超深井礦山井下降溫技術(shù)研究

摘要：針對某超深井礦山井下熱害問題，利用VentsimTM DESIGN 5.4三維通風(fēng)軟件對礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)和熱模擬計算，并通過熱負(fù)荷計算對比需風(fēng)量焓差，分析得到：礦山一期工程通過加大風(fēng)量可以降低井下工作面氣象環(huán)境至國家相關(guān)安全規(guī)程允許范圍內(nèi)（濕球溫度不高于27 ℃）。二期工程通過加大風(fēng)量不能解決井下高溫問題，通過熱模擬計算和分析后，根據(jù)礦山現(xiàn)狀，在3個位置設(shè)置制冷站并進(jìn)行核算，得到了每個制冷站所需負(fù)荷，最終對各個制冷機(jī)組進(jìn)行了選型。

關(guān)鍵詞：深井礦山；熱害；礦井降溫；通風(fēng)模擬；降溫技術(shù)；熱模擬；熱負(fù)荷

中圖分類號：TD72""""""""""文章編號：1001-1277（2024）08-0040-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240805

引"言

隨著淺部資源消耗殆盡，礦山向深井發(fā)展的趨勢越加明顯。目前，國內(nèi)已有幾十座礦山開采深度超過1 000 m，地溫?zé)岷栴}凸顯，井下濕球溫度達(dá)到30 ℃以上，高溫?zé)岷栴}危及井下工人健康且降低了勞動生產(chǎn)率，隨著越來越多的礦山向深部礦體進(jìn)軍，開展深井礦山通風(fēng)降溫技術(shù)研究具有重要現(xiàn)實意義［1-4］。

隨著礦山開采深度增加，井下高溫?zé)岷栴}日益凸顯，越來越多的學(xué)者在井下通風(fēng)降溫技術(shù)、制冷降溫技術(shù)和降溫系統(tǒng)等方向進(jìn)行了相應(yīng)的研究和應(yīng)用［5-8］。李國富等［9］對非隔熱層巷道圍巖的熱量釋放模式、調(diào)熱圈形成原理等進(jìn)行了分析研究，推導(dǎo)出隔熱降溫效果理論解析式及參數(shù)，工業(yè)試驗對比證實巷道采用隔熱降溫技術(shù)后可以獲得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益；劉召勝等［10］基于三維通風(fēng)仿真軟件對極厚大礦體開展深井通風(fēng)熱模擬，得到該礦山全年通風(fēng)降溫最優(yōu)方案；王運敏等［11］依據(jù)井下巷道熱交換能量方程，分析井下巷道熱交換基本規(guī)律，得出對巷道入風(fēng)溫度控制可以提高井巷熱交換效率，達(dá)到降溫目的；程力等［12］通過分析目前井下通風(fēng)降溫技術(shù)的不足，提出了一種新型的移動式通風(fēng)降溫除塵技術(shù)；王雷［13］提出一種新型井下分布式制冷降溫系統(tǒng)，將制冷機(jī)分散布置，節(jié)約了保溫管道投資，減少了冷量損失，工作面的降溫效果顯著提高；張健等［14］提出向巷道圍巖中放置冷水管，通過冷水管截流高溫的方法來降低圍巖溫度以此緩解礦井熱害的降溫方法；牛永勝［15］設(shè)計了一套井下降溫與熱能綜合利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以制冷，為高溫礦井提供冷源，也可以回收高溫礦井井下熱能，為地面建筑提供熱源；羅勇東等［16］針對某硫鐵礦井下高溫掘進(jìn)問題，采用礦井空壓式制冷空調(diào)系統(tǒng)和雙側(cè)隔熱風(fēng)筒及時排出掘進(jìn)工作面的熱水，使得掘進(jìn)工作面降溫效果顯著；朱海亮等［17］對高效制冷和遠(yuǎn)距離傳熱的熱泵與動力熱管復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

綜上所述，目前國內(nèi)金屬礦山井下降溫以加大風(fēng)量的通風(fēng)降溫、局部降溫措施等方式為主［18］，部分煤礦已采用了空調(diào)降溫等措施來處理礦山熱害。

