我國金屬礦山熱動力災害防治技術研究現(xiàn)狀與展望

高懿偉 郭志國 張 俊 鄭彪華

(江西理工大學應急管理與安全工程學院,江西 贛州 341000)

金屬礦產(chǎn)資源是一種重要的國家級戰(zhàn)略物資,在日常生活、基礎建設、國防工業(yè)和尖端技術等方面有廣泛的應用。黨和政府一直高度重視金屬礦山安全開采,經(jīng)過多年對安全生產(chǎn)的資金投入、政策扶持以及加強安全監(jiān)管力度,我國金屬礦山安全生產(chǎn)水平已得到顯著提高,事故發(fā)生概率及死亡人數(shù)呈下降趨勢。但開采過程中熱動力災害時有發(fā)生,不僅造成大量人員傷亡、巨大經(jīng)濟損失,還會帶來惡劣的社會影響?？梢?金屬礦山熱動力災害防治技術的研究迫在眉睫。黨的十四五規(guī)劃中指出:“堅持人民至上、生命至上,健全公共安全體制機制,嚴格落實公共安全責任和管理制度,保障人民生命安全”,“加強礦山深部開采與重大災害防治等領域先進技術裝備創(chuàng)新應用”。為此,筆者首先確定了金屬礦山熱動力災害概念,歸納并提出金屬礦山熱動力災害的4 個特性,對金屬礦山熱動力災害理論與防治技術的研究成果進行了整理和分析,指出現(xiàn)有研究存在的問題以及今后的發(fā)展方向,為金屬礦山熱動力災害科學防治提供依據(jù)和參考。

1 金屬礦山熱動力災害的概念與屬性

金屬礦山熱動力災害是指在特定的時間內(nèi),金屬礦山中蓄積的能量對人發(fā)生持續(xù)性或爆發(fā)性的不期望轉(zhuǎn)移,是多種復雜的、難以控制的熱力學現(xiàn)象導致的災害總稱。經(jīng)大量查閱文獻,筆者將金屬礦山熱動力災害分為兩類:外因災害和內(nèi)因災害?；谑鹿手乱蚶碚?主要由人的不安全行為引起的熱動力災害被認定為外因災害,主要由于物的不安全狀態(tài)導致的金屬礦山熱動力災害被歸為內(nèi)因災害。外因災害通常指的是外因火災,內(nèi)因災害包括硫化礦自燃、硫化礦塵爆炸和礦井熱害三類。

2 金屬礦山熱動力災害特性

金屬礦山熱動力災害同時具有持久性和突發(fā)性。其中硫化礦自燃和礦井熱害具備持久性,而外因火災與硫化礦塵爆炸具有突發(fā)性。各類災害之間相互耦合作用,使金屬礦山熱動力災害具有4 種特性:難監(jiān)測性、關聯(lián)性、頻發(fā)性和污染性。

2.1 難監(jiān)測性

井下地質(zhì)環(huán)境結(jié)構復雜,與地表有很大差異。熱動力災害在井下隨時可能發(fā)生,且發(fā)生地點不可預測,需要準確的監(jiān)測預警技術以及人員的規(guī)范操作來保證監(jiān)測預警系統(tǒng)正常運行。監(jiān)測設備的放置與投入使用往往滯后于開采工作,因此從新的采空區(qū)出現(xiàn)到建立相應監(jiān)測預警系統(tǒng)的這一段時間的熱動力災害監(jiān)測難度較大。另外,礦井下可能伴有SO2等有毒有害氣體從硫化礦體中溢出,當人員進行近距離檢測時存在吸入有毒氣體的風險,嚴重者可能當場窒息死亡,這給礦井安全成產(chǎn)造成極大困難。

