矿井高温热害综合治理技术的研究与应用

矿井高温热害综合治理技术的研究与应用

赵熙

百色百矿集团东怀煤矿 广西百色 533000

摘 要：本文将对矿井高温热害的主要成因进行分析，同时以矿井开采的实际情况为基础，结合笔者自身在煤矿现场的实践经验，集中阐述预防冷热害的措施，尤其在通风量的增加、通风方式的转变、热源的管控、地面空调的设置、井下集中进行制冷等方面，本文将进行详细的介绍，从而为矿井之中的热害治理工作提供部分借鉴与参考。

关键词：矿井；高温热害；治理；安全生产

前 言

当前，伴随矿井开采挖掘的深度逐渐加深,矿井地面的温度也有所提升，与此同时其他的放热源也会释放一定的热量，致使遭遇高温热害的矿井与日俱增。在高温的环境之下开展相关开采发掘作业,不仅劳动生产率显著降低，工人的身体也会相应受到损害，显著地增加井下工作的风险，甚至会引发矿井之内的灾害与相关开采事故。故而,对矿山井下的放热源与通风方面问题进行研究分析,能够保证矿山之内生产工作的安全性与开采工作人员的身体健康安全,促进矿业的可持续发展。

1 矿井高温热害成因分析

在矿井之中带来矿井高温热害的放热源可以分为两种，一种是相对热源，另一种是绝对热源。相对热源同环境温度之间的差值有着密切的关系，例如井下的热水与高温岩层散热都属于相对热源。绝对热源则一般与气温没有任何的联系,例如化学反应与空气压缩带来的热源均属于绝对热源。热害产生最主要的四大热源是地热、机电设备散热、矿物放热、风流自重压缩放热。

1.1 井下围岩散热

伴随着矿井下端距离地表越来越远，井下原岩的温度逐渐提升，地心沿着半径向外界输送的热流使得井下的温度有所变化。围岩传热主要有两种方式：一种是热导从岩体的深处朝着井巷的方向传导热量，另一种是裂隙水借对流向井巷传导热量。

可以用下述的式子来表示围岩对风流的加热量：

Q_gu=K_rLU (t_gu-t_B) ①

①式之中特殊字母代表的含义如下述所示:

K_r 指的是风流和围岩之间的不稳定换热系数，单位是W/m²·K；

L指的是巷道的长度，与此同时U则指的是巷道的周长，单位均为m（米）；

t_gu指的是围岩的起始温度，单位为℃（摄氏度）；

t_B指的是巷道风流温度的平均数，单位也为（摄氏度）℃。

笔者自己工作所待的矿井平均地温梯度为2.59摄氏度 /100米，地热的温度增加率为 1摄氏度 /38.6米，地温梯度不超过3摄氏度，可以认定此矿井处于地温正常的区域。但是，若煤层的深度大于750米，温度超过37摄氏度，即可认定该区域为二级高温区，笔者所处矿井的平均深度为900米，因此可以认为本矿井可开采的煤层大致都属于二级高温区域。

此外，工作面与巷道的淋水温度均不低，甚至部分工作面的淋水温度远远高于42摄氏度。因此，可以初步判定导致笔者所在矿区产生高温热害的原因是围岩散热。

1.2 空气自压缩热

导致空气由地表下到矿井底部温度有所提升的原因是空气受到压缩而散发热量。空气受到压缩而导致温度升高的变化值可以由下述式子来进行计算测量：

②

②式之中特殊字母代表的含义参照下述：

n指的是多变指数，其中在绝热的条件之下，多变指数为n=1.4；

G指的是重力加速度，一般取其值为9.8m/s²；

R指的是普氏气体常数，干燥空气的R值=287J/(kg•K)。

风流可以看作是一种可压缩的流体，在接近绝热的条件之下，n=1.4，那么②中的式子可以被简化成下述的式子：

③

③式表示，单位井筒每提升102米的长度，空气的绝热压缩温度便提升1摄氏度。注：自压缩是一种没有办法消除解决的热源，并且自压缩的程度会随着挖掘开采深度的加深而加大。

笔者所在矿井的副井口标准高度等于+43.5米，副井底的挖掘深度等于900米。经过粗略的计算，由地面的副井口至井底的车场，风流因为自压缩而提升的温度从理论上讲应该等于9.25摄氏度。由此可见，空气自压缩所导致的风流温度上升占深井热源的比例十分之大。

1.3 机电设备散热

伴随当前矿井机械化进程不断被推进，井下普遍使用的能源当属电源。机电设备消化的能量除了用来做有用功之外，全部被转换成了热量散发到了周围环境之中。机电设备的散热量可以依据下述的式子进行计算：

在上式之中：

N_i指的是机电设备的额定功率，单位为kW（千瓦）；

N指的是机电设备的台数，单位为台。

笔者所在的矿井机械化的程度非常高，机电设备的散热总量也相对而言十分的巨大，其占掘进工作面总散热量的比例大约等于30％，占采煤工作面总热量 的比例大约等于20％，粗略估计，它可以提升风流温度5到6℃。

