深井熱害治理及地?zé)崮芾醚芯楷F(xiàn)狀

陳 軍

(朔州市山陰縣安監(jiān)局，山西 朔州 036000)

開采進(jìn)入深部以后，對安全生產(chǎn)的研究主要集中在兩個(gè)方面：圍巖溫度的分布及圍巖應(yīng)力的分布。二者的持續(xù)升高極大增加了研究難度，來自于高溫的難點(diǎn)在于井田面積過大時(shí)降溫效率過低，主要原因在于供冷線路長，冷損多；來自于高應(yīng)力的難點(diǎn)在于如何根據(jù)煤層質(zhì)軟的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)安全支護(hù)和安全采掘。為改善礦井生產(chǎn)環(huán)境，國內(nèi)外學(xué)者做了不懈的努力，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

早在20世紀(jì)初，世界范圍內(nèi)就已出現(xiàn)礦井熱害問題，并有學(xué)者對礦井熱環(huán)境進(jìn)行了研究，建于1920年的巴西毛勒.約爾赫(Morro.Velho)金礦(采深2 000 m，原巖溫度50 ℃)是世界上首個(gè)采用空氣調(diào)節(jié)的礦井，1924年德國Radbod煤礦(采深968 m，原巖溫度44 ℃)建立了世界首個(gè)煤礦空調(diào)系統(tǒng)。至20世紀(jì)70年代末，南非、德國、英國、蘇聯(lián)等國家已大規(guī)模采用礦井空調(diào)系統(tǒng)，80年代以后制冷降溫則成為深井降溫的主要手段[1-2].

我國對礦井熱環(huán)境的研究起步較晚。1964年，淮南九龍崗礦采用制冷降溫進(jìn)行局部降溫實(shí)驗(yàn)。隨后，撫順分院與中科院長沙礦冶研究所在蘇制4F10型活塞冷水機(jī)組的基礎(chǔ)上聯(lián)合研制JKT-20型礦用冷風(fēng)機(jī)，在部分熱害礦井得到良好的應(yīng)用。

經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，各種降溫系統(tǒng)和方法被提出，如今所面臨的主要問題則是降溫投資與降溫效果的不平衡，即達(dá)到良好的降溫效果必須花費(fèi)巨大的投資。國內(nèi)外學(xué)者把熱泵技術(shù)和余熱利用應(yīng)用于井下降溫，做了大量研究實(shí)踐，以井下涌出的高溫裂隙水或回風(fēng)大巷中的廢熱為熱源，利用熱泵將其熱量品位提高之后進(jìn)行地面生活區(qū)的供暖或制冷[3-4].

中國礦井熱害分類見表1.

表1 中國礦井分類[5](按溫度)表

1 高溫巷道溫度場研究方法

巷道的掘進(jìn)打破了巖層原有的熱平衡狀態(tài)，風(fēng)流自始至終都在與巷道圍巖發(fā)生著熱交換，調(diào)熱圈的大小隨風(fēng)流溫度的變化而變化，調(diào)熱圈的變化本質(zhì)上是圍巖的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程。巷道圍巖溫度場的研究方法主要包括：理論分析計(jì)算、現(xiàn)場測定、物理相似模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬試驗(yàn)4種。

1.1 理論分析計(jì)算

巷道圍巖導(dǎo)熱微分方程的正確建立，是實(shí)現(xiàn)理論分析的首要條件。學(xué)者在理論分析方面持相同的假設(shè)條件，即：1) 巷道圍巖是均質(zhì)的，且各向同性，熱物理參數(shù)為常數(shù)。2) 圍巖的原始巖溫為常數(shù)，僅隨深度變化。3) 礦內(nèi)巷道為一個(gè)無限大的空心圓柱體，沿水平巷道的長度方向巖體的溫度梯度為零。4) 風(fēng)流溫度不隨時(shí)間發(fā)生變化,為穩(wěn)態(tài)溫度場。

1.2 現(xiàn)場測定

圍巖調(diào)熱圈范圍隨通風(fēng)時(shí)間的增加而逐漸擴(kuò)大，在同一斷面對巷幫打不同深度的鉆孔，放入測溫探頭，封孔穩(wěn)定一段時(shí)間后讀取測溫結(jié)果，鉆孔實(shí)測法可直觀得出巷道圍巖溫度分布情況以及調(diào)熱圈隨通風(fēng)時(shí)間增加的變化情況。現(xiàn)場測定的結(jié)果可以證明理論計(jì)算的正確性。褚召祥，朱庭浩等[6-7]諸多學(xué)者都采用過該方法對所研究巷道圍巖溫度分布進(jìn)行了測定，并且各實(shí)測結(jié)果與對應(yīng)的理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果都很接近。

