高溫礦井降溫技術(shù)研究動態(tài)

　　煤礦是我國的主要能源之一。隨著社會的發(fā)展和煤炭資源開發(fā)的日益加強，礦井的開采深度不斷增大。目前，世界各主要采煤國家相繼進入深部開采，開采深度的逐步增加，地溫也隨之升高。德國和俄羅斯的一些礦山開采深度己達1400~ 1500m；南非卡里頓維爾金礦開采深度達3800m，豎井井底己達地表以下4146m；加拿大超千米的礦井有30座，美國有11座。我國煤礦1980年平均開采深度為288m，到1995年已達428m，并且目前的開采深度平均每年以8~12m的速度增加，采深超過1000m的礦井己有數(shù)十對。

據(jù)世界各地的測量資料，全球平均地溫梯度約為3℃/100m，據(jù)全國礦井高溫?zé)岷ζ詹橘Y料統(tǒng)計，我國目前已有65對礦井出現(xiàn)了不同程度的熱害，其中38對礦井的采掘工作面氣溫超過30℃。據(jù)我國煤田地溫觀測資料統(tǒng)計，百米地溫梯度為2~4℃/100m，例如平頂山八礦平均地溫梯度為3.4℃/100m，-430m水平的原始巖溫為33.2~33.6℃，采掘工作面的氣溫在29~32℃，最高己達34℃。世界各國對井下溫度做出規(guī)定，我國2005年1月1日起實施的新《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，生產(chǎn)礦井采掘工作面空氣溫度不得超過26℃，機電設(shè)備硐室的空氣溫度不得超過30℃。

深井開采條件下，地溫不斷升高，熱害以及有毒有害氣體、粉塵的危害也日益增大。這些危害嚴重影響作業(yè)工人的效率以及他們的身心健康，甚至很可能導(dǎo)致一些礦井惡性事故的發(fā)生，給礦井的安全生產(chǎn)及其日常管理帶來了極大的威脅?？梢?，煤礦深井降溫技術(shù)正成為國內(nèi)外礦山研究的一個重要領(lǐng)域。

一、高溫礦井熱源

1、空氣自壓縮放熱

空氣的自壓縮并不是一個熱源，它是在地球重力場作用下，空氣絕熱地沿井巷向下流動時，其溫升是由于位能轉(zhuǎn)換為焓的結(jié)果，而不是由外部熱源輸入熱流造成的。但對深礦井來說，自壓縮引起風(fēng)流的溫升在礦井的通風(fēng)與空調(diào)中所占的比例很大，所以一般將它歸在熱源中進行討論。

2、圍巖散熱

井下未被擾動巖石的溫度(原始巖溫)是隨著與地表的距離加大而上升的，其溫度的變化是由自地心徑向外的熱流造成的。在一個不大的地區(qū)內(nèi)，大地的熱流是相當(dāng)穩(wěn)定的，一般為60~70mW/m2，但在某些熱流異常地區(qū)，其值可能變動很大。原始巖溫隨深度而上升的速度(地溫梯度)主要取決于巖石的導(dǎo)熱系數(shù)與大地?zé)崃髦?，原始巖溫的具體數(shù)值決定于溫度梯度與埋藏深度。圍巖向井巷傳熱的途徑有兩個：一是借熱傳導(dǎo)自巖體深處向井巷傳熱；二是經(jīng)裂隙水借對流將熱量傳給井巷。

3、機電設(shè)備散熱

目前我國煤礦井下所使用的能源，幾乎全部采用的是電源，壓縮空氣及內(nèi)燃機的使用量都很少。機電設(shè)備所消耗的能量除了部份用以做有用功處，其余全部轉(zhuǎn)換為熱能并散發(fā)到周圍的介質(zhì)中去。井下機電設(shè)備主要有采掘機械、提升運輸設(shè)備、扇風(fēng)機、電機車、變壓器、水泵、照明設(shè)備。