本文以埋深達(dá)1 200～1 800 m某金礦礦體的開采為工程背景，利用VentsimTM DESIGN 5.4三維通風(fēng)軟件對井下開拓系統(tǒng)建模并進(jìn)行通風(fēng)模擬，然后利用熱模擬分析模塊對井下主要放熱源和采場工作環(huán)境進(jìn)行熱模擬分析，結(jié)合現(xiàn)場實際對礦山進(jìn)行制冷機(jī)組的配備，并利用三維通風(fēng)軟件進(jìn)行核驗。經(jīng)驗證，所配備制冷機(jī)組可以滿足該礦山-1 860 m中段人員作業(yè)場所的井下氣象條件要求，為超深井礦山開采高溫?zé)岷栴}提供了切實可行的實施技術(shù)方案。

1"工程概況

1.1"氣象條件

該金礦區(qū)所處位置屬溫帶大陸性半濕潤氣候季風(fēng)區(qū)，四季分明，春夏多東南風(fēng)，秋冬多西北風(fēng)。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳?5 a的氣象資料，區(qū)域的歷年平均氣溫12.5 ℃，極端最高氣溫38.9 ℃，極端最低氣溫-17 ℃。歷史月平均氣溫如圖1所示。

1.2"礦區(qū)概況

該金礦南北走向長度約6.7 km，礦體屬緩傾斜礦體，主要采用上向水平充填采礦法進(jìn)行開采，主副井開拓，石門長度長，礦山分2期工程建設(shè)：一期工程開拓系統(tǒng)服務(wù)至-1 120 m中段，埋深約1 150 m；二期工程開采至-1 120～-1 860 m，埋深1 880 m，屬于深井開采。礦區(qū)地溫隨深度增加溫度基本呈線性遞增，每百米自然增溫約1.7 ℃。根據(jù)鉆探得到礦區(qū)不同埋深的地溫如表1所示。

1.3"通風(fēng)系統(tǒng)簡述

礦區(qū)為已生產(chǎn)礦山，充分利用已有工程的情形下，新增2條回風(fēng)井作為主回風(fēng)井，考慮到礦山采用多中段生產(chǎn)、通風(fēng)線路復(fù)雜、風(fēng)流難以控制的特點，采用抽出式通風(fēng)方式。礦區(qū)采用分區(qū)通風(fēng)，北區(qū)采用側(cè)翼對角式通風(fēng)系統(tǒng)，南區(qū)采用中央對角式通風(fēng)系統(tǒng)。礦區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)如圖2所示。其中，1號、2號回風(fēng)井回風(fēng)，其余豎井和斜坡道進(jìn)風(fēng)，總進(jìn)風(fēng)量為1 671 m3/s。三維通風(fēng)軟件模擬得到風(fēng)量分配結(jié)果如表2所示。

2024年第8期/第45卷""礦業(yè)工程礦業(yè)工程""黃"金

2"熱負(fù)荷計算

礦區(qū)風(fēng)量已經(jīng)考慮了降溫風(fēng)量。為分析礦山通風(fēng)降溫效果，本文對一期工程和二期工程井下熱負(fù)荷進(jìn)行定量計算。井下總放熱量如表3所示。

開采-1 120 m以上礦體時，根據(jù)圍巖放熱、空氣壓縮放熱、機(jī)電設(shè)備放熱、柴油設(shè)備放熱、人體放熱、井下涌水放熱計算全礦井總放熱量為47 284.50 kW。核算考慮降溫風(fēng)量后的總風(fēng)量為1 671 m3/s，焓差為49 227.66 kW＞47 284.50 kW。故一期工程計算總風(fēng)量的通風(fēng)降溫能力滿足井下降溫要求，但二期工程通風(fēng)降溫不能滿足井下降溫要求。

3"熱模擬分析

3.1"一期工程開采熱模擬分析

根據(jù)所計算的井下熱負(fù)荷，結(jié)合礦區(qū)年平均氣溫、恒溫層溫度、地溫梯度、圍巖參數(shù)等，在考慮降溫風(fēng)量的條件下，采用VentsimTMDESIGN 5.4三維通風(fēng)軟件對井下主要放熱源和采場工作環(huán)境進(jìn)行熱模擬分析。相關(guān)的工程環(huán)境參數(shù)如圖3所示。

根據(jù)熱負(fù)荷計算和熱模擬結(jié)果，采場平均干球溫度為18.7 ℃～26.9 ℃，符合國家相關(guān)安全規(guī)程要求。部分獨頭掘進(jìn)面，未加局扇時，氣溫普遍為30.2 ℃～34.4 ℃，溫度較高，增設(shè)局扇加強(qiáng)局部通風(fēng)后，獨頭掘進(jìn)面風(fēng)溫可降至25.6 ℃。

