獲各琦銅礦利用采空區(qū)及廢舊巷道預(yù)熱冬季入風流的研究

邸 冬，余 龍

(巴彥淖爾西部銅業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 臨河 015000)

北方地區(qū)冬季嚴寒，地表冷空氣如不預(yù)熱而直接進入礦井內(nèi)，勢必會導(dǎo)致進風井筒發(fā)生冰凍現(xiàn)象。獲各琦銅礦地處陰山北麓，冬季嚴寒漫長，封凍期為十月到來年五月，冬季最低氣溫可達-39 ℃。礦山采用中央多路進風，東、西兩翼風井回風的對角式通風系統(tǒng)，冬季大量冷空氣由進風井及各副井進入井下，且井筒存在滴水，因此各井筒防凍成為冬季安全生產(chǎn)的一項重要工作。為解決進風井冬季防凍問題，礦山設(shè)計了鍋爐預(yù)熱和電預(yù)熱系統(tǒng)，每年預(yù)熱運行費用約為860萬元，消耗大量的能源、資金和人力。

目前國內(nèi)冬季利用空區(qū)廢舊巷道預(yù)熱入風流的礦山較少，其根本原因在于空區(qū)廢舊巷道預(yù)熱需要足夠的可利用的廢舊巷道或采空區(qū)。獲各琦銅礦生產(chǎn)中段已經(jīng)進入到1 690 m以下，1 690 m以上中段已結(jié)束回采，并且1 810 m、1 750 m兩個中段采用淺孔留礦采礦法回采，回采結(jié)束后存在大量的采空區(qū)及廢舊巷道，同時這兩個中段的通風網(wǎng)絡(luò)都與3#進風井或2#副井貫通，具備利用采空區(qū)及廢舊巷道進行預(yù)熱的條件。

1 地溫預(yù)熱原理

隨著開采深度的增加，由于越靠近地心，巖石溫度會越高。地層溫度隨深度增加的增長率稱為地溫梯度，即深度每增加1 m所升高的溫度(單位：℃/m)，計算通常從不受任何影響保持溫度不變的恒溫帶開始。若空氣與巖體間存在著溫度差，便會發(fā)生熱交換。當空氣溫度高于巖體溫度時，空氣向巖體散熱，巖體吸收熱量使空氣溫度降低；當空氣溫度低于巖體溫度時，巖體便向空氣散熱，空氣獲得熱量又使巖體的溫度降低[1-2]。

2 可利用巖壁暴露面積統(tǒng)計

利用地溫預(yù)熱入風流要求礦山已經(jīng)結(jié)束的淺部回采中段存在足夠的可利用的與地表采坑或塌陷區(qū)貫通的采空區(qū)及廢舊巷道，并且已結(jié)束回采的中段必須位于地熱升溫帶，同時至少要有一條能讓預(yù)熱后的空氣進入主通風系統(tǒng)的通道。礦山可利用的暴露巖壁有效預(yù)熱面積為可利用的淺部采空區(qū)巖壁暴露面積和廢舊巷道巖壁暴露面積之和，兩部分可以分別統(tǒng)計。

2.1 采空區(qū)暴露巖壁有效預(yù)熱面積

獲各琦銅礦冬季進風空氣預(yù)熱可利用的廢舊巷道及采空區(qū)主要位于1 810 m和1 750 m兩個中段。采空區(qū)預(yù)熱面積接觸原巖部分約占總數(shù)的40%，大量的采空區(qū)預(yù)熱面積接觸采場間未開采圍巖或夾石形成的夾墻；同時，由于各采空區(qū)風路風阻不均衡，且難以對采空區(qū)進行風量調(diào)節(jié)，可能使采空區(qū)中風流出現(xiàn)分配不均。因此，在充分考慮以上兩個對采空區(qū)預(yù)熱效果影響因素的基礎(chǔ)上，采空區(qū)有效預(yù)熱面積可按式(1)計算：

S′=K1K2S

(1)