2.2 關聯(lián)性

金屬礦山熱動力災害之間具有緊密的聯(lián)系。如圖1所示,外因火災可以成為硫化礦自燃、硫化礦塵爆炸和礦井熱害的誘因。熱害會導致井下環(huán)境濕度上升,降低井下人員的工作舒適度,增加人員操作失誤的概率。井下局部堆礦區(qū)發(fā)生自燃或爆炸,熱量會以熱輻射和空氣熱傳導等方式傳遞到其他作業(yè)區(qū)域,加重其他區(qū)域的熱害。硫化礦自燃發(fā)生后,一旦形成密閉空間以及硫化礦塵云,則自燃的火焰可作為硫化礦塵爆炸的點火源。同時,井下某區(qū)域發(fā)生硫化礦塵爆炸,可對周邊巖體產(chǎn)生機械力作用,加強硫化礦的化學活性[1],使其更容易發(fā)生自燃。

2.3 頻發(fā)性

井下環(huán)境條件復雜,溫度高、濕度大,部分機械開采作業(yè)會產(chǎn)生揚塵以及對巖體的能量累積,各類熱動力災害發(fā)生的初始條件容易滿足,熱動力災害風險無處不在。井下特殊的環(huán)境會對人的心理和生理造成影響,增加人失誤的概率[2],提高熱動力災害發(fā)生的可能性。

2.4 污染性

我國約20%～30%的黃鐵礦和5%～10%的有色金屬或多金屬硫化物礦山具有硫化礦石自燃的潛力[3],這些硫化礦石發(fā)生自燃或爆炸時會產(chǎn)生大量SO2等污染性有毒氣體以及大量金屬粉塵,在災害發(fā)生后會立即或緩慢地排放到空氣中,進入大氣循環(huán)和水循環(huán)等生態(tài)系統(tǒng),在周圍地區(qū)形成沉降,有的甚至會沉積到25 km 以外的地方[4],長此以往會對周邊水源和土壤造成嚴重污染。

3 金屬礦山熱動力災害理論研究現(xiàn)狀

3.1 硫化礦自燃

硫化礦石自燃是一個復雜的非穩(wěn)態(tài)的混沌演化過程[5]。目前研究對于硫化礦石自燃機理主要有4種解釋:物理吸附機理、熱化學機理、電化學機理、微生物作用機理[6-7]。

(1)物理吸附機理。當硫化礦塊破碎且與空氣接觸時,硫礦石表面最先發(fā)生對氧氣的物理吸附作用,同時釋放出少量的吸附熱。物理吸附普遍作用于礦塊表面,其吸附速度較快,且伴隨著逆作用。物理吸附不能夠產(chǎn)生大量熱量,聚熱過程較為緩慢。但其為化學熱作用提供了條件。

(2)熱化學機理。熱化學機理認為硫化礦石與空氣接觸時,其內(nèi)部的金屬硫化物與空氣中的氧氣和水發(fā)生反應,并伴有放熱現(xiàn)象。在實際情況中,硫鐵礦石更容易自燃。其反應過程復雜且受環(huán)境濕度影響很大。濕度較大的環(huán)境下,硫鐵礦更容易集熱發(fā)生自燃。

(3)電化學機理。在井下潮濕且富氧的條件下,硫化礦石的表面水層與空氣中的水蒸氣產(chǎn)生電位差,兩者形成一個電極系統(tǒng)[6]。隨著電化學反映的進行,電能和熱能積聚,從而引發(fā)硫化礦自燃。

(4)微生物作用機理。處于斷層破碎帶的氧化礦石中,微生物含量極高,這些微生物與礦粒發(fā)生大量接觸。微生物通過自身分泌的EPS 作為反應溶液,在溶液中Fe3+與礦粒反應生成Fe2+和硫代硫酸鹽。微生物再通過自養(yǎng)作用菌T.f與L.f將Fe2+氧化成Fe3+,之后T.f和T.t再將硫代硫酸鹽分解產(chǎn)生的硫氧化為硫酸鹽[8]。