根據(jù)分析結(jié)果，在考慮降溫風(fēng)量的情況下，一期工程井下大部分區(qū)域溫度滿足國家相關(guān)安全規(guī)程要求，僅部分獨頭掘進(jìn)面溫度較高，通過局扇加強(qiáng)通風(fēng)降溫，可滿足溫度要求。因此，一期工程在生產(chǎn)過程中，主要采取通風(fēng)降溫的方式，解決井下地?zé)釂栴}；需重點加強(qiáng)獨頭掘進(jìn)面通風(fēng)降溫；局部地溫異常地段，必要時可采用冰塊或局部制冷機(jī)組進(jìn)行局部降溫。

3.2"二期工程開采熱模擬分析

二期工程開采主要為南區(qū)南部礦體，采用盲混合豎井和斜坡道開拓。由于礦區(qū)埋深1 500 m時地溫為40.5 ℃，結(jié)合礦區(qū)年平均氣溫、各季節(jié)平均氣溫、恒溫層溫度、地溫梯度、圍巖參數(shù)等，對深部礦體開采進(jìn)行熱模擬分析。

在后期對深部開采時，由于-1 570 m中段以下礦體礦量較少，因此本次采用開采-1 570 m、-1 520 m2個中段進(jìn)行熱模擬分析。相關(guān)工程環(huán)境參數(shù)與圖3一致（考慮礦區(qū)最熱季節(jié)干球溫度為地表干球溫度）。

根據(jù)熱模擬結(jié)果，-1 570 m中段井下濕球溫度分布如圖4所示。經(jīng)模擬解算，中段采場平均濕球溫度為30.1 ℃～33.6 ℃，不符合國家相關(guān)安全規(guī)程要求。部分獨頭掘進(jìn)面未加局扇時，濕球溫度普遍為43.7 ℃～45.3 ℃；增設(shè)局扇加強(qiáng)局部通風(fēng)后，獨頭掘進(jìn)面風(fēng)溫也不能降至安全規(guī)程中有人員作業(yè)場所的井下氣象條件要求。

根據(jù)分析結(jié)果，在考慮降溫風(fēng)量的情況下，井下大部分區(qū)域溫度依舊不滿足國家相關(guān)安全規(guī)程要求。在生產(chǎn)過程中，需要采取制冷機(jī)組或冰塊的方式，解決深部井下地?zé)釂栴}。

4"二期工程深部開采制冷降溫方案

4.1"制冷方案分析

根據(jù)深部開采熱模擬分析結(jié)果，二期工程深部采場和獨頭掘進(jìn)工作面在加強(qiáng)通風(fēng)的情況仍不能滿足安全規(guī)程中有人員作業(yè)場所的井下氣象條件要求，考慮制冷降溫措施對井下空氣進(jìn)行降溫。

目前，國內(nèi)外常見的制冷措施有冷凍水供冷、冷卻器冷卻風(fēng)流的礦井集中空調(diào)系統(tǒng)，主要有以下3種類型：①地面集中式空調(diào)系統(tǒng)；②井下集中式空調(diào)系統(tǒng)；③井上、井下聯(lián)合式空調(diào)系統(tǒng)。

地面集中式空調(diào)系統(tǒng)是將制冷站設(shè)置在地面，冷凝熱也在地面排放，在井下設(shè)置高低壓換熱器將一次冷凍水轉(zhuǎn)換成二次低壓冷凍水，最后在用風(fēng)地點上用冷卻器冷卻風(fēng)流。但是，該制冷系統(tǒng)冷水的輸送距離過長，該金礦埋深最深達(dá)1 800 m，輸送冷水的管道需要進(jìn)行保溫且冷損失大，因此該系統(tǒng)不適用于該深井礦山。

井下集中式空調(diào)系統(tǒng)是將制冷站布置在井下，利用井下回風(fēng)流排熱或冷凝熱在地面排放的方式。該制冷方案可直接在井下需降溫處對風(fēng)流進(jìn)行制冷，冷損失小，考慮到礦山二期工程開采的總進(jìn)風(fēng)端距離回風(fēng)端不遠(yuǎn)且回風(fēng)風(fēng)量較大，本次設(shè)計考慮采用井下集中式空調(diào)系統(tǒng)，中段附近設(shè)置冷風(fēng)裝置對井下風(fēng)流進(jìn)行制冷，冷凝熱在井下回風(fēng)巷道中排熱。

