高溫礦井作業(yè)區(qū)域共性分析與降溫技術(shù)探討

李 猛，魏 巍，彭 斌，艾幼孫，余志劍

（1.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院，湖南 長沙 410014；2.非煤礦山通風(fēng)防塵湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410014）

礦山經(jīng)過多年的開采，地表淺部的資源已經(jīng)越來越少，幾近枯竭。全球礦業(yè)發(fā)展的趨勢分析，20世紀(jì)80年代南非的部分礦井已經(jīng)進(jìn)入深部開采，一般深度達(dá)到800～1 000 m以上即為深部開采，南非最深礦井已經(jīng)超過4 000 m。我國的夾皮溝金礦、會(huì)澤鉛鋅礦、紅透山銅礦和冬瓜山銅礦等礦山都已經(jīng)進(jìn)入1 000 m以下的深部開采，凡口鉛鋅礦、金川鎳礦和湘西金礦等也進(jìn)入了深部開采［1，2］。

隨著礦山的不斷延伸，深井熱害也越來越嚴(yán)重，從而導(dǎo)致深井里作業(yè)面的作業(yè)環(huán)境因熱害而變得異常惡劣。因此，大量的科技人員也對深井熱害進(jìn)行了大量的科學(xué)研究［3］。從井下工作環(huán)境的舒適溫度，井下熱害產(chǎn)生的幾種類型，不同的類型熱害產(chǎn)生的主要原因及針對不同熱害的防治技術(shù)等都進(jìn)行了不同程度的科學(xué)探究［4］。

1 深井高溫?zé)岷Φ姆乐渭夹g(shù)進(jìn)展

一般井下作業(yè)環(huán)境的舒適溫度為26℃，在此環(huán)境下人體感知比較舒服。我國的《金屬非金屬地下礦山安全規(guī)程》中明確規(guī)定“采掘工作面空氣溫度不得超過28℃”?，F(xiàn)行的法律體系中也規(guī)定：當(dāng)作業(yè)區(qū)域溫度超過30℃，作業(yè)人員必須停止作業(yè)［5］。

深井高溫?zé)岷?0世紀(jì)80年代以來就非常嚴(yán)重，南非、德國和菲律賓等國家的一些深井溫度達(dá)到50℃，甚至部分深井溫度達(dá)到60℃。南非是最早進(jìn)行礦山深井高溫?zé)岷栴}研究的國家，其相關(guān)技術(shù)同樣處于全球領(lǐng)先地位。此外，德、美、法等國家20世紀(jì)中葉也開始開展有關(guān)熱害防治技術(shù)的研究，并進(jìn)行了大量的科學(xué)試驗(yàn)，也取得了很多科研成果。探究深井高溫?zé)岷Φ念愋?、來源及原因，研發(fā)了大量的井下降溫和熱害防治技術(shù)。如：根據(jù)不同高溫深井熱害產(chǎn)生的原因及熱害程度，防治措施主要有通風(fēng)降溫、控制熱源、特殊方法降溫、個(gè)體防護(hù)和人工制冷降溫等［1］。

雖然我國對深井高溫?zé)岷栴}的研究起步較晚，但近幾十年來，我國在煤礦熱害治理與研究方面做了大量的工作，建立了多種熱害分析的數(shù)學(xué)模型，為高溫?zé)岷χ卫硖峁┝舜罅康睦碚撘罁?jù)。在金屬礦山高溫?zé)岷χ卫矸矫嬉查_始進(jìn)行深入的研究，在金屬礦山高溫?zé)岷φ{(diào)查與治理方面做了大量的科研工作，也取得了很多的科研成果。

2 深井高溫?zé)岷Φ墓残苑治?/h2>

深井熱害來源形式多種多樣，但造成礦井內(nèi)熱環(huán)境的熱源主要為地質(zhì)條件及地表大氣變化、空氣的自壓縮、圍巖傳熱、機(jī)電設(shè)備放熱、礦石氧化放熱、爆破放熱、其它熱源等［5～8］。研究表明，圍巖導(dǎo)熱是產(chǎn)生熱害的主要因素，其散熱量達(dá)到井下熱量的一半左右。隨著礦山機(jī)械化程度的提高，采掘作業(yè)機(jī)械放熱也逐步成為主要的熱源。對于高硫礦山而言，礦石在潮濕環(huán)境中進(jìn)行氧化（電化學(xué)反應(yīng)）放熱是礦山的重要熱源之一。例如：湖南郴州某鉛鋅礦井下采場含硫量高，因環(huán)境潮濕發(fā)生自燃現(xiàn)象，釋放大量的熱，導(dǎo)致周圍采場溫度也升高。人體散熱和地質(zhì)條件及地表大氣變化也是井下熱害的產(chǎn)生因素。

