黃金礦山深部開采井下熱源分析

摘要：為量化黃金礦山深部開采過程中釋放的熱量，進(jìn)而給出熱害治理建議，分析了礦區(qū)原巖溫度隨深度的變化并對爆破、圍巖、設(shè)備等熱源散熱量進(jìn)行了計算。研究結(jié)果表明：礦區(qū)地溫梯度約為1.7 ℃/100 m，進(jìn)入-752 m中段生產(chǎn)時，原巖溫度將達(dá)到34.3 ℃；深部開采過程中，夏季主要散熱源為機(jī)械設(shè)備（電能）及空氣壓縮散熱，分別占比38.18 %及26.56 %，冬季主要散熱源為圍巖散熱及機(jī)械設(shè)備，分別占比38.74 %及24.81 %；深部開采通風(fēng)量為67.9 m3/s時，可保證深部開采過程中整體環(huán)境適宜性，當(dāng)局部出現(xiàn)高溫時，可以針對性采用加大通風(fēng)進(jìn)行降溫。

關(guān)鍵詞：深部開采；黃金礦山；原巖溫度；井下熱源；高溫?zé)岷?/p>

中圖分類號：TD727 文章編號：1001-1277（2024）07-0017-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240704

引 言

隨著開采深度的不斷延伸，熱害問題越來越成為礦山深部開采過程面臨的主要問題，且在金屬礦開采中更為突出，深井開采礦體均在增溫帶范圍內(nèi)，埋藏越深，熱害對礦山生產(chǎn)影響越大。而且井下工作面氣候條件的優(yōu)劣，不僅取決于溫度，還與空氣含濕量和風(fēng)速相關(guān)［1-2］。

地面空氣進(jìn)入井下后，由于受到礦井內(nèi)各種熱源的影響，空氣狀態(tài)參數(shù)發(fā)生很大變化。隨著金屬礦山開采深度的增加及礦內(nèi)機(jī)械化程度的提高，礦內(nèi)熱環(huán)境惡化問題越來越突出，尤其盤區(qū)采場的熱環(huán)境惡化程度更加嚴(yán)重。分析導(dǎo)致金屬礦山熱害產(chǎn)生的熱源結(jié)構(gòu)，是進(jìn)行熱害治理技術(shù)研究的基礎(chǔ)，金屬礦山礦內(nèi)熱源可分為典型熱源和普遍熱源兩大類。

典型熱源是指在開采過程中，金屬礦山所獨(dú)有的熱源，該熱源在金屬礦山中具有普遍意義，而在煤礦中幾乎不存在，或者存在但在總熱源中占的份額小。金屬礦山開采中的典型熱源主要包括：礦體開采過程中采用爆破法采礦引起的開采工藝——爆破散熱、采場膠結(jié)充填引起的充填體散熱、無軌柴油設(shè)備散熱及具有氧化性礦石的氧化散熱等。

普遍熱源是指在礦山開采過程中普遍存在的熱源，這種熱源在各種礦山開采過程中都存在。普遍熱源包括：開采深度增加造成原巖溫度升高引起的圍巖散熱、井下機(jī)電設(shè)備散熱、通風(fēng)位差引起的自壓縮熱、礦物在運(yùn)輸過程中的散熱等［3-4］。

本文依托新疆地區(qū)某黃金礦山工程實(shí)例，分析深部開采過程中各種熱源的放熱量，進(jìn)而對深部開采熱環(huán)境治理提出建議。

1 工程簡介

該黃金礦山位于新疆維吾爾自治區(qū)，礦區(qū)屬山前低丘陵山區(qū)，海拔750～935 m。礦石類型為金石英脈型及構(gòu)造蝕變巖型，圍巖以凝灰質(zhì)砂巖為主，巖體較穩(wěn)定，塊狀結(jié)構(gòu)，質(zhì)量中等。

礦體平均厚度0.87～1.94 m，平均傾角65°～83°，厚度≥0.8 m的礦體采用淺孔留礦嗣后充填采礦法開采，厚度＜0.8 m的礦體采用削壁充填采礦法開采。礦山采用豎井開拓方式，中段高度50 m，當(dāng)前采礦工作主要集中在198 m中段以上。

