沙溪銅礦井下掘進工作面局部降溫技術的應用

張傳余 朱學勝 陳 成

(銅陵有色金屬集團銅冠礦山建設股份有限公司)

沙溪銅礦井下掘進工作面局部降溫技術的應用

張傳余 朱學勝 陳 成

(銅陵有色金屬集團銅冠礦山建設股份有限公司)

隨著金屬礦山資源日益深部化，深立井及超深立井施工過程中的礦井熱害問題也日益突出，以沙溪銅礦千米深井為例，首先分析了地面送風風流余熱、圍巖傳熱、井下巖石爆破余熱、井下設備散熱等熱源源頭，然后根據(jù)國內外煤礦、金屬礦建井期的降溫經驗，采用3種降溫方式對比分析，確定了掘進工作面實施礦井排水散熱的局部制冷降溫方案。因掘進工作面局部降溫送冷風距離長，利用熱力學理論及經驗公式定量分析了冷風輸送量及送風溫度對降溫效果的影響，降溫后風流的實測參數(shù)表明理論分析方法正確有效。根據(jù)降溫前后風流溫、濕度的實測對比分析，表明礦井排水散熱的局部制冷降溫可有效消除井下掘進工作面的熱害影響，具有較好的借鑒意義。

深井開拓 局部降溫 冷水機組 冷風量

隨著資源開采量的增大，大多數(shù)金屬礦山轉入深部開采，地溫大幅度升高，造成日益嚴重的礦井熱害問題，嚴重影響了礦井的安全生產效率與礦工的身體健康[1]。因此，金屬礦山深井熱害的治理技術成為礦山安全生產技術的重要研究方向。

1 礦井概況

沙溪銅礦為一基建礦山，位于安徽廬江縣泥河鎮(zhèn)內，所在地屬亞熱帶濕潤季風型氣候，年平均氣溫為15.5 ℃，最高氣溫為38.7 ℃，相對濕度為75%～80%。工業(yè)礦石賦存標高為+51.38～-1 056.41 m，基建期間主井、副井、北風井、南風井和進風井同時開鑿，立井地面標高約+51.4 m，井底設計標高為-970 m，已基本完成，剛開始水平巷道的開拓作業(yè)?；ㄇ捌谕L網(wǎng)絡沒有貫通時采用壓入式通風，在每個立井地面設3臺軸流扇風機，分別采用3支風筒送至井下；井下每個掌子面設局扇抽吸井下出風口的風流送至掘進工作面，回風經水平巷道、立井井筒排至地面；地面風機風量為550～250 m3/min，風壓為1 100～6 000 Pa，井下局部通風扇風量為14 400～26 800 m3/h，風壓為3 776～2 648 Pa。井下巖溫為35 ℃，送風距離長，漏風量大，實測各個工作面的風量約180 m3/min，通風效果較差，水平巷工作面及沿巷積聚較多余熱，使得水平巷道與工作面空氣干球溫度達37 ℃，相對濕度為80%，遠高于安全規(guī)程中的規(guī)定值；且掘進作業(yè)時，燃油機車尾氣沒有及時排出，空氣品質較差，影響工人的身體健康與開拓掘進的效率；由于基建的特殊條件，通風量很難加大。因此，對水平巷道掘進工作面采取合理的通風降溫措施勢在必行。

2 水平巷道掘進工作面局部降溫系統(tǒng)

2.1 熱害分析

礦井熱害治理的關鍵是確定產生熱害的原因，通過對沙溪銅礦井下掘進工作面的實地調研，根據(jù)相關文獻分析其熱害主要由以下幾個方面構成[2-5]：

(1)地面壓入式送風風流余熱。送風風流余熱包含兩部分，其一為高溫的地面風流余熱，其二為空氣高位勢能轉化的熱能。礦井地處亞熱帶濕潤季風型氣候區(qū)，地面進風氣候參數(shù)呈季節(jié)性和晝夜性變化；而礦井基建期間，在日平均干球溫度高于28 ℃、相對濕度為80%時，再經風筒送至井下，不考慮空氣的壓縮熱，風流的溫、濕度會有一定程度增加，對于掘進工作面也成為了一重要的熱害源。壓入式通風系統(tǒng)中，空氣自地面下降千米后到達井下，空氣的千米勢能在輸送中轉化為空氣的內能，使得空氣焓值增加，形成降溫冷負荷。2014年夏初，副井-850 m 水平現(xiàn)場測試井下送風出口干球溫度為30 ℃，相對濕度為85%。