1.3 物理相似模擬試驗(yàn)

模擬研究是各領(lǐng)域?qū)W科揭示不同規(guī)律的一個(gè)重要且可靠的手段，模擬研究分為物理模擬和相似模擬。物理模擬在模型中重新建造與真實(shí)對象中相同的物理場，只是相應(yīng)于模型比例其絕對值有所改變；相似模擬是在模型中用另一種物理場代替真實(shí)對象中的一種物理場。高溫巷道圍巖傳熱規(guī)律的研究多采用物理模擬相似實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，根據(jù)相似性原理，對應(yīng)的兩個(gè)系統(tǒng)滿足相似的條件有兩個(gè)：1) 描述兩個(gè)系統(tǒng)對應(yīng)點(diǎn)的各物理量之間分別保持一個(gè)常數(shù)—相似常數(shù)。2) 描述兩個(gè)系統(tǒng)對應(yīng)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)發(fā)展規(guī)律的基本物理議程相同，也就是說各相似常數(shù)間保持一定的關(guān)系，即相似準(zhǔn)則。對于井巷溫度場的模擬試驗(yàn)，其難度在于溫度場相似準(zhǔn)則的推導(dǎo)，張?jiān)碵8]基于圍巖溫度場相似準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)的高地溫巷道熱環(huán)境相似模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過巷道圍巖噴注隔熱材料降溫模擬實(shí)驗(yàn)研究了高地溫巷道圍巖溫度場及演化規(guī)律。

1.4 數(shù)值模擬試驗(yàn)

數(shù)值模擬試驗(yàn)相比較以上3種研究方法是最簡便經(jīng)濟(jì)的，但其準(zhǔn)確性需依邊界條件的設(shè)置、考慮因素的多寡而定。計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得數(shù)值模擬可以實(shí)現(xiàn)對各種物理場的研究[9-10]. 現(xiàn)今幾乎所有學(xué)者對溫度場的研究都離不開數(shù)值模擬，而數(shù)值模擬試驗(yàn)的結(jié)果只有與以上3種方法的研究結(jié)果相對應(yīng)，才能說明試驗(yàn)的有效性?？偟膩碚f，4種研究方法互為補(bǔ)充，促進(jìn)完善，是溫度場研究歷程中不可或缺的手段。

2 深井熱環(huán)境熱源定性分析

地溫隨開采深度的增加而升高，礦井熱環(huán)境的形成因素有多種，主要分為內(nèi)在因素和外在因素。內(nèi)在因素包括：地面氣候變化、空氣自壓縮；外在因素包括：地?zé)?、機(jī)電設(shè)備散熱、煤巖運(yùn)輸散熱、礦井涌水散熱等；其它因素還可能有礦井開采距離長、風(fēng)量偏低等，見圖1. 在不同的情況礦下這些因素所起到的主次作用不同，因此在礦井的不同地方的主要熱源也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

圖1 深井熱環(huán)境影響因素圖

2.1 地面氣候

地面氣溫的變化對于深井空氣環(huán)境的影響非常大，將其周期性的變化看做正弦曲線來計(jì)算其溫度，但計(jì)算誤差比較大。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已很少采用計(jì)算的方式求地面溫度，通過對地面井下各測站氣溫的測定即可確定對降溫(空調(diào))系統(tǒng)的調(diào)節(jié)程度。冬夏溫差大，氣溫過低時(shí)則需將進(jìn)風(fēng)流加熱處理；溫度過高時(shí)則需提高降溫(空調(diào))系統(tǒng)功率。

對于空氣自壓縮所引起的風(fēng)流溫升的計(jì)算方法，因?yàn)橛?jì)算壓入式通風(fēng)與抽出式通風(fēng)井底處溫度的結(jié)果有明顯區(qū)別，多在建井初期制冷設(shè)備選型時(shí)作為參考數(shù)據(jù)使用。

2.2 巷道圍巖散熱

原巖溫度取決于溫度梯度與埋藏深度，地溫梯度主要取決于巖石的熱導(dǎo)率與大地?zé)崃髦怠τ诙鄶?shù)深井來說，圍巖釋放到風(fēng)流中的熱量占整個(gè)礦井內(nèi)所有釋放熱量的75%以上[8]. 因此，針對圍巖的降溫研究被普遍認(rèn)為是深井熱害治理的一個(gè)突破口。

