高寒地区清洁高效井筒防冻综合技术研究与应用

肖利民，彭 斌，姚 炯

(1. 长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012； 2. 金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南 长沙 410012)

0 前 言

当矿区地表气温低于0 ℃时，地表冷空气会造成进风井井口及井筒结冰，进而影响到矿井提升系统、运输系统及通风系统的正常运行。尤其是竖井，一旦地表气温回升，井筒内的冰块融化时，冰块将沿井筒下落至井底。而在冰块下落过程中，常常会砸坏井筒装备及提升容器等设施，导致提升系统瘫痪，甚至危及井底车场人员，对矿山安全生产极为不利[1-2]。因此，在高寒地区应为进风井巷采取有效的井筒保温防冻措施，以防止井筒结冰。

某金属矿山地处新疆维吾尔自治区内，矿区冬季严寒，每年10月中旬降雪，次年3月融化，积雪达0.94 m，最低气温可达-27 ℃，冰冻期长达5个月。该矿采用主井+副井+斜坡道+平硐的联合开拓方式，目前主要开拓有1 385，1 335，1 285，1 235，1 130 m以上5个中段。副井井口标高为1 673 m，井口房以上井架采用岩棉钢板密封约20 m高；主井为新建成的箕斗竖井，井口标高1 672 m，井架未封闭。该矿采用副井、斜坡道进风，1 380 m回风平硐回风的单翼对角抽出式通风系统。在1 380 m回风平硐口安装有1台FBDCZ(B)-10-No28(2×250 kW)型主扇。

由于该矿回风口标高为1 380 m，而作为进风井的副井井口标高为1 673 m，较回风口高出293 m。因此，在每年冬季，矿井自然风压成为矿井正常通风的阻力，且影响较大。在往年，矿井冬季主要利用斜坡道进风，而副井受自然风压影响，呈出风状态，造成副井井口房及井筒雾气弥漫、视线受阻，作业环境很差，对矿山安全生产非常不利。同时，新建的主井井口标高又略低于副井井口，且较副井距离1 380 m回风平硐更近。因此，主井建成后，呈进风状态。而矿山在主井建成后经历的第一个冬季，主井井筒结冰。到次年3月气温回升时，井筒内冰块逐渐融化，冰块与井壁附着力降低，此时冰块沿井筒自由下落，砸毁了主井井底装备，对矿山造成了较大的经济损失，并推迟了主井投入使用时间。

为解决该矿目前存在的副井反风、冬季井筒结冰等问题，开展清洁高效的井筒防冻综合技术研究已势在必行。

1 清洁高效井筒防冻综合技术研究

1.1 副井井筒清洁高效防冻技术研究

新疆维吾尔自治区政府为改善区内空气质量，降低可吸入颗粒物浓度，减少温室气体排放量，于2014年4月17日出台了《关于印发新疆维吾尔自治区大气污染防治行动计划实施方案的通知》等文件。该文件要求在供热供气管网不能覆盖的地区，改用电、新能源或洁净煤，推广应用高效节能环保型锅炉。经调查，该地区电能充足，且电费较其他地区优惠。因此，本次推荐采用一种远红外电热风炉作为副井井筒预热设备。

远红外电热风炉运用了传热的三大主要方式：对流、导热、辐射；炉内红外线加热管为阵列布置，整个炉内的每根加热管均有相应的热量直接对空气加热。故该类型电热风炉对电能利用率极高，一般其热效率在95%以上；关键是该类型电热风炉在运行过程中，无废弃物排放，环保节能。远红外电热风炉自动化程度高，可实现无人员值守，出风温度可在额定范围内任意调整[3]。

现根据该矿副井实际需要的进风量，对其进风预热需要的热负荷进行计算，在选用合适的远红外电热风炉供副井进风预热使用。

副井总进风量G=60 m3/s，室外通风计算干球温度取t=-20 ℃，冷热风混合后温度提高至t2=2 ℃。副井进风预热需要的热负荷Qz按公式(1)计算[4-5]：

Qz=1.284×K1×G×(2-t)

(1)

式(1)中：Qz为耗热量，kW；K1为附加热损系数，取1.10；G为风井总进风量，m3/s；t为室外空气计算温度，℃。

经计算，副井进风预热需要的热负荷Q=1 864 kW。

该矿山副井井口房已建成并使用多年，为砖混结构，井口房保温效果较差，且不方便密闭。故本次考虑将热风直接送至副井井口以下5 m处，再与井口进入的冷风进行混合。一般送往竖井的热风温度不低于50 ℃，本次取远红外热风炉出风口热风温度为t1=50 ℃。则需要的热风量Gz按公式(2)计算[4-5]：

(2)

式(2)中：Gz为需要加热的风量，m3/s；G为风井总进风量，m3/s；t为室外空气计算温度，℃；t1为热风的温度，℃；t2为冷热风混合后的温度，℃。

依据公式(2)，计算出副井需要加热至50 ℃的热风量Gz=18.9 m3/s。

依据计算得出的副井预热负荷量，选用3台电功率为680 kW的远红外电热风炉，其热效率为95%，单台供热风量为8 m3/s总供热风量为24 m3/s。热风炉总功率2.04 MW。选用的远红外电热风炉满足副井进风预热需要。