3.2 硫化礦塵爆炸

宏觀上硫化礦塵爆炸條件與粉塵爆炸條件類似,根據(jù)粉塵爆炸五邊形理論[9],硫化礦塵爆炸必須同時滿足5 個條件:① 點火源;② 氧化劑;③ 密閉空間;④ 硫化礦塵;⑤ 粉塵云狀態(tài)。從微觀角度上主要有3 種機理被大部分學者認可[10]。

(1)氣相爆炸機理。硫化礦塵通過熱輻射、熱對流等方式從外界獲得引爆能量,當?shù)V塵顆粒表面溫度達到熱分解溫度時,礦塵顆粒迅速分解,從固相轉(zhuǎn)化為氣相。分解產(chǎn)生的氣體與空氣混合發(fā)生反應,釋放反應熱并產(chǎn)生火焰。反應熱進一步促進礦塵分解,形成鏈式反應。

(2)表面非均相爆炸機理。該機理認為硫化礦塵著火過程分為3 個階段:空氣中氧氣與硫化礦塵顆粒表面發(fā)生氧化反應,進而產(chǎn)生燃燒;燃燒產(chǎn)生的揮發(fā)分環(huán)繞在礦塵顆粒四周形成氣相層,阻止了氧氣向外部擴散;最后,揮發(fā)分發(fā)生燃燒,促使粉塵顆粒接連燃燒。

(3)爆炸性混合物爆炸機理。該機理認為可燃性氣體存在于礦塵自身中間,故也可以將其看作為爆炸性混合物爆炸。一旦爆炸性混合物與點火源相接觸,便會在這一點產(chǎn)生原子或自由基。以這一點為連鎖反應的作用中心,爆炸熱從內(nèi)向外傳遞促使臨近層的爆炸混合物發(fā)生化學反應,接著又為更外一層提供熱能,從而產(chǎn)生連鎖爆炸反應。

另外,硫化礦塵爆炸的條件參數(shù)如最小點火能、最大爆炸壓力和硫化礦塵云爆炸濃度下限等都對爆炸程度有著重要影響,有不少學者對這些條件進行了研究。例如,田長順等[11]建立了縮核—揮發(fā)分爆炸反應過程機理模型,提出了專用于金屬硫化礦塵爆炸反應過程機理模型的方程式。饒運章等[12]測試了不同硫含量、粒徑和濃度的金屬硫化礦塵爆炸時的爆炸壓力和最低爆炸濃度,得出硫化礦塵爆炸壓力等級為St1 級,以及3 種變量對爆炸壓力和最低爆炸濃度的影響規(guī)律。

3.3 外因火災

外因火災是指由于明火、電器設備短路、機械摩擦生熱以及高溫火花等外在原因造成的不可控的燃燒現(xiàn)象。隨著井下開采機械化程度的提高,外因火災發(fā)生概率也隨之增大。外因火災的發(fā)生通常是由于人員的違規(guī)操作、失誤行為以及管理不到位造成的,工人未經(jīng)專業(yè)操作培訓、無證上崗、安全意識不高、疲勞作業(yè)導致注意力不集中;管理人員擅自離崗或?qū)ΜF(xiàn)場情況和規(guī)章制度不了解;雜物隨意堆放未及時處理,消防設施裝備滯后,未對機械設備以及皮帶裝置進行定期維護等都會增加井下外因火災的風險。

火災發(fā)生時,煙氣會通過巷道迅速傳播至整個通風網(wǎng)絡。在煙流運移規(guī)律研究方面,王樹剛、周心權等[13-14]分別提出了煙流滾退距離的函數(shù)關系和一種更切于實際的火風壓計算公式。也有學者通過數(shù)值模擬軟件探究煙流運移影響因素,賈靜、李宗翔等[15-16]分別利用TF1M3D 軟件與COMSOL 軟件,得出在下行風流火災時期火風壓、火區(qū)熱阻力以及風流的變化規(guī)律和不同因素下的臨界風速。

