深井熱害分析與控制技術研究進展

崔益源，李 坤，梅國棟，盧 堯，李垚萱

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 102628；2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

礦產(chǎn)資源作為人類社會的基礎物質之一，其合理開發(fā)與高效產(chǎn)出對國家的發(fā)展建設具有至關重要的戰(zhàn)略意義。隨著經(jīng)濟建設的逐步深入，淺部礦產(chǎn)資源開發(fā)已無法滿足我國日益增長的需求，大部分礦山企業(yè)進入深部開采階段。隨著開采深度的逐漸增加，深井熱害問題日漸凸顯。深井熱害不僅會誘發(fā)礦物(特指煤)自燃造成重大的生產(chǎn)安全事故；同時，極端熱環(huán)境對工作人員造成的生理壓力也是不容忽視的重要問題。目前，我國已有千米深礦井近百座，某些非煤礦山工作面溫度甚至超過35 ℃，相對濕度接近100%[1]。

對礦井熱害的研究始于1740年，法國科學家首先對Belfort地區(qū)的金屬礦山進行了地溫觀測[2]。隨后，英國、南非、西德等國家也相繼開展了礦井熱力學的理論研究，并提出了調溫圈、制冷降溫等概念，建立了礦井熱害研究領域最初的理論基礎。隨著礦井開采深度的逐步加深，熱害問題在全球礦業(yè)領域凸顯嚴重，引起了學者的廣泛重視，礦井熱害的研究也從簡單的地溫監(jiān)測擴展為巖石-風流熱交換、風溫預測、濕熱計算等方面。時至今日，礦井熱害已成為一門多學科交叉、理論研究與工程實踐相結合的綜合性研究課題。

本文簡要綜述地下礦山常見熱源的成因，以及現(xiàn)階段在深井熱害規(guī)律、評價及治理方法方面取得的研究成果，并結合目前科學技術進展，對深井熱害規(guī)律及治理研究的發(fā)展方向提出自己的看法。

1 金屬礦山深井常見熱源分析

盡管不同礦井的高溫熱害程度有所差別，但是熱源構成基本一致，主要有圍巖散熱、空氣自壓縮熱、機械設備放熱和爆破放熱，隨著充填式開采技術的推廣和普及，充填體水化放熱也成為深井熱害的一種新型熱源。圖1為板溪銻礦井下熱源放熱量比例。

圖1 板溪銻礦井下主要熱源分布Fig.1 Distribution of heat sources of Banxi antimony mines

1.1 圍巖散熱

圍巖散熱是最為直接與重要的井下熱源，其放熱量可占井下熱源放熱總量的40%～50%。圍巖的溫度隨著采掘深度的增加而增加，圍巖溫度的變化規(guī)律可分為兩個階段，分別為線性變化階段和非線性變化階段。圖2為夾河礦地溫分布圖，在0～700 m階段，溫度呈線性變化；700～1 200 m

圖2 夾河礦開采深度與地溫關系圖[3]Fig.2 Relationship between depth and ground temperature in Jiahe mine

呈非線性變化，特別是當開采深度超過1 000 m時，非線性特征顯著增加，礦井圍巖溫度上升速度極快。

圍巖對礦井熱環(huán)境的影響體現(xiàn)在對風流的加熱作用上，圍巖向風流傳熱的方式有兩種，一種是巖石圈的熱傳導，另一種是借助地下水蒸發(fā)形成的熱對流。對流散熱常常出現(xiàn)在地下水較為豐富的礦井中，而熱傳導則是普遍存在的圍巖散熱方式。封閉的原巖體溫度是一個恒定值，當?shù)叵聨r石圈首次暴露于礦井空氣環(huán)境中時，便與風流發(fā)生熱交換，圍巖熱流量的傳導是一個緩慢的動態(tài)過程，隨著時間的推移，被冷卻的巖石圈范圍逐步擴大，形成穩(wěn)定的溫度場，與風流的熱交換也趨于穩(wěn)定。

1.2 空氣壓縮散熱

空氣的壓縮過程主要指的是入井口空氣沿巷道流入礦井深部，由于必然會向下流動，流動過程中必然會產(chǎn)生氣柱壓力，速度增大導致空氣動能轉化為自身重力勢能，重力勢能又轉化為焓，導致空氣自身溫度上升的一個過程?？諝鈮嚎s雖然不是常規(guī)意義的井下熱源，但產(chǎn)生的效果與主要熱源相差不大。文獻[4]對東灘煤礦井下風流進行了監(jiān)測，監(jiān)測結果表明，由于空氣的壓縮熱作用，風流下井口較上井口溫度升高了接近3℃。

