高温矿井降温技术研究动态(1).pdf

安全技术 口 黄颖 华 沈斐敏 福 州大 学环 境与 资源 学院 煤 矿 是 我 国 的 主 要 能 源 之 一 。 随 着 社 会 的 发 展 和 煤 炭 资源 开发 的 日益 加 强 ．矿 井 的开 采 深 度 不 断增 大。目前 ． 世界各主要 采煤 国家相继 进 入 深 部 开 采 ．开 采 深 度 的 逐 步 增 加 。 地 温 也 随之 升 高 。 德 国和 俄 罗斯 的 一 些 矿 山 开 采 深 度 己 达 1 4 0 0～ 1 5 0 0 m 南非 卡 里 顿 维 尔 金 矿 开 采深 度 达 3 8 0 0 m ．竖 井 井 底 己 达 地 表 以 下 4 1 4 6 m 加 拿 大 超 干米 的 矿 井 有 3 O座 ， 美 国有 l l座 。我 国煤 矿 1 9 8 0 年 平 均 开 采 深度 为 2 8 8 m ． 到 1 9 9 5年 已达 4 2 8 m． 并 且 目前 的 开采 深度 平 均 每 年 以 8 ～ 1 2 m 的速 度 增 加 ，采 深 超 过 l O 0 0 m 的 矿 井 己有 数 十 对 。 据 世 界 各 地 的 测 量 资 料 ．全 球 平 均 地 温 梯 度约 为 3 ℃／ l O O m。据 全 国 矿 井 高 温 热 害 普 查 资 料 统 计 ． 我 国 目前 已 有 6 5对 矿 井 出 现 了 不 同 程 度 的热 害 ． 其 中 3 8对 矿 井 的 采掘 工作 面 气 温 超 过 3 O ℃ 。据 我 国煤 田 地 温 观 测 资 料 统 计 ． 百米 地 温梯 度 为 2 4 ℃／ l O O m． 例 如 平 顶 山 八 矿 平 均 地 温 梯 度 为 3 ． 4 ℃， l O O m， 一 4 3 0 m 水 平 的 原 始 岩 温 为 3 3 ． 2 ～ 3 3 ． 6 ℃ ． 采 掘 工作 面 的气温 在 2 9 3 2 ℃ ． 最高 己 达 3 4 ℃。 世界 各 国对 井下 温 度 做 出 规 定 ， 我 国 2 0 0 5年 1月 1曰起 实 施 的新 煤 矿 安全 规 程 规 定 ， 生 产 矿 井 采 掘 工 作 面 空 气 温 度 不 得 超 过 2 6 ℃ ．机 电设 备 硐 室 的 空 气 温 度 不 得 超 过 3 O ℃ 。 深 井 开 采 条 件 下 ．地 温 不 断 升 高 。 热 害 以 及 有 毒 有 害 气 体 、 粉 尘 的 危 害 也 日益增 大 。 这 些 危 害严 重 影 响 作 业 工 人 的效 率 以 及 他 们 的 身 心 健 康 。甚 至很 可 能 导 致 ～ 些矿 井 恶 性 事 故 的 发 生 ，给 矿 井 的 安 全 生 产 及 其 日常 管 理 带 来 了 极 大 的 威 胁 。 可 见 ，煤 矿深 井 降 温 技 术 正 成 为 国 内外 矿 山 研 究 的 一 个 重要 领 域 。 一 、高 温矿 井热 源 l、 空 气 自压 缩 放 热 空 气 的 自 压 缩 并 不 是 一 个 热 源 ． 它 是在 地球 重 力 场 作 用 下 。 空 气 绝 热 地 沿 井巷 向 下 流 动 时 ，其温 升 是 由于 位 能 转换 为 焓 的结 果 ．而 不 是 由 外部 热 源 输 入 热 流 造 成 的 。 但 对 深 矿 井 来 说 ， 自压 缩 引 起 风 流 的 温 升 在 矿 井 的 通 风 与 空 调 中 所 占 的 比 例 很 大 。所 以 一 般 将 它 归 在 热 源 中进 行 讨 论 。 