2011, Vol. 2引用本文 |
| 某深井特大型高硫铜矿高温热害分析及防治 |  [PDF全文] |
b. 江西理工大学 资源与环境工程学院，江西 赣州 341000
b. Faculty of Resource and Environmental Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China
随着矿山开采深度的加大和机械化程度的提高，矿井高温热害日趋严重.如某埋藏深度超过千米的特大型高硫铜矿床，地处北亚热带湿润季风气候，夏季年平均气温27.4 ℃，极端气温高达40.2 ℃，平均地温梯度2.2 ℃/100 m.其1#主矿体（占矿床总储量的98 %）埋藏深度在700 m至1100 m之间，原岩温度为30~39.8 ℃，矿石平均含硫率为17 %，最高可达19 %.基建期间测得深度为1000~1050 m的井巷岩温为38.92 ℃，井下风温达31~36 ℃，超过了《金属非金属矿山安全规程》中的规定.这不仅对工人的身体健康造成极大的伤害，而且严重影响工人的劳动生产效率，增加设备的维护量，已成为影响矿山安全生产的重要因素之一.因此，论文通过对该铜矿井下气候条件进行调查和测定，分析热害及其形成原因，并研究热害的防治技术.
1 矿井热害调查 1.1 矿井热害调查方法矿井热害调查主要是通过了解井下高温作业点的分布情况，比如有代表性的掘进、采准及充填作业面等，对其环境条件以及进风井口至该作业点沿途的热力参数进行测定，掌握矿井系统中风流焓增、围岩散热、矿井水散热、压缩机及机电设备散热、充填体散热、矿石氧化散热等热源的分布状况，并利用热电偶探头、电位差计、流速仪、KA32智能型热式风速风量仪等仪器分别测出岩温、水温、风流环境参数、巷道几何参数等[1-2]，分析矿井热害的形成原因.
1.2 矿井热害调查内容该矿井下有7个生产作业水平，从上至下依次简称为-1、-2、-3、-4、-5、-6、-7水平.现场调查的主要内容包括各水平的岩石温度、风流温度、有代表性的采矿场和独头掘进作业面的风流温度、充填作业温度（包括充填体、充填管、水）、柴油机作业温度等.
1.2.1 岩温调查矿井岩温调查主要测定通风巷道及采场所暴露岩石的表面温度，测定结果如表 1.
| 表 1 岩温测定结果 |
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1.2.2 水温调查
在进行矿井水温调查时，主要对井下通风巷道中的排水水温进行测定，测定结果如表 2.
| 表 2 水温测定结果 |
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1.2.3 风温调查
矿井风温的调查主要是测定风机机站供风、通风巷道及采场的风流参数，测定结果如表 3.
| 表 3 风温测定结果 |
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1.3 调查结果与分析
从表 1、表 2和表 3调查测定结果可以看出，该高硫铜矿的井下作业环境温度偏高，普遍超出《金属非金属矿山安全规程》允许值2 ℃，其主要原因分析如下.
（1）巷道围岩放热.根据该矿的地温梯度和恒温带温度可计算出-3、-4、-6水平的岩温分别为34.71 ℃、35.37 ℃、36.69 ℃，与测定的岩温数据相比，普遍要高出1~4 ℃.可见，当井下巷道内有风流通过时，围岩对风流放热，围岩放热占井下热量的48 %[3]，使得风流温度升高.
（2）空气压缩热.该矿新鲜风流由地表（+51 m）沿经井筒进入井下，受空气压缩生热影响而升高的温度最高可达4.1 ℃.而且这个加温压缩的多变过程所引起的焓增，只与两点标高有关，随着开采深度的加深而相应增大[4].因此，该矿作为一个不断向深部采掘的矿山，空气压缩生热是一个重要的热源.
（3）充填体放热.该矿采用阶段空场嗣后胶结充填的采矿方法.在井下充填作业过程中，胶结充填料的氧化会放出大量的热，并通过充填体和泥水放热，从而影响附近的气候条件，成为该矿井下主要热源之一.