圍巖與井下風(fēng)流的熱交換是一個(gè)復(fù)雜的不穩(wěn)定換熱過程。在采掘初期，新暴露面的圍巖以很快的速率向空氣傳遞熱量，隨著巖壁逐漸被風(fēng)流冷卻，巖壁向空氣的傳熱就逐漸減少，最后巖壁的溫度趨近于空氣的溫度。由于巷道壁內(nèi)的熱流動(dòng)是不穩(wěn)定的，因此巖體內(nèi)部溫度場的分布、空氣的溫度也在不斷地發(fā)生著變化。但是散熱量是礦井降溫(空調(diào))系統(tǒng)選型重要指標(biāo)，現(xiàn)今采用一定假設(shè)條件進(jìn)行計(jì)算：

1) 巷道為圓形橫截面。

2) 巷道所開鑿的巖體是均質(zhì)并各向同性。

3) 巷道初揭開時(shí)，巖溫與該處的初始巖溫相等。

4) 整個(gè)巷道的圓周上傳熱條件不變。

5) 巷道內(nèi)空氣為恒溫。

6) 圍巖所散發(fā)熱量全部傳遞給風(fēng)流。

對于不同通風(fēng)時(shí)間，其傳熱量亦不相同，楊德源[2]給出了詳細(xì)的計(jì)算方法。

2.3 機(jī)電設(shè)備散熱

科技的發(fā)展程度與煤炭(電力)的需求量互為正比關(guān)系，一定程度上促進(jìn)了采掘機(jī)電設(shè)備的規(guī)模化和先進(jìn)化。機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的放熱是惡化工作面氣候的一個(gè)重要因素，見圖2. 某礦回采工作面各熱源散熱量所占比例，近一半的熱量來自機(jī)械散熱。因此，加強(qiáng)對機(jī)電設(shè)備的降溫(換熱)也是改善工作面環(huán)境的有效手段。

圖2 某礦回采工作面各熱源散熱量比例圖

2.4 礦井涌水散熱

深部裂隙水溫度多高于原始巖溫1～3 ℃，可直接或間接與巷內(nèi)風(fēng)流發(fā)生換熱，使風(fēng)流溫度升高，可根據(jù)涌水量、涌水溫度及其在離開某巷段的出水溫度，計(jì)算該段巷道涌水放熱量。

2.5 其他熱源

除了上述熱源之外，還有氧化散熱、人員散熱、運(yùn)出的煤及矸石散熱、采空區(qū)漏風(fēng)帶的熱量等，都對巷道氣候環(huán)境起到加溫的作用，受采掘面推進(jìn)速度、噴霧降塵量等因素的影響，其散熱總量較低，各礦區(qū)可根據(jù)現(xiàn)場地?zé)崆闆r進(jìn)行散熱量的計(jì)算。

3 深井熱環(huán)境主要熱源的定量分析與速算方法

熱害礦井內(nèi)散熱源主要以圍巖散熱與機(jī)電散熱為主，因此，根據(jù)其熱交換特點(diǎn)列出井下圍巖散熱量與機(jī)電散熱量的計(jì)算方法[11-12]. 通過準(zhǔn)確計(jì)算散熱量，可為礦井選用合適的降溫方式以及降溫設(shè)備。

3.1 圍巖與風(fēng)流的熱交換

對于高溫礦井，常溫風(fēng)流在巷道中不斷被加熱，直至巷道圍巖與風(fēng)流不存在溫差。一般來說，巷道圍巖放熱可用下式計(jì)算：

Qτ=KτUL(tgu-tB)

式中：

Qτ—圍巖散熱量，W；

Kτ—圍巖與井下風(fēng)流熱交換系數(shù)，W/(m2·℃)，其值的大小取決于巖石的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、巷道斷面尺寸、通風(fēng)時(shí)間和風(fēng)量等諸多因素。

U—井巷周長，m；

L—井巷長度，m；

tgu—井巷始末兩端的平均原始溫度，℃.

tB—流經(jīng)井巷始末兩端的平均溫度，℃.