式中：S′—采空區(qū)有效預(yù)熱面積，m2；K1—采空區(qū)預(yù)熱面積接觸采場間未開采圍巖或夾石形成的夾墻對預(yù)熱的影響系數(shù)，根據(jù)礦山實際調(diào)查情況取K1=0.6；K2—采空區(qū)中風流出現(xiàn)分配不均對預(yù)熱的影響系數(shù)，根據(jù)礦山實際調(diào)查情況取K2=0.8；S—采空區(qū)暴露面積，m2；統(tǒng)計結(jié)果見表1。

則采空區(qū)有效預(yù)熱面積S′=K1K2S=0.6×0.8×66 100=31 728 m2。

表1 可利用預(yù)熱采空區(qū)面積統(tǒng)計表

2.2 廢舊巷道暴露巖壁有效預(yù)熱面積

礦山可利用的廢舊巷道包括沒有垮塌的沿脈巷道和穿脈巷道，有效預(yù)熱面積計算為廢舊巷道的斷面周長乘以巷道長度。1 810 m、1 750 m及1 690 m中段可利用預(yù)熱廢舊巷道暴露面積統(tǒng)計情況見表2。

表2 可利用預(yù)熱廢舊巷道統(tǒng)計表

總有效預(yù)熱面積為廢舊巷道有效預(yù)熱面積與采空區(qū)有效預(yù)熱面積之和，即礦山廢舊巷道及采空區(qū)總有效預(yù)熱面積為31 728+9 939=41 667 m2。

3 礦山圍巖溫度測定及分析

通過測定的原巖溫度數(shù)據(jù)，分析井下巖溫的分布規(guī)律，以便得出礦山原巖變溫帶、恒溫帶、升溫帶的位置及其地溫梯度。

3.1 原巖溫度測定過程

3.1.1 測溫探頭選擇

測量溫度的方法常用的是接觸式測量，它是把測溫敏感元件和被測介質(zhì)直接接觸，使測溫元件與被測介質(zhì)之間進行充分的熱交換達到傳熱平衡。按照測溫元件的不同，接觸式測溫又可分為膨脹式溫度計、壓力式溫度計、電阻式溫度計和熱電偶。其中熱電偶價格相對便宜且精度較高，且可以深埋于鉆孔中[3-4]。因此，本次圍巖溫度測定選用熱電偶作為測溫元件。

本次圍巖溫度測試，使用的溫度傳感器型號為JQS-1002，記錄儀型號為JQA-1069NG，測溫范圍-55～+125 ℃。

3.1.2 測定方法選擇

針對礦山預(yù)熱地點為老采空區(qū)，巷道開掘及采礦后，圍巖中的地溫場會受到礦井排水、通風等因素的影響，因此選擇在各中段巷道水平布置圍巖溫度觀測點，選取鉆孔深度為20～30 m。將標定好的測溫熱電偶探頭送入孔底，封孔完成后，等待24 h，傳熱穩(wěn)定后，測得穩(wěn)定的溫度值即為原巖溫度。

3.1.3 測孔布置方案

為了便于獲取圍巖溫度縱向變化規(guī)律，預(yù)測不同深度的地溫變化趨勢，測點位置選擇應(yīng)盡可能選在同一勘探線位置。測溫孔可以選擇無滲水或滲水量極小的已有探礦孔，以減少原巖溫度測孔的鉆鑿工程量；孔深大于20 m，鉆孔水平應(yīng)稍向上傾斜10°以上，以便于測溫孔滲水的流出，孔口距巷道底板高度 1.0 m，以方便安裝測溫設(shè)備[4]。

根據(jù)礦山實際情況，1 690 m中段以上回采已結(jié)束，已形成采空區(qū)，經(jīng)過長期的通風，圍巖溫度已發(fā)生較大改變，因此，選擇1 690 m以下各中段進行圍巖溫度測定。各中段測孔原巖溫度測定結(jié)果見表3。

表3 原巖溫度測定結(jié)果

3.2 測定結(jié)果分析

3.2.1 地溫梯度

由表3可以看出，隨著礦井深度的增加，原始巖溫不斷增加，近似呈線性關(guān)系，可由下式計算出升溫帶地溫梯度：

(2)

