高温矿井作业区域共性分析与降温技术探讨

李 猛，魏 巍，彭 斌，艾幼孙，余志剑

（1.湖南有色冶金劳动保护研究院，湖南 长沙 410014；2.非煤矿山通风防尘湖南省重点实验室，湖南 长沙 410014）

矿山经过多年的开采，地表浅部的资源已经越来越少，几近枯竭。全球矿业发展的趋势分析，20世纪80年代南非的部分矿井已经进入深部开采，一般深度达到800～1 000 m以上即为深部开采，南非最深矿井已经超过4 000 m。我国的夹皮沟金矿、会泽铅锌矿、红透山铜矿和冬瓜山铜矿等矿山都已经进入1 000 m以下的深部开采，凡口铅锌矿、金川镍矿和湘西金矿等也进入了深部开采［1，2］。

随着矿山的不断延伸，深井热害也越来越严重，从而导致深井里作业面的作业环境因热害而变得异常恶劣。因此，大量的科技人员也对深井热害进行了大量的科学研究［3］。从井下工作环境的舒适温度，井下热害产生的几种类型，不同的类型热害产生的主要原因及针对不同热害的防治技术等都进行了不同程度的科学探究［4］。

1 深井高温热害的防治技术进展

一般井下作业环境的舒适温度为26℃，在此环境下人体感知比较舒服。我国的《金属非金属地下矿山安全规程》中明确规定“采掘工作面空气温度不得超过28℃”。现行的法律体系中也规定：当作业区域温度超过30℃，作业人员必须停止作业［5］。

深井高温热害从20世纪80年代以来就非常严重，南非、德国和菲律宾等国家的一些深井温度达到50℃，甚至部分深井温度达到60℃。南非是最早进行矿山深井高温热害问题研究的国家，其相关技术同样处于全球领先地位。此外，德、美、法等国家20世纪中叶也开始开展有关热害防治技术的研究，并进行了大量的科学试验，也取得了很多科研成果。探究深井高温热害的类型、来源及原因，研发了大量的井下降温和热害防治技术。如：根据不同高温深井热害产生的原因及热害程度，防治措施主要有通风降温、控制热源、特殊方法降温、个体防护和人工制冷降温等［1］。

虽然我国对深井高温热害问题的研究起步较晚，但近几十年来，我国在煤矿热害治理与研究方面做了大量的工作，建立了多种热害分析的数学模型，为高温热害治理提供了大量的理论依据。在金属矿山高温热害治理方面也开始进行深入的研究，在金属矿山高温热害调查与治理方面做了大量的科研工作，也取得了很多的科研成果。

2 深井高温热害的共性分析

深井热害来源形式多种多样，但造成矿井内热环境的热源主要为地质条件及地表大气变化、空气的自压缩、围岩传热、机电设备放热、矿石氧化放热、爆破放热、其它热源等［5～8］。研究表明，围岩导热是产生热害的主要因素，其散热量达到井下热量的一半左右。随着矿山机械化程度的提高，采掘作业机械放热也逐步成为主要的热源。对于高硫矿山而言，矿石在潮湿环境中进行氧化（电化学反应）放热是矿山的重要热源之一。例如：湖南郴州某铅锌矿井下采场含硫量高，因环境潮湿发生自燃现象，释放大量的热，导致周围采场温度也升高。人体散热和地质条件及地表大气变化也是井下热害的产生因素。

调查分析井下作业环境温度对井下工人的作业影响［6］，得到的结果见表 1。

表1 作业环境温度与工伤统计表

由表1可知，随着作业面温度的升高，人工工伤事件的概率也随之升高，可见作业面高温热害对井下安全生产产生了很大的影响。

矿井高温主要是指井下环境气温达到30℃以上的工作环境。研究表明：人的身体与所处环境间的热传递属于复杂的平衡过程，在井下高温环境中，主要原因是所处环境导致机体不能充分散热，人体故而升高体温。热环境导致人体中枢神经系统出现异常，身体机能减弱热平衡破坏等［9］。