4、氧化熱和炸藥爆破熱

如硫化礦、煤等碎石都會氧化發(fā)熱，若到達自燃階段，發(fā)熱更大，是礦內(nèi)氧化發(fā)熱的主要熱源。其它如坑木、充填材料、油、包裝料等的氧化發(fā)熱影響并不顯著。用放頂法開采的長壁采煤工作面中，從采空區(qū)煤氧化而來的發(fā)熱，又加上空場漏風(fēng)助勢，一般都占全煤工作面總熱量的30%以上，有時達到55%。

炸藥爆炸產(chǎn)生的熱量全部傳給了空氣。常用的2#巖石銷銨炸藥爆破熱為3639kJ/kg，其產(chǎn)生的熱量是相當(dāng)可觀的，因此應(yīng)當(dāng)考慮炸藥的爆破熱。

二、深井降溫措施

1、增加風(fēng)量

在礦井熱害不太嚴重的情況下，可以加大風(fēng)量以降低井下溫度。改善通風(fēng)系統(tǒng)，增加井下通風(fēng)量，可采用下列措施：減少風(fēng)阻；防止漏風(fēng)；加大扇風(fēng)機能力；采用合理分風(fēng)與輔助風(fēng)路通風(fēng)法；加強通風(fēng)管理等。但是，風(fēng)量的增加不是無限制的，它受規(guī)定的風(fēng)速和降溫成本的制約，且當(dāng)風(fēng)量加大到一定程度后其降溫作用會逐漸減小直至消失。

2、改革通風(fēng)方式

將上行風(fēng)改為下行風(fēng)，對降低風(fēng)溫是有益的。這是因為風(fēng)流是從巖溫較低的、已被冷卻的較高水平流進工作面去的。在一般情況下，采用下行通風(fēng)可使工作面的風(fēng)溫降低1~2℃。

3、避開局部熱源

井下各種局部熱源，如機電設(shè)備散熱、熱水散熱、礦物氧化放熱以及采空區(qū)的漏風(fēng)等都會對風(fēng)流加熱。因此需要分析礦井的熱源，有針對性地采取措施減少熱量的排放，并使新鮮風(fēng)流盡量避開這些局部熱源，減少熱源對風(fēng)流的加熱，以降低風(fēng)流溫度和濕度的上升。

4、預(yù)冷進風(fēng)風(fēng)流

采用非制冷措施降低進入工作面的風(fēng)流溫度。如讓風(fēng)流通過一段有噴淋水霧的巷道，將其冷卻，該方法可達到降溫和降塵的目的，其缺點就是會增加風(fēng)流的濕度，有可能會導(dǎo)致高濕的作業(yè)環(huán)境。

另外可以以低巖溫巷道冷卻風(fēng)流。該技術(shù)最早由我國東北大學(xué)提出，是在井下巖層溫度的測定的基礎(chǔ)上，利用位于恒溫層處的大量的廢棄坑道對入風(fēng)風(fēng)流進行了預(yù)冷降溫。通過現(xiàn)場實際測定證明，經(jīng)過低溫巖層預(yù)冷的入風(fēng)流溫度要比由入風(fēng)井直接進入井下的入風(fēng)流溫度底3~5℃。

5、隔絕高溫圍巖

當(dāng)圍巖溫度很高時，就要采用某些隔熱材料噴涂巖壁，防止圍巖通過巖壁向巷道中的空氣散熱。焦作工學(xué)院郭文兵等研制出適合于煤礦井下高溫地段巷道使用的礦用隔熱材料。該材料是以硅酸鹽水泥和生石灰作為基本水硬性材料.以硅灰石、粉煤灰作為輔助水硬性材料及填料，以珍珠巖作為填充材料，以石膏等作為增強劑，以鋁粉作為發(fā)泡劑，做成具有一定形狀的多孔狀塊料。經(jīng)實測，在井下圍巖溫度大于35℃條件下的進風(fēng)巷道內(nèi)應(yīng)用該隔熱材料的效果較明顯，可使巷道內(nèi)的溫度最大降低3~4.5℃，采煤工作面溫度可降低2~3℃。