(2)圍巖傳熱。由于地球內熱造成的地溫特性，使得千米深井下的巖壁初溫較高，該礦千米下實際測得的初試巖溫達到35 ℃，巖壁干燥，與風流溫差換熱，形成熱害。

(3)井下巖石爆破余熱及井下設備散熱等。井下開拓中巖石爆破，其余熱排至風流中將延續(xù)數(shù)小時才能由通風系統(tǒng)排走，而井下掘進運輸設備運行中的散熱也排至風流中，造成風流溫、濕度升高，形成熱害。

2.2 基建礦井降溫技術

2.2.1 降溫方案

根據(jù)國內外各類礦井基建期間降溫經驗，井下水平巷道主要有3種降溫方案：

方案Ⅰ,地面制冷站制冷風，由空氣處理設備制取冷風輸送至井下工作面降溫。

方案Ⅱ，地面制冷站制冷水，輸送至井下工作面，工作面局部降溫設備冷卻風流降溫。

方案Ⅲ，掘進工作面局部制冷系統(tǒng)制冷，空氣處理設備冷卻風流降溫。

方案Ⅰ中冷風輸送過程溫差換熱與漏風的冷損失較大，導致地面制冷負荷偏大，為后兩種的2倍以上，不節(jié)能且送至井下的冷風參數(shù)較難滿足降溫的需求；方案Ⅱ中立井內需要重新敷設2條保溫水管，由于千米高差，現(xiàn)有空冷器承壓達不到要求，必須增設高低壓轉換裝置，增加了造價，延長了工期；方案Ⅲ中局部降溫設備直接設于井下工作面附近，制冷負荷小，安裝管道工程量小，且可以借助井下冷源排出冷凝熱，降低造價。沙溪銅礦基建期間主井、副井、回風井通風網(wǎng)絡沒有貫通，立井掘進與水平巷道掘進同時進行，水平巷道通風量小，井底具備適量的礦井排水，因此，該礦水平巷道的局部降溫選用方案Ⅲ，利用礦井水排熱局部降溫。

2.2.2 局部降溫系統(tǒng)

局部降溫系統(tǒng)的主要組成部分為礦井水冷卻系統(tǒng)、制冷站、空冷器、風筒送冷風系統(tǒng)。主要功能：

(1)礦井水冷卻系統(tǒng)。本礦井下排水測試水溫為25 ℃，最大流量為45 m3/h，可用于井下制冷系統(tǒng)的散熱冷源。但礦井水具有一定腐蝕性，采用不銹鋼板式換熱器與冷水機組的冷卻水換熱。根據(jù)冷水機組及運行工況，計算出冷凝側排熱量為380 kW，礦井水進出板式換熱器的溫度為25，35 ℃，冷卻水設計進出水溫度為37，32 ℃，局部降溫系統(tǒng)制冷排出的熱量全部由礦井水排至地面，解決了井下難于散熱的問題。此外，如果礦井排水量略微不足，采用旁通部分回水與供水混合的措施解決制冷系統(tǒng)的散熱。礦井水排至地面后可以作為水源熱泵系統(tǒng)的低溫熱源，為地面洗浴熱水提供加熱源。

(2)制冷站。選用YS-300型井下局部降溫冷水機組，額定制冷量為300 kW。由于礦井水流量不穩(wěn)定以及很多不確定因素，選用冷凝溫度較高的制冷劑R134a，冷凝溫度可達60 ℃，冷凍水進出水溫度設計工況為12，7 ℃，冷卻水與冷凍水管道均保溫。

(3)空冷器。為減少冷凍水的輸送冷損失及節(jié)省管道，空冷器靠近冷水機組布置。選用2臺額定制冷量為150 kW表冷式空冷器，由于建井期間總送風量小，每個掘進工作面可分配的風量也較小，為保證工作面的降溫效果，空冷器的出風干球溫度必須低于18 ℃，因此空冷器選擇串聯(lián)兩級冷卻，使得風流溫度逐步降低，從而達到設計要求；空冷器設計有定期噴灑清污的噴頭。

(4)風筒送冷風系統(tǒng)?？绽淦髟O在局扇出口，設計最小送風量為240 m3/min，采用保溫風筒，百米漏風率低于3%，最大送冷風距離為800 m。

降溫系統(tǒng)工藝流程：在井下水平巷道附近設置制冷站，冷水機組往空冷器輸送7 ℃左右的冷凍水，將干球溫度32 ℃的風流冷卻到18 ℃左右，然后由風筒送至一個掘進工作面，保障工作面區(qū)域內的風流干球溫度為28 ℃，相對濕度為85%左右。工藝流程見圖1。