国外专家经过科学调查试验得知，工人的劳动效率会随着井下所处环境温度的升高而下降，温度升高1℃，劳动效率则降低6%～8%。人体舒适温度为28℃，当超过此温度时，发生事故的概率将升高20%。在我国的深井高温矿井中，部分矿山的劳动效率只有35%左右，属于低生产效率矿山，极大地增加了矿山的劳动生产成本，也造成人员的不安全。不同风速在不同劳动气温环境下的劳动生产率变化如图1所示。矿井高温会降低劳动生产率，同样是诱发矿山事故的重要原因［10］。

图1 不同风速在不同环境温度下的劳动效率

因此，必须对井下高温热害产生的原因进行深入的总结分析，找出井下高温热害存在的共性问题，为井下降温防热提供技术支持。

3 深井高温热害的防治技术研究

目前，国内外发展的深井热害治理技术主要有两类：传统降温技术和人工制冷技术［11］。当传统降温技术不足以解决井下的高温热害问题时，人工制冷技术就将成为井下解决方法的首选。而在现场实践中，将传统降温技术与人工制冷降温技术有效合理地结合，可以达到解决热害问题改善工作环境和为矿山节能减耗的双重效果。

3.1 传统高温热害防治技术

传统热害防治技术具有一定的局限性，适合于热害较小的矿山，但也可以辅助人工制冷降温技术达到一定的降温效果。当矿井在开采浅部矿体而热害不太严重的时候，可采用传统热害降温技术来治理矿井热害。其主要措施有：增加风量、隔绝热源、低温岩层预冷入风流、个体防护等。传统热害降温技术投资、运行成本相对于人工制冷降温在短期内更少，技术相对简单成熟。其传统热害降温防治技术的优缺点见表2。

表2 传统热害降温防治技术的特点

3.2 人工制冷降温热害防治技术

3.2.1 冷水机组制冷降温

当井下高温热害比较严重而传统降温方法无法满足需求时，采用人工制冷降温技术是相对比较高效的降温除热方法。人工制冷降温普遍采用大型制冷空调机组降温，需配套建设空调降温系统，系统包括：制冷站、空冷机、载冷剂管道、冷却装置、冷却水管道和高低压换热器等［1］。由于系统的组合不同，故可形成不同的空调系统。根据制冷站的位置布置，可以分为以下三种基本类型：地面集中式、井下集中式和井上井下联合式空调系统。

3.2.2 空气压缩式制冷降温

空气压缩制冷是由压缩机、冷却器和减压机组成。空气经压缩、冷却和再减压后，由输送管道送至工作面，通过管道端部引射器释放冷空气至工作面，与工作面热空气产生热交换并排出混合气体，从而达到降温的效果。因系统中载冷媒介为已压缩气体，故可降低对输气管道断面尺寸的要求。能够有效地降低矿山集中制冷系统的建设、使用和维护成本。压缩空气降温系统原理如图2所示。

图2 压缩空气降温系统示意图

3.2.3 冰冷却空调降温系统

冰冷却空调系统由制冰系统、输冰系统和溶冰系统等系统组成。该系统制冰完成后，将冰输送至井下的溶冰系统，利用冰块溶解将冷却至0℃左右，再将冷却水输送至高温工作面。实践证明，可采用矿山通用的空气动力管道以自流的形式向下输送，输送管道不会产生高压。冰冷却制冷系统建立在地表，相较于水冷系统，优点是系统相对简单、使用和维护方便。冰冷却空调降温系统简图如图3所示。

4 某深井高温矿井热害防治实例

4.1 矿山概况

安徽某铜矿是一座埋深超过千米的大型现代化矿床，设计生产规模达到10 000 t/d以上。经现场实际测量，井下采区岩温达到40℃左右，井下工作面温度较高，作业条件差。该矿采用多级机站方式的侧翼对角式通风系统，新鲜风流主要由专用进风井、主井、副井和辅助井进入，由专用的回风井回风。井下多达十二个作业中段，分别为一中段、二中段至十二中段等。井下风机装机总容量达到3 100 kW以上，经测量总回风量为673 m3/s。

