淺談尚莊煤礦的熱害治理

袁桂生，樊玉安

（安源煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司尚莊煤礦，江西 豐城 331143）

1 概況

1.1 礦井概況

安源煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司尚莊煤礦，位于江西省豐城市北西8 km， 行政區(qū)劃屬尚莊街道辦事處管轄。 礦井1968年建成投產(chǎn)， 核定生產(chǎn)能力為0.36 Mt/a。 礦井開(kāi)拓方式為斜井多水平開(kāi)拓，采用兩翼對(duì)角式通風(fēng)方式。 礦井東翼（東風(fēng)井）配兩臺(tái)FBCDZ-8-NO.28B 防爆抽出式對(duì)旋軸流主扇，西翼（西風(fēng)井） 配兩臺(tái)FBCDZNO.23 防爆抽出式對(duì)旋軸流主扇，礦井最大排風(fēng)量可達(dá)10 000 m3/min 以上。尚莊煤礦開(kāi)采二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督MB4b單一煤層，屬煤與瓦斯突出礦井，煤塵具有爆炸性，煤層有自燃傾向。 礦井原設(shè)計(jì)服務(wù)年限36年，擴(kuò)界后剩余服務(wù)年限27年。

1.2 礦井熱環(huán)境概況

尚莊煤礦屬表土層較厚、 深部巖層高地溫、開(kāi)采強(qiáng)度高的煤與瓦斯突出礦井。 礦井共分四個(gè)開(kāi)采水平，現(xiàn)開(kāi)采的四水平（-650～-850 m）開(kāi)采深度近900 m。由于井下采掘工作面地溫高、且工作面采掘運(yùn)機(jī)電設(shè)備散熱量大，工作面作業(yè)場(chǎng)所熱害程度嚴(yán)重。 尤其是開(kāi)拓掘進(jìn)工作面埋深大、巷道走向長(zhǎng)、供風(fēng)距離比較遠(yuǎn)，夏季開(kāi)拓掘進(jìn)工作面溫度達(dá)33℃～38℃， 濕度達(dá)86%～95%。 雖然采取了增加供給風(fēng)量、加裝巷中噴霧降溫等一些措施，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員但仍然多次發(fā)生暑現(xiàn)象。 開(kāi)拓掘進(jìn)工作面的高溫?zé)岷葒?yán)重危害了職工的身心健康，又影響了巷道施工進(jìn)度，制約了礦井的正常生產(chǎn)及接替。

根據(jù)井下氣象環(huán)境實(shí)測(cè)， 尚莊煤礦-800 m 開(kāi)拓掘進(jìn)工作面溫度超36℃、相對(duì)濕度高達(dá)97%。 井下開(kāi)拓掘進(jìn)工作面高溫、高濕工作的環(huán)境，遠(yuǎn)超《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，必須采取更有效的降溫措施治理熱害，確?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境達(dá)到有關(guān)規(guī)定要求。

2 熱害產(chǎn)生的環(huán)境因素

2.1 地面大氣環(huán)境

尚莊煤礦采用抽出式通風(fēng)，東西兩臺(tái)主扇負(fù)責(zé)排風(fēng)。 礦井風(fēng)流由地面經(jīng)進(jìn)風(fēng)井進(jìn)入井下，地面大氣環(huán)境溫度對(duì)井下風(fēng)流氣象條件的影響較大。 由于夏季地面溫度較高，且濕度較大，高溫新鮮風(fēng)流導(dǎo)致井下風(fēng)流基礎(chǔ)溫度較高，濕度大。

2.2 地質(zhì)地?zé)岘h(huán)境

尚莊煤礦隨著開(kāi)采水平的延深（礦井開(kāi)拓掘進(jìn)工作面目前最深已達(dá)地下850 m左右），地溫、地壓因素也越來(lái)越明顯。 尚莊煤礦的恒溫地層在-118 m、26℃，平均增溫梯度為2.48℃/百m。 礦井-800 m圍巖溫度實(shí)測(cè)達(dá)39.7℃，地?zé)崾情_(kāi)拓掘進(jìn)工作面高溫高濕的關(guān)鍵因素。

2.3 礦井生產(chǎn)環(huán)境

煤礦井下開(kāi)采所形成的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境對(duì)井下熱能聚集有直接影響。 如采掘工作面爆破煤巖所產(chǎn)生的爆炸熱能，機(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的散熱、運(yùn)輸中的煤矸放熱、通風(fēng)風(fēng)流與井巷等物體摩擦、壓縮產(chǎn)生的熱量以及人體散熱等，都將與礦井風(fēng)流發(fā)生熱交換，使井下風(fēng)流溫度升高。 熱害已成為制約尚莊煤礦礦井安全生產(chǎn)的主要因素之一。

3 礦井氣溫預(yù)測(cè)

尚莊煤礦井下開(kāi)拓掘進(jìn)工作面氣溫高的原因主要有圍巖散熱、爆破煤巖爆炸熱、機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)散熱、風(fēng)流摩擦壓縮熱、人體散熱等。 當(dāng)機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)散熱等其他因素類(lèi)似的情況下，井下開(kāi)拓掘進(jìn)工作面的氣溫與圍巖散熱存在正相關(guān)關(guān)系。 即：在開(kāi)拓掘進(jìn)工作面同等裝備、配風(fēng)量的情況下，埋深越深，巖溫越高，氣溫越高。 根據(jù)尚莊礦實(shí)測(cè)的資料，尚莊煤礦礦井夏季-650 m 大巷的風(fēng)流溫度在28℃～29℃，-800 m 的巖溫為39.7℃。 礦井現(xiàn)開(kāi)拓掘進(jìn)工作面主要布置在-800 m 水平， 開(kāi)拓掘進(jìn)工作面如不采取降溫措施，工作面的風(fēng)流溫度將達(dá)到36℃～38℃以上。