3.4 礦井熱害

當前礦井熱害熱源較為明了,主要有圍巖散熱、空氣自壓縮熱和機械設備放熱以及其他熱源。

(1)圍巖散熱。井下圍巖可釋放出大量熱量[17],占所有熱源放熱量的40% ～50%[18]。由表1 可見[19],隨著開采深度的增加,圍巖溫度也隨之上升。

表1 中國礦井按溫度分類Table 1 Classification of mines by temperature in China

圍巖散熱通過對井下空氣熱傳導作用,對其進行加熱,主要分為2 種方式:巖體直接導熱與涌水散熱。只要有新的采空區(qū)出現(xiàn),巖體就會對氣流進行持續(xù)的加熱作用,直至氣流與巖體溫度一致。

(2)空氣壓縮熱。井外空氣進入井內(nèi)后由于氣體自身重力作用,形成由井口到井下方向的氣流,氣流運動過程中與礦體發(fā)生摩擦,并最終轉(zhuǎn)變?yōu)殪?。氣流向礦底部運動的過程中會產(chǎn)生壓力值的變化,影響環(huán)境溫度。深井內(nèi)每向下100 m,風流壓縮升溫約1 ℃[20]。

(3)機械設備放熱。機械設備放熱來源于井下各種機械設備工作運轉(zhuǎn)時總理論能量減去有效能量所余出的熱能。隨著采礦技術的現(xiàn)代化與智能化,更多的機械設備被投放到深井作業(yè)中使用,隨之也使得機械設備放熱比例增大。

(4)其他熱源。井下的其他熱源包括礦石氧化放熱、開采時的爆破放熱以及人體放熱等。氧化放熱在金屬礦山中隨著深度的增加放熱量占比逐漸上升。爆破放熱多是瞬時性的,非持續(xù)性的放熱形式,與人體放熱等其他熱源放熱占比較少。

4 金屬礦山熱動力災害防治技術研究現(xiàn)狀

4.1 硫化礦自燃

硫化礦石初期的氧化較為緩慢,而中后期的氧化升溫速率較高[7],采取措施將極其困難。故監(jiān)測預警技術研究較多,較少關于防滅火方面的技術。

(1)自燃傾向性評價法。自燃傾向性評價法通過對礦樣的幾項特定指標參數(shù)綜合權重,分析得到其自燃傾向?qū)傩?對后續(xù)的自燃防治工作具有指導作用。但是該類評價方法只能將礦樣移至實驗室操作,無法快速地在現(xiàn)場進行評價。目前我國學者對于自燃傾向性評價的方法較為豐富,其判別指標也各有不同。潘偉等[21-22]利用最大Lyapunov 指數(shù)對硫化礦石自燃傾向性進行定性判斷。李志超等[23]提出硫化礦石自燃傾向性分級的RS-標準云模型。陽富強等[24]運用正態(tài)云模型結(jié)合熵權法對自燃傾向性等級進行劃分。韓梓晴等[25]對指標權重信息構造偏序矩陣,得出硫化礦石自燃傾向性偏序集模型。

(2)紅外測溫技術。紅外測溫技術具有使用方便、快速、準確、非接觸、可操作性強等優(yōu)點,是自燃火災探測應用的趨勢。受發(fā)射率等因素的影響,紅外測溫技術的精度有待提高,相關學者對此做了大量研究。李珞銘等[26]分析了影響測溫準度的因素,得出硫化礦堆自熱時受環(huán)境影響較大。李孜軍等[27]將粉塵濃度引入影響因子當中,建立了距離、角度和粉塵濃度的回歸方程。石東平等[28]提出了一種無需發(fā)射率測量的三波段測溫方法,避免了發(fā)射率帶來的測量誤差。也有學者對礦石自熱起始溫度進行探究,Jin等[29]利用Hurst 指數(shù)判斷硫化礦石的自熱起始溫度。該研究結(jié)合以上紅外測溫技術可以對硫化礦石自燃災害做出更準確的判斷。