由于空氣壓縮熱源是不可抵消的，隨著深度的增加會越來越大，所以空氣壓縮熱源對于整個深部礦井的熱源十分重要。對于高深礦井，風流流經(jīng)礦井時，風流壓縮產(chǎn)熱是不可忽略的。如果豎井是潮濕的，風流熱焓增值中僅僅只有一部分使溫度升高，而另一部分被水的蒸發(fā)所吸收，使風流中水蒸氣含量升高。據(jù)統(tǒng)計資料顯示，在熱焓增值中64%用于溫度升高，36%被水分蒸發(fā)所吸收。實際上，在進風井中深度每增加100 m，風流的溫度增加0.8 K，比干燥空氣絕熱壓縮時的理論值低20%。

1.3 機械設備放熱

現(xiàn)代井工作業(yè)過程中，大型機械設備的使用量與日俱增，地下開采和掘進過程中所需的車輛、大型鑿巖設備及供電設備都是較為常見的機械熱源。

機械熱源對礦井的整體熱環(huán)境影響不大，但對某些特定區(qū)域有較大影響，如掘進工作面本身通風效果差，大型鑿巖機功率高、發(fā)熱量大，造成掘進工作面溫度普遍偏高；變配電硐室設有大量供電設備，釋放出較大熱量，對硐室內部環(huán)境影響較大，如沒有較為適當?shù)臏囟瓤刂拼胧瑫ε潆婍鲜夜ぷ魅藛T造成較大生理影響。

家住在石門鄉(xiāng)間，前后有兩個小小的院子，于是，也種了不少雜七雜八的植物，按著季節(jié)，也會開出不少好看的花。有時候在廊前一坐，桂花送來淡淡的清香，覺得自己好像也安靜古雅了起來。夏天的傍晚，茉莉會不停地開，摘下兩三朵放在手心里，所有青春的記憶都會隨著它的香氣出現(xiàn)在我眼前。我想，我愛的也許并不是花，而是所有逝去的時光，在每一朵花后面，都有著我珍惜的記憶。

總體來說，機械設備熱源一般呈點式分布、區(qū)域性特征明顯，因此需要對井下某些地點進行重點溫度監(jiān)測。

1.4 井下爆破放熱

爆破是金屬礦山的常見開采方式，炸藥爆炸的瞬間產(chǎn)生的高溫也是井下不可忽略的熱源之一。通常爆破作業(yè)的工序是在所需崩落的目標巖體上打眼，然后裝入炸藥引爆，這使得爆破放熱存在兩種形式：一部分熱量迅速擴散到空氣中，隨風流移動；另一部分熱量由于與巖體直接接觸，影響了圍巖的溫度，從而形成了一個小型的固定熱源，這部分熱量需要一個較長的時間才能全部釋放到井下的風流中。

1.5 充填體放熱

近年來，隨著安全和環(huán)保要求的逐步提升，對采空區(qū)進行妥善處理成為地下金屬礦山開采的一個重要課題，充填式開采已經(jīng)在越來越多的礦山企業(yè)得以推廣。充填式開采可以有效回收礦柱、提高采出率，同時保護了采空區(qū)的頂板，采出的廢石也得到了有效處置。目前，充填體一般采用水泥與石灰組成的復合凝膠，充填體膠結的是一個放熱過程，散熱量較大，因此充填體水化放熱成為深井開采的一種新型熱源，必須加以重視。

充填體熱源的放熱規(guī)律有別于上述熱源。首先，充填體與圍巖一樣是一種固定的熱源，但充填體的放熱規(guī)律卻更加復雜，這是由于充填體水化涉及一系列物理和化學變化，使得充填體在不同時間段的發(fā)熱量不同。同時，根據(jù)填充強度需求差異，充填體原料的配比也不盡相同，也成為了影響充填體放熱規(guī)律的一個重要因素。采空區(qū)的填充往往是分階段、分區(qū)域進行的，這使得不同充填體處于不同的放熱階段，當新充填體處在放熱量上升階段時，老充填體很有可能已經(jīng)處在熱量衰減或停止放熱階段，從而增加了區(qū)域熱環(huán)境變化的復雜程度。

