深井热害治理及地热能利用研究现状

陈 军

(朔州市山阴县安监局，山西 朔州 036000)

开采进入深部以后，对安全生产的研究主要集中在两个方面：围岩温度的分布及围岩应力的分布。二者的持续升高极大增加了研究难度，来自于高温的难点在于井田面积过大时降温效率过低，主要原因在于供冷线路长，冷损多；来自于高应力的难点在于如何根据煤层质软的特点实现安全支护和安全采掘。为改善矿井生产环境，国内外学者做了不懈的努力，积累了丰富的经验。

早在20世纪初，世界范围内就已出现矿井热害问题，并有学者对矿井热环境进行了研究，建于1920年的巴西毛勒.约尔赫(Morro.Velho)金矿(采深2 000 m，原岩温度50 ℃)是世界上首个采用空气调节的矿井，1924年德国Radbod煤矿(采深968 m，原岩温度44 ℃)建立了世界首个煤矿空调系统。至20世纪70年代末，南非、德国、英国、苏联等国家已大规模采用矿井空调系统，80年代以后制冷降温则成为深井降温的主要手段[1-2].

我国对矿井热环境的研究起步较晚。1964年，淮南九龙岗矿采用制冷降温进行局部降温实验。随后，抚顺分院与中科院长沙矿冶研究所在苏制4F10型活塞冷水机组的基础上联合研制JKT-20型矿用冷风机，在部分热害矿井得到良好的应用。

经过半个多世纪的发展，各种降温系统和方法被提出，如今所面临的主要问题则是降温投资与降温效果的不平衡，即达到良好的降温效果必须花费巨大的投资。国内外学者把热泵技术和余热利用应用于井下降温，做了大量研究实践，以井下涌出的高温裂隙水或回风大巷中的废热为热源，利用热泵将其热量品位提高之后进行地面生活区的供暖或制冷[3-4].

中国矿井热害分类见表1.

表1 中国矿井分类[5](按温度)表

1 高温巷道温度场研究方法

巷道的掘进打破了岩层原有的热平衡状态，风流自始至终都在与巷道围岩发生着热交换，调热圈的大小随风流温度的变化而变化，调热圈的变化本质上是围岩的非稳态导热过程。巷道围岩温度场的研究方法主要包括：理论分析计算、现场测定、物理相似模拟试验和数值模拟试验4种。

1.1 理论分析计算

巷道围岩导热微分方程的正确建立，是实现理论分析的首要条件。学者在理论分析方面持相同的假设条件，即：1) 巷道围岩是均质的，且各向同性，热物理参数为常数。2) 围岩的原始岩温为常数，仅随深度变化。3) 矿内巷道为一个无限大的空心圆柱体，沿水平巷道的长度方向岩体的温度梯度为零。4) 风流温度不随时间发生变化,为稳态温度场。

1.2 现场测定

围岩调热圈范围随通风时间的增加而逐渐扩大，在同一断面对巷帮打不同深度的钻孔，放入测温探头，封孔稳定一段时间后读取测温结果，钻孔实测法可直观得出巷道围岩温度分布情况以及调热圈随通风时间增加的变化情况。现场测定的结果可以证明理论计算的正确性。褚召祥，朱庭浩等[6-7]诸多学者都采用过该方法对所研究巷道围岩温度分布进行了测定，并且各实测结果与对应的理论分析及数值模拟结果都很接近。

1.3 物理相似模拟试验

模拟研究是各领域学科揭示不同规律的一个重要且可靠的手段，模拟研究分为物理模拟和相似模拟。物理模拟在模型中重新建造与真实对象中相同的物理场，只是相应于模型比例其绝对值有所改变；相似模拟是在模型中用另一种物理场代替真实对象中的一种物理场。高温巷道围岩传热规律的研究多采用物理模拟相似实验进行研究，根据相似性原理，对应的两个系统满足相似的条件有两个：1) 描述两个系统对应点的各物理量之间分别保持一个常数—相似常数。2) 描述两个系统对应点的动态发展规律的基本物理议程相同，也就是说各相似常数间保持一定的关系，即相似准则。对于井巷温度场的模拟试验，其难度在于温度场相似准则的推导，张源[8]基于围岩温度场相似准则，设计的高地温巷道热环境相似模拟实验系统，通过巷道围岩喷注隔热材料降温模拟实验研究了高地温巷道围岩温度场及演化规律。