(3)微生物脫硫技術。硫化礦石中的硫含量是決定硫化礦石能否自燃的關鍵[30],利用微生物脫硫技術降低硫化礦石中的硫含量可以有效抑制硫化礦自燃。Pan 等[31]通過添加表面活性劑改善了硫化礦生物浸出,加強了微生物的脫硫作用。Tang 等[32]通過Plackett-Burman 實驗從6 個影響生物浸出率的因素中篩選出3 個影響最強的,并且對這3 個因素的交互影響進行優(yōu)化,得到了最佳脫硫方法。還有學者利用超聲波處理對微生物脫硫過程進行優(yōu)化[33],在一定條件下可以顯著提高對小粒徑礦石的脫硫率。

(4)化學泡沫阻化劑技術。與注水、灌泥漿等方法類似,化學泡沫阻燃技術屬于隔離滅火方法中的一種,利用物理隔絕與化學反應雙重效果抑制硫化礦石自燃。但前者缺點明顯,滅火效果不佳,還可能造成拉鉤現(xiàn)象?；瘜W阻化泡沫具有效果穩(wěn)定、粘性好等特點,是今后發(fā)展新型阻化劑的趨勢。李孜軍等[34-35]先后提出了氯化鎂微膠囊泡沫阻化劑和以硫酸鋁、碳酸氫鈉、三氯化鐵和植物水解蛋白為原料的化學泡沫阻化劑,都具有較好的阻化性。

4.2 硫化礦塵爆炸

硫化礦塵爆炸防治技術可分為爆炸之前的預防預測措施與爆炸發(fā)生后的結(jié)構防護措施。由于井下環(huán)境條件限制以及硫化礦石爆炸會產(chǎn)生大量SO2氣體等特殊性[36],采取爆炸發(fā)生之后的結(jié)構防護措施難以實現(xiàn),所以重點是在爆炸之前的預防預測技術。而目前我國關于這方面的研究有限,值得學者進一步探究。

(1)采用合理的通風系統(tǒng)。降低浮沉與硫化礦塵堆積的可能性,無法形成粉塵云,就不可能形成爆炸。出現(xiàn)通風死角,立刻采取局部通風等措施進行消除,避免出現(xiàn)局部密閉空間。使硫化礦塵較多的巷道保持合適的風量,應滿足《冶金礦山安全規(guī)程(井下礦山)》規(guī)定的粉塵濃度:使作業(yè)地點空氣含塵量小于2 mg/m3、作業(yè)區(qū)空氣含塵量小于10 g/m3?？刂七M風空氣的質(zhì)量,入風井巷和采掘工作面進風風源的粉塵濃度應小于0.5 mg/m3,空氣溫度不高于28 ℃[37]。

(2)采用濕式鑿巖。在出礦時對礦石以及巷道內(nèi)壁進行灑水降塵,防止粉塵云的產(chǎn)生以及二次飛揚[9],降低空氣中硫化礦塵的濃度,使其保持在爆炸下限濃度以下。灑水降塵具有方法簡單,經(jīng)濟實惠,效率高且無污染等優(yōu)點,同時也能降低井下溫度[38]。同時要避免留礦時間過長,做到及時出礦,阻止硫化礦石黏結(jié)而形成礦堆空洞。

(3)消除點火源。任何明火、電火花、撞擊、劇烈摩擦、高溫自燃等都可能作為點火源。嚴禁在井下吸煙以及將打火機等火源帶入作業(yè)場所。在高爆炸危險區(qū)域的作業(yè)應采用防爆的設備,加強機械設備的定期檢查與維修,避免設備因機械故障而產(chǎn)生高溫或者電火花。維修設備時采取不會產(chǎn)生火花的防爆工具。

