些金矿， 为了进一步降低工作面的温度 或者采用正常降温措施还不能使工作面的环境温度 达到标准时 ， 采取 了直接往工作 面、 采场顶底板和矿 石爆堆上喷洒冷却水的办法 。 3 结语 尽管 目前中国黄金工业对 黄金资源 的开发利用 深度停 留在 1 0 0 0 m以上 ， 1 0 0 0 m 以下资源 的勘查 开发基本上处于刚刚起步阶段 ， 但是在过去十多年的 时间里 ， 探明资源消耗非常快 ， 近几年每年平均消耗 地质资源大约 5 0 0 t 以上 。所 以， 充分 了解和研究 国 外矿 山深部开采的案例， 特别是南非金矿深部开采 的 技术开发和应用 ， 对于中国黄金深部开采技术 的开发 具有非常重要的意义。借鉴南非黄金矿山现有的技 术成果， 参考他们在深部开采实践中获得的经验， 可 以做到未雨绸缪 ， 避免走弯路 ， 使我们 的技术开发做 到事半功倍。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 参 考 文 献] P i c k e r i n g R G B ． D e e p l e v e l mi n i n g a n d t h e r o l e o f R D[ J ] ． T h e J o u r n a l o f t h e S o u t h Af ric a n I n s t i t u t e o f Mi n i n g a n d Me t a l l u r g y， 1 9 9 6 9 ， 1 0 1 7 31 7 6 ． W i l l i s P H． T e c h n o l o g i e s r e q u i r e d f o r s a f e a n d p r o f i t a b l e d e e p l e v e l g o l d mi n i n g ， S o u t h A f ri c a[ J ]． C I M B u l l e t i n ， 2 0 0 0， 9 3 I 1 5 1 1 5 4 ． G r a v e D F H， S t r o h R M． T h e p l a n n i n g o f v e n t i l a t i o n a n d r e f r i g e r a t i o n r e q u i r e m e n t s i n d e e p m i n e s [ J ] ． T h e J o u r n a l o f t h e S o u t h A f r i c a n I n s t i t u t e o f Mi n i n g a n d Me t a l l u r gy， 1 9 7 2 1 1 7 11 8 6 ． W e bb e r R C W ， F r a n z R M ， Ma r x W M． A r e v i e w o f l o c a l a n d i n t e r - n a t i o n a l h e a t s t r e s s i n d i c e s ， s t a n d a r d s a n d l i mi t s wi t h r e f e r e n c e t o u 1 ． t r a - d e e p mi n i n g[ J ] ． T h e J o u r n a l o f t h e S o u t h A f ri c an I n s t i t u t e o f Mi n i n g a n d Me t a t l u r g y ， 2 0 0 3 6 3 1 33 2 4 ． F r a n z R M ， S c h u t t e P C．B a r o me t ri c h a z a r d s wi t h i n t h e c o n t e x t o f d e e p l e v e l mi n i n g[ J ] ． T h e J o u rna l o f th e S o u t h A f ri c a n I n s t i t u t e o f Mi n i n g a n d Me t a l l u r gy， 2 0 0 5 ， 1 0 5 7 3 8 73 9 0 ． Ma c k a y L， Bl u h m S， Re n s b u r g J Va n ． Re f rig e r a t i o n a n d c o o l i n g c o n c e p t s fo r u l t r a d e e p p l a t i n u m m i n i n g c j ] ． T h e 4 t h I n t e ma t i o n a l P l a t - i n u re C o n f e r e n c e ． T h e S o u t h e rn Af ric a n I n s t i t u t e o f Mi n i n g a n d Me t a l l u r g y， 2 0 1 02 8 52 9 2． Ra wl i n s C A． Mi n e c o o l i n g a n d i n s u l a t i o n o f c h i l l e d wa t e r t r a n s p o r t p i p e s[ J ] ． T h e J o u r n al o f t h e S o u t h e rn A f ri c a n I n s t i t u t e o f Mi n i n g and Me t a l l u r gy， 2 0 0 7 ， 1 0 7 1 0 6 8 1 6 8 8 ． T h o r p N ， B l u h m S J ． T h e u s e o f s m al l c o o l i n g p l a n t s o n a m i n e [ J ] ． T h e J o u r n al o f t h e S o u t h Af r i c a n I n s t i t u t e o f Mi n i n g a n d Me t a l l u r gy ， 1 9 8 6 2616 6． Mc P h e r s o n A u t h o r M J ． S u b s u ff a e e v e n t i l a t i o n a n d e n v i r o n m e n t a l e n g in e e ri n g [ M] ． 1 s t e d ． ， 1 9 9 3， O ri g i n a l l y p u b l i s h e d b y C h a p m a n＆ Ha l l ， Do r d r e c h t S p rin g e r ， 1 9 9 3，I S BN 9 7 89 4 01 0 4 6 7 70 ． B l u h m S， Bif fi M． Va r i a t i o n s i n u l t r a d e e p， n a r r o w ree f s t o p i n g c o n fi g u r a t i o n s a n d t h e e f f e c t s o n c o o l i n g a n d v e n t i l a t i o n[ J ] ． T h e J o u r - n a l o f t h e S o u t h Af r i c a * a I n s t i t u t e o f Mi n i n g a n d Me t a l l u r gy ， 2 0 01 5 ． 6 1 2 71 3 4 ． Un de r g r o un d c o o l i n g t e c hn o l o g i e s f o r de e p mi n i n g i n S o u t h Af r i c a’ s g o l d mi n e s Yu e F a q i a n g ， Hu Xi a n mi n g ， Z h a n g J i n g k u i 1 ． C h i n a G o l d G r o u p I n v e s t me n C o ． ， L t d ． ； 2 ． C h i n a N a t i o n a l G o l d G r o u p C o r p o r a t i o n Abs t r a c t Abo u t 6 0 ％o f t h e g o l d p r o d u c t i o n i n S o u t h Afri c a c u r r e n t l y c o me s f r o m d e e p d e p o s i t s 2 5 0 0 me t e r s b e l o w s u r f a c e， wi t h t h e d e e p e s t mi n e b e i ng 3 7 7 7 me t e r s u n d e r g r o u n d． On e o f - t h e c h a l l e n g e s i n d e e p mi ni n g i s t h e h e a t h a z a r d t o wo r k i n g e n v i r o n me n t ， wh e r e t h e r o c k t e mp e r a t u r e c a n b e a s h i g h a s 4 7 ℃ ． Ov e r t h e y e a r s ． ma n y p r a c t i c a l t e c h n o l o g i e s f o r un d e r g r o un d c o o l i n g h a v e b e e n de v e l o p e d i n t he g o l d mi n e s i n S o u t h Afri c a， a n d a bu n d a n t e x p e r i e n c e g a t h e r e d ． T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e d e e p mi n i n g c o n d i t i o n s o f S o u t h Af r i c a ’ s g o l d mi n e s ， a n d t h e me a s u r e s a n d t e c h n i c a l f e a t u r e s o f u n d e r g r o u n d c o o l i n g u n d e r d i f f e r e n t c o n d i t i o n s ， w h i c h w i l l b e u s e f u l r e f e r e n c e s for d e e p mi n i n g i n C h i n a wh e n d e a l i n g wi t h s i mi l a r p r o b l e ms ． Ke y wor ds g o l d mi ne s i n S o u t h Afri c a；d e e p mi n i n g；u n d e r g r o u n d c o o l i n g 编辑 邢万芳