礦井高溫治理途徑

陳誠(chéng)集

（福建省永安煤業(yè)有限責(zé)任公司蘇橋煤礦 福建三明 366102）

0 引言

福建永安煤業(yè)有限責(zé)任公司蘇橋煤礦于2005 年建井，2010 年投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力21 萬(wàn)t/a。礦井采用平峒-斜井開拓，通風(fēng)方式為分區(qū)抽出式，通風(fēng)方法為全負(fù)壓機(jī)械通風(fēng)。進(jìn)風(fēng)井為+360 m 主平硐、+360 m 排水平硐，回風(fēng)井口為+390 m 風(fēng)井、+315 m 風(fēng)井。兩個(gè)風(fēng)井口均安裝兩臺(tái)型號(hào)為4-72-11№16B離心式通風(fēng)機(jī)（一臺(tái)使用，一臺(tái)備用），電機(jī)功率為110 kW。礦井第一水平已開采結(jié)束（0 m 水平），進(jìn)入第二水平開采（-200 m），礦井地溫梯度1.87 ℃/100 m。

1 問(wèn)題的提出

近兩年來(lái)，隨著開采水平的不斷延深，蘇橋煤礦礦井高溫問(wèn)題日益嚴(yán)竣，成為制約礦井發(fā)展的突出問(wèn)題。煤礦井下高溫作業(yè)環(huán)境不但極大消耗著職工的體力，降低了職工的勞動(dòng)效率，也影響著職工的身心健康，容易使職工產(chǎn)生疲勞虛脫，不利于安全生產(chǎn)，加大了安全管理難度，給礦井的安全生產(chǎn)及日常管理帶來(lái)了極大的威脅。同時(shí)，由于高溫加大了通風(fēng)費(fèi)用及人工工資，直接影響到礦井生產(chǎn)成本的控制，也影響到礦井職工隊(duì)伍的穩(wěn)定，制約著企業(yè)的經(jīng)營(yíng)與發(fā)展。

2 礦井高溫根源分析

2.1 礦井深部高溫?zé)嵩粗聹?/h3>

福建省地處南方丘陵地帶，煤層賦存及地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。已知的高溫礦井周邊或附近均有溫泉存在，且距溫泉越近的礦井，受地?zé)嵊绊懗潭纫苍酱?。如福建永安煤業(yè)有限責(zé)任公司下屬礦井東坑仔煤礦，井田西部相鄰永安市安砂鎮(zhèn)熱水村，溫泉出露泉溫達(dá)52 ℃；下屬礦井蘇橋煤礦東南部相鄰大田縣湯泉村，溫泉出露泉溫達(dá)82 ℃。而溫泉是地?zé)崽锏穆额^標(biāo)志，形成溫泉必須具備地底有熱源存在、巖層中具裂隙讓溫泉涌出、地層中有儲(chǔ)存熱水的空間3 個(gè)條件。可見礦井高溫的主要根源為礦井深部存在地?zé)嵩?，巖溫隨深度而攀升。

2.2 進(jìn)風(fēng)線路圍巖散熱致溫

賦存于地底下的煤、巖，都具有一定的溫度，且隨賦存深度的增加，地溫呈梯度增加。圍巖散熱在井下其實(shí)一直都不斷地進(jìn)行著，充當(dāng)著地?zé)嵩大w的導(dǎo)體散熱。礦井通風(fēng)的主要功能就是為井下生產(chǎn)作業(yè)人員提供新鮮的空氣，稀釋并帶走有毒有害氣體及沿途所產(chǎn)生的熱量。圍巖散熱現(xiàn)象不易被我們所感知，只有在通風(fēng)線路上，特別是上下山風(fēng)溫實(shí)測(cè)中才能發(fā)現(xiàn)。風(fēng)溫隨通風(fēng)線路的加長(zhǎng)而增加，隨深度的延伸而攀升。

2.3 采掘工作面新揭露煤巖散熱及煤層氧化散熱致溫

受高溫影響的礦井，進(jìn)入深部新施工的井巷及采煤工作面，其煤（巖）散熱現(xiàn)象尤為明顯，特別是煤層，一經(jīng)揭露，原本賦存地底存在的溫度，加上揭露出來(lái)遇氧氣氧化產(chǎn)生的溫度，人手可以感知到其溫度大于我們?nèi)梭w的溫度。這些熱能則擴(kuò)散轉(zhuǎn)換到工作面進(jìn)風(fēng)氣流中，并隨風(fēng)經(jīng)回風(fēng)巷排出地表。