3.1 礦井熱害治理

開(kāi)拓掘進(jìn)工作面溫度過(guò)高， 必須進(jìn)行熱害防治，以保證礦井安全生產(chǎn)。 僅靠噴霧和通風(fēng)技術(shù)措施治理熱害，既不經(jīng)濟(jì)，也不現(xiàn)實(shí)，無(wú)法達(dá)到降溫的效果。 在采取大功率對(duì)旋風(fēng)機(jī)、大直徑阻燃風(fēng)筒、大斷面巷道的同時(shí)，必須采取局部制冷風(fēng)機(jī)供冷風(fēng)的制冷降溫措施，從而達(dá)到改善井下開(kāi)拓掘進(jìn)工作面作業(yè)環(huán)境，保護(hù)礦工的身體健康，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率的目的。

3.2 開(kāi)拓掘進(jìn)工作面冷負(fù)荷計(jì)算[3]

尚莊煤礦開(kāi)拓掘進(jìn)工作面風(fēng)流溫度在36℃～38℃之間，濕度93%～100%；配風(fēng)量為300～450 m3/min。 計(jì)算時(shí)掘進(jìn)工作面氣溫取38℃； 降溫前濕度95%，配風(fēng)量為400 m3/min。 降溫后開(kāi)拓掘進(jìn)工作面溫度按26℃，濕度按85%計(jì)算。

掘進(jìn)工作面冷負(fù)荷計(jì)算如下：

式中：Q 為掘進(jìn)工作面冷負(fù)荷，kW；G 為掘進(jìn)工作面的質(zhì)量風(fēng)量，kg/s；i1為處理前掘進(jìn)工作面的進(jìn)風(fēng)流焓值，kJ/kg；i2為處理后掘進(jìn)工作面的進(jìn)風(fēng)流焓值，kJ/kg。

G=掘進(jìn)工作面風(fēng)量×風(fēng)流密度

=6.67×1.29=8.6 kg/s

Δi= 焓差 (111.88-68.93) kJ/kg (從空氣焓濕圖中讀取)

=42.95 kJ/kg

Q=8.6×42.95=369.37 kW

4 礦井降溫系統(tǒng)方案

根據(jù)尚莊煤礦開(kāi)拓掘進(jìn)工作面的實(shí)際情況，決定采用局部移動(dòng)降溫系統(tǒng)。 根據(jù)開(kāi)拓掘進(jìn)工作面所需冷負(fù)荷計(jì)算，采用單臺(tái)局部移動(dòng)降溫機(jī)組的制冷量為450 kW 機(jī)組， 可單獨(dú)滿(mǎn)足一個(gè)開(kāi)拓掘進(jìn)工作面的降溫需要。

4.1 降溫系統(tǒng)概述

局部移動(dòng)式降溫系統(tǒng)主要是由制冷系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)等組成。 其中制冷系統(tǒng)由井下制冷主機(jī)（ZLF-450）、蒸發(fā)器、蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)等設(shè)備組成；冷卻系統(tǒng)由回冷機(jī)、回冷機(jī)風(fēng)機(jī)、噴霧泵、軟水器、軟水箱及冷卻水循環(huán)泵等設(shè)備組成。

圖1 井下局部降溫開(kāi)式系統(tǒng)原理

4.2 開(kāi)拓掘進(jìn)工作面局部降溫系統(tǒng)的應(yīng)用效果

自2018年7月以來(lái)， 尚莊煤礦在東Ⅳ無(wú)極繩下山（東Ⅰ邊界總回下山）、東Ⅰ運(yùn)輸下山、東Ⅰ下山采區(qū)運(yùn)輸副巷西段等開(kāi)拓掘進(jìn)工作面使用了局部降溫系統(tǒng)。 在降溫系統(tǒng)開(kāi)啟前，這幾個(gè)開(kāi)拓掘進(jìn)工作面的局部通風(fēng)機(jī)前進(jìn)風(fēng)實(shí)測(cè)溫度達(dá)30℃～31℃，工作面及回風(fēng)實(shí)測(cè)溫度達(dá)34℃～37℃之間， 濕度95%，員工工作環(huán)境及其惡劣，經(jīng)常出現(xiàn)中暑現(xiàn)象。使用局部降溫系統(tǒng)后， 工作面及回風(fēng)實(shí)測(cè)溫度在24℃～28℃之間，濕度85%（見(jiàn)表1），工作環(huán)境比較舒適，施工現(xiàn)場(chǎng)再未發(fā)生員工中暑現(xiàn)象。

表1 降溫系統(tǒng)使用前后工作面溫度對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

尚莊煤礦在開(kāi)拓掘進(jìn)工作面使用局部降溫系統(tǒng)進(jìn)行熱害治理，顯著降低了開(kāi)拓掘進(jìn)工作面及回風(fēng)流溫度，改善現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，保護(hù)了礦工的身體健康，勞動(dòng)生產(chǎn)效率得到提高，體現(xiàn)了黨和國(guó)家的安全生產(chǎn)方針，可供類(lèi)似高地溫?zé)岷ΦV井借鑒。