1.4 数值模拟试验

数值模拟试验相比较以上3种研究方法是最简便经济的，但其准确性需依边界条件的设置、考虑因素的多寡而定。计算机技术的迅速发展，使得数值模拟可以实现对各种物理场的研究[9-10]. 现今几乎所有学者对温度场的研究都离不开数值模拟，而数值模拟试验的结果只有与以上3种方法的研究结果相对应，才能说明试验的有效性。总的来说，4种研究方法互为补充，促进完善，是温度场研究历程中不可或缺的手段。

2 深井热环境热源定性分析

地温随开采深度的增加而升高，矿井热环境的形成因素有多种，主要分为内在因素和外在因素。内在因素包括：地面气候变化、空气自压缩；外在因素包括：地热、机电设备散热、煤岩运输散热、矿井涌水散热等；其它因素还可能有矿井开采距离长、风量偏低等，见图1. 在不同的情况矿下这些因素所起到的主次作用不同，因此在矿井的不同地方的主要热源也会发生相应的变化。

图1 深井热环境影响因素图

2.1 地面气候

地面气温的变化对于深井空气环境的影响非常大，将其周期性的变化看做正弦曲线来计算其温度，但计算误差比较大。随着技术的发展，现在已很少采用计算的方式求地面温度，通过对地面井下各测站气温的测定即可确定对降温(空调)系统的调节程度。冬夏温差大，气温过低时则需将进风流加热处理；温度过高时则需提高降温(空调)系统功率。

对于空气自压缩所引起的风流温升的计算方法，因为计算压入式通风与抽出式通风井底处温度的结果有明显区别，多在建井初期制冷设备选型时作为参考数据使用。

2.2 巷道围岩散热

原岩温度取决于温度梯度与埋藏深度，地温梯度主要取决于岩石的热导率与大地热流值。对于多数深井来说，围岩释放到风流中的热量占整个矿井内所有释放热量的75%以上[8]. 因此，针对围岩的降温研究被普遍认为是深井热害治理的一个突破口。

围岩与井下风流的热交换是一个复杂的不稳定换热过程。在采掘初期，新暴露面的围岩以很快的速率向空气传递热量，随着岩壁逐渐被风流冷却，岩壁向空气的传热就逐渐减少，最后岩壁的温度趋近于空气的温度。由于巷道壁内的热流动是不稳定的，因此岩体内部温度场的分布、空气的温度也在不断地发生着变化。但是散热量是矿井降温(空调)系统选型重要指标，现今采用一定假设条件进行计算：

1) 巷道为圆形横截面。

2) 巷道所开凿的岩体是均质并各向同性。

3) 巷道初揭开时，岩温与该处的初始岩温相等。

4) 整个巷道的圆周上传热条件不变。

5) 巷道内空气为恒温。

6) 围岩所散发热量全部传递给风流。

对于不同通风时间，其传热量亦不相同，杨德源[2]给出了详细的计算方法。

2.3 机电设备散热

科技的发展程度与煤炭(电力)的需求量互为正比关系，一定程度上促进了采掘机电设备的规模化和先进化。机电设备运行的放热是恶化工作面气候的一个重要因素，见图2. 某矿回采工作面各热源散热量所占比例，近一半的热量来自机械散热。因此，加强对机电设备的降温(换热)也是改善工作面环境的有效手段。