2、围 岩 散 热 井 下 来被 扰 动 岩 石 的 温 度 原 始 岩 温 是 随 着 与 地 表 的 距 离加 大 而 上升 的 ，其温 度 的变 化 是 由 自地 心 径 向 外 的 热流 造 成 的 。在 一个 不 大 的地 区 内 ，大 地 的热 流 是相 当 稳 定 的 。 一 般 为 6 0～ 7 0 mW， m 。 但 在 某 些 热 流 异 常 地 区 ．其 值 可 能 变 动 很 大 。 原 始 岩 温 随 深 度 而 上 升 的 速 度 地 温 梯 度 主 要 取 决 于 岩 石 的 导 热 系 数 与 大 地 热 流 值 ．原 始 岩 温 的具 体 数 值 决 定 于 温 度 梯 度 与 埋 藏 深 度 。围 岩 向井 巷 传 热 的 途 径 有 两个 一 是 借 热 传 导 自岩 体 深 处 向 井巷 传 热 ；二 是 经 裂 隙 水 借 对 流将 热 量 传 给 井巷 。 3、 机 电 设 备 散 热 目前 我 国煤 矿 井 下 所 使 用 的 能 源 ． 几 乎 全 部 采 用 的是 电源 ， 压 缩 空 气及 内 燃 机 的 使 用 量 都 很 少 。 机 电 设 备 所 消 耗 的 能 量 除 了 部 份 用 以做 有 用 功 处 ，其 余 全 部 转 换 为 热 能 并 散 发 到 周 围 的介 质 中 去 。 井 下 机 电 设 备 主 要 有 采 掘 机 械 、提 升 运 输 设 备 、 扇 风 机 、 电机 车 、 变 压 器 、 水 泵 、 照 明设 备 。 4、 氧化 热 和 炸 药爆 破 热 如 硫 化 矿 、煤 等 碎 石 都 会 氧 化 发 热 ， 若 到 达 自燃 阶 段 ， 发 热 更 大 ， 是 矿 内 氧 化 发 热 的 主要 热 源 。 其 它 如 坑 木 、 充 填 材 料 、 油 、 包 装 料 等 的 氧 化 发 热 影 响 并 不 显 著 。用 放 顶 法 开 采 的 长 壁 采 煤 工作 面 中 ，从 采 空 区煤 氧 化 而 来 的发 热 ，又 加 上 空 场 漏 风 助 势 ，一 般 都 占 全 煤 工 作 面 总 维普资讯 热 量 的 3 O ％以 上 ， 有时 达 到 5 5 ％。 炸 药 爆 炸 产 生 的 热 量 全 部 传 给 了空 气 。常 用 的 2 岩石 销 铵炸 药 爆 破 热 为 3 6 3 9 k J ／ k g，其产 生 的热 量 是 相 当 可 观 的 ，因 此 应 当 考 虑 炸 药 的 爆 破 热 。 二 、 深 井 降 温措 施 l、 增 加 风 量 在 矿 井 热 害 不 太 严 重 的 情 况 下 ， 可 以 加 大 风 量 以 降 低 井 下 温 度 。 改 善通风 系统 ， 增加井下通风量 ． 可 采 用下 列 措 施 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 。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 ，且 当风量 加大到一定程 度后 其 降温 作 用会 逐 渐 减 小 直 至 消 失 。 2、 改 革 通 风 方 式 将 上 行 风 改 为 下 行 风 ，对 降 低 风 温 是 有 益 的 。 这 是 因 为 风流 是 从 岩 温 较 低 的 、已 被 冷 却 的较 高 水 平 流 进 工作 面 去 的 。 在 一 般 情 况 下 ． 采 用 下 行 通 风 可 使 工 作面 的 风 温 降 低 1 2 ℃ 。 