图3 冰冷却系统简图

4.2 井下作业面温度现状

经实测，该矿井下部分采区作业面岩温达到40℃左右，其风温也达到40℃左右，可知作业面温度条件较差。由于该矿属于1 000 m的深井，矿石日产量大，作业面分布广且多，导致局部区域风量不足且分风困难。即使风量足够，由于通风线路长，最终导致达到作业面的风流风温也较高。现有传统的通过加强通风的方式已经无法达到降温的效果。且矿井下部采用大型铲运机作业和无轨出矿设备，部分区域存在空压机等设备，机电设备持续放热也导致通过简单的通风方式无法达到降温的效果。

4.3 高温热害防治方案

通过现场调查结果，结合矿山的实际情况，在充分考虑现有作业要求和研究深部的降温防热的技术要求，决定有限隔离深部与浅部，将七中段作业隔离中段，一中段至七中段为浅部，八中段至十二中段为深部，分别采用不同的降温方式。

4.3.1 浅部降温防热措施

由于一、二、三中段基本开采完毕，且经测定，风温基本维持在21℃左右。因此，将上部一、二、三中段三个中段部分空区进行密闭处理，利用通畅且风温较低的101、201、301等旧主巷和空区进行新风预冷。将预冷风导入专用进风井，降低了专用风井内的温度，可以达到降温的效果。将原七中段西部风机的服务作业区域缩小，减少两台132 kW风机的运行，即只服务于四至七中段的作业区域，将原服务的八中段通风纳入至深部区域。

4.3.2 深部降温防热措施

采用加强通风和隔绝热源的方式无法解决深部的热害问题，必须采用矿井空调技术。根据该矿井下的开拓特点及降温系统的布局，充分利用现有的开拓巷道，减少工程量和投资等，达到最好的降温效果。由于该矿井下作业点比较分散且高温作业点也多，决定采用加强通风非人工降温及机械制冷降温相结合的方式。

建立冷水机组制冷降温。由于冷水机组制冷降温系统具有制冷量大，服务范围广等特点，该矿决定采用该系统。按制冷站的位置不同来分，可分为以下三种类型：地面集中式空调系统、井下集中式空调系统和井上井下联合式空调系统。三种空调系统的各有其优缺点。地面式优点：建设施工、安装、维护、管理和使用方便。缺点：冷损失较大，系统复杂。井下式优点：冷损失较小系统简单，方便调节供冷量。缺点：设备施工、安装、维护、管理和使用不方便，安全系数较低。联合式优点：冷损失较小，建设施工、安装、维护较方便。缺点：系统比价复杂，制冷设备机组布置分散，管理不方便。该矿经过综合技术比较，决定将机组安装在地表，将冷风输送至所有中段的关键进风点，通过主进风巷进入各作业区域。通过对井下总冷量、总进风量、总耗冷量等一系列参数的计算分析，选用4台ZK200-L型用水冷带水源的直接蒸发式送风机组，选用HMT-800型方形横流式低噪音冷却塔，六台QPG300-315型冷却水泵，并配备冷凝水回水泵、排风管、出风管等一系列装置。

除此之外，还需在九中段的总回风巷增加一台132 kW并联风机加强通风，各作业面需采用局扇加强风流的流动，热风的排放。主要是井下围岩散热到空气中，而且井下大量的无轨设备和大型铲运机产生大量的热量释放至空气中。因此在原有制冷降温机组的基础上还需加强通风有助于热量的排放。

5 结 语

1.矿山井下热害产生的因素多种多样，并且不可避免。随着矿山不断地往深部开采，深井高温热害日趋严重，严重影响矿山的安全生产和井下作业人员的生命安全。

2.在矿山生产活动中，矿山的高温热害一般首先采用加强通风降温，传统降温技术中通风降温效果较好。但随着深度的增加，热害也日趋严重，人工制冷降温技术就显得格外重要。

3.人工制冷降温技术对防治井下高温热害具有广阔的应用前景。我国的矿山将慢慢地进入深部开采，开展更多的井下降温技术研究，有助于我国矿山事业的发展，确保矿山的安全生产，保护人民的生命财产安全，利于社会的和谐发展。