式中：G—地溫梯度，即原巖溫度隨深度的變化率，℃/m；ti—距離地面垂直深度Zi處的原巖溫度，℃；ti-1—距離地面垂直深度Zi-1處的原巖溫度，℃；Zi—i點處原巖的深度，m；Zi-1—i-1點處原巖的深度，m。

代入數(shù)據(jù)即可計算得礦山地溫梯度為0.022 8 ℃/m。

3.2.2 恒溫帶深度

由于恒溫帶的原巖溫度近似等于當?shù)啬昶骄鶜鉁?，取恒溫帶原巖溫度等于當?shù)啬昶骄鶜鉁兀瑒t可由式(3)計算出恒溫帶深度：

(3)

式中：ti—距離地面垂直深度Zi處的原巖溫度，℃；t0—恒溫帶處的原巖溫度，℃；取t0=6.7 ℃；Z0—恒溫帶的深度，m。

3.2.3 巖溫分布規(guī)律分析

礦山露天采坑的標高為+1 896 m，從而導(dǎo)致露天采坑附近的恒溫帶位置及恒溫帶標高也相應(yīng)發(fā)生了下移。通過以上分析，可知礦山變溫帶深度為地表往下57 m左右，標高即為+1 839 m以上，恒溫帶的位置大約在55～60 m，標高即為+1 841～+1 836 m，恒溫帶原巖溫度約為6.7℃，從57 m(標高為+1 839 m)以下為升溫帶。即已結(jié)束回采的兩個中段位于地熱升溫帶。

3.3 預(yù)熱利用采空區(qū)平均巖溫

礦山用于入風流預(yù)熱的采空區(qū)平均原巖溫度計算為設(shè)計利用的已結(jié)束回采中段標高處測定的巖溫相加后取平均值。采空區(qū)原巖溫度按式(4)計算：

ti=t0+(Zi-Z0)G

(4)

式中，ti—距離地面垂直深度Zi處的原巖溫度，℃；t0—恒溫帶處的原巖溫度，℃；取t0=6.7 ℃；Z0—恒溫帶的深度，m；Zi—i點處原巖的深度，m。

1 750 m標高原巖溫度ti=t0+(Zi-Z0)G=6.7+(146-57)×0.022 8=8.73 ℃；1 810 m標高原巖溫度ti=t0+(Zi-Z0)G=6.7+(86-57)×0.022 8=7.36 ℃。

即可計算1 750 m中段采空區(qū)平均原巖溫度為(8.73+7.36)÷2 = 8.04℃。

3.4 空氣與巖體熱交換分析

3.4.1 熱交換系數(shù)

巖體與空氣間的熱交換過程隨時間而變化，而對于冬季最冷的時刻，空氣與巖體的熱交換過程可視為穩(wěn)定過程。以冬季地表氣溫最低時，使冷空氣通過采空區(qū)及廢舊巷道預(yù)熱后達到2℃以上的巷道暴露面積來計算熱交換系數(shù)K，巖體與空氣熱交換系數(shù)按式(5)計算[2,5]：

(5)

式中，K—空氣與巖體的熱交換系數(shù)，W/m2·℃；λ—巖體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m2·℃；礦體頂?shù)装鍑鷰r為炭質(zhì)板巖、透輝透閃石灰?guī)r，取 0.8W/m2·℃；v—巷道風速，m/s；風流通過風機安裝巷道的風速約6 m/s。

3.4.2 預(yù)熱單位風量所需巖壁暴露面積

根據(jù)相關(guān)礦山實踐，預(yù)熱單位體積冷空氣所需巖壁暴露面積按式(6)計算[2-3,6]：

(6)