3、 避 开 局 部 热 源 井 下 各 种 局 部 热 源 ，如 机 电 设 备散 热 、 热 水 散 热 、 矿物 氧 化 放 热 以 及 采 空 区 的 漏 风 等都 会 对 风 流 加 热 。因 此需 要 分 析 矿 井 的 热 源 ， 有针 对 性地 采取措 施减 少热量 的排放 。 并 使 新 鲜 风 流 尽 量 避 开 这 些 局 部 热 源 ， 减 少 热 源 对 风 流 的加 热 ， 以 降 低 风 流 温 度 和 湿度 的 上 升 。 4、 预 冷 进 风 风 流 采 用 非 制 冷 措 施 降 低 进 入 工 作 面 的风 流 温 度 。 如 让 风 流 通 过 一 段 有喷淋水雾的巷道 ， 将其冷却 ， 该方 法 可 达 到 降 温 和 降 尘 的 目 的 ．其 缺 点 就 是 会 增 加 风 流 的 湿 度 ，有 可 能 会 导致 高 湿 的作 业 环 境 。 另 外 可 以 以 低 岩 温 巷 道 冷 却 风 流 。该 技 术 最 早 由 我 国 东 北 大 学 提 出 ，是 在 井 下 岩 层 温 度 的测 定 的 基 础 上 ，利 用位 于 恒 温 层 处 的大 量 的 废 弃 坑 道 对 入 风 风 流 进 行 了预 冷 降 温 。 通过现场实际测定证明 ， 经 过低 温 岩层 预冷 的入风流温 度要比 由入 风 井 直接 进 入 井 下 的入 风 流 温 度 底 3 5 C。 5 、 隔绝 高温 围岩 当 围 岩 温 度 很 高 时 ，就 要 采 用 某 些隔 热 材 料 喷 涂 岩 壁 ，防 止 围 岩 通 过岩 壁 向 巷 道 中 的空 气 散 热 。焦 作 工 学 院 郭 文 兵 等 研 带 I_ 出适 合 于 煤 矿 井 下 高 温 地 段 巷 道 使 用 的矿 用 隔 热 材 料 。该 材 料 是 以 硅 酸 盐 水 泥 和 生 石 灰 作 为 基 本 水 硬 性 材 料 ．以 硅 灰 石 、粉 煤 灰 作 为 辅 助 水 硬 性 材 料 及 填 料 ， 以珍 珠 岩 作 为 填 充 材 料 ， 以 石 膏 等 作 为 增 强 剂 ，以 铝 粉 作 为发 泡 剂 ，做 成 具 有 一 定 形 状 的多 孔 状 块 料 。经 实 测 ， 在 井 下 围 岩 温度 大 于 3 5 ℃ 条 件 下 的进 风 巷 道 内 应 用 该 隔 热 材料 的 效 果 较 明 显 ，可 使 巷 道 内 的温度最大降低 3 4 ． 5 ℃， 采煤 工作 面 温 度 可 降 低 2 3 ℃ 。 6、 热 水 防 治 热 水 对 风 流 的 加 热 作 用 相 当显 著 。 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 地 下 水 源 ，疏 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 。 也 可 打 专 用 的 疏 排 热 水 的立 井 、 斜 井 和 平 硐 排 出 热 水 。 7、 采 取 个 体 防 护 人 体 防 护 就 是 在 矿 内 某 些 气 候 条件恶劣 的地 点 ，由于技术 和经济 上 的原 因 ， 不 宜 采 取 风 流 冷 却 措 施 时 ， 可 让矿 工 穿 上冷 却 服 ． 以 实现 个 体 保 护 。研 究 表 明 ． 穿 着 冷 却 服 是 保 护 个体免受恶劣 气候 环境危害 的有 效 措 施 。它 的 作 用 是 当环 境 的 温度 较 高时 ，可 以防止其对身体 的对流 和 辐 射 传 热 ，使 人体 在 体 力 劳 动 中 所 产 生 的 新 陈 代谢 热 能 ，较 容 易 地 传 给冷却服中 的冷媒 。