調(diào)查分析井下作業(yè)環(huán)境溫度對井下工人的作業(yè)影響［6］，得到的結(jié)果見表 1。

表1 作業(yè)環(huán)境溫度與工傷統(tǒng)計(jì)表

由表1可知，隨著作業(yè)面溫度的升高，人工工傷事件的概率也隨之升高，可見作業(yè)面高溫?zé)岷掳踩a(chǎn)產(chǎn)生了很大的影響。

礦井高溫主要是指井下環(huán)境氣溫達(dá)到30℃以上的工作環(huán)境。研究表明：人的身體與所處環(huán)境間的熱傳遞屬于復(fù)雜的平衡過程，在井下高溫環(huán)境中，主要原因是所處環(huán)境導(dǎo)致機(jī)體不能充分散熱，人體故而升高體溫。熱環(huán)境導(dǎo)致人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常，身體機(jī)能減弱熱平衡破壞等［9］。

國外專家經(jīng)過科學(xué)調(diào)查試驗(yàn)得知，工人的勞動(dòng)效率會(huì)隨著井下所處環(huán)境溫度的升高而下降，溫度升高1℃，勞動(dòng)效率則降低6%～8%。人體舒適溫度為28℃，當(dāng)超過此溫度時(shí)，發(fā)生事故的概率將升高20%。在我國的深井高溫礦井中，部分礦山的勞動(dòng)效率只有35%左右，屬于低生產(chǎn)效率礦山，極大地增加了礦山的勞動(dòng)生產(chǎn)成本，也造成人員的不安全。不同風(fēng)速在不同勞動(dòng)氣溫環(huán)境下的勞動(dòng)生產(chǎn)率變化如圖1所示。礦井高溫會(huì)降低勞動(dòng)生產(chǎn)率，同樣是誘發(fā)礦山事故的重要原因［10］。

圖1 不同風(fēng)速在不同環(huán)境溫度下的勞動(dòng)效率

因此，必須對井下高溫?zé)岷Ξa(chǎn)生的原因進(jìn)行深入的總結(jié)分析，找出井下高溫?zé)岷Υ嬖诘墓残詥栴}，為井下降溫防熱提供技術(shù)支持。

3 深井高溫?zé)岷Φ姆乐渭夹g(shù)研究

目前，國內(nèi)外發(fā)展的深井熱害治理技術(shù)主要有兩類：傳統(tǒng)降溫技術(shù)和人工制冷技術(shù)［11］。當(dāng)傳統(tǒng)降溫技術(shù)不足以解決井下的高溫?zé)岷栴}時(shí)，人工制冷技術(shù)就將成為井下解決方法的首選。而在現(xiàn)場實(shí)踐中，將傳統(tǒng)降溫技術(shù)與人工制冷降溫技術(shù)有效合理地結(jié)合，可以達(dá)到解決熱害問題改善工作環(huán)境和為礦山節(jié)能減耗的雙重效果。

3.1 傳統(tǒng)高溫?zé)岷Ψ乐渭夹g(shù)

傳統(tǒng)熱害防治技術(shù)具有一定的局限性，適合于熱害較小的礦山，但也可以輔助人工制冷降溫技術(shù)達(dá)到一定的降溫效果。當(dāng)?shù)V井在開采淺部礦體而熱害不太嚴(yán)重的時(shí)候，可采用傳統(tǒng)熱害降溫技術(shù)來治理礦井熱害。其主要措施有：增加風(fēng)量、隔絕熱源、低溫巖層預(yù)冷入風(fēng)流、個(gè)體防護(hù)等。傳統(tǒng)熱害降溫技術(shù)投資、運(yùn)行成本相對于人工制冷降溫在短期內(nèi)更少，技術(shù)相對簡單成熟。其傳統(tǒng)熱害降溫防治技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)見表2。

表2 傳統(tǒng)熱害降溫防治技術(shù)的特點(diǎn)

3.2 人工制冷降溫?zé)岷Ψ乐渭夹g(shù)

3.2.1 冷水機(jī)組制冷降溫

當(dāng)井下高溫?zé)岷Ρ容^嚴(yán)重而傳統(tǒng)降溫方法無法滿足需求時(shí)，采用人工制冷降溫技術(shù)是相對比較高效的降溫除熱方法。人工制冷降溫普遍采用大型制冷空調(diào)機(jī)組降溫，需配套建設(shè)空調(diào)降溫系統(tǒng)，系統(tǒng)包括：制冷站、空冷機(jī)、載冷劑管道、冷卻裝置、冷卻水管道和高低壓換熱器等［1］。由于系統(tǒng)的組合不同，故可形成不同的空調(diào)系統(tǒng)。根據(jù)制冷站的位置布置，可以分為以下三種基本類型：地面集中式、井下集中式和井上井下聯(lián)合式空調(diào)系統(tǒng)。