2.4 機(jī)電設(shè)備散熱致溫

受平硐-斜井開拓布局局限性影響，在主要進(jìn)風(fēng)線路機(jī)房硐室的設(shè)計(jì)上，存在著設(shè)計(jì)上的缺陷。部分硐室產(chǎn)生的熱風(fēng)流未能進(jìn)入回風(fēng)系統(tǒng)，串入進(jìn)風(fēng)線路，無(wú)形中等于直接加熱了進(jìn)風(fēng)流。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可知，進(jìn)風(fēng)流每經(jīng)過(guò)一個(gè)機(jī)房硐室，溫度上升1.0 ℃～1.5 ℃。

3 礦井高溫治理途徑

目前，避開局部熱源、加強(qiáng)通風(fēng)、預(yù)冷進(jìn)風(fēng)風(fēng)流等優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)的方法在我國(guó)礦井熱害治理中應(yīng)用較為成熟，對(duì)隔絕高溫圍巖、個(gè)體防護(hù)和水冷卻技術(shù)的研究也有很大的進(jìn)展，而冰冷卻技術(shù)在礦井降溫中應(yīng)用還處在起步階段。由于礦井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際不一，因此高溫治理方案有所區(qū)別，但整體上避開局部熱源、加強(qiáng)通風(fēng)、預(yù)冷進(jìn)風(fēng)風(fēng)流等優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)的方法為目前礦井高溫治理的主線。下面為蘇橋煤礦近兩年高溫治理步驟與途徑。

3.1 加大礦井風(fēng)量和選擇合理的礦井通風(fēng)系統(tǒng)

加強(qiáng)通風(fēng)是礦井降溫的主要技術(shù)途徑，通風(fēng)降溫的主要措施包括加大礦井風(fēng)量和選擇合理的礦井通風(fēng)系統(tǒng)。（1）加強(qiáng)系統(tǒng)堵漏，提高礦井有效風(fēng)量率。從節(jié)能降耗及經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，礦井不可能無(wú)限制地加大礦井風(fēng)量，因而要從最基礎(chǔ)的工作做起，對(duì)礦井進(jìn)、回風(fēng)線路進(jìn)行全面巡查，查看系統(tǒng)是否存在漏風(fēng)，并對(duì)整個(gè)通風(fēng)線路進(jìn)行風(fēng)溫實(shí)測(cè)，尋找通風(fēng)線路溫升的根源。2019 年以來(lái)，蘇橋煤礦通過(guò)對(duì)礦井一采區(qū)、二采區(qū)2 條主要回風(fēng)線路進(jìn)行巡查，發(fā)現(xiàn)均不同程度地存在著外部漏風(fēng)（風(fēng)井口碹體封堵不密漏風(fēng)）、內(nèi)部線路構(gòu)筑物不密漏風(fēng)（老巷密閉、水溝、風(fēng)門漏風(fēng)）、及通風(fēng)線路局部掉渣增加通風(fēng)阻力等問(wèn)題。通過(guò)通風(fēng)構(gòu)筑物堵漏治理及通風(fēng)線路維護(hù)，兩條主要回風(fēng)線路各均堵漏多于300 m3/min 風(fēng)量，礦井有效風(fēng)量率從原來(lái)不足80%提升至90.3%。（2）優(yōu)化進(jìn)風(fēng)線路，縮短進(jìn)風(fēng)線路減少溫升。礦井通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析及實(shí)踐，盡可能縮短進(jìn)風(fēng)路線長(zhǎng)度為礦井高溫治理的主方案，其有著2 ℃～3 ℃的降溫空間和潛力。從降溫角度出發(fā)，礦井通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)盡可能減少進(jìn)風(fēng)路線的長(zhǎng)度。在井巷熱環(huán)境條件和風(fēng)量不變的情況下，井巷進(jìn)風(fēng)的溫升是隨其流程加長(zhǎng)而增大，風(fēng)路越長(zhǎng)，風(fēng)流沿途吸熱量越大，溫升也越大。經(jīng)實(shí)測(cè)，2019 年，夏天最熱時(shí)間段礦井地表風(fēng)流經(jīng)+360 m 主平硐及+360 排水平硐恒溫層后，進(jìn)風(fēng)溫度降至24 ℃，經(jīng)主、副斜井至0 m 水平大巷溫升至26 ℃，進(jìn)入-200 m 大巷溫升至29℃。礦井目前在-200 m～0 m 水平開采，若按常理從-200 m 大巷進(jìn)風(fēng)，則經(jīng)-200 m 大巷上行至工作面，最低風(fēng)溫都將達(dá)到30 ℃。若從0 水平大巷進(jìn)風(fēng)下行至工作面，則進(jìn)風(fēng)溫度總體可控制在27 ℃以內(nèi)。因而，受高溫影響的礦井，進(jìn)風(fēng)取較高水平大巷做為進(jìn)風(fēng)大巷更為合理。（3）改造回風(fēng)線路，確保行人處于進(jìn)風(fēng)環(huán)境。①盡可能正規(guī)開采實(shí)現(xiàn)負(fù)壓通風(fēng)；②改造實(shí)現(xiàn)采區(qū)每一翼（或塊段）邊界均要有專用回風(fēng)上山，以確保采掘作業(yè)點(diǎn)面污風(fēng)流直接進(jìn)入回風(fēng)系統(tǒng)，從而縮短回風(fēng)線路長(zhǎng)度，盡可能減少作業(yè)人員暴露于高溫回風(fēng)流中；③所有機(jī)房硐室包括片盤配電點(diǎn)等局部熱源，均要實(shí)現(xiàn)專用回風(fēng)巷直接引流至回風(fēng)系統(tǒng)，解決局部熱源加熱進(jìn)風(fēng)流問(wèn)題。2019 年以來(lái)，蘇橋煤礦通過(guò)不斷對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，完善了采區(qū)邊界回風(fēng)上山，完成了201 采區(qū)絞車房、203 采區(qū)車房、-200 中央泵房3 個(gè)機(jī)房硐室的回風(fēng)引流，生產(chǎn)采區(qū)猴車上山均改回風(fēng)流為進(jìn)風(fēng)流，有效地改善了生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境。