(4)降低氧氣含量。使用惰性氣體(如二氧化碳[39]、氮氣等)對井下環(huán)境進行填充?；蚴咕颅h(huán)境處于負壓狀態(tài),抽離其中的空氣,使其無法形成爆炸。但以上2 種措施在井下作業(yè)中均無法實現(xiàn),因為井下工作需要給人通以充足的氧氣且要保證井下通風系統(tǒng)實時工作。

(5)硫化礦塵濃度監(jiān)測。實時監(jiān)測硫化礦塵濃度可以在形成爆炸的危險之前作出有效防范措施,可以預防硫化礦塵的爆炸。傳統(tǒng)的測塵儀需要收集現(xiàn)場粉塵,不方便測量,無法做到實時監(jiān)測,且?guī)щ?具有引燃的危險性。新型粉塵濃度監(jiān)測儀器可發(fā)揮巨大作用。丁云峰等[40]提出一種基于光纖光柵和光纖準直器的新型測量技術,能夠?qū)崟r監(jiān)測井下硫化礦塵濃度,可實現(xiàn)遠距離不帶電作業(yè)。

(6)使用抑爆劑。在爆炸危險度高的作業(yè)區(qū),將石灰及惰性巖石粉等或凝膠干粉型抑爆劑覆蓋到礦體表面,可減少粉塵的產(chǎn)生以及減緩礦石氧化速度。合理地使用抑爆劑能阻止火焰的傳播以及形成爆炸的危險[41]。

4.3 外因火災

外因火災方面,我國學者主要從火災監(jiān)測、細水霧防滅火技術和煙氣防治技術3 個方面進行研究。

(1)火災監(jiān)測技術。由于外因火災具有突發(fā)性和不可預測性,在井下環(huán)境中預防外因火災極其困難,所以火災發(fā)生初期的防滅火技術顯得尤為重要。在火災發(fā)生的初期,燃燒產(chǎn)生的火焰具有光學特征以及產(chǎn)生溫度場、熱輻射等,利用這些性質(zhì),對火焰進行判斷、報警與遏制,可有效減少外因火災帶來的損失。解學才等[42]采用氣體指標分析、光纖溫度傳感以及紅外圖像技術結(jié)合建立了礦井火災事故預警系統(tǒng)。孫繼平等[43-44]先后提出了利用可見光雙目攝像機與紅外雙目攝像機結(jié)合溫度、氣體等參數(shù)對火災進行預警監(jiān)測,同時雙目攝像機具有判定火源位置的功能;利用紫外攝像機對電火花和火焰的圖像進行判別和報警。

(2)細水霧防滅火技術。細水霧是經(jīng)由特殊的噴嘴以及壓力產(chǎn)生的微小水珠,其冷卻性能好,在遇熱汽化過程中可在局部占有較大體積分數(shù)從而降低局部氧氣體積占比,也可削弱熱輻射,附著于燃燒物體表面起到隔絕作用[45]。劉紅威[46]將氮氣的惰化作用與細水霧的滅火作用相結(jié)合,提出了氮氣—細水霧兩相流防滅火技術。李小然[47]提出了帶有非離子添加劑的細水霧防滅火技術,能有效削減燃燒反應的劇烈程度。Sun 等[48]建立隧道模型,分析了細水霧以及縱向通風對于火源的平均流場與溫度場的影響。岳寧芳等[49]利用FDS 軟件構建運輸巷膠帶蔓延火災模型,得出細水霧對火災有冷卻作用,對高溫煙氣擴散有阻擋作用。