充填體放熱不僅影響工作面工作人員的生理健康狀況，還會對生產(chǎn)安全造成重大影響，水化熱來不及放出越積越多時，極容易造成充填體膨脹開裂，導致充填質量下降，甚至造成采空區(qū)塌陷等災難性后果，因此必須對充填體放熱進行重點監(jiān)控。

2 礦井熱運動規(guī)律研究

在了解深井熱源的構成及放熱原理的基礎上，對礦井熱運動規(guī)律進行研究有助于確定高溫監(jiān)控的重點區(qū)域，并有針對性地制定切實可行的深井降溫方案。目前，對礦井熱運動規(guī)律的研究主要集中在圍巖放熱規(guī)律和機械設備放熱規(guī)律兩方面。

圍巖與風流之間的熱量傳遞是一個非穩(wěn)態(tài)過程，圍巖暴露初期，巖體的整體溫度一致，隨著時間的推移，巷道壁外部不斷向環(huán)境中釋放熱量，形成溫度差，巖體深部的熱量不斷向外傳導，供應巷道壁流失的熱量。當通風時間足夠長時，圍巖與風流間的熱交換保持穩(wěn)定。根據(jù)溫度場的不同可以將圍巖體劃分為恒溫圈和調熱圈，如圖3所示。

圖3 圍巖體溫度場Fig.3 Temperature field of strata

目前，國內外對深井巷道的溫度場研究較多。文獻[5]采用理論分析和數(shù)值模擬的方式研究了巷道圍巖的溫度場，研究結果表明圍巖的調熱圈半徑與通風時間的平方根呈線性關系；文獻[6]對圍巖的非穩(wěn)態(tài)溫度場進行了有限元分析，在靠近巷道壁的附近，圍巖內部等溫線與巷道形狀相似，圍巖深部的溫度場受原巖應力和非勻質特性影響，呈現(xiàn)類似橢圓的不規(guī)則形狀。文獻[7]采用了Comsol Multiphysics多物理場耦合模擬軟件研究了滲流水對圍巖溫度場的影響。

在實際應用中，學者們更關心巷道壁對風流的傳熱作用，因此在多年來的研究成果中建立了許多圍巖與風流熱交換的數(shù)學模型[8-10]。巷道壁熱量的釋放可以歸結為巖石的熱傳導系數(shù)問題，也有許多學者圍繞熱傳導系數(shù)的測量展開了一系列研究，如文獻[11]采用鉆孔取巖的方式，測試了三山島金礦巷道圍巖的熱傳導系數(shù)，并借此分析了圍巖的放熱量；文獻[12]考慮了巖體含水情況下巷道壁的導熱系數(shù)；文獻[13]對不同深度原巖進行鉆孔測溫，并采用反演原理得出了礦井的地熱場分布；文獻[14]測量了通風速度及通風時間對圍巖散熱系數(shù)的影響。

3 礦井熱害評價及防治

3.1 熱害評價技術

礦井熱害評價描述井下作業(yè)人員對礦井熱環(huán)境的可接受水平，主要表現(xiàn)在礦井的熱舒適度。熱舒適度是指人體對熱環(huán)境的接受程度[18-19]，由于存在個體差異，最佳的熱舒適度不是一個固定值。不同的國家和標準對熱舒適度也有不同的規(guī)定，但總體而言，熱舒適度應滿足大多數(shù)工作人員對熱環(huán)境的接受程度。例如，美國暖氣和空調工程師學會[19]將熱舒適條件定義為“80%處于靜坐或少量活動狀態(tài)下的工人感到可接受的熱環(huán)境條件”，并將熱舒適環(huán)境定義為3個參數(shù)：出汗率處于可接受狀態(tài)、人體熱平衡保持可接受狀態(tài)、皮膚溫度保持可接受狀態(tài)。

文獻[20]從人體的代謝率、機械設備功率、皮膚熱傳導率和人體熱存儲量等角度建立了一個綜合的熱評價模型，得到了不同溫度下人體最大失水率；文獻[21]描述了一種熱舒適度評價方法，建立不同風速、溫度與人體出汗率及皮膚最大濕度之間的關系，從而實現(xiàn)工人熱暴露時間的預測，并得出了保證礦工熱舒適度的最佳風速；文獻[22]結合了多種前人評價的指標及公式(如濕球溫度[23]、非舒適度[24]、改進非舒適度[25]等)，提出了適用于地下礦井工人熱舒適度評價的熱符合指數(shù)和評價標準；文獻[26]以50名井下熱害作業(yè)人員和15名無熱害作業(yè)人員作為研究對象，探討了深井熱環(huán)境與工人熱疾病之間的關系，并對研究對象在熱環(huán)境中工作前后的生理指標進行了分析，得到了深井熱害對礦工生理的影響。