3.2 推廣應(yīng)用高壓微霧，預(yù)冷進(jìn)風(fēng)流降低風(fēng)溫

蘇橋煤礦為平硐-斜井開拓，+360 m 主平硐、+360 m 排水平硐總體為恒溫巖層，冬暖夏涼，地表進(jìn)風(fēng)流進(jìn)入平硐，冬升夏降。由于平硐長(zhǎng)度有限且進(jìn)風(fēng)量大，冬季進(jìn)風(fēng)未溫升至恒溫巖層溫度即進(jìn)入生產(chǎn)水平（0 m 水平），利于礦井降溫；反之，夏季進(jìn)風(fēng)未降至恒溫巖層溫度即進(jìn)入生產(chǎn)水平（0 m 水平），不利于礦井降溫。因此，夏季在無(wú)法加長(zhǎng)進(jìn)風(fēng)預(yù)冷巷道長(zhǎng)度的情況下，必須采取噴淋水霧措施，利用蒸發(fā)降溫原理，促進(jìn)礦井進(jìn)風(fēng)流盡快降溫，以取得最佳進(jìn)風(fēng)溫度。由于平硐生產(chǎn)運(yùn)輸繁忙，常規(guī)噴霧設(shè)施易淋濕運(yùn)輸作業(yè)人員，常被關(guān)掉，安裝后難于正常使用。2019 年以來(lái)，蘇橋煤礦工程技術(shù)人員經(jīng)多方探索，創(chuàng)造性地在井下應(yīng)用了高壓微霧系統(tǒng)，來(lái)應(yīng)對(duì)和緩解作業(yè)場(chǎng)所的呼吸性粉塵、礦井地?zé)?、有毒有害氣體等有害物對(duì)從業(yè)人員的危害。經(jīng)過(guò)一年來(lái)的運(yùn)行，體驗(yàn)效果良好，井下作業(yè)環(huán)境得到了明顯的改善。