根據(jù)Щербань礦井熱交換理論導(dǎo)出的不穩(wěn)定熱交換系數(shù)Kτ有以下幾種計(jì)算方法：

1) 通風(fēng)時(shí)間小于1年的巷道在巷道水分蒸發(fā)強(qiáng)烈時(shí)：

2) 對于通風(fēng)時(shí)間1～10年的巷道：

其中，當(dāng)巷道水分蒸發(fā)強(qiáng)烈時(shí)：

3) 對于通風(fēng)時(shí)間10～50年以上的巷道：

其中，當(dāng)巷道水分蒸發(fā)強(qiáng)烈時(shí)：

式中：

R0—巷道當(dāng)量半徑，m，取0.564S1/2；

a—巖體導(dǎo)溫系數(shù)，m3/s；

λ—巖體熱導(dǎo)率，W/(m2·℃)；

τ—巷道通風(fēng)時(shí)間，s；

ρ—巖石密度，kg/m3；

c—巖石的比熱容，J/(kg·℃)；

λ—巖石的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

α、b—風(fēng)流放熱系數(shù)，W/(m2·℃)，可分別用下式計(jì)算：

式中：

vB—風(fēng)速，m/s；

ε—巷道壁粗糙度系數(shù)，取值查表2可得。

表2 不同巷道及壁面情況的ε值的取值范圍表

3.2 機(jī)電設(shè)備散熱計(jì)算

機(jī)電設(shè)備的放熱成為增加井下環(huán)境溫度主要因素之一，尤其在回采工作面。不同設(shè)備的放熱量計(jì)算方法如下：

1) 采掘機(jī)械放熱。實(shí)測表明，約80%的機(jī)械散熱會(huì)傳給風(fēng)流，放熱量Qcj為：

Qcj=0.8kcjNcj

式中：

Qcj—機(jī)電設(shè)備放熱，kW；

kcj一設(shè)備的時(shí)間利用系數(shù)；

Ncj—采掘機(jī)械電機(jī)消耗的功率，kW；

設(shè)備放熱量的15%～25%用于風(fēng)流溫升，所以，由采掘機(jī)械放熱引起的溫升Δt為：

2) 提升設(shè)備工作時(shí)放熱量。提升設(shè)備工作時(shí)的放熱量Qt為：

Qt=(1-ηt)ktNt

式中：

ηt—提升機(jī)工作效率；

kt—設(shè)備的時(shí)間利用系數(shù)；

Nt—設(shè)備功率，kW.

3) 通風(fēng)機(jī)工作時(shí)放熱量。

對風(fēng)流的加熱QB為：

QB=0.564NB

引起的風(fēng)流溫升ΔtB為：

式中：

NB—通風(fēng)機(jī)配用電機(jī)功率，kW；

V′B—風(fēng)量，m3/min.

4 熱害治理—降溫措施研究

開采進(jìn)入深部以后，井下作業(yè)條件惡化，熱害問題嚴(yán)重影響了工人健康及深部煤炭資源的安全高效開采，我國熱害礦區(qū)只能依據(jù)自身情況，因地制宜，設(shè)計(jì)或引進(jìn)合適的降溫系統(tǒng)。降溫措施主要分為非機(jī)械制冷降溫和機(jī)械制冷降溫兩大類。

4.1 非機(jī)械制冷降溫

非機(jī)械制冷降溫主要方法及適用條件見表3.

優(yōu)化設(shè)計(jì)礦井開拓布置及通風(fēng)線路，并適當(dāng)增大風(fēng)量等非機(jī)械降溫方法都有助于降低熱害治理的難度，但是其降溫幅度有限，對于深井并趨于規(guī)?；_采的礦區(qū)，以上措施可在局部或作為機(jī)械制冷降溫的輔助措施。

4.2 機(jī)械制冷降溫

機(jī)械制冷降溫主要方法及適用條件見表4.

4.3 降溫系統(tǒng)分析

壓縮空氣制冷降溫系統(tǒng)裝置龐大，制冷能力有限，無法滿足深井降溫，現(xiàn)多不采用。制冷水降溫已經(jīng)是一種比較成熟的礦井降溫技術(shù)，國內(nèi)外使用較為廣泛，但該系統(tǒng)的冷凝熱排放問題明顯，尤其是井下冷凝熱的排放，能直接影響制冷系統(tǒng)的制冷效率。制冰系統(tǒng)在融冰速度慢、融冰池體積過大和輸冰管道堵塞上的問題比較明顯。對于空冷器轉(zhuǎn)換效率低，冷凍水供回水管道冷損過大的問題則是制冷水和制冰系統(tǒng)共有的問題。

