采煤工作面风控降温技术试验

罗 勇

(煤矿瓦斯治理国家工程研究中心，安徽 淮南232001)

引言

煤是我国的主要能源之一。随着社会的发展和煤炭资源开发的日益加强，矿井的开采深度不断增大。目前，世界各主要采煤国家相继进入深部开采，随着开采深度的逐步增加，地温也随之升高。德国和俄罗斯的一些矿山开采深度已达1 400～1 500 m；南非卡里顿维尔金矿开采深度达3 800 m，竖井井底已达地表以下4 146 m。加拿大超千米的矿井有30座，美国有11座[1-2]。据不完全统计，我国目前已有33对千米以下矿井[3]。据世界各地的测量资料，全球平均地温梯度约为3 ℃/100m，据全国矿井高温热害普查资料统计，我国目前已有65对矿井出现了不同程度的热害，其中38对矿井的采掘工作面气温超过30 ℃。据我国煤田地温观测资料统计，地温梯度为2 ℃/100m ～4 ℃/100m，例如平顶山八矿平均地温梯度为3.4 ℃/100m，-430m水平的原始岩温为33.2～33.6 ℃，采掘工作面的气温在29～32 ℃，最高已达34 ℃，矿井热害问题凸显[1]。

我国2005年1月1日起实施的新《煤矿安全规程》规定，生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26 ℃，机电设备硐室的空气温度不得超过30 ℃[1]。

深井开采条件下，地温不断升高，热害以及有毒有害气体、粉尘的危害也日益增大。这些危害严重影响作业工人的效率及身心健康，甚至很可能导致一些矿井恶性事故的发生，给矿井的安全生产及其日常管理带来了极大的威胁。地热已经成为瓦斯、煤尘、水、火、顶板之后的第六灾害。可见，煤矿深井降温技术正成为国内外矿山研究的一个重要领域。

1 淮南矿区高温矿井概述

淮南矿区深部(-600 m以下)工作面、掘进头夏季温度30～36 ℃，有的工作面上隅角温度高达37～40 ℃，加之空气污浊、湿度几乎达100%，闷热难当。工人在高温环境中作业，经常出现中暑、昏厥、休克等现象，工人的生命权和健康权难以保证。随着开采深度的不断增加，地热灾害问题日益严重。煤层-600 m标高大部分区段地温超过31 ℃，局部区段大于37 ℃。其中潘一矿-650 m标高围岩温度达到37 ℃，潘三矿-650 m标高地温达到36.3 ℃。新建的顾桥矿井、丁集矿井等都属于以地温异常为主的高温区，其中顾桥矿井地温梯度平均为3.08 ℃/100 m。垂深500 m岩石的平均地温在31 ℃以上，已达一级热害区；垂深700 m岩石的地温在37 ℃左右，进入二级热害区；垂深800 m岩石的地温达40 ℃。矿井设计第一水平标高为-780 m，原岩温度为37.7～43.7 ℃，平均为40.1 ℃。丁集井田恒温带深度和温度分别为30 m和16.8 ℃，矿井平均地温梯度为4.02 ℃/100m，绝大部分地温梯度大于3 ℃/100m。矿井设计第一水平标高-826 m，原岩地温达到43 ℃[4-5]。

矿井向深部延伸，大型机械化设备的采用和开采强度的加大造成延伸深度大、距离远、通风断面小、风量有限，因此下山采区保护层开采的工作面温度很高。瓦斯治理、开采程序与劳动环境的矛盾尤显突出。目前矿区的开采重心在-650 m，并正以每年10 m的速度向下延伸，并且由于瓦斯治理的需要，必须尽早采用下山开采，首先开采煤层较薄的保护层(如新区的B11煤层)，为主采突出煤层的瓦斯治理留出时间和空间。采场向深部延伸的速度加快，加剧了工作面温度环境的恶化。淮南矿区井田地温异常的主要原因[4-5]包括：

1) 井田地质构造比较复杂，断层多，特别是受郯芦断层构造的影响，沟通了上地幔的热流通道，将深部热流导入浅部，致使岩温升高。

2) 淮南矿业集团新区地处潘集背斜隆起区域，由于岩层结构的变化改变了热流方向，垂直层理方向的导热性能小于沿层理方向的导热性能，从而导致了井田不同地带温度场分布的差异，越是靠近背斜轴部地温越高。