井上、井下聯(lián)合式空調(diào)系統(tǒng)是指在地面和井下同時設(shè)置制冷站，冷凝熱在地面集中排放，它相當(dāng)于兩級制冷，井下制冷機(jī)的冷凝熱借助于地面制冷機(jī)冷卻系統(tǒng)冷卻。但是，該系統(tǒng)過于復(fù)雜，設(shè)備分散，不便于管理，因此本次設(shè)計不考慮此種制冷降溫方式。

根據(jù)熱模擬結(jié)果，在井下3個位置設(shè)置制冷站，分別為-1 070 m中段連接-1 070 m與-1 170 m中段進(jìn)風(fēng)調(diào)配井的通風(fēng)聯(lián)絡(luò)道位置、深部盲混合豎井-1 070 m中段石門附近、-1 070 m中段斜坡道位置。具體制冷裝置設(shè)置位置如圖5所示。

4.2"冷風(fēng)裝置設(shè)備選型

根據(jù)上述熱模擬分析結(jié)果，需要設(shè)置制冷設(shè)備使深部采場及獨頭掘進(jìn)面的工作環(huán)境滿足安全規(guī)程要求，且由于模型中沒有考慮裂隙水的影響，因此考慮了以下余量措施：①冷風(fēng)裝置余量留有15 %的安全系數(shù)；②排風(fēng)濕球溫度從24.6 ℃增加到27 ℃。

制冷方案為制冷機(jī)組放在井下回風(fēng)端，制冷后冷卻水通過管道輸送至冷風(fēng)裝置位置，冷風(fēng)裝置包含噴淋裝置和除霧器，可以將井下風(fēng)流通過熱交換器將風(fēng)流制冷，通過風(fēng)機(jī)將風(fēng)流送至深部采礦工作面，冷風(fēng)裝置工藝設(shè)計如表4所示。井下冷卻系統(tǒng)（冷風(fēng)裝置、制冷機(jī)組和排熱冷凝器噴霧室）的典型平面布置圖如圖6所示。

5"結(jié)"論

針對超深井礦山井下熱害問題，本文提出以VentsimTM DESIGN 5.4三維通風(fēng)軟件中通風(fēng)和熱模擬模塊為依托，建立井下熱源熱害的三維熱模擬分析，得到以下結(jié)論：

1）利用通風(fēng)軟件基于礦山開拓系統(tǒng)對井下需風(fēng)量和通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬分析，并考慮熱負(fù)荷計算及對比風(fēng)量焓差，分析得到礦山需風(fēng)量1 671 m3/s時可滿足一期工程通風(fēng)降溫的需求，但不能滿足二期工程深部礦體開采時井下工作面溫度要求。

2）二期工程開采時中段采場平均濕球溫度為30.1 ℃～33.6 ℃，不符合國家相關(guān)安全規(guī)程要求。在生產(chǎn)過程中，需要采取制冷機(jī)組或者冰塊的方式，解決深部井下地?zé)釂栴}。

3）根據(jù)礦山生產(chǎn)實際，結(jié)合熱模擬分析結(jié)果，優(yōu)選了二期工程深部開采制冷降溫方案，在井下3個位置設(shè)置了制冷站，并對各個制冷機(jī)組進(jìn)行了選型，制冷方案實施后井下工作面濕球溫度可降至27 ℃以下。

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Research on cooling technology for ultra-deep mine shafts

Cheng Dongxu，Duan Jinchao，Li Huahua

（CINF Engineering Co.，Ltd.）

Abstract：Addressing the issue of heat hazards in an ultra-deep mine，the VentsimTM DESIGN 5.4 3D ventilation software was utilized to simulate and calculate the mine，s underground ventilation system.By comparing the required airflow enthalpy difference through thermal load calculations，it was determined that in the first phase of the mine project，increasing the airflow could reduce the working face，s meteorological environment to within the limits allowed by national safety regulations （wet-bulb temperature not exceeding 27 ℃）.However，in the second phase，increasing the airflow alone could not resolve the high-temperature issue underground.Based on thermal simulation calculations and analysis，3 refrigeration stations were placed in specific locations according to the current conditions of the mine.The required load for each refrigeration station was calculated，and suitable refrigeration units were selected accordingly.

Keywords：deep mine shaft;heat hazard;shaft cooling;ventilation simulation;cooling technology;thermal simulation;thermal load