圖1 水平巷道掘進工作面局部降溫系統(tǒng)工藝流程

2.3 冷風輸送及送風效果分析

局部降溫系統(tǒng)設計實施中，為降低投資成本，沒有另鑿硐室，而是利用原有巷道安裝降溫設備，并且節(jié)省了冷凍水輸送管道，因而冷風輸送距離相應增大。水平巷道開拓掘進的最遠距離約800 m，風筒送冷風的距離約800 m，而國內外礦井降溫風筒輸送冷風的最大有效距離為500 m，因此，需要研究冷風量、冷風送風溫度對輸送距離及降溫效果的影響。

2.3.1 風筒送風溫升計算分析

井下風流經空冷器冷卻處理至干球溫度td1，相對濕度95%左右的空氣經風筒輸送，風筒周圍環(huán)境溫度高于風流溫度，風流將吸收周圍環(huán)境的熱量，造成冷量損失。

經空氣設備處理后，風流經風筒輸送至掘進工作面，冷風流產生冷量損失Q1的計算公式為

Q1=CMS(td2-td1) ,

(1)

式中，Q1為風筒得熱量，W；C為比熱，取1 005 J/(kg·℃)；MS為送風量，根據(jù)有效風量率取值[4]，kg/s；td2為風筒出口溫度，℃；td1為空氣處理設備出口溫度，按原先設計取值，℃。

根據(jù)傳熱學原理，不考慮質交換的情況下，風流溫升計算公式為

Δtd=LAKd(te-ti)/CMS,

(2)

式中，Δtd為風筒傳熱溫差引起的溫升[6]，td2-td1，℃；L為風筒長度，m；A為風筒周長，m；Kd為風筒壁傳熱系數(shù)，W/(m2·℃);te為水平巷道內環(huán)境溫度，35 ℃；ti為風筒內溫度，td1+Δtf,Δtf為風機熱量引起的溫升，℃。

井下通風局扇設在空冷器前，在輸送空氣時，其引起的溫升計算公式為[6]

Δtf=P/(ρCηf) ,

(3)

式中，P為風機全壓，Pa；ρ為風流密度，1.26 kg/m3；ηf為風機全壓效率，0.75。

掘進頭風機出口處溫度為

td2=td1+Δtd+Δtf.

(4)

風筒送風長度取800m，送風量為240m3/min，經計算,不同空氣處理溫度下的掘進頭風筒出風的溫度見表1。

表1 不同處理溫度下對應風筒出風口的溫度 ℃

空氣處理設備送風溫度1416182022出口溫度20.622.823.624.525.8

經計算得出冷風輸送800m后的風流最大冷損約54.8kW，其中風筒內含濕量不變，工作區(qū)域風流干球溫度為32.5 ℃，相對濕度達85%以上?？梢姡^小風量情況下保溫風筒輸送800m后，降溫效果受到很大限制。

2.3.2 輸送冷風量與輸送距離的計算分析

送風距離為800m，調整送風量為300和360m3/min。根據(jù)熱力學原理，送風狀態(tài)滿足下式：

(5)

式中，MS為送風量，kg/s；Q為冷負荷，kW；hs為井下設計溫度的比焓，kJ/kg；hc為末端風筒送風的比焓，kJ/kg。

不同送風溫度下能使工作面區(qū)域空氣溫度為28 ℃，相對濕度為85%時，經計算，送風量為300 m3/min，空冷器出風溫度只有低于16 ℃才能滿足要求；送風量為360 m3/min，只有低于18 ℃才能滿足要求。此外，2種風量下，根據(jù)風筒溫差傳熱溫升與風機電機溫升的計算原理，得出能使工作區(qū)域達到控制環(huán)境參數(shù)的送風距離，見表2。根據(jù)礦井現(xiàn)有送風量與降溫的需要，本礦水平巷道掘進工作面降溫送風量設計為360 m3/min。

表2 300，360 m3/min時不同溫度下的送風距離

3 局部降溫系統(tǒng)實施效果及分析

3.1 降溫效果測試結果

本礦北風井-770 m水平巷道掘進工作面局部降溫系統(tǒng)于2014年7月下旬初步調試運行，連續(xù)運行至副井與風井井下通風網(wǎng)路貫通，共2個月，保證了全年最高平均氣溫下的開拓掘進工作的完成。

局部降溫系統(tǒng)運行時，實測冷水機組運行參數(shù)為冷凝器進出水溫度50.2，46.8 ℃，冷凍水進出水溫度14.2，9.3 ℃。風流流經空冷器后得到充分的冷卻，空冷器前后溫度降低了12.2 ℃,且空氣相對濕度達到了94%，達到了設計要求；因井上氣溫升高導致井底風筒送風溫度較降溫前升高了1 ℃，降溫前后工作面空氣溫度降低了6 ℃，并且相對濕度降低了10%左右，極大地改善了掘進工作面的熱濕環(huán)境。通過-770 m水平巷道內風流在降溫前后的測試數(shù)據(jù)(表3)可以看出，降溫系統(tǒng)基本達到設計要求，冷風送風效果略微高于預期，工人勞動效率顯著提高。

