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摘要：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1400~ 1500m;南非卡里顿维尔金矿开采深度达3800m,竖井井底己达地表以下4146m;加拿大超千米的矿井有30座,美国有11座。我国煤矿1980年平均开采深度为288m,到1995年已达428m,并且目前的开采深度平均每年以8~12m的速度增加,采深超过1000m的矿井己有数十对。 江苏徐州矿业集团各矿井大多开采深度已到800米以下，我矿最深处将近千米，地温问题已十分严重。
关键词：高温矿井降温安全技术
中图分类号：C35文献标识码： A
我国2005年1月1日起实施的新《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26℃,机电设备硐室的空气温度不得超过30℃。 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,甚至很可能导致一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
1、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
井下未被扰动岩石的温度(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60~70mW/m2,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热量的30%以上,有时达到55%。
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3639kJ/kg,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
1、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℃。
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制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35℃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,又可以是井下各種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1/5左右,因而世界各国争相开展冷却服的研制,走在技术前列的有德国、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,才考虑采取人工制冷降温。按制冷机的容量和设置位置可大致分为:(1)独立移动式制冷机,即在各工作而实施局部制冷的方式;(2)大型制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制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。
80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。1985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29MW。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0℃,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。
作者简介：蔡建，徐矿集团旗山煤矿生产技术部掘进助理工程师，长期从事煤矿掘进技术管理工作。
关键词：高温矿井降温安全技术
中图分类号：C35文献标识码： A
我国2005年1月1日起实施的新《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26℃,机电设备硐室的空气温度不得超过30℃。 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,甚至很可能导致一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
1、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
井下未被扰动岩石的温度(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60~70mW/m2,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热量的30%以上,有时达到55%。
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3639kJ/kg,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
1、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℃。
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制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35℃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,又可以是井下各種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1/5左右,因而世界各国争相开展冷却服的研制,走在技术前列的有德国、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,才考虑采取人工制冷降温。按制冷机的容量和设置位置可大致分为:(1)独立移动式制冷机,即在各工作而实施局部制冷的方式;(2)大型制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制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。
80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。1985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29MW。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0℃,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。
作者简介：蔡建，徐矿集团旗山煤矿生产技术部掘进助理工程师，长期从事煤矿掘进技术管理工作。