凡口鉛鋅礦深部開(kāi)采熱害環(huán)境調(diào)查及冷負(fù)荷計(jì)算

姚銀佩，盧海珠，王 志，李方波

（1.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410014；2.凡口鉛鋅礦，廣東韶關(guān) 512325）

隨著金屬礦山開(kāi)采深度的不斷增加，主要開(kāi)采作業(yè)進(jìn)入深部區(qū)域，井下作業(yè)環(huán)境高溫是導(dǎo)致生產(chǎn)作業(yè)條件惡化的重要原因，長(zhǎng)時(shí)間的高溫會(huì)嚴(yán)重影響勞動(dòng)者身心健康和降低作業(yè)效率，并易引發(fā)生產(chǎn)安全事故。凡口鉛鋅礦開(kāi)采深度近千米，炎熱時(shí)期，井下-650 m水平主巷溫度已達(dá)31.7℃，工作面空氣溫度最高達(dá)到34℃，相對(duì)濕度在90%以上；某些礦井涌水口出水溫度達(dá)到了39.5℃，相對(duì)濕度為100%。根據(jù)我國(guó)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》中規(guī)定：“采掘作業(yè)地點(diǎn)的空氣溫度不宜超過(guò)26℃，不應(yīng)超過(guò)28℃，超過(guò)規(guī)定時(shí)應(yīng)采取降溫或其他防護(hù)措施”。而凡口礦深部各采掘點(diǎn)溫度普遍高于規(guī)定值，有必要對(duì)礦山深部熱源分析并計(jì)算礦井冷負(fù)荷［1］，為下一步采取相應(yīng)的降溫制冷方案提供基礎(chǔ)參數(shù)。

1 礦山深部開(kāi)采環(huán)境調(diào)查

1.1 礦區(qū)氣候

凡口鉛鋅礦礦區(qū)地處亞熱帶，氣候溫暖濕潤(rùn)。年平均氣溫20℃、最高42℃，最低零下4.3℃；年平均降雨量1 457 mm，年平均蒸發(fā)量為1 467.7 mm，年平均相對(duì)濕度為77%，年平均絕對(duì)濕度為19.2 g／m3。礦區(qū)月度日平均氣溫圖如圖1所示，由礦區(qū)月度日均氣溫圖可以看出，一年中月度日均最高溫超過(guò)28℃的月份為5～10月份。受地表氣候的影響，在5～10月份礦井入風(fēng)流溫度較高，相對(duì)濕度較大，加劇了井下熱環(huán)境影響。

圖1 礦區(qū)月度日平均氣溫圖

1.2 礦區(qū)地溫帶及地溫梯度

為了掌握礦區(qū)地溫帶的分布規(guī)律和深部原巖溫度對(duì)深部采礦作業(yè)的影響，對(duì)礦區(qū)地溫進(jìn)行了立體方向上分區(qū)域分時(shí)期的跟蹤監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)地溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析，總結(jié)出了礦區(qū)恒溫層深度、厚度及恒溫溫度，以及深部原巖溫度變化規(guī)律。如圖2所示。

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)［2］及其圖2曲線來(lái)看，5月、7月、10月三個(gè)月份監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示地表至深度18 m（標(biāo)高102 m）的巖溫受地表季節(jié)氣候溫度影響比較大，為變溫帶；而深度為18～44 m（標(biāo)高102～76 m）的巖溫變化不大基本穩(wěn)定，為恒溫帶，恒溫帶厚度為26 m，溫度為21.3℃；恒溫帶以下地溫隨深度增加而升高，為增溫帶，增溫帶的平均地溫梯度為2.744℃／100 m，平均地溫增溫級(jí)為36.445 m／℃。根據(jù)上述地溫梯度規(guī)律推算，-600 m、-650 m兩個(gè)中段的原巖溫度分別為39.8℃、41.2℃。