3) 淮南煤田的岩浆岩侵入限于上窑、潘集、丁集勘探区，一般呈层状侵入，引起矿区九龙岗、潘集、丁集、顾桥地温异常。

4) 煤系地层上覆有较厚(400 m以上)的第四系松散层，形成锅盖效应，地层散热条件差，聚热效应明显。在同一深度相同地质条件下，其上覆的第四系地层越厚，地温也越高。淮南新老矿区的地温差异很大，原因正在于此。

热害问题已经成为制约淮南矿区安全生产、高产高效、和谐发展的瓶颈，如果不能有效地解决地热灾害问题，必将严重阻碍淮南矿区新一轮生产和建设的发展。

2 深井高温工作面降温技术

一般来说，井下热源包括空气自压缩放热、围岩散热、机电设备散热、氧化热和炸药爆破热等[3]。淮南矿区深井采用的降温措施主要包括非制冷空调降温措施和机械制冷降温措施，前者主要有增加风量、改革通风方式、避开局部热源、预冷进风风流、隔绝高温围岩、热水防治、采取个体防护等手段；后者主要是人工制冷降温措施，主要包括集中或局部的空调式降温技术、冰冷式降温技术、气冷式(压风)降温技术等。制冷机按容量和设置位置可大致分为：1)独立移动式制冷机。在各工作面实施局部制冷的方式；2)大型制冷机安装在地表或井下的集中固定式制冷方式。即制冷机在竖井井口或井底冷却全部进风的直接制冷方式和制冷机的冷水用送水管送往工作面附近与移动式热交换器配套，组成局部冷却的分散制冷方式[1-2]。

非制冷式空调降温措施在我国矿井热害治理中应用较为成熟，如避开局部热源、加强通风、预冷进风风流等优化通风系统的方法。另外我国对隔绝高温围岩、个体防护的研究也有很大的进展。根据目前国内外矿井热害治理经验，有效的治理方式是采用机械制冷空调进行采掘工作面降温，但存在制冷设备投资大、建设周期长、运行成本高等缺点。当采用非机械制冷降温措施不足以消除井下热害，或技术经济效果不佳的情况下，才考虑采取人工制冷降温。

3 Y型通风风控降温技术

加大工作面风量、缩短风流路线、减少巷道散热和采空区氧化热进入工作空间是非机械制冷降温的主要手段。采煤工作面Y型通风方式具备上述条件，因此，在顾桥煤矿同一煤层(B11煤层)同一采区相邻工作面进行了U型通风和Y型通风降温试验[5]。

3.1 试验工作面概况

1117(1)首采工作面位于矿井-780 m北一采区中部，北为F87采区边界断层，南到工业广场保护煤柱，东西分别到设计运输顺槽和回风顺槽线。周围及上下煤层均未开采。工作面标高-803.5～-679.6 m，走向长2 746.5～2 765.8(2 756.2) m。倾斜长249.9 m，煤层倾角3o～10o，工作面煤层赋存稳定，平均厚度2.55 m。工作面采用U型通风方式，运输顺槽进风，轨道顺槽回风，后退式全冒落采煤工艺。工作面设计日产量为10 000 t。

1115(1)工作面位于北一B11-2采区的第五个条带，工作面净长220 m，回采长度2 596.3 m，工作面标高-765.8～-656.2 m。该工作面井下位于东至1114(1)运输顺槽，西至1114(1)运输顺槽，南到工业广场保护煤柱，北到F87采区边界断层。周围除1117(1)工作面正在回采外，其余上下煤层均未开采。工作面采用Y型通风方式，运输顺槽和轨道顺槽进风，工作面回采后轨道顺槽留巷作为工作面回风巷，形成两进一回Y型通风系统。1115(1)工作面运输顺槽(一次沿空留巷巷道)为锚梁网支护，巷道设计中高为3.2 m、宽5.0 m、断面16.0 m2；运输顺槽用于进风、运煤及辅助运输。1115(1)工作面轨道顺槽(一次沿空留巷巷道)为锚梁网支护，巷道设计中高3.4 m、宽5.0 m、断面17.0 m2；轨道顺槽用于进风及辅助运输。1114(1)工作面运输顺槽、边界煤层回风上山为锚梁网支护，巷道设计中高3.2 m、宽5.0 m、断面16.0 m2；1114(1)运输顺槽、边界煤层回风上山作为1115(1)工作面回采时的回风通道。工作面设计日产量为10 000 t。