(3)煙氣防治技術。礦井工作環(huán)境與外界相對隔離,屬于受限空間,一旦發(fā)生火災,煙氣會迅速填充整個空間,致使人員窒息以及設備損壞。有效控制煙氣走向可減少傷亡,降低經(jīng)濟損失,也為救援工作的展開提供便利。王凱等[50]建立了多組可遠程控制監(jiān)控的風門,通過控制風門組的開閉狀態(tài)可阻止煙氣進入采區(qū)人員密集地帶。郭軍等[51]研究煙氣的時空變化規(guī)律,對火災救援行動中的危險區(qū)域進行劃分。有學者結(jié)合智能化調(diào)控與多源冗余技術提出了分布式聯(lián)動遠程控制通風系統(tǒng)[52],該應用中的智能監(jiān)控調(diào)節(jié)模塊是未來煙氣防治技術發(fā)展的趨勢。

4.4 礦井熱害

井下發(fā)生熱害時,需要通過改善通風來降低溫度,當通風降溫無法保證舒適的溫度時,需采取人工制冷技術。

(1)通風降溫技術。通風降溫方法具有經(jīng)濟、簡單、高效等優(yōu)點,通過改善局部風量分配以及整體風量大小來降低工作環(huán)境溫度,此方法大多需運用到模擬軟件。Zhou 等[53]經(jīng)過模擬得出雙管道通風相較于單管道通風在溫度均勻性和局部風速等方面更具有優(yōu)勢,且在增加井下作業(yè)舒適度的同時減少了降溫成本。程力等[54]提出了一種新型移動式通風降溫除塵技術,含有除塵、除濕和制冷3 個機組,通過局部通低溫空氣將某礦井一分段巷作業(yè)面和穿脈口的溫度分別降低4.17 ℃和3.12 ℃。Huang 等[55]對長距離巷道采用分段通風,經(jīng)過模擬得出不同區(qū)域采用獨特通風方式的最佳方案。汪仁建等[56]通過擬新建聯(lián)絡風井,增加額外主扇等方式優(yōu)化大柳行金礦奄口礦區(qū)的通風系統(tǒng),增加通風量,模擬后期降溫效果可達到17.5 ℃。

(2)人工制冷技術。人工制冷技術利用熱力學中的逆卡諾循環(huán),使得能量流向高溫物體,具有制冷能力強、降溫效果明顯等優(yōu)點,常用于治理較為嚴重的礦井熱害。主要包括傳統(tǒng)的制冷水降溫、制冰降溫技術,例如賈敏濤等[57]通過金屬礦山深部掘進巷道熱交換模擬測試平臺模擬巷道流場、溫度場及濕度場的變化規(guī)律,研究了制冷降溫系統(tǒng)的匹配優(yōu)化和冷量在工作面的配送方式對降溫效果的影響因素等。亓玉棟[58]提出了有效冷負荷和固定冷負荷等概念,分析了礦井空調(diào)負荷的構成并給出了計算公式。除了制冷水制冰降溫技術之外,也有熱泵、熱管等新興理論出現(xiàn),具有很廣闊的應用前景。朱海亮等[59]提出了能夠高效制冷和遠距離傳熱的熱泵與動力熱管復合系統(tǒng)。侯江麗等[60]提出了一種利用集熱管提取填土的熱量并將熱量置換到冷卻水中的集熱降溫系統(tǒng)。

5 金屬礦山熱動力災害防治技術研究展望

5.1 熱動力災害耦合孕災機理與次生衍生災害誘發(fā)機制研究

當前各種金屬礦山熱動力災害之間的耦合作用孕災機理尚未明晰,次生衍生災害的誘導機制仍不明確,缺少具有普適性的基礎理論,無法為耦合災害防治技術與次生衍生災害防治技術提供可靠的理論參考和方向指導。因此應該深入研究各熱動力災害之間的耦合孕災機理與反應過程,分析微觀與宏觀兩個視角下各災害互相作為引導因子的作用機制,探明次生衍生災害中的關鍵前后因果關系,結(jié)合真實次生衍生災害事故過程,通過仿真模擬等技術手段實現(xiàn)進一步解析各災害之間的銜接過程,構建次生衍生災害基礎理論研究體系。

5.2 金屬礦山熱動力災害智能精準監(jiān)測監(jiān)控平臺開發(fā)