圖2 礦區(qū)地溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線及地溫帶分布圖

1.3 井下深部中段氣候環(huán)境

針對(duì)井下深部中段氣候環(huán)境進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與測(cè)量，主要內(nèi)容包括中段大巷、VCR采場(chǎng)、上向水平分層充填采場(chǎng)、掘進(jìn)點(diǎn)的溫度、濕度、風(fēng)速（風(fēng)量）、大氣壓等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

根據(jù)炎熱季節(jié)對(duì)-600 m、-650 m及-750 m等中段的井下氣候參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示：新副井口早晨空氣溫度28℃，相對(duì)濕度84%，中午空氣溫度31℃，相對(duì)濕度76%，大氣壓力為99.25 kPa；新副井石門(mén)空氣溫度28.6℃，相對(duì)濕度75%；中段溫度平均31.7℃，高的達(dá)到33～34℃，相對(duì)濕度93%以上，其中 VCR采場(chǎng)空氣溫度29.6℃，相對(duì)濕度93%，上向水平充填采場(chǎng)空氣溫度30.2℃，相對(duì)濕度95%，普通掘進(jìn)點(diǎn)空氣溫度30.1℃，相對(duì)濕度93%，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)點(diǎn)空氣溫度31.1℃，相對(duì)濕度95%；穿脈及上盤(pán)回風(fēng)巷內(nèi)的溫泉孔水溫39.5℃，空氣溫度31.4℃，相對(duì)濕度100%；-650 m中段水倉(cāng)水溫28℃，水溝內(nèi)回流水30℃。

2 礦井熱源分析

深部開(kāi)采的礦井熱源種類眾多，這些熱源釋放熱量給空氣升溫，致使井下形成熱害環(huán)境。礦井熱源的類型受礦山地質(zhì)地?zé)釛l件、大氣環(huán)境及生產(chǎn)系統(tǒng)的差異而有所不同，但主要熱源類型基本相同，按照散熱量是否受井下風(fēng)流溫度的影響，可分為相對(duì)熱源和絕對(duì)熱源兩種：相對(duì)熱源如圍巖散熱、井下高溫水散熱等，絕對(duì)熱源如空氣自壓縮放熱、機(jī)電設(shè)備作業(yè)放熱、人體放熱等［3］。

凡口鉛鋅礦井下開(kāi)采條件復(fù)雜，礦體為高硫礦石，采用機(jī)械化上向分層膠結(jié)充填法和大直徑深孔嗣后充填采礦法開(kāi)采，無(wú)軌設(shè)備鑿巖、撬毛及出礦，其井下熱源包括：空氣自壓縮、礦石氧化、圍巖、礦巖采落、礦石運(yùn)輸、礦井熱水、機(jī)械設(shè)備、井下爆破、其它放熱等。按井下熱源產(chǎn)熱因素不同可歸納為五類：

1.圍巖放熱。凡口礦深部圍巖溫度接近40℃，是熱害形成最主要且不可避免的因素。

2.礦井熱水。地下水受深部原巖高溫的影響，井下涌水溫度較高，再加上水中含硫礦物接觸空氣氧化，甚至形成了很多溫泉涌水。礦井涌水在流向中段水倉(cāng)的過(guò)程逐漸釋放熱害到井下空氣中。

3.礦巖放熱。礦石放熱分為礦巖采落、礦石氧化、礦石運(yùn)輸?shù)?，在這些過(guò)程中，礦巖與空氣接觸，礦巖本身高溫?zé)岷脱趸尫诺臒峤粨Q到井下空氣中。

4.井下空氣的壓縮放熱。新鮮空氣從井口到深部中段，垂高大約800 m，空氣在自重作用下壓縮放熱。

5.井下機(jī)械設(shè)備放熱。凡口礦井下深部采掘運(yùn)輸設(shè)備近30臺(tái)，裝機(jī)功率896 kW，其它供電設(shè)備，裝機(jī)功率5 330 kW，也是井下熱害產(chǎn)生重要因素。

