高寒地區(qū)清潔高效井筒防凍綜合技術(shù)研究與應(yīng)用

肖利民，彭 斌，姚 炯

(1. 長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012； 2. 金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 前 言

當(dāng)?shù)V區(qū)地表氣溫低于0 ℃時(shí)，地表冷空氣會(huì)造成進(jìn)風(fēng)井井口及井筒結(jié)冰，進(jìn)而影響到礦井提升系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)及通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。尤其是豎井，一旦地表氣溫回升，井筒內(nèi)的冰塊融化時(shí)，冰塊將沿井筒下落至井底。而在冰塊下落過(guò)程中，常常會(huì)砸壞井筒裝備及提升容器等設(shè)施，導(dǎo)致提升系統(tǒng)癱瘓，甚至危及井底車(chē)場(chǎng)人員，對(duì)礦山安全生產(chǎn)極為不利[1-2]。因此，在高寒地區(qū)應(yīng)為進(jìn)風(fēng)井巷采取有效的井筒保溫防凍措施，以防止井筒結(jié)冰。

某金屬礦山地處新疆維吾爾自治區(qū)內(nèi)，礦區(qū)冬季嚴(yán)寒，每年10月中旬降雪，次年3月融化，積雪達(dá)0.94 m，最低氣溫可達(dá)-27 ℃，冰凍期長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月。該礦采用主井+副井+斜坡道+平硐的聯(lián)合開(kāi)拓方式，目前主要開(kāi)拓有1 385，1 335，1 285，1 235，1 130 m以上5個(gè)中段。副井井口標(biāo)高為1 673 m，井口房以上井架采用巖棉鋼板密封約20 m高；主井為新建成的箕斗豎井，井口標(biāo)高1 672 m，井架未封閉。該礦采用副井、斜坡道進(jìn)風(fēng)，1 380 m回風(fēng)平硐回風(fēng)的單翼對(duì)角抽出式通風(fēng)系統(tǒng)。在1 380 m回風(fēng)平硐口安裝有1臺(tái)FBDCZ(B)-10-No28(2×250 kW)型主扇。

由于該礦回風(fēng)口標(biāo)高為1 380 m，而作為進(jìn)風(fēng)井的副井井口標(biāo)高為1 673 m，較回風(fēng)口高出293 m。因此，在每年冬季，礦井自然風(fēng)壓成為礦井正常通風(fēng)的阻力，且影響較大。在往年，礦井冬季主要利用斜坡道進(jìn)風(fēng)，而副井受自然風(fēng)壓影響，呈出風(fēng)狀態(tài)，造成副井井口房及井筒霧氣彌漫、視線受阻，作業(yè)環(huán)境很差，對(duì)礦山安全生產(chǎn)非常不利。同時(shí)，新建的主井井口標(biāo)高又略低于副井井口，且較副井距離1 380 m回風(fēng)平硐更近。因此，主井建成后，呈進(jìn)風(fēng)狀態(tài)。而礦山在主井建成后經(jīng)歷的第一個(gè)冬季，主井井筒結(jié)冰。到次年3月氣溫回升時(shí)，井筒內(nèi)冰塊逐漸融化，冰塊與井壁附著力降低，此時(shí)冰塊沿井筒自由下落，砸毀了主井井底裝備，對(duì)礦山造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，并推遲了主井投入使用時(shí)間。

為解決該礦目前存在的副井反風(fēng)、冬季井筒結(jié)冰等問(wèn)題，開(kāi)展清潔高效的井筒防凍綜合技術(shù)研究已勢(shì)在必行。

1 清潔高效井筒防凍綜合技術(shù)研究

1.1 副井井筒清潔高效防凍技術(shù)研究

新疆維吾爾自治區(qū)政府為改善區(qū)內(nèi)空氣質(zhì)量，降低可吸入顆粒物濃度，減少溫室氣體排放量，于2014年4月17日出臺(tái)了《關(guān)于印發(fā)新疆維吾爾自治區(qū)大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施方案的通知》等文件。該文件要求在供熱供氣管網(wǎng)不能覆蓋的地區(qū)，改用電、新能源或潔凈煤，推廣應(yīng)用高效節(jié)能環(huán)保型鍋爐。經(jīng)調(diào)查，該地區(qū)電能充足，且電費(fèi)較其他地區(qū)優(yōu)惠。因此，本次推薦采用一種遠(yuǎn)紅外電熱風(fēng)爐作為副井井筒預(yù)熱設(shè)備。