冷却服 的适 用 范 围 很 广 ，即 可 以 是独 头 高 温 工 作 面 ，又 可 以 是井 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 。 个 体 防 护 的制 冷 成 本 仅 为 其 它 制 冷 成 本 的 l ， 5左 右 ． 因 而 世 界 各 国 争 相 开 展 冷 却 服 的研 制 ．走 在 技 安 全技术 鬻 0 纛 蕾 蠢 S 强 术 前 列 的 有 德 国 、 南 非 、 美 国 、 澳 大 利 亚 。 8、 人 工制 冷 降 温 当 采 用 隔 绝 热 源 、加 强 通 风 等 非 制 冷 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 考虑 采取人工 带 I_ 冷降温 。按 制冷机 的 容 量 和 设 置 位 置 可 大 致 分 为 1 独 立移动 式带 I _ 冷机 ，即在各 工作而 实施局 部制冷 的方式 ； 2 大 型带 I _ 冷 机 安 装 在 地 表 或 井 下 的 集 中 固 定 式 制 冷 方 式 ，即 制 冷 机 在 竖 井 井 口或 井 底 冷 却 全 部 进 风 的 直 接 制 冷 方 式 和 带 I _ 冷 机 的 冷 水 用 送 水 管 送 往 工 作 面 附 近 与 移 动 式 热 交 换 器 配 套 ， 组 成 局 部 冷 却 的 分 散 制 冷 方 式 。 8 0年 代 中 期 ，南 非 一 些 金 矿 开 始 采 用 冰 冷 却 系 统 进 行 井 下 降 温 。 1 9 8 5年 ，南 非 的东 兰 德 矿 山 控 股 公 司 ， 首 先 在 梅 里 普 鲁 特 一 号 井 建 成 了冰 冷却 系统 ， 冷却功 率为 2 9 MW。 冰 冷 却 系 统 的 主 要 原 理 是 利 用 冰 的 溶 解 热 ，通 过 冰 的 溶 解 把 水 冷 却 到 接 近 o C， 然 后 把冰 冷 水 送 到 各 工作 而 ， 系 统 由冰 的 制 备 、 冰 的输 送 和 冰 的 溶 解 三 个 主 要 部 分 组 成 。 冰 冷 却 系 统 作 为 一 种 新 型 制 冷 系统 ．和 水 冷 却 系 统 相 比 具 有 无 静 水 压 力 、 电 能消耗 低 、无须 井下高低压换 热设 备 、 需水量少 、 增容能 力大及 制冷效 率 高 等 突 出 优 点 。 冰 冷 却 系 统 的 提 出 和 应 用 为 深 井 降 温 开 拓 了 一 条 新 的途 径 。 三 、 结 束 语 随着我 国煤矿 开 采深度 的不断 增 加 ，高温 矿井 的数量也在 不断增 多 ，如 何 有 效 解 决 矿 井 高 温 问题 己 迫 在 眉 睫 。 目前 ， 避 开 局 部 热 源 、 加 强 通 风 、预 冷 进 风 风 流 等 优 化 通 风 系 统 的 方 法 在 我 国 矿 井 热 害 治理 中 应 用 较 为 成 熟 ， 对 隔 绝 高 温 围 岩 、 个 体 防 护 和 水 冷 却 技 术 的 研 究 也 有很 大 的 进 展 ，而 冰 冷 却 技 术在 矿 井 降 温 中 应 用 还 处 在 起 步 阶 段 ，但 作 为 一 种 新 型 矿 井 降 温 技 术 ，由 于 其 所 具 有 的 独 特 优 势 在 我 国深 井 热 害 治 理 将 有着 良好 的 应 用 前景 。 2 0 0 6 1 1 维普资讯