3 礦井冷負(fù)荷

礦井冷負(fù)荷計(jì)算可通過(guò)計(jì)算密閉區(qū)域內(nèi)散熱量來(lái)得出。為提高預(yù)測(cè)可靠性，在冷負(fù)荷計(jì)算中采用了正算法計(jì)算工作面冷負(fù)荷，即通過(guò)計(jì)算工作面總體散熱量來(lái)確定工程的冷負(fù)荷。最后通過(guò)風(fēng)量焓值校準(zhǔn)確定總的冷負(fù)荷量［4］。

3.1 礦井冷負(fù)荷正算

以凡口鉛鋅礦深部熱害較為嚴(yán)重的-600 m、-650 m中段為研究對(duì)象，分別計(jì)算凡口鉛鋅礦井下各熱源的散熱量［5］，為熱害的治理提供依據(jù)。

1.圍巖散熱。計(jì)算-600 m、-650 m中段的圍巖散熱量時(shí)，每個(gè)中段按井巷長(zhǎng)度2 000 m、巷道斷面周長(zhǎng)14 m計(jì)算。根據(jù)地質(zhì)資料，巷道圍巖不穩(wěn)定換熱系數(shù)取 0.98 W／（m2·℃），計(jì)算 -600 m、-650 m中段的圍巖放熱量為324 kW、362 kW，合計(jì)686 kW。

2.地下熱水散熱。當(dāng)深入到井下-600 m中段以下時(shí)，部分區(qū)域溫度達(dá)到39℃以上（650 m S4＃穿涌水孔最高水溫39.0℃，上盤(pán)巷涌水孔最高水溫39.5℃）。礦井涌水的穩(wěn)定溫度為28～30℃（-650水倉(cāng)回流水溫度28.8℃）。根據(jù)-650 m水倉(cāng)及-750 m水倉(cāng)日排水量來(lái)看，礦井中段涌水量約為400 m3／d，在水溝流動(dòng)過(guò)程中，水溫由平均39℃降至28℃，水的比熱容為 4.187 kJ／（kg·℃），計(jì)算得-600 m、-650 m中段熱水放熱量和為426 kW。

3.機(jī)械設(shè)備放熱。凡口鉛鋅礦井下-455 m以下采掘設(shè)備為集中管理，根據(jù)-455 m以下的設(shè)備包括采掘運(yùn)輸設(shè)備和供電設(shè)備統(tǒng)計(jì)，按-455 m以下5個(gè)主要生產(chǎn)中段來(lái)計(jì)算，-600 m、-650 m中段主要生產(chǎn)設(shè)備功率占2／5，局部風(fēng)機(jī)、照明及振動(dòng)電機(jī)等供電設(shè)備功率占2／5，-650 m水倉(cāng)水泵功率計(jì)算在內(nèi)，-600 m和-650 m中段各種井下設(shè)備總功率為3 076 kW，計(jì)算設(shè)備放熱量為308 kW。

4.空氣自壓縮放熱。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，-600 m中段進(jìn)風(fēng)量為32.06 m3／s，與地表高差為720 m，-650 m中段進(jìn)風(fēng)量為40.58 m3／s，與地表高差為770 m。-600 m、-650 m中段共計(jì)空氣自壓縮熱量為256 kW。

5.采落礦巖的散熱量。按礦山生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，-600 m和-650 m中段生產(chǎn)量為4萬(wàn)t／月，平均每天采下的礦石量約為1 300 t，計(jì)算-600 m和-650 m中段采落礦巖的散熱量為48 kW。

6.運(yùn)輸中礦石放熱。在巷道中，礦車中的礦石和廢石會(huì)散發(fā)出熱量，致使其周圍的風(fēng)流的溫度上升。按運(yùn)輸途中礦石的溫度從39℃降到28℃，-600 m、-650 m中段運(yùn)輸中礦石總放熱量為217 kW。