（4）矿石氧化放热.根据采场作业面的调查结果可以看出，暴露的矿石由于含硫量较高，在受到岩温影响的情况下发生氧化，释放出大量的热，导致采区风流温度升高，同时也影响周围环境的温度，也是井下的一个主要高温热源.
（5）机电设备放热.该矿采用多级机站通风方式，井下风机的装机总功率高达3090 kW.同时，大型机械化作业所采用的无轨柴油机设备多，其正常运行所产生的热能均会与风流进行热交换，是井下一个不可忽视的高温热源.
（6）地下水放热.由水温调查结果发现，井下各水平均有大量地下热水涌出，且放热量传递给风流的速度比岩石更快，导致附近风流焓值增大，风温升高，且随着矿井深度的增加，其产生的影响逐步增大.
（7）地表大气热.由于该矿副井、进风井进风量大、风速高以及井下各中段、盘区主要进风巷道的风路短，地表大气温度对井下风流也有一定的影响，特别是夏季高温季节，其影响尤为突出.
2 矿井高温热害分析 2.1 对人体的危害当井下工人的作业环境温度偏高时，人体产热不易通过辐射、对流、传导和蒸发散热的方式及时散发出去，就会致使体温升高，产生头晕、恶心、呕吐以及晕厥等症状，严重时还会危及生命.因此，工人在井下高温环境下工作时，其身体健康将受到严重危害.
2.2 对机械设备的危害井下机电设备、电缆等所产生的热量均是通过与环境的对流来散发.当其工作环境的温度、湿度高时，必将导致其散热困难，易导致机电设备发生故障.如电缆的绝缘受损漏电、柴油机密封圈老化漏油等.
2.3 对安全生产的影响井下工人在高温环境下持续作业时，中枢神经系统容易失调，其注意力、判断力及反应能力均会逐渐减退，并随着环境条件的恶化而加剧.这种低迷的精神状态往往会成为井下事故发生的诱因，对矿山的安全生产构成极大的威胁.据国外统计资料介绍，在井下作业地点气温超过30℃时，事故发生率比低于30 ℃时高1~1.5倍[5].
2.4 对工作效率的影响井下气候条件对矿山生产效率的影响分“有形”和“无形”两种[6].“有形”的影响是恶劣的热环境直接损害工人身心健康，使工人出现各种不良状态，劳动时间减少或出现各种疾病，降低出勤率，从而影响整个矿山的生产效率；“无形”的影响是在热环境中作业时，作业人员中枢神经受抑制，肌肉活动能力降低，同时感到闷热难受、汗流浃背、心情烦躁，注意力不集中以及机电设备在高温高湿条件下散热困难，或绝缘受损，或设备温升过高而损坏，造成生产效率的降低.
3 矿井高温热害防治技术根据国内外矿山的生产实践经验可以发现，通过加强通风、优化通风网络等非人工措施是降低工作面的风流温度、改善井下气候条件的有效措施，也是矿井热害治理的首选方法.
3.1 非人工制冷技术 3.1.1 通风降温该矿采用单翼对角式的两级机站通风系统.由于采场生产的机械化程度高、采场的需风量大、各中段同时生产盘区的数量多，且无轨设备运输频繁，因此，在各中段的作业盘区无法设置分风风机机站，从而导致盘区风流短路严重，作业面的进风量较小，作业环境温度较高，作业环境恶劣.
为此，在-3水平进行了应用矿用空气幕作为二级机站分配风流的试验研究，在矿用空气幕开、关两种状态下，对盘区的气候条件进行了测定，结果如表 4.
| 表 4 矿用空气幕应用效果 |
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试验结果表明，在盘区采用矿用空气幕加强通风后，起到了很好的降温效果：各穿脉、作业面有效风量明显增加，风流温度普遍降低了1 ℃.
3.1.2 优化通风网络由于该矿同时生产的中段有-2、-3、-4和-5水平，作业采场数量多、分布广，不同作业的采场对风流干扰很大.因此，可优化通风网络，从上至下形成充填、凿岩、出矿和有轨运输4个相对独立的通风网络，使其风流互不干扰.