遠(yuǎn)紅外電熱風(fēng)爐運(yùn)用了傳熱的三大主要方式：對(duì)流、導(dǎo)熱、輻射；爐內(nèi)紅外線加熱管為陣列布置，整個(gè)爐內(nèi)的每根加熱管均有相應(yīng)的熱量直接對(duì)空氣加熱。故該類型電熱風(fēng)爐對(duì)電能利用率極高，一般其熱效率在95%以上；關(guān)鍵是該類型電熱風(fēng)爐在運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)廢棄物排放，環(huán)保節(jié)能。遠(yuǎn)紅外電熱風(fēng)爐自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人員值守，出風(fēng)溫度可在額定范圍內(nèi)任意調(diào)整[3]。

現(xiàn)根據(jù)該礦副井實(shí)際需要的進(jìn)風(fēng)量，對(duì)其進(jìn)風(fēng)預(yù)熱需要的熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，在選用合適的遠(yuǎn)紅外電熱風(fēng)爐供副井進(jìn)風(fēng)預(yù)熱使用。

副井總進(jìn)風(fēng)量G=60 m3/s，室外通風(fēng)計(jì)算干球溫度取t=-20 ℃，冷熱風(fēng)混合后溫度提高至t2=2 ℃。副井進(jìn)風(fēng)預(yù)熱需要的熱負(fù)荷Qz按公式(1)計(jì)算[4-5]：

Qz=1.284×K1×G×(2-t)

(1)

式(1)中：Qz為耗熱量，kW；K1為附加熱損系數(shù)，取1.10；G為風(fēng)井總進(jìn)風(fēng)量，m3/s；t為室外空氣計(jì)算溫度，℃。

經(jīng)計(jì)算，副井進(jìn)風(fēng)預(yù)熱需要的熱負(fù)荷Q=1 864 kW。

該礦山副井井口房已建成并使用多年，為磚混結(jié)構(gòu)，井口房保溫效果較差，且不方便密閉。故本次考慮將熱風(fēng)直接送至副井井口以下5 m處，再與井口進(jìn)入的冷風(fēng)進(jìn)行混合。一般送往豎井的熱風(fēng)溫度不低于50 ℃，本次取遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐出風(fēng)口熱風(fēng)溫度為t1=50 ℃。則需要的熱風(fēng)量Gz按公式(2)計(jì)算[4-5]：

(2)

式(2)中：Gz為需要加熱的風(fēng)量，m3/s；G為風(fēng)井總進(jìn)風(fēng)量，m3/s；t為室外空氣計(jì)算溫度，℃；t1為熱風(fēng)的溫度，℃；t2為冷熱風(fēng)混合后的溫度，℃。

依據(jù)公式(2)，計(jì)算出副井需要加熱至50 ℃的熱風(fēng)量Gz=18.9 m3/s。

依據(jù)計(jì)算得出的副井預(yù)熱負(fù)荷量，選用3臺(tái)電功率為680 kW的遠(yuǎn)紅外電熱風(fēng)爐，其熱效率為95%，單臺(tái)供熱風(fēng)量為8 m3/s總供熱風(fēng)量為24 m3/s。熱風(fēng)爐總功率2.04 MW。選用的遠(yuǎn)紅外電熱風(fēng)爐滿足副井進(jìn)風(fēng)預(yù)熱需要。

