礦井高溫熱害綜合治理技術的研究與應用

摘要：本文將對礦井高溫熱害的主要成因進行分析，同時以礦井開采的實際情況為基礎，結合筆者自身在煤礦現場的實踐經驗，集中闡述預防冷熱害的措施，尤其在通風量的增加、通風方式的轉變、熱源的管控、地面空調的設置、井下集中進行制冷等方面，本文將進行詳細的介紹，從而為礦井之中的熱害治理工作提供部分借鑒與參考。關鍵詞：礦井；高溫熱害；治理；安全生產前言當前，伴隨礦井開采挖掘的深度逐漸加深,礦井地面的溫度也有所提升，與此同時其他的放熱源也會釋放一定的熱量，致使遭遇高溫熱害的礦井與日俱增。在高溫的環境之下開展相關開采發掘作業,不僅勞動生產率顯著降低，工人的身體也會相應受到損害，顯著地增加井下工作的風險，甚至會引發礦井之內的災害與相關開采事故。故而,對礦山井下的放熱源與通風方面問題進行研究分析,能夠保證礦山之內生產工作的安全性與開采工作人員的身體健康安全,促進礦業的可持續發展。1礦井高溫熱害成因分析在礦井之中帶來礦井高溫熱害的放熱源可以分為兩種，一種是相對熱源，另一種是絕對熱源。相對熱源同環境溫度之間的差值有著密切的關系，例如井下的熱水與高溫巖層散熱都屬于相對熱源。絕對熱源則一般與氣溫沒有任何的聯系,例如化學反應與空氣壓縮帶來的熱源均屬于絕對熱源。熱害產生最主要的四大熱源是地熱、機電設備散熱、礦物放熱、風流自重壓縮放熱。1.1井下圍巖散熱伴隨著礦井下端距離地表越來越遠，井下原巖的溫度逐漸提升，地心沿著半徑向外界輸送的熱流使得井下的溫度有所變化。圍巖傳熱主要有兩種方式：一種是熱導從巖體的深處朝著井巷的方向傳導熱量，另一種是裂隙水借對流向井巷傳導熱量。可以用下述的式子來表示圍巖對風流的加熱量：Qgu=KrLU(tgu-tB)①①式之中特殊字母代表的含義如下述所示:Kr指的是風流和圍巖之間的不穩定換熱系數，單位是W/m2·K；L指的是巷道的長度，與此同時U則指的是巷道的周長，單位均為m（米）；tgu指的是圍巖的起始溫度，單位為℃（攝氏度）；tB指的是巷道風流溫度的平均數，單位也為（攝氏度）℃。筆者自己工作所待的礦井平均地溫梯度為2.59攝氏度/100米，地熱的溫度增加率為1攝氏度/38.6米，地溫梯度不超過3攝氏度，可以認定此礦井處于地溫正常的區域。但是，若煤層的深度大于750米，溫度超過37攝氏度，即可認定該區域為二級高溫區，筆者所處礦井的平均深度為900米，因此可以認為本礦井可開采的煤層大致都屬于二級高溫區域。此外，工作面與巷道的淋水溫度均不低，甚至部分工作面的淋水溫度遠遠高于42攝氏度。因此，可以初步判定導致筆者所在礦區產生高溫熱害的原因是圍巖散熱。1.2空氣自壓縮熱導致空氣由地表下到礦井底部溫度有所提升的原因是空氣受到壓縮而散發熱量。空氣受到壓縮而導致溫度升高的變化值可以由下述式子來進行計算測量：②②式之中特殊字母代表的含義參照下述：n指的是多變指數，其中在絕熱的條件之下，多變指數為n=1.4；G指的是重力加速度，一般取其值為9.8m/s2；R指的是普氏氣體常數，干燥空氣的R值=287J/(kg?K)。風流可以看作是一種可壓縮的流體，在接近絕熱的條件之下，n=1.4，那么②中的式子可以被簡化成下述的式子：③③式表示，單位井筒每提升102米的長度，空氣的絕熱壓縮溫度便提升1攝氏度。注：自壓縮是一種沒有辦法消除解決的熱源，并且自壓縮的程度會隨著挖掘開采深度的加深而加大。筆者所在礦井的副井口標準高度等于+43.5米，副井底的挖掘深度等于900米。經過粗略的計算，由地面的副井口至井底的車場，風流因為自壓縮而提升的溫度從理論上講應該等于9.25攝氏度。由此可見，空氣自壓縮所導致的風流溫度上升占深井熱源的比例十分之大。1.3機電設備散熱伴隨當前礦井機械化進程不斷被推進，井下普遍使用的能源當屬電源。機電設備消化的能量除了用來做有用功之外，全部被轉換成了熱量散發到了周圍環境之中。機電設備的散熱量可以依據下述的式子進行計算：在上式之中：Ni指的是機電設備的額定功率，單位為kW（千瓦）；N指的是機電設備的臺數，單位為臺。