該礦山現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)最深達(dá)到-202 m中段，但在深部開采通風(fēng)系統(tǒng)的規(guī)劃中，深度達(dá)到地下-752 m位置。根據(jù)規(guī)范及實(shí)際需求，需對井下熱環(huán)境進(jìn)行實(shí)際測試分析，并結(jié)合深部開采設(shè)計量化散熱量，確定最小通風(fēng)量。

2 深部原巖溫度測試

2.1 原巖溫度測試方案

測溫孔深度為30 m，分別布置于198 m中段、-2 m中段、-102 m中段、-202 m中段。選用鎧裝熱電偶作為溫度傳感器，同一測溫孔中安裝6個溫度傳感器，分別位于距離孔口5 m、10 m、15 m、20 m、25 m及30 m處，以此來測試不同水平巷道、不同圍巖深度的溫度。

2.2 測試結(jié)果

不同中段的原巖溫度與孔深均滿足對數(shù)型擬合關(guān)系（如圖1所示）。198 m中段、-2 m中段、-102 m中段原巖溫度隨測點(diǎn)深度的增加而增大，但是-202 m中段原巖溫度隨測點(diǎn)深度的增加出現(xiàn)減小的趨勢，說明該中段的空氣溫度高于原巖溫度。隨著中段海拔從198 m下降到-202 m，巷道的調(diào)熱圈半徑從25 m減小到10 m，而原巖溫度則從19.4 ℃升高到24.1 ℃。

2.3 地溫梯度及深部原巖溫度預(yù)測

原巖溫度隨深度變化趨勢如圖2所示。根據(jù)各中段原巖溫度測得結(jié)果，原巖溫度隨深度的增加而逐漸升高，并呈現(xiàn)近似線性關(guān)系，通過對深度-原巖溫度進(jìn)行直線擬合可得該礦山不同深度原巖溫度計算公式。由擬合公式可知，礦區(qū)深部地溫梯度約為1.7 ℃/100 m。據(jù)此估算，礦山進(jìn)入-502 m中段生產(chǎn)時，原巖溫度在30 ℃左右；進(jìn)入-752 m中段生產(chǎn)時，原巖溫度將達(dá)到34.3 ℃。隨開采深度增加，地溫增高，存在一定程度熱害。

3 深部開采熱源分析

3.1 爆破散熱

該礦山采用炮采工藝采礦，用于炮采的炸藥爆炸產(chǎn)生的能量一部分用來破壞礦巖結(jié)構(gòu)，另一部分則以熱量的形式向礦內(nèi)空氣釋放。炸藥爆炸做功后直接向環(huán)境釋放的熱量［5］為：

式中：Qb為每次爆破平均散熱量（kW）；mb為每次爆破炸藥用量（kg）；Qbr為所用炸藥的爆熱（kJ/kg）；ω為炸藥的爆力值系數(shù)；τb為兩次爆破時間間隔（s）。

該礦山采用2號巖石乳化炸藥，該類炸藥對應(yīng)的爆熱及爆力值系數(shù)分別為3 676.24 kJ/kg及0.32。礦山深部回采及掘進(jìn)需要的炸藥日消耗量為561.42 kg，由式（1）可計算得出，爆破散熱量為16.2 kW。

3.2 充填工藝散熱

膠結(jié)充填后，膠結(jié)材料在凝固過程中會釋放大量的熱。由于該礦山深部開采主要采用廢石及尾砂充填，每年消耗膠結(jié)充填材料（強(qiáng)度等級42.5普通硅酸鹽水泥，最終水化熱為330 kJ/kg）約1 761 t，若考慮最不利條件，即膠結(jié)充填材料的水化熱在1年內(nèi)完成散熱，則充填工藝散熱量約為18.4 kW。

3.3 無軌柴油設(shè)備散熱

無軌柴油設(shè)備在工作過程中，柴油燃燒的能量一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，另一部分以熱能形式通過設(shè)備排出的高溫尾氣排入礦內(nèi)空氣環(huán)境，無軌柴油設(shè)備散熱量（Qc）為：