表3 非機(jī)械制冷降溫方法概述[13,14] 表

表4 機(jī)械制冷降溫方法概述[15-17] 表

根據(jù)現(xiàn)場降溫經(jīng)驗(yàn)，傳統(tǒng)的非機(jī)械降溫措施和單一的機(jī)械降溫措施皆無法滿足降溫要求，多措施聯(lián)合降溫將是改善深井熱環(huán)境的重要思路。目前，各降溫系統(tǒng)能耗高，效率低，究其根本因素是煤礦礦區(qū)面積大，輸冷線路過長，致使冷損過大，這也是與金屬礦不同之處，所以金屬礦的輸冷管道的設(shè)計(jì)可有效降低冷量損失[18]. 新汶集團(tuán)新巨龍礦區(qū)采用的分區(qū)集中降溫，實(shí)現(xiàn)了制冷系統(tǒng)隨采場的改變而實(shí)現(xiàn)“邁步”移動(dòng)，使制冷負(fù)荷中心始終靠近采區(qū)，在地面條件允許的情況下，該方法能降低冷損，提高工作面降溫效率。一般來說，現(xiàn)場所需制冷系統(tǒng)應(yīng)具有低功耗、高能效的特點(diǎn)，但此技術(shù)瓶頸有待突破。從對單個(gè)礦區(qū)進(jìn)行各系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較來確定最佳的降溫方案，到降溫聯(lián)合礦井廢熱資源的利用，到降溫聯(lián)合深井熱害礦區(qū)的地?zé)豳Y源的有效利用，隨著研究范圍的逐漸擴(kuò)大，熱害礦井地?zé)崮艿挠行Ю贸蔀榻档统杀?、改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的一種有效措施。

5 熱泵技術(shù)在深井的熱資源利用分析

煤田地?zé)豳Y源的價(jià)值隨采深增加而愈來明顯，對于深井熱害礦區(qū)，其地?zé)崮芷肺惠^低，統(tǒng)稱為淺層地?zé)豳Y源，一般需要通過熱泵技術(shù)將其品位提高后加以利用，淺層地?zé)豳Y源主要作為熱泵的低溫?zé)嵩从糜诠?，地?zé)豳Y源分級見表5.

表5 地?zé)豳Y源溫度分級[19] 表

熱泵可將低品位的熱能經(jīng)過電力做功而輸出高品位熱能，制冷與制熱兩種模式，蒸汽壓縮式熱泵原理見圖3. 其中，蒸發(fā)器使經(jīng)膨脹閥流入的制冷劑液體汽化，以吸收被冷卻對象的熱量，實(shí)現(xiàn)制冷；從蒸發(fā)器中吸收的放熱量連同壓縮機(jī)消耗功所轉(zhuǎn)化的熱量在冷凝器中被冷區(qū)介質(zhì)帶走，以實(shí)現(xiàn)制熱[20].

圖3 蒸汽壓縮式熱泵原理示意圖

因具有節(jié)能、環(huán)保、高效的優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外許多礦區(qū)采用熱泵技術(shù)將礦井涌水中的熱量品位提高后利用，并取得一定的經(jīng)濟(jì)效益[21]. 礦井的安全高效生產(chǎn)離不開安全適宜的工作環(huán)境以及資源的高效利用。對于深井熱害煤田，按其采區(qū)或某一區(qū)域?qū)?yīng)地面或井下位置安設(shè)熱泵工作站，是對井下資源的充分利用。取代具有污染性的燃煤鍋爐供熱，既有經(jīng)濟(jì)效益，又有環(huán)境效益，而且在礦區(qū)服務(wù)年限到達(dá)之后，廢棄礦井也可作為儲(chǔ)熱系統(tǒng)用于地?zé)崮艿奶崛?，對于該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，仍需大量的研究和調(diào)研。

6 結(jié) 語

通過對溫度場研究方法的論述，說明了研究方法的完善性。理論分析與現(xiàn)場測定互為指導(dǎo)，二者是物理模擬和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，4種研究方法互為補(bǔ)充。深井熱源的分析是礦井需冷量計(jì)算的根本基礎(chǔ)，對于現(xiàn)代化礦井，圍巖散熱與機(jī)電散熱是工作面的主要熱源。制冷系統(tǒng)主要問題以及技術(shù)瓶頸某種程度上阻礙了深井降溫工作的高效開展。熱泵技術(shù)在地?zé)豳Y源利用方面能實(shí)現(xiàn)一定的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，隨著技術(shù)的改進(jìn)，熱泵在以后的礦井地?zé)嶂卫碇幸嗄苷贾匾巧?/p>