3.1.3 调整矿床回采顺序该矿区矿床水平走向从48线到60线，最大宽度882 m，最小宽度204 m.矿体一般厚度30~50 m，58线附近是矿体最厚部分.因此，可采取从60线到48线的后退式回采顺序，减少风流短路，增加工作面风量，有利于通风降温.同时，58线附近矿体产状稳定、品位较高，也有利于矿山初期经济效益.
3.1.4 控制热源降温在基于井下的调查结果的基础上，同时可采取以下措施，控制热源放热量，达到降温的目的：在热害严重的局部地段如掘进巷道，在岩壁上喷涂隔热材料来减少放热量；机电硐室实行独立通风，水泵房和变电所的回风从辅助井排出；辅扇安装在回风侧、禁用低效率设备以及错开井下爆破时间和采矿时间，有效减少热量的释放.
3.1.5 个体防护针对井下某些气候条件恶劣的地点，由于经济和技术上的原因，不宜采取风流冷却措施时，可以让矿工穿上冷却服，实行个体保护，防止其对身体进行对流和辐射传热，使人体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，减少热环境对人体的危害[7].
3.2 矿井空调技术当采取加强通风、隔绝热源的非人工措施还无法解决井下热害时，就必须采用矿井空调技术.目前，国内外发展较快较成熟的矿井空调降温系统主要有机械制冷水降温空调系统和冰冷却空调系统两种.
3.2.1 机械制冷水降温空调系统这种矿井空调系统根据制冷站所处位置的不同可以分为以下3种基本类型[8-9].
（1）井下集中空调系统.制冷机设在井下，通过管道集中向各工作面供冷水，系统比较简单，供冷管道短，没有高低压换热器，仅有冷水循环管路.但需要开凿大断面硐室，给施工和维护带来困难.并且随着开采深度的增加，矿井需求冷量的增大，冷凝热排放困难，制约了制冷能力.
（2）地面集中空调系统.制冷机设于地面，空冷器设在井下.由于从地面到井下高差大，在载冷剂(冷水或盐水)通过隔热管道被送到空冷器过程中，输送管道中的静压很大，井下需增设高低压换热器.但高压侧的载冷剂循环管道承压大，易被腐蚀损坏，且冷损较大.
（3）井上、下联合空调系统.制冷机分别设在地面和井下，具有地面和井下2个系统的特点.但是，该系统设备布置分散，冷媒循环管路复杂，操作管理不便.
3.2.2 冰冷却空调系统由于机械制冷水降温空调系统受到水路系统大压力的局限性，近年来国内外使用新型的冰冷却矿井空调系统.这种空调系统主要利用冰的溶解热，将地面制取的粒状冰或泥状冰输送至井下的融冰装置，与装置中水充分换热，产生0 ℃的冷水，然后把冰冷却水送至各个工作面，冷却工作面风流，达到降温的目的.其优点是输冰量仅为输水量的1/5~1/4，换热效率高，制冰设备通常设于地面，有利于排热，提高制冷效率，而且减少了井下设备产热.但是该系统复杂，需要的辅助设备多，耗能多，获得稳定的低温水和稳定的水流量的融冰技术还在不断改进之中.
4 结论根据该矿井下气候条件的测定与分析结果，以及-3水平盘区采用矿用空气幕加强通风降温的试验可以得出以下结论：
（1）-3水平以矿用空气幕为二级机站分配风流的试验结果表明，加强生产盘区的通风风量不仅改善了盘区通风条件，还有效地降低了工作面的风流温度.因此加强通风对降低工作面的风流温度及改善井下气候条件是一种行之有效的措施，也是该矿治理热害的首选方法，应在全矿进行推广应用.
（2）除加强通风外，根据该矿生产计划，还可从通风网络、矿床回采顺序、井下设备选择及位置、个体防护等多方面采取有效措施辅助降温；
（3）当采取上述非人工降温措施不足以消除井下热害时，可对几种矿井空调技术进行可行性论证，采取人工制冷和通风相结合综合降温手段.
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