受井下環(huán)境限制,實現(xiàn)傳感器與監(jiān)測裝置的零死角放置仍存在困難,而熱動力災害形成初期的監(jiān)測監(jiān)控極為重要;受氣體與溫度環(huán)境以及其他因素的影響,監(jiān)測器測量精度會有所下降,捕獲到錯誤信號可能造成誤判以及漏判;近距離檢測不但效率低,對進行檢測作業(yè)人員的人身安全也有一定威脅。因此應當重點研究具備監(jiān)測區(qū)域廣、捕獲能力強、響應速度快,可遠程操控的金屬礦山熱動力災害智能監(jiān)測監(jiān)控技術,發(fā)展智能傳感器自動響應技術,開發(fā)集成化的金屬礦山熱動力災害智能精準監(jiān)測監(jiān)控平臺,推動少人化或無人化的監(jiān)測監(jiān)控工作模式。

5.3 金屬礦山熱動力災害“全面—高效—協(xié)同”應急管理體系構建

金屬礦山熱動力災害常伴有嚴重性與污染性,一旦發(fā)生次生衍生災害事故,其破壞力較強,對人員和設備造成巨大傷害,爆發(fā)性的初階段災害結(jié)束后伴有后續(xù)的污染性災害對災后的應急救援行動造成極大困難;應急救援的通信聯(lián)絡問題存在技術難點;災害的嚴重程度與區(qū)域分布伴隨不可預測性和隨機性,這就要求應急救援體系具備在各種災害疊加的隨機條件下能夠快速地做出應急響應的能力。因此應當大力開展防災減災技術的開發(fā),促進高效阻斷災害連鎖反應技術的創(chuàng)新,為應急救援工作的開展提供便利;建立全面、高效、協(xié)同的應急管理體系,形成反應靈敏、上下聯(lián)動的應急管理體制,提高應急救援的精準定位能力與極端環(huán)境下的通信保障能力。

5.4 深部金屬礦山熱動力災害復雜致災理論與綜合防控技術探究

隨著淺部金屬資源因大量開采而逐漸減少甚至枯竭,深部開采已成為趨勢。據(jù)統(tǒng)計,我國開采深度達到或超過1 000 m 的金屬礦山已達 16 座[61]。相較于淺部開采環(huán)境,深部的各類熱動力災害致災機理更為復雜,災害演化性質(zhì)與組成有所不同,所處環(huán)境更容易引發(fā)熱動力災害,而針對于深部熱動力災害的致災理論與防治技術研究較少。鑒于此,應當進一步明晰在深部高地應力、高環(huán)境溫度、強擾動等復雜環(huán)境下熱動力災害形成與發(fā)展的機制,探究在熱、流、固等多場耦合作用下熱動力災害的動力學演化過程;在現(xiàn)有淺層熱動力災害防治技術與裝備的基礎上,結(jié)合不同礦區(qū)特有的環(huán)境條件,從個體防護以及災害防治等角度開發(fā)金屬礦山熱動力災害綜合防控技術。

6 結(jié) 語

(1)金屬礦山熱動力災害事故發(fā)生頻率較高,重特大事故時有發(fā)生,帶來人員傷亡以及巨大財產(chǎn)損失,是不容忽略的嚴重性較高的災害。

(2)金屬礦山熱動力災害孕災過程復雜多變,其防治技術的研究涉及多學科交叉融合,是我國金屬礦山安全生產(chǎn)亟待解決的重點問題之一。

(3)在“十四五”期間,為提高金屬礦山熱動力災害防治能力,應堅持創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展,努力實現(xiàn)金屬礦山熱動力災害致災機理研究的突破,在金屬礦山熱動力災害智能精準監(jiān)測平臺方面取得創(chuàng)新性成果,推動應急救援體系的進一步完善,加強深部熱動力災害復雜致災理論與綜合防控技術的研究。