图2 某矿回采工作面各热源散热量比例图

2.4 矿井涌水散热

深部裂隙水温度多高于原始岩温1～3 ℃，可直接或间接与巷内风流发生换热，使风流温度升高，可根据涌水量、涌水温度及其在离开某巷段的出水温度，计算该段巷道涌水放热量。

2.5 其他热源

除了上述热源之外，还有氧化散热、人员散热、运出的煤及矸石散热、采空区漏风带的热量等，都对巷道气候环境起到加温的作用，受采掘面推进速度、喷雾降尘量等因素的影响，其散热总量较低，各矿区可根据现场地热情况进行散热量的计算。

3 深井热环境主要热源的定量分析与速算方法

热害矿井内散热源主要以围岩散热与机电散热为主，因此，根据其热交换特点列出井下围岩散热量与机电散热量的计算方法[11-12]. 通过准确计算散热量，可为矿井选用合适的降温方式以及降温设备。

3.1 围岩与风流的热交换

对于高温矿井，常温风流在巷道中不断被加热，直至巷道围岩与风流不存在温差。一般来说，巷道围岩放热可用下式计算：

Qτ=KτUL(tgu-tB)

式中：

Qτ—围岩散热量，W；

Kτ—围岩与井下风流热交换系数，W/(m2·℃)，其值的大小取决于岩石的导热系数、比热、巷道断面尺寸、通风时间和风量等诸多因素。

U—井巷周长，m；

L—井巷长度，m；

tgu—井巷始末两端的平均原始温度，℃.

tB—流经井巷始末两端的平均温度，℃.

根据Щербань矿井热交换理论导出的不稳定热交换系数Kτ有以下几种计算方法：

1) 通风时间小于1年的巷道在巷道水分蒸发强烈时：

2) 对于通风时间1～10年的巷道：

其中，当巷道水分蒸发强烈时：

3) 对于通风时间10～50年以上的巷道：

其中，当巷道水分蒸发强烈时：

式中：

R0—巷道当量半径，m，取0.564S1/2；

a—岩体导温系数，m3/s；

λ—岩体热导率，W/(m2·℃)；

τ—巷道通风时间，s；

ρ—岩石密度，kg/m3；

c—岩石的比热容，J/(kg·℃)；

λ—岩石的导热系数，W/(m2·℃)；

α、b—风流放热系数，W/(m2·℃)，可分别用下式计算：

式中：

vB—风速，m/s；

ε—巷道壁粗糙度系数，取值查表2可得。

表2 不同巷道及壁面情况的ε值的取值范围表

3.2 机电设备散热计算

机电设备的放热成为增加井下环境温度主要因素之一，尤其在回采工作面。不同设备的放热量计算方法如下：

1) 采掘机械放热。实测表明，约80%的机械散热会传给风流，放热量Qcj为：

Qcj=0.8kcjNcj

式中：

Qcj—机电设备放热，kW；

kcj一设备的时间利用系数；

Ncj—采掘机械电机消耗的功率，kW；

设备放热量的15%～25%用于风流温升，所以，由采掘机械放热引起的温升Δt为：

2) 提升设备工作时放热量。提升设备工作时的放热量Qt为：

Qt=(1-ηt)ktNt

式中：

ηt—提升机工作效率；

kt—设备的时间利用系数；

Nt—设备功率，kW.

3) 通风机工作时放热量。

对风流的加热QB为：

QB=0.564NB

引起的风流温升ΔtB为：

式中：

NB—通风机配用电机功率，kW；

V′B—风量，m3/min.

4 热害治理—降温措施研究

开采进入深部以后，井下作业条件恶化，热害问题严重影响了工人健康及深部煤炭资源的安全高效开采，我国热害矿区只能依据自身情况，因地制宜，设计或引进合适的降温系统。降温措施主要分为非机械制冷降温和机械制冷降温两大类。

4.1 非机械制冷降温

非机械制冷降温主要方法及适用条件见表3.