7.氧化放熱量。據(jù)前述，-600 m和-650 m中段平均每天采礦量為1 300 t，礦石密度4 t／m3，按照0.2 m的立方塊大小來(lái)計(jì)算礦石表面積為9 750 m2，作業(yè)面平均風(fēng)速0.45 m／s，計(jì)算的總的氧化放熱量為89 kW。

8.人體放熱。礦山-600 m中段同時(shí)作業(yè)人員約為50人，-650 m中段同時(shí)作業(yè)人員約為40人，合計(jì)90人。作業(yè)人員的散熱量按照重體力勞動(dòng)來(lái)計(jì)算取0.47 kW／人，計(jì)算得出-600 m、-650 m中段作業(yè)人員的散熱量約為42 kW。

綜上所述，該礦井下熱環(huán)境的八種影響因素，以-600 m和-650 m中段來(lái)計(jì)算其總放熱量為2 072 kW，對(duì)井下熱環(huán)境起主要作用的是圍巖放熱、熱水放熱、井下設(shè)備放熱、空氣自壓縮和礦石運(yùn)輸放熱，具體的各種熱源的散熱量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 -600 m、-650 m中段井下產(chǎn)熱量統(tǒng)計(jì)表

3.2 礦井冷負(fù)荷逆算

按照相關(guān)的安全規(guī)章制度的要求，井下生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域的空氣溫度不應(yīng)超過(guò)28℃。一般設(shè)計(jì)降溫標(biāo)準(zhǔn)溫度取28℃，相對(duì)濕度取85%。該礦-600 m、-650 m中段，最高氣溫為31.7℃，降溫前相對(duì)濕度為98%，兩個(gè)中段的需風(fēng)量為72 m3／s。

兩種狀態(tài)下的空氣焓濕圖如圖3所示。

作業(yè)面需冷量［6，7］計(jì)算公式為：

式中：G為工作面的質(zhì)量風(fēng)量／kg·s-1；i1為制冷前工作面風(fēng)流焓值／kJ·kg-1，查空氣焓濕圖，i1為107.452 kJ／kg；i2為制冷后工作面風(fēng)流焓值／kJ·kg-1，查空氣焓濕圖，i2為 80.299 kJ／kg。

圖3 兩種狀態(tài)下的空氣焓濕圖

按逆算法計(jì)算冷負(fù)荷為：

3.3 礦井冷負(fù)荷確定

根據(jù)凡口礦礦區(qū)氣象和井下熱環(huán)境條件，按正算法計(jì)算-600 m、-650 m中段總散熱量為2 072 kW，按逆算法計(jì)算冷負(fù)荷為2 346 kW，兩種算法數(shù)值相近，逆算法稍大，取較大者，即-600 m、-650 m中段總工程冷負(fù)荷為2 346 kW。

4 結(jié) 論

1.礦山開(kāi)采熱環(huán)境調(diào)查包括大氣溫度、相對(duì)濕度等地表氣候條件，礦區(qū)地溫帶及地溫梯度等原巖地溫參數(shù)，井下空氣溫度、相對(duì)濕度、井下涌水量及水溫、水倉(cāng)水量及水溫等礦井氣候條件。

2.礦山井下的熱源有很多種，對(duì)凡口鉛鋅礦井下產(chǎn)生高溫?zé)岷τ绊懙闹饕袊鷰r放熱、礦井熱水、礦巖放熱、空氣自壓縮放熱、機(jī)械放熱等五類，圍巖散熱是凡口鉛鋅礦井下第一大熱源。

3.采用計(jì)算工作面總體散熱量的正算法和計(jì)算進(jìn)出風(fēng)流風(fēng)量和焓值的逆算法來(lái)計(jì)算工作面冷負(fù)荷，凡口鉛鋅礦-600 m、-650 m中段總工程冷負(fù)荷為2 346 kW，為礦山深部開(kāi)采熱害防治機(jī)械制冷提供參數(shù)依據(jù)。