3.2 熱害防治技術

熱害防治技術分人工降溫技術和非人工降溫技術。對于深度不大、熱害不嚴重的礦井往往采用非人工降溫技術；對于深度大、熱害嚴重的礦井，非人工降溫技術無法滿足需求時，必須采用人工降溫技術。

1)非人工降溫技術

目前，礦井非人工降溫技術包括通風降溫、熱源控制、個體防護等。

通風降溫主要包括優(yōu)化通風網(wǎng)絡和加強通風。其中，優(yōu)化通風網(wǎng)絡屬于整體降溫方案，由于礦井熱環(huán)境是通過井下風流與人體直接接觸的，因此改善井下空氣條件是最直接的降溫方式。通過通風網(wǎng)絡設計，采用風路較短的通風系統(tǒng)，風流就不會過多的與巖石接觸，從而縮短了空氣被加熱的時間。同時，根據(jù)對原巖放熱量進行分析，使風流盡可能多的流過較低溫度的巖層也可以實現(xiàn)風流降溫。文獻[27]采用Ventsim軟件建立了礦井通風系統(tǒng)三維仿真模型，真實反映了井下風流狀況和高溫環(huán)境現(xiàn)狀，并在基礎上通過通風網(wǎng)絡結構優(yōu)化實現(xiàn)了深井熱害治理；文獻[28]采用了多級基站通風設計，通過對通風網(wǎng)絡優(yōu)化解算，進行了各基站風量的確定，經(jīng)實際檢驗取得了較好的效果，將井下作業(yè)面溫度控制在26 ℃以下。

熱源控制技術主要應用在圍巖散熱的控制上，該技術主要采用隔熱材料進行巷道刷幫，使原巖與井下空氣環(huán)境隔離，這樣原巖的熱量便不會傳導至空氣中，從而達到了熱害治理的目的，是一種主動防控技術。文獻[29]在計算高溫熱害隧洞溫度場的基礎上，在圍巖變溫圈與混凝土襯砌之間添加了硬質聚氨酯泡沫隔熱層，并對隔熱層的設計參數(shù)進行了數(shù)值計算，取得了較好的降溫效果；文獻[30]以硅石灰為基料，水泥為膠結料，研制出了一種密度較小、導熱系數(shù)低的井下熱源屏蔽材料。經(jīng)過實際測試，該材料可降低巷道溫度5.2 ℃，降低工作面溫度3.3～3.5 ℃，具有良好的降溫效果；文獻[31]介紹了冒泡復合隔熱材料，通過正交試驗確定了原料的最佳配比，并在霄云礦進行了測試，使巷道出口氣流平均溫度降低了5 ℃；文獻[32]也采用膨脹珍珠巖復合材料研制出了一種巷道圍巖和排水溝的隔熱材料。

個體防護降溫措施立足于礦工本身，通過研制礦工個體防護裝備，來抵抗礦井惡劣的熱環(huán)境條件。這種方式雖然不能從根本上解決深井熱害問題，但就保護礦工生理健康的角度而言，是最經(jīng)濟最高效的方法。目前，個體防護降溫措施的研究主要集中在降溫服的研發(fā)和革新。文獻[33]采用渦流管冷端降溫技術，研制了一種便攜式降溫馬甲，與傳統(tǒng)降溫服相比，更為輕便靈活，制冷效果更好，經(jīng)現(xiàn)場試驗測試，冷端降溫可達1.2 ℃，續(xù)航能力36 min；文獻[34]提出了半導體制冷技術，運用該項技術研制的制冷服的主要特點是：無管路，不存在填充物泄漏問題；無制冷機，不存在震動和噪聲；制冷單元小巧，質量較輕，可根據(jù)需求任意組裝制冷單元；文獻[35]研發(fā)了一種新型氣動制冷冰箱，井下制冷溫度可達到-18 ℃，與降溫服配合可有效實現(xiàn)礦井高溫個體防護。