式中：A'—預(yù)熱單位體積冷空氣時所需巖壁暴露面積，m2；K—空氣與巖體的熱交換系數(shù)，W/m2·℃；tn—預(yù)熱處原巖溫度，℃；tn=8.04℃；t0—冷空氣進入預(yù)熱巷道前的溫度，℃；取礦山冬季歷年最低溫度-39℃；t1—空氣預(yù)熱后的溫度，℃；取t1=3℃(根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》要求，進風巷的空氣溫度應(yīng)高于2 ℃)。

則將-39℃的單位風量預(yù)熱至3℃，所需巖壁暴露面積為：

=626.91 m2

3.4.3 采空區(qū)及廢舊巷道預(yù)熱風量

廢舊巷道及采空區(qū)預(yù)熱空氣總量按式(7)計算：

(7)

式中，Q—廢舊巷道及采空區(qū)預(yù)熱空氣總量，m3/s；S—廢舊巷道及采空區(qū)有效總預(yù)熱面積，m2；A′—預(yù)熱單位體積冷空氣所需巖壁暴露面積，m2。

4 預(yù)熱系統(tǒng)實施方案的確定

4.1 預(yù)熱系統(tǒng)通風線路的選擇

礦山2#副井目前處于停用狀態(tài)，地表井口已封閉，并且2#副井與井下各生產(chǎn)中段相通，因此可將2#副井作為預(yù)熱后風流進入主通風系統(tǒng)的通道。因1 750 m中段2#副井井筒處于砌筑狀態(tài)，無法打通進風通道，最終確定預(yù)熱系統(tǒng)實施方案為地表冷空氣經(jīng)1 810 m、1 750 m采空區(qū)及廢舊巷道預(yù)熱，預(yù)熱后的風流經(jīng)1 810 m中段2#副井石門進入主通風系統(tǒng)。

如圖1所示，通風線路為：1)地表冷空氣→露天采坑塌陷區(qū)及1 875 m平硐→1 810 m中段CuⅤ及Pb-1東采空區(qū)→1 810 m中段穿脈及沿脈巷→1 810 m中段2#副井石門→主通風系統(tǒng)；2)1 750 m中段風流線路為：1 750 m中段CuⅤ及Pb-1東采空區(qū)→1 750 m中段穿脈及沿脈巷→1 750 m中段14線通1 810 m中段盲斜井→1 810 m中段2#副井繞道→1 810 m中段2#副井石門→主通風系統(tǒng)。

4.2 預(yù)熱系統(tǒng)通風機的選擇

在預(yù)熱系統(tǒng)實施時，把通風機的選擇安裝放在最后一步。便于檢驗預(yù)熱系統(tǒng)靠自然風壓進風的進風量能否達到設(shè)計預(yù)熱總風量，如若能達到設(shè)計預(yù)熱風量，將礦山最低氣溫時的空氣預(yù)熱到2 ℃以上則可以不架設(shè)或不開啟風機；如若不能達到設(shè)計要求，則需架設(shè)通風機，并通過計算設(shè)計預(yù)熱總風量和自然風壓進風量的差值及預(yù)熱風流線路的風阻來選擇通風機的型號。

4.3 預(yù)熱系統(tǒng)風量調(diào)控

4.3.1 預(yù)熱系統(tǒng)與礦山生產(chǎn)中段的隔離

地溫預(yù)熱系統(tǒng)如不能與礦山生產(chǎn)中段進行有效隔離，將與生產(chǎn)中段產(chǎn)生的污風及主通風系統(tǒng)產(chǎn)生循環(huán)風流，污染預(yù)熱風流。為了使地溫預(yù)熱系統(tǒng)與生產(chǎn)中段及主通風系統(tǒng)進行有效隔離，首先，在1 810 m和1 750 m 兩個中段巷道與礦山斜坡道之間用風門隔離。其次，在1 750 m至1 690 m之間所有通道采取密閉措施有效隔離上下中段的連接，從而使預(yù)熱區(qū)與下部生產(chǎn)中段隔離。

1—CuⅤ及Pb-1東采空區(qū)；2—勘探線；3—2#副井(井口已封閉)；4—1875平硐；5—1750中段通1810中段盲斜井；6—穿脈巷道；7—密閉墻；8—調(diào)節(jié)風門