1.2 主井井筒節(jié)能防凍技術(shù)研究

該礦主井井筒結(jié)冰主要是因?yàn)槎具M(jìn)冷風(fēng)，導(dǎo)致井壁滲水結(jié)冰。目前，該礦山已有副井、斜坡道進(jìn)風(fēng)，進(jìn)風(fēng)能力足夠，故本礦山已無(wú)須主井進(jìn)風(fēng)。且主井進(jìn)風(fēng)，還需單獨(dú)為主井新增進(jìn)風(fēng)預(yù)熱設(shè)備，否則主井井筒冬季會(huì)結(jié)冰。

為防止冬季主井井筒結(jié)冰，除了采取在主井井口設(shè)置進(jìn)風(fēng)預(yù)熱設(shè)施外，還可以利用高于0 ℃的井下暖空氣對(duì)井筒進(jìn)行保溫防凍。為此，需要將主井的風(fēng)流方向由進(jìn)風(fēng)調(diào)整為出風(fēng)，這樣既防止了主井冬季進(jìn)風(fēng)造成井筒結(jié)冰，又利用井下暖空氣為井筒保溫，從而起到井筒防凍作用[6-7]。

1)自然風(fēng)壓作用分析

根據(jù)礦山開(kāi)拓系統(tǒng)布置情況，主井距離副井約為158 m，相距較近。目前，礦山在冬季時(shí)，由于自然風(fēng)壓的作用，副井呈現(xiàn)出風(fēng)狀態(tài)，主井呈現(xiàn)進(jìn)風(fēng)狀態(tài)，與實(shí)際需要的風(fēng)流方向剛好相反。

本礦井開(kāi)拓深度已達(dá)500 m。對(duì)于井深超過(guò)100 m的礦井，其自然風(fēng)壓可采用公式(3)計(jì)算[8]。

(3)

式(3)中：g為重力常數(shù)，9.8 N/kg；Z為由井口到井底最深處的深度，m；P0為井口氣壓，Pa；R為空氣的氣體常數(shù)，J/(kg·K)；T1、T2為進(jìn)、出風(fēng)井的平均絕對(duì)溫度，K。

經(jīng)按公式(3)對(duì)冬季最冷月時(shí)期，主井與副井之間的自然風(fēng)壓進(jìn)行估算，得出自然風(fēng)壓為345.7 Pa，自然風(fēng)壓作用為利于主井進(jìn)風(fēng)。從自然風(fēng)壓估算結(jié)果可知，自然風(fēng)壓對(duì)主井進(jìn)風(fēng)起到很大的正向作用，相應(yīng)的對(duì)副井進(jìn)風(fēng)造成反向阻礙作用。

2)主井、副井風(fēng)流方向優(yōu)化調(diào)控研究

根據(jù)礦山主井、副井的相對(duì)位置關(guān)系及其布置形式可知，副井從地表通至1 285 m中段，副井井底1 285 m中段車(chē)場(chǎng)端部設(shè)有一條管纜井通至1 130 m中段。主井在1 235 m中段、1 130 m中段均有中段聯(lián)絡(luò)巷與管纜井相通。

為調(diào)整主井、副井風(fēng)流方向，經(jīng)研究，本次推薦在1 285 m中段副井井底車(chē)場(chǎng)附近新增1臺(tái)K40-6-No19(110 kW)型輔扇，以便強(qiáng)制將地表新鮮風(fēng)流經(jīng)副井壓送入井下，再經(jīng)管纜井進(jìn)入井下各中段平巷(見(jiàn)圖1)。同時(shí)，少部分從副井進(jìn)入井下的新鮮風(fēng)流在輔扇出風(fēng)側(cè)正壓作用下，經(jīng)過(guò)管纜井進(jìn)入1 130 m中段后，再?gòu)? 130 m中段主井聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)入主井，然后經(jīng)由主井井筒排出至地表。地面冷空氣通過(guò)在副井井口與電熱風(fēng)爐加熱后的熱風(fēng)混合至2 ℃及以上后再送入井下，再在副井和管纜井井筒巖溫作用下進(jìn)一步升高，風(fēng)流到達(dá)主井后，其溫度已接近當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁? ℃。因此，當(dāng)井下暖空氣經(jīng)由主井排出至地表的同時(shí)，在持續(xù)為主井井筒保溫，從而起到井筒防凍的作用。