3.2 风控降温效果考察

经过对前述高温采面热源调查[5]，可知：

1)主要进风巷围岩放热占57.7%，运输中煤和矸石放热占15.4%，物料的氧化放热占7.7%，其它热量占19.2%。

2) 综采工作面机电设备多、容量大，其运转散热占75.7%，煤岩放热占18.4%，其它热源放热占8.9%。

因此，采用沿空留巷两进一回Y型通风方式，综采工作面机电设备散热和采空区氧化散热可直接进留巷回风巷内，工作面材料道作为辅助进风巷，其风流温度将显著降低。图1为2007年9至10月1115(1)Y型通风工作面、1117(1)U型通风工作面实际供风量变化关系曲线，图2为2007年8至12月1115(1)Y型通风工作面、1117(1)U型通风工作面轨道巷风温实测关系曲线。

图1 1115(1)面和1117(1)面风量变化关系曲线

图2 1115(1)面轨顺温度和1117(1)面轨顺风流温度变化关系实测结果

由图1和图2可以看出，2007年7至10月，虽然1117(1)工作面配风量大，但由于采用U型通风方式，综采工作面机电设备散热和采空区氧化热直接进入工作面回风流，导致轨道巷的风流温度上升，1117(1)工作面轨道巷正常风流温度30～34 ℃，最高达35 ℃，工作环境差。1115(1)综采面采用二进一回Y型通风方式，1115(1)综采面轨道巷正常风流温度27～30 ℃，最高32 ℃。两巷风流温度差3～4 ℃，风控降温效果明显。相比局部降温系统的效果，取得了较好的经济效益和社会效益。

相比工作面传统的U型通风方式(图3左)，两进一回的Y型通风方式(图3右)有利于深部的安全高效开采：Y型通风工作面采空区的漏风主要流向留巷，可显著改变采空区流场结构，从根本上解决上隅角瓦斯积聚难题；保证工作面上隅角瓦斯浓度处于安全允许值以下的较低值；在保证工作面瓦斯浓度不超限的安全前提条件下，通过调节二进风巷的进风比，降低工作面的风量，减少上、下端口压差，保证上部端口区域瓦斯浓度处于较低水平；由于工作面中没有来自采空区的漏风，避免了采空区瓦斯向工作面的涌入；运煤、运料设备、供电、供水等管线都在进风巷中，而回风巷内既无电缆道，也无管路，成为专用回风巷，大大提高了安全性；采煤工作面机电设备散热和采空区氧化热直接进入专用回风巷，工作面上、下进风巷均处于进风系统，对高温采煤工作面具有明显的降温作用。因此，Y型通风沿空留巷是安全、技术和社会效益一体化的瓦斯治本技术，是解决高瓦斯和高地温问题的根本出路[5]。进入深部开采后，工作面应弃U型通风方式而选择Y型通风方式。

图3 U型通风和Y型通风工作面通风系统示意图

4 结语

本文对比U型通风和沿空留巷Y型通风的风控降温效果，结果表明：采用U型通风方式，虽然1117(1)工作面配风量大，但由于综采工作面机电设备散热和采空区氧化热直接进入工作面回风流，导致轨道巷的风流温度上升，轨道巷正常风流温度30～34 ℃，最高达35 ℃，工作环境差；采用二进一回的Y型通风方式，机电设备散热和采空区氧化热直接排入留巷回风流中，1115(1)综采面轨道巷正常风流温度27 ～30 ℃，最高32 ℃。两巷风流温度差平均约3.5 ℃，风控降温效果十分明显。

非制冷式空调降温技术降温效果有限，并不能作为单独的降温手段使用，无法满足深部高温矿井热害治理的需要。而机械制冷效果虽好，但存在制冷设备投资大、建设周期长、运行成本高等缺点。因此，必须采用综合手段去获得理想的降温效果。淮南矿区2008年开始试验瓦斯发电余热吸收制冷(热电冷联供)矿井降温技术[3-5]，该方法为煤矿矿井热害治理探索出一条新路，实现了瓦斯能源的综合利用，提高了瓦斯资源的利用率，降低了制冷的运行成本，消除了因为热害治理成本高昂从而难以开展的矛盾，在取得瓦斯发电效益的同时利用余热解决了矿井热害治理难题，必将成为科研人员进一步研究的重要方向之一。

[1]卫修君,胡春胜. 矿井降温理论[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 2008.

[2]王 文,桂祥友,王国君. 矿井热害的治理[J]. 矿业安全与环保, 2002,29(3):31-33.

[3]李亚民. 瓦斯发电余热制冷技术在煤矿热害治理中的应用[J]. 安徽建筑工业学院学报:自然科学版, 2009,17(3):53-56.

[4]袁 亮. 淮南矿区矿井降温研究与实践[J]. 采矿与安全工程学报, 2007, 24(3):298-301.

[5]袁 亮. 低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采理论与实践[M]. 北京：煤炭工业出版社, 2008.