优化设计矿井开拓布置及通风线路，并适当增大风量等非机械降温方法都有助于降低热害治理的难度，但是其降温幅度有限，对于深井并趋于规模化开采的矿区，以上措施可在局部或作为机械制冷降温的辅助措施。

4.2 机械制冷降温

机械制冷降温主要方法及适用条件见表4.

4.3 降温系统分析

压缩空气制冷降温系统装置庞大，制冷能力有限，无法满足深井降温，现多不采用。制冷水降温已经是一种比较成熟的矿井降温技术，国内外使用较为广泛，但该系统的冷凝热排放问题明显，尤其是井下冷凝热的排放，能直接影响制冷系统的制冷效率。制冰系统在融冰速度慢、融冰池体积过大和输冰管道堵塞上的问题比较明显。对于空冷器转换效率低，冷冻水供回水管道冷损过大的问题则是制冷水和制冰系统共有的问题。

表3 非机械制冷降温方法概述[13,14] 表

表4 机械制冷降温方法概述[15-17] 表

根据现场降温经验，传统的非机械降温措施和单一的机械降温措施皆无法满足降温要求，多措施联合降温将是改善深井热环境的重要思路。目前，各降温系统能耗高，效率低，究其根本因素是煤矿矿区面积大，输冷线路过长，致使冷损过大，这也是与金属矿不同之处，所以金属矿的输冷管道的设计可有效降低冷量损失[18]. 新汶集团新巨龙矿区采用的分区集中降温，实现了制冷系统随采场的改变而实现“迈步”移动，使制冷负荷中心始终靠近采区，在地面条件允许的情况下，该方法能降低冷损，提高工作面降温效率。一般来说，现场所需制冷系统应具有低功耗、高能效的特点，但此技术瓶颈有待突破。从对单个矿区进行各系统经济技术比较来确定最佳的降温方案，到降温联合矿井废热资源的利用，到降温联合深井热害矿区的地热资源的有效利用，随着研究范围的逐渐扩大，热害矿井地热能的有效利用成为降低成本、改善矿区生态环境的一种有效措施。

5 热泵技术在深井的热资源利用分析

煤田地热资源的价值随采深增加而愈来明显，对于深井热害矿区，其地热能品位较低，统称为浅层地热资源，一般需要通过热泵技术将其品位提高后加以利用，浅层地热资源主要作为热泵的低温热源用于供热，地热资源分级见表5.

表5 地热资源温度分级[19] 表

热泵可将低品位的热能经过电力做功而输出高品位热能，制冷与制热两种模式，蒸汽压缩式热泵原理见图3. 其中，蒸发器使经膨胀阀流入的制冷剂液体汽化，以吸收被冷却对象的热量，实现制冷；从蒸发器中吸收的放热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷区介质带走，以实现制热[20].

图3 蒸汽压缩式热泵原理示意图

因具有节能、环保、高效的优点，国内外许多矿区采用热泵技术将矿井涌水中的热量品位提高后利用，并取得一定的经济效益[21]. 矿井的安全高效生产离不开安全适宜的工作环境以及资源的高效利用。对于深井热害煤田，按其采区或某一区域对应地面或井下位置安设热泵工作站，是对井下资源的充分利用。取代具有污染性的燃煤锅炉供热，既有经济效益，又有环境效益，而且在矿区服务年限到达之后，废弃矿井也可作为储热系统用于地热能的提取，对于该系统的设计和应用，仍需大量的研究和调研。

6 结 语

通过对温度场研究方法的论述，说明了研究方法的完善性。理论分析与现场测定互为指导，二者是物理模拟和数值模拟的基础，4种研究方法互为补充。深井热源的分析是矿井需冷量计算的根本基础，对于现代化矿井，围岩散热与机电散热是工作面的主要热源。制冷系统主要问题以及技术瓶颈某种程度上阻碍了深井降温工作的高效开展。热泵技术在地热资源利用方面能实现一定的经济效益和环境效益，随着技术的改进，热泵在以后的矿井地热治理中亦能占重要角色。