1.2 主井井筒节能防冻技术研究

该矿主井井筒结冰主要是因为冬季进冷风，导致井壁渗水结冰。目前，该矿山已有副井、斜坡道进风，进风能力足够，故本矿山已无须主井进风。且主井进风，还需单独为主井新增进风预热设备，否则主井井筒冬季会结冰。

为防止冬季主井井筒结冰，除了采取在主井井口设置进风预热设施外，还可以利用高于0 ℃的井下暖空气对井筒进行保温防冻。为此，需要将主井的风流方向由进风调整为出风，这样既防止了主井冬季进风造成井筒结冰，又利用井下暖空气为井筒保温，从而起到井筒防冻作用[6-7]。

1)自然风压作用分析

根据矿山开拓系统布置情况，主井距离副井约为158 m，相距较近。目前，矿山在冬季时，由于自然风压的作用，副井呈现出风状态，主井呈现进风状态，与实际需要的风流方向刚好相反。

本矿井开拓深度已达500 m。对于井深超过100 m的矿井，其自然风压可采用公式(3)计算[8]。

(3)

式(3)中：g为重力常数，9.8 N/kg；Z为由井口到井底最深处的深度，m；P0为井口气压，Pa；R为空气的气体常数，J/(kg·K)；T1、T2为进、出风井的平均绝对温度，K。

经按公式(3)对冬季最冷月时期，主井与副井之间的自然风压进行估算，得出自然风压为345.7 Pa，自然风压作用为利于主井进风。从自然风压估算结果可知，自然风压对主井进风起到很大的正向作用，相应的对副井进风造成反向阻碍作用。

2)主井、副井风流方向优化调控研究

根据矿山主井、副井的相对位置关系及其布置形式可知，副井从地表通至1 285 m中段，副井井底1 285 m中段车场端部设有一条管缆井通至1 130 m中段。主井在1 235 m中段、1 130 m中段均有中段联络巷与管缆井相通。

为调整主井、副井风流方向，经研究，本次推荐在1 285 m中段副井井底车场附近新增1台K40-6-No19(110 kW)型辅扇，以便强制将地表新鲜风流经副井压送入井下，再经管缆井进入井下各中段平巷(见图1)。同时，少部分从副井进入井下的新鲜风流在辅扇出风侧正压作用下，经过管缆井进入1 130 m中段后，再从1 130 m中段主井联络巷进入主井，然后经由主井井筒排出至地表。地面冷空气通过在副井井口与电热风炉加热后的热风混合至2 ℃及以上后再送入井下，再在副井和管缆井井筒岩温作用下进一步升高，风流到达主井后，其温度已接近当地年平均气温9 ℃。因此，当井下暖空气经由主井排出至地表的同时，在持续为主井井筒保温，从而起到井筒防冻的作用。

图1 主井、副井风流方向优化调控方案

2 清洁高效井筒防冻综合技术实践应用

前期通过开展清洁高效井筒防冻综合技术研究，最终推荐在1 285 m中段副井井底车场附近新增压入式辅扇来解决副井反风问题，同时起到将主井风流方向由进风调整为出风，起到对主井井筒保温防冻的作用；针对副井井筒防冻则采用清洁高效的远红外电热风炉预热井口冷空气技术。

根据本课题推荐的技术方案，该矿山先后在副井井口房附近新建了远红外电热风炉房，以及安装预热设备和热风道；在1 285 m中段副井井底车场附近新建了辅扇硐室，并安装好压入式辅扇。在实施完上述工程后，正好进入11月份，矿山随后开展了副井井口预热设备、井下压入式辅扇的试运行。试运行期间，矿区地表气温已降至0 ℃以下，最低气温达到-15 ℃。经过近3个月的试运行表明：

①远红外电热风炉和井下辅扇均运行正常，副井总进风量能够控制在60 m3/s及以上；副井进风后，其井口房内再无雾气弥漫等现象，井口房内工作环境得到明显改善。

②在实际运行过程中，远红外电热风炉能够成功将一部分冷风(约24 m3/s)加热至50 ℃左右后，经热风道送入副井井口以下5 m处，再与另一部分直接从副井井口进入的冷风混合至2 ℃，然后再送往井下。

③电热风炉控制系统能够自动根据设置在副井井口5 m以下的温度传感器传回混合后空气温度，实现对电热风炉出风温度进行实时调节，以确保混合后的温度保持在2 ℃左右。

④经测定，主井1 130 m中段联络巷内的风流温度保持在9 ℃左右，主井出风量达到8.22 m3/s。在保持主井为出风状态后，试运行期间再未发现其井筒有结冰现象发生。

3 结 语

通过开展清洁高效井筒防冻综合技术的研究和应用，成功解决了该矿山主井井筒结冰、副井反风等一系列问题。该项技术对其他地下矿山的井筒防冻同样具有重要的借鉴和指导意义。本课题的研究和应用主要得出以下结论：①将井下适量的暖空气经井筒排出至地表，能有效起到井筒保温防冻的作用；②采用远红外电热风炉预热进风井空气温度是可行的，且实现了零排放，清洁高效；③通过在井下合适地点设置能力相当的辅扇，能有效克服自然风压的反作用，并为增加矿井总进风量、改善井下作业环境等起到积极作用。