圖1 主井、副井風(fēng)流方向優(yōu)化調(diào)控方案

2 清潔高效井筒防凍綜合技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用

前期通過(guò)開(kāi)展清潔高效井筒防凍綜合技術(shù)研究，最終推薦在1 285 m中段副井井底車(chē)場(chǎng)附近新增壓入式輔扇來(lái)解決副井反風(fēng)問(wèn)題，同時(shí)起到將主井風(fēng)流方向由進(jìn)風(fēng)調(diào)整為出風(fēng)，起到對(duì)主井井筒保溫防凍的作用；針對(duì)副井井筒防凍則采用清潔高效的遠(yuǎn)紅外電熱風(fēng)爐預(yù)熱井口冷空氣技術(shù)。

根據(jù)本課題推薦的技術(shù)方案，該礦山先后在副井井口房附近新建了遠(yuǎn)紅外電熱風(fēng)爐房，以及安裝預(yù)熱設(shè)備和熱風(fēng)道；在1 285 m中段副井井底車(chē)場(chǎng)附近新建了輔扇硐室，并安裝好壓入式輔扇。在實(shí)施完上述工程后，正好進(jìn)入11月份，礦山隨后開(kāi)展了副井井口預(yù)熱設(shè)備、井下壓入式輔扇的試運(yùn)行。試運(yùn)行期間，礦區(qū)地表氣溫已降至0 ℃以下，最低氣溫達(dá)到-15 ℃。經(jīng)過(guò)近3個(gè)月的試運(yùn)行表明：

①遠(yuǎn)紅外電熱風(fēng)爐和井下輔扇均運(yùn)行正常，副井總進(jìn)風(fēng)量能夠控制在60 m3/s及以上；副井進(jìn)風(fēng)后，其井口房?jī)?nèi)再無(wú)霧氣彌漫等現(xiàn)象，井口房?jī)?nèi)工作環(huán)境得到明顯改善。

②在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，遠(yuǎn)紅外電熱風(fēng)爐能夠成功將一部分冷風(fēng)(約24 m3/s)加熱至50 ℃左右后，經(jīng)熱風(fēng)道送入副井井口以下5 m處，再與另一部分直接從副井井口進(jìn)入的冷風(fēng)混合至2 ℃，然后再送往井下。

③電熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)根據(jù)設(shè)置在副井井口5 m以下的溫度傳感器傳回混合后空氣溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)電熱風(fēng)爐出風(fēng)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，以確保混合后的溫度保持在2 ℃左右。

④經(jīng)測(cè)定，主井1 130 m中段聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)的風(fēng)流溫度保持在9 ℃左右，主井出風(fēng)量達(dá)到8.22 m3/s。在保持主井為出風(fēng)狀態(tài)后，試運(yùn)行期間再未發(fā)現(xiàn)其井筒有結(jié)冰現(xiàn)象發(fā)生。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)開(kāi)展清潔高效井筒防凍綜合技術(shù)的研究和應(yīng)用，成功解決了該礦山主井井筒結(jié)冰、副井反風(fēng)等一系列問(wèn)題。該項(xiàng)技術(shù)對(duì)其他地下礦山的井筒防凍同樣具有重要的借鑒和指導(dǎo)意義。本課題的研究和應(yīng)用主要得出以下結(jié)論：①將井下適量的暖空氣經(jīng)井筒排出至地表，能有效起到井筒保溫防凍的作用；②采用遠(yuǎn)紅外電熱風(fēng)爐預(yù)熱進(jìn)風(fēng)井空氣溫度是可行的，且實(shí)現(xiàn)了零排放，清潔高效；③通過(guò)在井下合適地點(diǎn)設(shè)置能力相當(dāng)?shù)妮o扇，能有效克服自然風(fēng)壓的反作用，并為增加礦井總進(jìn)風(fēng)量、改善井下作業(yè)環(huán)境等起到積極作用。