筆者所在的礦井機械化的程度非常高，機電設備的散熱總量也相對而言十分的巨大，其占掘進工作面總散熱量的比例大約等于30％，占采煤工作面總熱量的比例大約等于20％，粗略估計，它可以提升風流溫度5到6℃。1.4煤矸運輸過程中散熱伴隨礦井的開采強度不斷上升，生產的集中程度和生產水平不斷增加，挖掘而出的煤巖溫度相對而言十分的高。筆者所在礦井有90％的煤矸，同時還使用膠帶輸送方式來進行煤矸的運輸，大大提升了煤矸和空氣之間的接觸面積，造成了風流溫度的劇烈增加。1.5地面溫度地面溫度對井下工作面的溫度有著十分關鍵的影響。筆者所在礦井的地域具有十分分明的四季，每年一月份的平均溫度在零下1攝氏度左右，七月份的平均溫度在27攝氏度左右。根據井下的實時測量的數據表明，冬季的大巷溫度約等于15攝氏度，回風流溫度約為26攝氏度；夏季的大巷溫度則為25攝氏度，總回風流的溫度則約為35攝氏度。2制冷降溫措施2.1非機械制冷降溫措施2.1.1增加風量增加風量來進行降溫工作是最高效且最經濟的一種手段。按照降溫的目標，高溫回采面的風量需要設定大于等于800立方米/分鐘。筆者所在的礦井在剛剛進入7月份便已經開始進行增加風量的降溫工作。首先需要對主通風機的葉片運行角度進行調整，與此同時還要提升井下局部通風機的功率。這樣，井下的風量便可以提升2100立方米/分鐘，回采工作面的風量也將超過1200立方米/分鐘，顯著地降低了工作區域的溫度，經過實際測量的數據顯示，風量的加大能夠帶來2℃溫度的降低。2.1.2改善通風方式使用下行通風的方式能夠針對工作面的風溫實現1-4攝氏度溫度的降低，W型的通風方式相對于U型的通風方式能夠多降低1到2攝氏度的溫度。筆者所在礦回采工作面主要使用的便是下行通風的方式，能夠十分高效快速地將工作面生成的多余熱量帶離工作區域，提升工作環境的舒適程度。但是此種方式的降溫能力十分的有限，一般不能夠完全解決深受熱害礦井的問題。2.1.3控制熱源降溫隨著礦里生產機械化程度的提高，大功率設備散熱也將不同程度的影響井下溫度，大功率設備附近溫度能提高1到2度左右。控制設備散熱十分必要，主要措施為，通過改造，將大功率設備電機由風冷卻改進為水冷，冷卻水源為地面制冷水，通過冷水吸收設備散熱，減少熱量排入風流，達到降低井下溫度目的。2.2機械制冷降溫措施2.2.1使用地面空調系統預冷進風風流在井口處設置安裝七臺大型中央空調，能夠對即將進入副井的風流實施預先冷卻的工作。與此同時，縮小副井之上兩側的通風斷面，從而加大預先冷卻風流的流入，減少熱風的進入。經過粗略的計算，將七臺中央空調同時打開一段時間，能夠降低井口的溫度2到3攝氏度。2.2.2建設制冷系統由于向井下采掘工作面運輸的制冷媒介的類型大都不相同，制冷系統主要可以分為三類，一類是風冷，另一類是水冷，還有一類則為冰冷。風冷系統的空氣比熱小于水冷系統，同時載冷量相對偏低，設備也相對復雜化巨型化，故而筆者所在礦井使用的為水冷系統。依據制冷機組配置的不同，制冷系統可以分為兩種類型，一種是地面集中式，另一種則為井下集中式。前者指的是制冷機組及散熱設備——冷卻塔留在地面之上，空冷器布置在井下采掘作業點附近（采煤工作面空冷器安裝在下出口往外50米，掘進工作面空冷器安裝在距離當頭250米以內），制冷機組生成3攝氏度到5攝氏度的冷凍水經過循環水泵，再經由保溫管道運送到采掘工作面的空冷器之中，降低空冷器之中空氣的溫度，冷卻之后的空氣和沒有經過空冷器而溫度相對高的空氣于巷道之中混合之后，可以保證經過工作面的空氣溫度小于等于26攝氏度。供往井下恒溫水箱（冷水）水冷冷水機組恒溫水箱（常溫水）常溫水管冷卻塔作用是給用循環水給水冷機制電機降溫冷卻塔圖1基本原理圖結語綜上所述，經過對礦井高溫熱源成因的詳細分析與闡述，再結合筆者自身的工作經驗與工作環境，提出科學有效的降溫措施。經由上述的多項可行方法，特別是礦井地面集中制冷系統的設置與運行，各開采挖掘工作區域的溫度均低于26攝