3.2.2 空氣壓縮式制冷降溫

空氣壓縮制冷是由壓縮機(jī)、冷卻器和減壓機(jī)組成?？諝饨?jīng)壓縮、冷卻和再減壓后，由輸送管道送至工作面，通過管道端部引射器釋放冷空氣至工作面，與工作面熱空氣產(chǎn)生熱交換并排出混合氣體，從而達(dá)到降溫的效果。因系統(tǒng)中載冷媒介為已壓縮氣體，故可降低對輸氣管道斷面尺寸的要求。能夠有效地降低礦山集中制冷系統(tǒng)的建設(shè)、使用和維護(hù)成本。壓縮空氣降溫系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 壓縮空氣降溫系統(tǒng)示意圖

3.2.3 冰冷卻空調(diào)降溫系統(tǒng)

冰冷卻空調(diào)系統(tǒng)由制冰系統(tǒng)、輸冰系統(tǒng)和溶冰系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)制冰完成后，將冰輸送至井下的溶冰系統(tǒng)，利用冰塊溶解將冷卻至0℃左右，再將冷卻水輸送至高溫工作面。實(shí)踐證明，可采用礦山通用的空氣動(dòng)力管道以自流的形式向下輸送，輸送管道不會(huì)產(chǎn)生高壓。冰冷卻制冷系統(tǒng)建立在地表，相較于水冷系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)相對簡單、使用和維護(hù)方便。冰冷卻空調(diào)降溫系統(tǒng)簡圖如圖3所示。

4 某深井高溫礦井熱害防治實(shí)例

4.1 礦山概況

安徽某銅礦是一座埋深超過千米的大型現(xiàn)代化礦床，設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到10 000 t/d以上。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際測量，井下采區(qū)巖溫達(dá)到40℃左右，井下工作面溫度較高，作業(yè)條件差。該礦采用多級機(jī)站方式的側(cè)翼對角式通風(fēng)系統(tǒng)，新鮮風(fēng)流主要由專用進(jìn)風(fēng)井、主井、副井和輔助井進(jìn)入，由專用的回風(fēng)井回風(fēng)。井下多達(dá)十二個(gè)作業(yè)中段，分別為一中段、二中段至十二中段等。井下風(fēng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到3 100 kW以上，經(jīng)測量總回風(fēng)量為673 m3/s。

圖3 冰冷卻系統(tǒng)簡圖

4.2 井下作業(yè)面溫度現(xiàn)狀

經(jīng)實(shí)測，該礦井下部分采區(qū)作業(yè)面巖溫達(dá)到40℃左右，其風(fēng)溫也達(dá)到40℃左右，可知作業(yè)面溫度條件較差。由于該礦屬于1 000 m的深井，礦石日產(chǎn)量大，作業(yè)面分布廣且多，導(dǎo)致局部區(qū)域風(fēng)量不足且分風(fēng)困難。即使風(fēng)量足夠，由于通風(fēng)線路長，最終導(dǎo)致達(dá)到作業(yè)面的風(fēng)流風(fēng)溫也較高。現(xiàn)有傳統(tǒng)的通過加強(qiáng)通風(fēng)的方式已經(jīng)無法達(dá)到降溫的效果。且礦井下部采用大型鏟運(yùn)機(jī)作業(yè)和無軌出礦設(shè)備，部分區(qū)域存在空壓機(jī)等設(shè)備，機(jī)電設(shè)備持續(xù)放熱也導(dǎo)致通過簡單的通風(fēng)方式無法達(dá)到降溫的效果。

4.3 高溫?zé)岷Ψ乐畏桨?/h3>

通過現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，結(jié)合礦山的實(shí)際情況，在充分考慮現(xiàn)有作業(yè)要求和研究深部的降溫防熱的技術(shù)要求，決定有限隔離深部與淺部，將七中段作業(yè)隔離中段，一中段至七中段為淺部，八中段至十二中段為深部，分別采用不同的降溫方式。

4.3.1 淺部降溫防熱措施

由于一、二、三中段基本開采完畢，且經(jīng)測定，風(fēng)溫基本維持在21℃左右。因此，將上部一、二、三中段三個(gè)中段部分空區(qū)進(jìn)行密閉處理，利用通暢且風(fēng)溫較低的101、201、301等舊主巷和空區(qū)進(jìn)行新風(fēng)預(yù)冷。將預(yù)冷風(fēng)導(dǎo)入專用進(jìn)風(fēng)井，降低了專用風(fēng)井內(nèi)的溫度，可以達(dá)到降溫的效果。將原七中段西部風(fēng)機(jī)的服務(wù)作業(yè)區(qū)域縮小，減少兩臺(tái)132 kW風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，即只服務(wù)于四至七中段的作業(yè)區(qū)域，將原服務(wù)的八中段通風(fēng)納入至深部區(qū)域。