表3 沙溪銅礦井下熱濕環(huán)境測試數(shù)據(jù) ℃

降溫時間井底風筒出風口干濕球溫度工作面空氣干濕球溫度工作面風筒出風干濕球溫度距工作面50m處風流干濕球溫度距工作面100m處風流干濕球溫度空冷器入口風流干濕球溫度空冷器出口風流干濕球溫度05-03(降溫前)30.6,30.235.5,29.832.9,30.433.8,30.535,30.108-14(降溫后)31.7,30.429.5,26.522.8,18.230.0,26.431.2,26.731.4,27.619.2,18.2

3.2 降溫系統(tǒng)存在的問題及分析

井下局部降溫系統(tǒng)雖然取得較好的效果，但是工作面風流溫度沒有降到28 ℃，存在問題如下：

(1)工作面通風量沒有達到設計要求，實測通風量僅約260m3/min，并且風筒保溫厚度偏小，風筒漏風率大，掘進頭送風量偏小。

(2)礦井排水溫度在全年最高溫度期達到 37 ℃ 以上，水量偏少且不穩(wěn)定，導致冷水機組冷凝溫度過高，能效降低，并且冷凍水出水溫度偏高使得空冷器出風溫度升高，降溫效果較差。

(3)工作區(qū)域溫、濕度得到了較大程度的改善，但金屬礦井基建期沒有通風網(wǎng)路，使得工作環(huán)境中機車尾氣殘留較多，導致空氣品質較差，應增加機械局部排風系統(tǒng)，排出機車尾氣。

4 結 語

根據(jù)沙溪銅礦特點，采用井下掘進工作面局部降溫技術，建立礦井排水散熱的局部制冷降溫系統(tǒng)，通過分析和應用，基本解決了長距離送冷風及送風溫度對降溫效果的影響問題，由此確定了在設計送風溫度下送冷風量。通過降溫實施前后的實測風流熱濕參數(shù)的對比分析，利用礦井排水散熱的制冷降溫方案可以在較小成本下有效地解決了局部熱害問題，保障了礦井安全建設與生產，提高了掘進工作效率，保證了工人身體健康，有效節(jié)省了建井成本，為國內同類基建及生產期高溫金屬礦井的水平巷道局部掘進工作面的熱害治理工作提供了一種成本低、效果好的新降溫技術。

[1] 胡漢華.金屬礦山熱害控制技術[D].長沙：中南大學，2007.

[2] 郭玉強.礦井深部掘進工作面熱害的分析與治理[J].山東煤炭科技，2010(4):175-176.

[3] 劉何清.高溫礦井井巷熱質交換理論及降溫技術研究[D].長沙：中南大學，2009.

[4] 袁世倫.深井開采工作面通風與降溫技術研究[J].中國礦山工程,2007,36(2):1-3，48.

[5] 項 英.生產所需制冷量及降溫系統(tǒng)的研究與應用[D].阜新：遼寧工程技術大學，2011.

[6] 陸亞俊,馬最良,鄒平華.暖通空調[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

Application of the Local Cooling Technology in the Underground Tunneling Faces of Shaxi Copper Mine

Zhang Chuanyu Zhu Xuesheng Chen Cheng

(Tongguan Mines Construction Co., Ltd., Tongling Nonferrous Metals Group Holding Co.,Ltd.)

With the metal resources is becoming deeper and deeper, the mine thermal pollution problem is increasingly prominent in the construction process of deep vertical shafts and supper deep vertical shafts. Taking the Shaxi copper mine as the research example, firstly, the heat sources such as waste heat of ground wind supply, transfer heat through wall rock, blasting waste heat of underground rock and heat dissipation of underground devices; secondly, based on the cooling experiences of construction of domestic and overseas coal mines and metal mines, the three cooling methods are analyzed, the local cooling scheme that is cooling the tunneling face by the implementation of mine drainage is determined. The local cool wind supply distances of tunneling faces are long, hereby, the influence of the cool wind throughput and supply wind temperature to cooling effects are analyzed quantitatively based on thermodynamics theory and experience formula. The measured parameters of wind after cooling show that the theoretical analysis method is effective. The results of the temperature and humidity of the wind before and after cooling are contrasted and analyzed, the results show that the local cooling scheme by the implementation of mine drainage is contributed to eliminate the heat hazard influence of underground tunneling faces, therefore, it has good reference significance.

Deep-well tunneling, Local cooling, Water chilling unites, Cool wind throughput

2015-03-11)

張傳余(1963—)，男，高級技術主管，高級工程師，244000 安徽省銅陵市北京西路29號。