3.2.1 高壓微霧應(yīng)用機(jī)理

（1）降低呼吸性粉塵。根據(jù)美國(guó)《煤炭時(shí)代雜志》發(fā)表的《科羅拉多礦業(yè)學(xué)院解決可吸入塵埃的控制》論文：當(dāng)水霧顆粒與塵埃顆粒大小相近時(shí)，吸附、過(guò)濾、凝結(jié)的機(jī)率為最大；塵埃顆粒隨氣流運(yùn)動(dòng)時(shí)與水霧顆粒發(fā)生碰撞、吸附、凝結(jié)，形成的塵埃團(tuán)將在重力作用下降落，從而達(dá)到最佳的除塵效果。對(duì)10 μm 以下肉眼看不見的呼吸性粉塵，其除塵率可以達(dá)到70%以上。

（2）快速降低周邊溫度。由于水的比熱大，高壓微霧霧點(diǎn)小、擴(kuò)散范圍大，能很快蒸發(fā)并吸收周圍環(huán)境的熱量，從而使周圍環(huán)境溫度明顯降低。北京奧運(yùn)會(huì)、上海世博會(huì)的室外降溫就是利用了微霧降溫的技術(shù)。

（3）有效消減有害氣體。硝氨炸藥放炮后產(chǎn)生氮氧化物、一氧化碳、二氧化硫、硫化氫、氨等有毒有害氣體擴(kuò)散在空氣中。大部分有毒有害氣體當(dāng)遇到高壓微霧，能夠被溶解稀釋，降低有毒有害氣體的濃度。

（4）產(chǎn)生大量的負(fù)氧離子。在高壓制霧的同時(shí)，由于水分子高速的碰撞，會(huì)產(chǎn)生大量的負(fù)氧離子，被稱為“空氣中的維生素”。每毫升的空氣可產(chǎn)生50 萬(wàn)個(gè)負(fù)氧離子，超量的負(fù)氧離子讓人感覺(jué)猶如處在深山瀑布邊的清新涼爽。負(fù)離子還具有殺菌、除臭、清除一氧化碳、氨氣的作用。

3.2.2 高壓微霧應(yīng)用效果

鑒于高壓微霧應(yīng)用機(jī)理，礦井全面推廣應(yīng)用于井下進(jìn)回風(fēng)巷、采掘作業(yè)點(diǎn)面及地面篩選系統(tǒng)。由于高壓微霧不會(huì)淋濕生產(chǎn)作業(yè)人員，不影響生產(chǎn)作業(yè)，得到生產(chǎn)作業(yè)人員的一致認(rèn)可并得于正常使用。井上、下生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境得到了明顯的改善，采掘工作面粉塵得于有效治理，礦井進(jìn)風(fēng)流及采掘作業(yè)點(diǎn)面的溫度亦不同程度地下降了2 ℃～3 ℃，進(jìn)一步提升了礦井高溫治理成效。

4 礦井高溫治理成效

2019 年以來(lái)，蘇橋煤礦通過(guò)對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化完善及高壓微霧的全面推廣應(yīng)用，礦井高溫治理工作取得了突破性的進(jìn)展。在治理過(guò)程中，不但完善了礦井通風(fēng)及噴霧降塵系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高溫治理目的。同時(shí)也促進(jìn)了礦井粉塵問(wèn)題的有效治理，生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境得以有效改善，對(duì)提高采掘工效、穩(wěn)定職工隊(duì)伍、降低職業(yè)病取到了積極的作用，有效促進(jìn)了企業(yè)安全健康發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

礦井深部地?zé)嵩大w的存在，為礦井高溫的主要根源。高溫治理是一項(xiàng)長(zhǎng)久、系統(tǒng)而復(fù)雜的工作。礦井各級(jí)管理人員需形成共識(shí)，在優(yōu)化完善礦井通風(fēng)系統(tǒng)、增大風(fēng)量及采取高壓微霧降溫的同時(shí)，在開拓設(shè)計(jì)、生產(chǎn)布局、采掘布置等各環(huán)節(jié)上都必須綜合考慮，注意與通風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合，盡可能形成負(fù)壓通風(fēng)及邊界對(duì)角式回風(fēng)，并避免進(jìn)風(fēng)巷布置在高溫巖層中，不必加長(zhǎng)進(jìn)風(fēng)路線的長(zhǎng)度，以加劇礦井高溫問(wèn)題。