2)人工降溫技術

人工降溫技術是采取主動措施，從根本上改善礦井熱環(huán)境的技術方法。該方法主要是利用熱力學中的逆卡諾循環(huán)，將熱量從低溫物體向高溫物體轉移，即人工制冷。人工降溫是涉及熱力學、流體力學和空調工程的綜合型技術，在尺度較大的地下礦山空間，制冷效率和制冷費用都是需要著重考慮的。

人工降溫技術可分為水冷技術和冰冷技術，其中水冷技術就是礦井空調技術的應用；冰冷則是采用制冰機，將冰塊輸送到井下，利用冰水相變吸熱實現(xiàn)降溫。相對而言，水冷技術工藝較為簡單，循環(huán)性更好。我國比較有代表性的水冷技術成果是何滿潮院士開發(fā)的HEMS降溫系統(tǒng)[36-41]，該系統(tǒng)的工作原理是利用礦井各水平的現(xiàn)有涌水，采用能量提取裝置提取涌水中的冷量，作用于礦井工作面，實現(xiàn)降溫；同時將置換出的高溫傳送至地表，用于供熱和洗浴等。HEMS降溫系統(tǒng)具有高效、節(jié)能、環(huán)保的獨特優(yōu)勢，在我國眾多熱害礦井中得到了推廣和應用。文獻[42]提出了一種相變材料微單元的設想，用于深井循環(huán)管路降溫系統(tǒng)，該設計以三水合醋酸鈉作為降溫媒介，制成PCM微單元，以水力輸送的方式實現(xiàn)相變材料的循環(huán)運轉，解決了冰-水相變法冷量損失大、管道易堵塞、運行成本高等問題。

4 礦井熱害研究發(fā)展新方向

回顧礦井熱害研究的發(fā)展過程，體會近年來礦井熱源放熱規(guī)律、環(huán)境熱運動規(guī)律及熱評價及防治技術的研究成果，筆者認為礦井熱害研究發(fā)展的方向如下：

1)圍巖溫度場變化規(guī)律和原巖與風流的熱交換規(guī)律仍然是研究礦井熱環(huán)境的關鍵性科學問題。從實驗和實測的角度建立圍巖變溫圈和熱耦合數(shù)學模型，確定關鍵計算參數(shù)有利于更進一步了解礦井熱害的發(fā)展變化規(guī)律，為其高效的治理提供理論基礎。

2)隨著數(shù)值仿真技術的快速發(fā)展，ANSYS、Comsol Multiphysics、Ventsim等商業(yè)軟件的普及，使礦井熱害的研究趨于局部化、具體化，越來越多的研究開始立足于工程和生產(chǎn)過程中的實際問題，有針對性地解決區(qū)域高溫難題。同時，數(shù)值仿真可以作為現(xiàn)場監(jiān)控監(jiān)測的輔助手段，對礦井異常高溫狀態(tài)區(qū)域進行預測和預報。

3)目前，對礦井熱源放熱規(guī)律的研究還較多地集中在圍巖體放熱和機械設備放熱方面，對爆破放熱以及充填體水化放熱的研究還較少。爆破放熱和充填體放熱受風流影響大，具有較強的時空變化特性，雖然對礦井整體熱環(huán)境影響不大，但可能造成區(qū)域“熱涌”，對井下工作人員造成較大影響，因此必須加以重視。而數(shù)值仿真技術的發(fā)展大大縮短了研究時間和研究成本，為該方向的研究提供了方法基礎。

4)解決深井熱害問題的根源還在于熱源的控制與熱環(huán)境的改善。因此，大力發(fā)展隔熱材料和人工降溫技術才能從全局的角度解決根本性問題。然而，隔熱材料和人工降溫技術的開發(fā)和應用是一個系統(tǒng)工程，需要較大的時間成本和經(jīng)濟成本，因此，局部熱害防治技術和個體防護技術也應該同步發(fā)展。結合數(shù)值仿真的區(qū)域熱害分析與處理技術成本低、周期短、效率高，其得天獨厚的優(yōu)勢會在未來礦井熱害治理領域扮演重要角色。

5 結論

深井熱害的主要熱源包括圍巖放熱、空氣自壓縮熱、機械放熱、爆破放熱和充填體水化放熱5類。熱源放熱規(guī)律、熱害評價和熱害防治技術是深井熱害所要研究的3個關鍵性科學問題。在以往的研究中，國內外學者取得了一定的成果。數(shù)值仿真技術的快速發(fā)展為深井熱害研究提供了新的方向：關注熱環(huán)境時空變化規(guī)律，尋求整體和局部熱害控制相結合的高效降溫方法。