6、熱水防治

熱水對風(fēng)流的加熱作用相當(dāng)顯著。治理深井熱水的熱量和熱蒸氣進入風(fēng)流的主要辦法是：超前疏干地下水源，疏干的熱水經(jīng)有隔熱蓋板的水溝導(dǎo)入水倉，再用隔熱管路排至地面。也可打?qū)Ｓ玫氖枧艧崴牧⒕⑿本推巾吓懦鰺崴?/P>

7、采取個體防護

人體防護就是在礦內(nèi)某些氣候條件惡劣的地點，由于技術(shù)和經(jīng)濟上的原因，不宜采取風(fēng)流冷卻措施時，可讓礦工穿上冷卻服，以實現(xiàn)個體保護。研究表明，穿著冷卻服是保護個體免受惡劣氣候環(huán)境危害的有效措施。它的作用是：當(dāng)環(huán)境的溫度較高時，可以防止其對身體的對流和輻射傳熱，使人體在體力勞動中所產(chǎn)生的新陳代謝熱能，較容易地傳給冷卻服中的冷媒。冷卻服的適用范圍很廣，即可以是獨頭高溫工作面，又可以是井下各種大型設(shè)備操作人員和未采用中央制冷空調(diào)時的井下游動工作人員和生產(chǎn)管理者。個體防護的制冷成本僅為其它制冷成本的1/5左右，因而世界各國爭相開展冷卻服的研制，走在技術(shù)前列的有德國、南非、美國、澳大利亞。

8、人工制冷降溫

當(dāng)采用隔絕熱源、加強通風(fēng)等非制冷措施不足以消除井下熱害，或技術(shù)經(jīng)濟效果不佳的情況下，才考慮采取人工制冷降溫。按制冷機的容量和設(shè)置位置可大致分為：(1)獨立移動式制冷機，即在各工作而實施局部制冷的方式；(2)大型制冷機安裝在地表或井下的集中固定式制冷方式，即制冷機在豎井井口或井底冷卻全部進風(fēng)的直接制冷方式和制冷機的冷水用送水管送往工作面附近與移動式熱交換器配套，組成局部冷卻的分散制冷方式。

80年代中期，南非一些金礦開始采用冰冷卻系統(tǒng)進行井下降溫。1985年，南非的東蘭德礦山控股公司，首先在梅里普魯特一號井建成了冰冷卻系統(tǒng)，冷卻功率為29MW。冰冷卻系統(tǒng)的主要原理是利用冰的溶解熱，通過冰的溶解把水冷卻到接近0℃，然后把冰冷水送到各工作而，系統(tǒng)由冰的制備、冰的輸送和冰的溶解三個主要部分組成。冰冷卻系統(tǒng)作為一種新型制冷系統(tǒng)，和水冷卻系統(tǒng)相比具有無靜水壓力、電能消耗低、無須井下高低壓換熱設(shè)備、需水量少、增容能力大及制冷效率高等突出優(yōu)點。冰冷卻系統(tǒng)的提出和應(yīng)用為深井降溫開拓了一條新的途徑。

三、結(jié)束語

隨著我國煤礦開采深度的不斷增加，高溫礦井的數(shù)量也在不斷增多，如何有效解決礦井高溫問題己迫在眉睫。目前，避開局部熱源、加強通風(fēng)、預(yù)冷進風(fēng)風(fēng)流等優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)的方法在我國礦井熱害治理中應(yīng)用較為成熟，對隔絕高溫圍巖、個體防護和水冷卻技術(shù)的研究也有很大的進展，而冰冷卻技術(shù)在礦井降溫中應(yīng)用還處在起步階段，但作為一種新型礦井降溫技術(shù)，由于其所具有的獨特優(yōu)勢在我國深井熱害治理將有著良好的應(yīng)用前景。