式中：Mc為無軌柴油設(shè)備的功率（kW）；ηc為無軌柴油設(shè)備柴油機(jī)的效率；τc為無軌柴油設(shè)備的工作時間（h/d）。

該礦山深部開采使用的柴油設(shè)備如表1所示。按照效率40 %、工作時間18 h計算，則無軌柴油設(shè)備散熱量為155.25 kW。

3.4 圍巖散熱

大多數(shù)情況下，圍巖主要以熱傳導(dǎo)方式將熱傳給巖壁，并通過巖壁傳給井下氣流。井巷圍巖放熱（或吸熱）量（Qgu），可按式（3）［6-7］進(jìn)行計算：

式中：l、U分別為巷道的長度（m）和周長（m）；tgu為井巷圍巖的初始溫度（℃）；tB為巷道中風(fēng)溫（℃）；kτ為圍巖深部未冷卻巖體與風(fēng)流間的溫差1 ℃時，單位時間從巷道1 m2的壁面上向風(fēng)流放出（或吸收）的熱量［kW/（m2·℃）］，當(dāng)巷道壁有強(qiáng)烈水分蒸發(fā)時，對于通風(fēng)時間1～10 a的巷道：

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)［W/（m·K）］；R0為巷道斷面水力半徑;b為巖體的蓄熱系數(shù)；tf為巷道通風(fēng)時間（s）。

式中：C為比熱容［（kJ/（kg·K）］；ρ為巖體密度（kg/m3）;f為巷道斷面面積（m2）。

一個中段服務(wù)周期一般在5年以內(nèi)，圍巖熱力學(xué)參數(shù)如表2所示，由式（4）可得巷道在形成后5年內(nèi)的不穩(wěn)定熱交換系數(shù)為0.61～0.80 W/（m·K）。

為了分析圍巖散熱，以1 000 m為巷道長度，有軌及無軌巷道周長的平均值10.662 m為巷道周長。該金礦區(qū)每月日均氣溫最高及最低分別為22 ℃（7月）及-10 ℃（1月），在冬季經(jīng)過井口進(jìn)風(fēng)預(yù)熱后，輸送至井下的風(fēng)溫不低于2 ℃，因此，分別以22 ℃及2 ℃為夏季及冬季的進(jìn)風(fēng)溫度，計算深部開采圍巖對風(fēng)流放熱量。深部開采過程中計劃同時開采5個中段，因此，在最不利情況下同時開采最深的-552 ～-752 m中段，夏季圍巖5年平均總散熱量約為392.48 kW，冬季圍巖5年平均總散熱量約為1 134.06 kW。

3.5 機(jī)械設(shè)備散熱

采掘機(jī)械接收的電能幾乎全部轉(zhuǎn)換為熱能，但實(shí)際觀測表明，僅有80 %的熱量傳給風(fēng)流，其余熱量則被運(yùn)輸?shù)牡V巖帶走。因此，采掘機(jī)械的放熱量（Qcj）可用式（7）［８］進(jìn)行計算：

式中：kcj為設(shè)備的利用系數(shù)，等于24除以每日實(shí)際工作時間；Ncj為采掘機(jī)械電動機(jī)消耗的功率（kW）。

礦區(qū)主要回采和掘進(jìn)設(shè)備如表3所示。由式（7）計算得到，機(jī)械設(shè)備散熱量為726.32 kW。

3.6 空氣壓縮散熱

地表氣體經(jīng)井筒進(jìn)入工作面中，由于井筒空氣柱的壓力，導(dǎo)致氣體被壓縮，因此將原本的勢能轉(zhuǎn)化為熱能，從而提高氣流的溫度。空氣壓縮的散熱量（Qb）為：

式中：Cp為空氣的定壓比熱容［kJ/（kg·K）］；MB為風(fēng)量（m3/s）；ΔH為風(fēng)流向下流動的垂直深度（m）。

通過對許多礦井井筒大量實(shí)測數(shù)據(jù)研究表明：井筒內(nèi)風(fēng)流每下降100 m，氣流溫度升高0.4 ℃～0.5 ℃。若取溫升為0.45 ℃/100 m，則計算得出開采-502～-752 m中段礦體時空氣壓縮散熱量約為505.3 kW。

3.7 采出礦（巖）散熱

井下礦體從開采到出礦存在一個時間過程，由于礦體新暴露于礦內(nèi)熱環(huán)境中，所以在出礦過程中存在放熱現(xiàn)象。礦（巖）體運(yùn)輸散熱量（Qys）可根據(jù)式（9）進(jìn)行計算：