4.3.2 深部降溫防熱措施

采用加強(qiáng)通風(fēng)和隔絕熱源的方式無法解決深部的熱害問題，必須采用礦井空調(diào)技術(shù)。根據(jù)該礦井下的開拓特點(diǎn)及降溫系統(tǒng)的布局，充分利用現(xiàn)有的開拓巷道，減少工程量和投資等，達(dá)到最好的降溫效果。由于該礦井下作業(yè)點(diǎn)比較分散且高溫作業(yè)點(diǎn)也多，決定采用加強(qiáng)通風(fēng)非人工降溫及機(jī)械制冷降溫相結(jié)合的方式。

建立冷水機(jī)組制冷降溫。由于冷水機(jī)組制冷降溫系統(tǒng)具有制冷量大，服務(wù)范圍廣等特點(diǎn)，該礦決定采用該系統(tǒng)。按制冷站的位置不同來分，可分為以下三種類型：地面集中式空調(diào)系統(tǒng)、井下集中式空調(diào)系統(tǒng)和井上井下聯(lián)合式空調(diào)系統(tǒng)。三種空調(diào)系統(tǒng)的各有其優(yōu)缺點(diǎn)。地面式優(yōu)點(diǎn)：建設(shè)施工、安裝、維護(hù)、管理和使用方便。缺點(diǎn)：冷損失較大，系統(tǒng)復(fù)雜。井下式優(yōu)點(diǎn)：冷損失較小系統(tǒng)簡單，方便調(diào)節(jié)供冷量。缺點(diǎn)：設(shè)備施工、安裝、維護(hù)、管理和使用不方便，安全系數(shù)較低。聯(lián)合式優(yōu)點(diǎn)：冷損失較小，建設(shè)施工、安裝、維護(hù)較方便。缺點(diǎn)：系統(tǒng)比價(jià)復(fù)雜，制冷設(shè)備機(jī)組布置分散，管理不方便。該礦經(jīng)過綜合技術(shù)比較，決定將機(jī)組安裝在地表，將冷風(fēng)輸送至所有中段的關(guān)鍵進(jìn)風(fēng)點(diǎn)，通過主進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)入各作業(yè)區(qū)域。通過對井下總冷量、總進(jìn)風(fēng)量、總耗冷量等一系列參數(shù)的計(jì)算分析，選用4臺(tái)ZK200-L型用水冷帶水源的直接蒸發(fā)式送風(fēng)機(jī)組，選用HMT-800型方形橫流式低噪音冷卻塔，六臺(tái)QPG300-315型冷卻水泵，并配備冷凝水回水泵、排風(fēng)管、出風(fēng)管等一系列裝置。

除此之外，還需在九中段的總回風(fēng)巷增加一臺(tái)132 kW并聯(lián)風(fēng)機(jī)加強(qiáng)通風(fēng)，各作業(yè)面需采用局扇加強(qiáng)風(fēng)流的流動(dòng)，熱風(fēng)的排放。主要是井下圍巖散熱到空氣中，而且井下大量的無軌設(shè)備和大型鏟運(yùn)機(jī)產(chǎn)生大量的熱量釋放至空氣中。因此在原有制冷降溫機(jī)組的基礎(chǔ)上還需加強(qiáng)通風(fēng)有助于熱量的排放。

5 結(jié) 語

1.礦山井下熱害產(chǎn)生的因素多種多樣，并且不可避免。隨著礦山不斷地往深部開采，深井高溫?zé)岷θ遮厙?yán)重，嚴(yán)重影響礦山的安全生產(chǎn)和井下作業(yè)人員的生命安全。

2.在礦山生產(chǎn)活動(dòng)中，礦山的高溫?zé)岷σ话闶紫炔捎眉訌?qiáng)通風(fēng)降溫，傳統(tǒng)降溫技術(shù)中通風(fēng)降溫效果較好。但隨著深度的增加，熱害也日趨嚴(yán)重，人工制冷降溫技術(shù)就顯得格外重要。

3.人工制冷降溫技術(shù)對防治井下高溫?zé)岷哂袕V闊的應(yīng)用前景。我國的礦山將慢慢地進(jìn)入深部開采，開展更多的井下降溫技術(shù)研究，有助于我國礦山事業(yè)的發(fā)展，確保礦山的安全生產(chǎn)，保護(hù)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，利于社會(huì)的和諧發(fā)展。