1.4 煤矸运输过程中散热

伴随矿井的开采强度不断上升，生产的集中程度和生产水平不断增加，挖掘而出的煤岩温度相对而言十分的高。笔者所在矿井有90％的煤矸，同时还使用胶带输送方式来进行煤矸的运输，大大提升了煤矸和空气之间的接触面积，造成了风流温度的剧烈增加。

1.5 地面温度

地面温度对井下工作面的温度有着十分关键的影响。笔者所在矿井的地域具有十分分明的四季，每年一月份的平均温度在零下1摄氏度左右，七月份的平均温度在27摄氏度左右。根据井下的实时测量的数据表明，冬季的大巷温度约等于 15摄氏度，回风流温度约为26摄氏度；夏季的大巷温度则为25摄氏度，总回风流的温度则约为35摄氏度。

2 制冷降温措施

2.1 非机械制冷降温措施

2.1.1 增加风量

增加风量来进行降温工作是最高效且最经济的一种手段。按照降温的目标，高温回采面的风量需要设定大于等于800立方米/分钟。笔者所在的矿井在刚刚进入 7 月份便已经开始进行增加风量的降温工作。首先需要对主通风机的叶片运行角度进行调整，与此同时还要提升井下局部通风机的功率。这样，井下的风量便可以提升2100立方米/分钟，回采工作面的风量也将超过1200立方米/分钟 ，显著地降低了工作区域的温度，经过实际测量的数据显示，风量的加大能够带来2℃温度的降低。

2.1.2 改善通风方式

使用下行通风的方式能够针对工作面的风温实现1-4摄氏度温度的降低，W 型的通风方式相对于U型的通风方式能够多降低1到2摄氏度的温度。笔者所在矿回采工作面主要使用的便是下行通风的方式，能够十分高效快速地将工作面生成的多余热量带离工作区域，提升工作环境的舒适程度。但是此种方式的降温能力十分的有限，一般不能够完全解决深受热害矿井的问题。

2.1.3 控制热源降温

随着矿里生产机械化程度的提高，大功率设备散热也将不同程度的影响井下温度，大功率设备附近温度能提高1到2度左右。控制设备散热十分必要，主要措施为，通过改造，将大功率设备电机由风冷却改进为水冷，冷却水源为地面制冷水，通过冷水吸收设备散热，减少热量排入风流，达到降低井下温度目的。

2.2 机械制冷降温措施

2.2.1 使用地面空调系统预冷进风风流

在井口处设置安装七台大型中央空调，能够对即将进入副井的风流实施预先冷却的工作。与此同时，缩小副井之上两侧的通风断面，从而加大预先冷却风流的流入，减少热风的进入。经过粗略的计算，将七台中央空调同时打开一段时间，能够降低井口的温度2到3摄氏度。

2.2.2 建设制冷系统

由于向井下采掘工作面运输的制冷媒介的类型大都不相同，制冷系统主要可以分为三类，一类是风冷，另一类是水冷，还有一类则为冰冷。风冷系统的空气比热小于水冷系统，同时载冷量相对偏低，设备也相对复杂化巨型化，故而笔者所在矿井使用的为水冷系统。

依据制冷机组配置的不同，制冷系统可以分为两种类型，一种是地面集中式，另一种则为井下集中式。前者指的是制冷机组及散热设备——冷却塔留在地面之上，空冷器布置在井下采掘作业点附近（采煤工作面空冷器安装在下出口往外50米，掘进工作面空冷器安装在距离当头250米以内），制冷机组生成3摄氏度到5摄氏度的冷冻水经过循环水泵，再经由保温管道运送到采掘工作面的空冷器之中，降低空冷器之中空气的温度，冷却之后的空气和没有经过空冷器而温度相对高的空气于巷道之中混合之后，可以保证经过工作面的空气温度小于等于26摄氏度。

供往井下

恒温水箱（冷水）

水冷冷水机组

恒温水箱（常温水）

常温水管

冷却塔作用是给用循环水给水冷机制电机降温

冷却塔

图1 基本原理图

结 语

综上所述，经过对矿井高温热源成因的详细分析与阐述，再结合笔者自身的工作经验与工作环境，提出科学有效的降温措施。经由上述的多项可行方法，特别是矿井地面集中制冷系统的设置与运行，各开采挖掘工作区域的温度均低于26摄氏度以内，至少可以实现 6摄氏度以上的降温，显著优化了矿井之下的作业环境。

参考文献

[1]吴兆吉.矿井高温热害治理的研究[J].内蒙古煤炭经济,2018(08):18-19.

[2]吴兆吉,周秀隆,张世良.加大矿井高温热害治理力度提高千米深井煤矿安全生产水平[A].中国煤炭工业协会.全国煤矿千米深井开采技术[C].中国煤炭工业协会:,2017:6.