式中：M為礦（巖）體的運(yùn)輸量（kg/s）；Ck為礦（巖）體的比熱容［kJ/（kg·℃）］；l為礦物運(yùn)輸?shù)木嚯x（m）；ta為巷道中風(fēng)流的平均溫度（℃）。

采出的礦石量為666.67 t/d，開拓的廢石量為278.6 t/d，合計945.27 t/d。假定平均運(yùn)輸距離為1 500 m，則-502 m中段至-752 m中段夏、冬兩季礦（巖）體運(yùn)輸散熱量為58.20 kW及222.47 kW。

3.8 人員散熱

礦工在作業(yè)時的自身放熱量，主要取決于勞動強(qiáng)度和持續(xù)作業(yè)時間。礦工在勞動時的放熱量（QR）可用式（10）［1］近似計算：

式中：kR為礦工同時工作系數(shù)，一般為0.5～0.7；N為作業(yè)地點(diǎn)的總?cè)藬?shù)；qR為能量代謝率（W/人），不同勞動強(qiáng)度的能量代謝率如表4所示。

該礦山最大班下井人數(shù)74人，實(shí)行三班倒工作制。kR取0.7；qR取275 W/人，由式（8）計算得出，人員散熱量為14.3 kW。

4 散熱量綜合評價及熱害治理建議

4.1 深部開采散熱量綜合評價

-502～-752 m中段熱源散熱量占比如圖3所示。由圖3可知：-502～-752 m中段開采過程中，夏季各種熱源的散熱量約為1 902.57 kW、冬季各種熱源的散熱量約為2 927.23 kW。夏季主要散熱源為機(jī)械設(shè)備（電能）散熱及空氣壓縮散熱，分別占比38.18 %及26.56 %；冬季主要散熱源為圍巖散熱及機(jī)械設(shè)備（電能）散熱，分別占比38.74 %及24.81 %。

4.2 深部開采井下熱害治理建議

深部開采通風(fēng)量為67.9 m3/s，空氣密度取1.177 kg/m3，夏季及冬季進(jìn)風(fēng)溫度分別取22 ℃及2 ℃，設(shè)定28 ℃、22 ℃、2 ℃空氣的焓值分別為75 kJ/kg、43 kJ/kg、9 kJ/kg，則通風(fēng)空氣升溫至28 ℃后在夏季及冬季可攜帶的熱量分別為2 557.38 kW、5 274.61 kW，均遠(yuǎn)超各種熱源的總散熱量。通風(fēng)可保證整體環(huán)境較適宜生產(chǎn)活動。開采過程中開采工藝散熱、機(jī)械設(shè)備散熱及人員散熱導(dǎo)致局部出現(xiàn)高溫可以針對性采用加大通風(fēng)進(jìn)行降溫，達(dá)到規(guī)范要求，創(chuàng)建舒適作業(yè)環(huán)境。

對于掘進(jìn)工作面：掘進(jìn)工作包括開拓、探礦、采準(zhǔn)切割，一般每個采準(zhǔn)及切割工作面配備1臺FBD-11型或FBD-5.5型局扇輔助通風(fēng)。獨(dú)頭掘進(jìn)工作面的通風(fēng)，按照巷道長度配備局扇，掘進(jìn)巷道工作面距主風(fēng)流巷道200 m內(nèi)可配備1臺局扇進(jìn)行抽出式通風(fēng)，大于200 m應(yīng)配備2臺局扇進(jìn)行壓抽式通風(fēng)。

對于采場：采場通風(fēng)一般是利用主扇的風(fēng)壓將回采工作面的空氣引向回風(fēng)巷抽出地表。在主扇通風(fēng)不良情況下，為加速采場降溫，可在采場內(nèi)配備FBD-11型或FBD-5.5型局扇輔助通風(fēng)，以進(jìn)一步改善工作環(huán)境。

5 結(jié) 論

本文主要分析了礦區(qū)地溫及原巖溫度、深部開采熱源，根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)對某黃金礦山深部開采熱環(huán)境治理給出了降溫建議，結(jié)論如下：