4.3.2 采空區(qū)進入風量調(diào)節(jié)

由于礦山1 810 m和1 750 m兩個中段可利用的采空區(qū)并聯(lián)且各采空區(qū)風路風阻不均衡，如不采取風流調(diào)控措施，風量分配必然不均，從而影響空區(qū)預(yù)熱效果。為了對采空區(qū)風量進行調(diào)節(jié)，根據(jù)各采空區(qū)進入風量大小，利用通風構(gòu)筑物分別在1 810 m、1 750 m中段穿脈巷道對采空區(qū)進入風量進行風量調(diào)節(jié)，實現(xiàn)采空區(qū)進入風量均勻分配，以提高采空區(qū)預(yù)熱效果。

4.4 實施后效果評價

預(yù)熱系統(tǒng)實施后，僅通過自然風壓進風，地表溫度為-26 ℃時，測定實際預(yù)熱空氣總量為62.89 m3/s，地表溫度為-32 ℃時，測定實際預(yù)熱空氣總量為57.33 m3/s，地溫預(yù)熱后風流進入各生產(chǎn)中段風量測定結(jié)果見表4，即達到設(shè)計預(yù)期。同時減少了3#進風井冷風進風量，預(yù)熱系統(tǒng)實施前，地表3#進風井冷風進風量為120～140 m3/s；實施完成后，冷風進風量為75～90 m3/s，即減少了地表3#進風井冷風量約45～50 m3/s。并且減少了礦井通風阻力，降低了主扇運行風壓，實施后主扇風壓測定結(jié)果見表5。

表4 預(yù)熱風流進入各中段風量測定結(jié)果

表5 預(yù)熱系統(tǒng)實施后主扇運行風壓測定結(jié)果

5 經(jīng)濟效益分析

利用地溫預(yù)熱與鍋爐預(yù)熱技術(shù)經(jīng)濟指標比較見表6。

礦山目前使用的一臺20 t的鍋爐預(yù)熱系統(tǒng)，運行年承包費用為860萬元，折算成預(yù)熱63 m3/s風量的運行費用為860×63÷240=225.75萬元；建設(shè)地溫預(yù)熱系統(tǒng)基建費用僅為15.3萬元，且沒有運行費用。由此可知，地溫預(yù)熱系統(tǒng)每年可以為獲各琦銅礦節(jié)省運行費用約為225.75萬元。

表6 地溫預(yù)熱與鍋爐預(yù)熱經(jīng)濟效益比較

6 結(jié)論

1)獲各琦銅礦地溫預(yù)熱系統(tǒng)在未安裝輔助風機的狀態(tài)下，可將62.89 m3/s的-26 ℃冷空氣預(yù)熱到8.2～9 ℃，將57.33 m3/s的-32 ℃冷空氣預(yù)熱到3.6～4.4 ℃，說明該預(yù)熱系統(tǒng)的預(yù)熱能力仍具有很大潛力。

2)地溫預(yù)熱系統(tǒng)充分利用淺部采空區(qū)和廢舊巷道，不需要新掘預(yù)熱巷道，投資費用少，施工簡便，易于管理。

3)利用采空區(qū)及廢舊巷道預(yù)熱進風，減少了預(yù)熱鍋爐的運行時間和臺數(shù)，煤炭消耗減少約4 000 t/a，顯著減少了大氣污染物排放。

4)通風系統(tǒng)的進風線路增多，有效降低了通風系統(tǒng)的通風阻力，減少主扇電能消耗，具有節(jié)能降耗的作用。

5)預(yù)熱后的空氣完全符合《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》中關(guān)于風源和工作面風質(zhì)量的規(guī)定。

6)存在多條通道可用于預(yù)熱后風流進入主通風系統(tǒng)的礦山，宜選擇多條預(yù)熱線路相并聯(lián)的方式，以降低風流速度和礦井通風阻力，使冷空氣能與巖體有充足的時間進行熱交換，并且能夠降低通風機能耗。