1）原巖溫度測試數(shù)據(jù)表明地溫梯度約為1.7 ℃/100 m。通過地溫擬合公式t =-0.011 7h + 21.501可對深部開采的井巷原巖溫度進(jìn)行預(yù)測：進(jìn)入-502 m中段生產(chǎn)時，原巖溫度在 30 ℃左右；進(jìn)入-752 m中段生產(chǎn)時，原巖溫度將達(dá)到 34.3 ℃。

2）-502～-752 m中段開采過程中，夏季各種熱源的散熱量約為1 902.57 kW、冬季各種熱源的散熱量約為2 927.23 kW。夏季主要散熱源為機(jī)械設(shè)備（電能）散熱及空氣壓縮散熱，分別占比38.18 %及26.56 %；冬季主要散熱源為圍巖散熱及機(jī)械設(shè)備（電能）散熱，分別占比38.74 %及24.81 %。

3）深部開采通風(fēng)量為67.9 m3/s，通風(fēng)空氣升溫至28 ℃后在夏季及冬季可攜帶的熱量分別為2 557.38 kW及5 274.61 kW，均遠(yuǎn)超各種熱源的總散熱量。預(yù)計深部開采過程中整體環(huán)境較適宜，開采過程中開采工藝散熱、機(jī)械設(shè)備散熱及人員散熱導(dǎo)致局部出現(xiàn)高溫可以針對性采用加大通風(fēng)進(jìn)行降溫。

［參 考 文 獻(xiàn)］

［1］趙興東，修國林，楊竹周，等.三山島金礦圍巖溫度梯度測試及工程熱環(huán)境分析［J］.金屬礦山，2013（6）：109-113.

［2］陳宜華，孫浩.深井高溫礦床井下熱源與熱量分析［J］.金屬礦山，2011（3）：132-135.

［3］那寒矗.深井礦山巖體熱害源分析與控制［D］.長沙：中南大學(xué)，2014.

［4］徐鴻博，李燁星.金屬礦山深井熱源分析與礦井通風(fēng)［J］.世界有色金屬，2017（19）：257-258.

［5］魏誠.礦山深部開采地溫測定及高溫?zé)岘h(huán)境分析［J］.黃金，2023，44（6）：30-34.

［6］趙小稚，崔崳，王敬志.巖溫對曹家洼金礦深部開采熱環(huán)境的影響［J］.黃金，2014，35（6）：33-35.

［7］王偉，馮?？?，趙天勇，等.秦嶺金礦深部探礦中段高溫?zé)岷χ卫矸桨柑接懀跩］.黃金，2021，42（3）：25-31.

［8］陳胤，楊運(yùn)良，程磊.礦井高溫?zé)岷Ψ治雠c治理［J］.礦業(yè)快報，2008（6）：78-79.

Analysis of heat sources in deep underground mining of gold mines

Wu Feng1，2，Li Ming1，Peng Jianping2

Abstract：To quantify the heat released during the deep mining of gold mines and provide suggestions for heat hazard management，this study analyzed the variation of original rock temperature with depth and calculated the heat release from blasting，surrounding rock，and equipment.The results show that the geothermal gradient of the mining area is approximately 1.7" ℃/100 m.At the -752 m level，the original rock temperature reaches 34.3 ℃.During deep mining，the main heat sources in summer are heat release from electric power of" mechanical equipment and air compression，accounting for 38.18 % and 26.56 % of the total heat，respectively.In winter，the primary heat sources are heat released from surrounding rocks and mechanical equipment，accounting for 38.74 % and 24.81 % of the total heat，respectively.With a ventilation rate of 67.9 m3/s，the overall environment during deep mining can be kept suitable.In cases of localized high temperatures，targeted cooling can be achieved by increasing ventilation.

Keywords：deep mining;gold mines;original rock temperature;underground heat sources;high-temperature heat hazard

收稿日期：2024-01-12； 修回日期：2024-03-02

基金項(xiàng)目：山東省重點(diǎn)研發(fā)計劃（競爭性創(chuàng)新平臺）項(xiàng)目（2022CXPT032）

作者簡介：吳 鋒（1983—），男，高級工程師，從事采礦技術(shù)研究及管理工作；E-mail：zjkykjb@126.com

*通信作者：李 明（1970—），男，副教授，博士，從事采礦技術(shù)研究工作；E-mail：41406278@qq.com