李 猛，魏 巍，彭 斌，艾幼孫，余志劍

（1.湖南有色冶金勞動保護研究院，湖南 長沙 410014；2.非煤礦山通風防塵湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410014）

礦山經過多年的開采，地表淺部的資源已經越來越少，幾近枯竭。全球礦業(yè)發(fā)展的趨勢分析，20世紀80年代南非的部分礦井已經進入深部開采，一般深度達到800～1 000 m以上即為深部開采，南非最深礦井已經超過4 000 m。我國的夾皮溝金礦、會澤鉛鋅礦、紅透山銅礦和冬瓜山銅礦等礦山都已經進入1 000 m以下的深部開采，凡口鉛鋅礦、金川鎳礦和湘西金礦等也進入了深部開采［1，2］。

隨著礦山的不斷延伸，深井熱害也越來越嚴重，從而導致深井里作業(yè)面的作業(yè)環(huán)境因熱害而變得異常惡劣。因此，大量的科技人員也對深井熱害進行了大量的科學研究［3］。從井下工作環(huán)境的舒適溫度，井下熱害產生的幾種類型，不同的類型熱害產生的主要原因及針對不同熱害的防治技術等都進行了不同程度的科學探究［4］。

1 深井高溫熱害的防治技術進展

一般井下作業(yè)環(huán)境的舒適溫度為26℃，在此環(huán)境下人體感知比較舒服。我國的《金屬非金屬地下礦山安全規(guī)程》中明確規(guī)定“采掘工作面空氣溫度不得超過28℃”。現(xiàn)行的法律體系中也規(guī)定：當作業(yè)區(qū)域溫度超過30℃，作業(yè)人員必須停止作業(yè)［5］。

深井高溫熱害從20世紀80年代以來就非常嚴重，南非、德國和菲律賓等國家的一些深井溫度達到50℃，甚至部分深井溫度達到60℃。南非是最早進行礦山深井高溫熱害問題研究的國家，其相關技術同樣處于全球領先地位。此外，德、美、法等國家20世紀中葉也開始開展有關熱害防治技術的研究，并進行了大量的科學試驗，也取得了很多科研成果。探究深井高溫熱害的類型、來源及原因，研發(fā)了大量的井下降溫和熱害防治技術。如：根據(jù)不同高溫深井熱害產生的原因及熱害程度，防治措施主要有通風降溫、控制熱源、特殊方法降溫、個體防護和人工制冷降溫等［1］。

雖然我國對深井高溫熱害問題的研究起步較晚，但近幾十年來，我國在煤礦熱害治理與研究方面做了大量的工作，建立了多種熱害分析的數(shù)學模型，為高溫熱害治理提供了大量的理論依據(jù)。在金屬礦山高溫熱害治理方面也開始進行深入的研究，在金屬礦山高溫熱害調查與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 深井高溫熱害的共性分析

深井熱害來源形式多種多樣，但造成礦井內熱環(huán)境的熱源主要為地質條件及地表大氣變化、空氣的自壓縮、圍巖傳熱、機電設備放熱、礦石氧化放熱、爆破放熱、其它熱源等［5～8］。研究表明，圍巖導熱是產生熱害的主要因素，其散熱量達到井下熱量的一半左右。隨著礦山機械化程度的提高，采掘作業(yè)機械放熱也逐步成為主要的熱源。對于高硫礦山而言，礦石在潮濕環(huán)境中進行氧化（電化學反應）放熱是礦山的重要熱源之一。例如：湖南郴州某鉛鋅礦井下采場含硫量高，因環(huán)境潮濕發(fā)生自燃現(xiàn)象，釋放大量的熱，導致周圍采場溫度也升高。人體散熱和地質條件及地表大氣變化也是井下熱害的產生因素。

調查分析井下作業(yè)環(huán)境溫度對井下工人的作業(yè)影響［6］，得到的結果見表 1。

表1 作業(yè)環(huán)境溫度與工傷統(tǒng)計表

由表1可知，隨著作業(yè)面溫度的升高，人工工傷事件的概率也隨之升高，可見作業(yè)面高溫熱害對井下安全生產產生了很大的影響。

礦井高溫主要是指井下環(huán)境氣溫達到30℃以上的工作環(huán)境。研究表明：人的身體與所處環(huán)境間的熱傳遞屬于復雜的平衡過程，在井下高溫環(huán)境中，主要原因是所處環(huán)境導致機體不能充分散熱，人體故而升高體溫。熱環(huán)境導致人體中樞神經系統(tǒng)出現(xiàn)異常，身體機能減弱熱平衡破壞等［9］。

國外專家經過科學調查試驗得知，工人的勞動效率會隨著井下所處環(huán)境溫度的升高而下降，溫度升高1℃，勞動效率則降低6%～8%。人體舒適溫度為28℃，當超過此溫度時，發(fā)生事故的概率將升高20%。在我國的深井高溫礦井中，部分礦山的勞動效率只有35%左右，屬于低生產效率礦山，極大地增加了礦山的勞動生產成本，也造成人員的不安全。不同風速在不同勞動氣溫環(huán)境下的勞動生產率變化如圖1所示。礦井高溫會降低勞動生產率，同樣是誘發(fā)礦山事故的重要原因［10］。

圖1 不同風速在不同環(huán)境溫度下的勞動效率

因此，必須對井下高溫熱害產生的原因進行深入的總結分析，找出井下高溫熱害存在的共性問題，為井下降溫防熱提供技術支持。

3 深井高溫熱害的防治技術研究

目前，國內外發(fā)展的深井熱害治理技術主要有兩類：傳統(tǒng)降溫技術和人工制冷技術［11］。當傳統(tǒng)降溫技術不足以解決井下的高溫熱害問題時，人工制冷技術就將成為井下解決方法的首選。而在現(xiàn)場實踐中，將傳統(tǒng)降溫技術與人工制冷降溫技術有效合理地結合，可以達到解決熱害問題改善工作環(huán)境和為礦山節(jié)能減耗的雙重效果。

3.1 傳統(tǒng)高溫熱害防治技術

傳統(tǒng)熱害防治技術具有一定的局限性，適合于熱害較小的礦山，但也可以輔助人工制冷降溫技術達到一定的降溫效果。當?shù)V井在開采淺部礦體而熱害不太嚴重的時候，可采用傳統(tǒng)熱害降溫技術來治理礦井熱害。其主要措施有：增加風量、隔絕熱源、低溫巖層預冷入風流、個體防護等。傳統(tǒng)熱害降溫技術投資、運行成本相對于人工制冷降溫在短期內更少，技術相對簡單成熟。其傳統(tǒng)熱害降溫防治技術的優(yōu)缺點見表2。

表2 傳統(tǒng)熱害降溫防治技術的特點

3.2 人工制冷降溫熱害防治技術

3.2.1 冷水機組制冷降溫

當井下高溫熱害比較嚴重而傳統(tǒng)降溫方法無法滿足需求時，采用人工制冷降溫技術是相對比較高效的降溫除熱方法。人工制冷降溫普遍采用大型制冷空調機組降溫，需配套建設空調降溫系統(tǒng)，系統(tǒng)包括：制冷站、空冷機、載冷劑管道、冷卻裝置、冷卻水管道和高低壓換熱器等［1］。由于系統(tǒng)的組合不同，故可形成不同的空調系統(tǒng)。根據(jù)制冷站的位置布置，可以分為以下三種基本類型：地面集中式、井下集中式和井上井下聯(lián)合式空調系統(tǒng)。

3.2.2 空氣壓縮式制冷降溫

空氣壓縮制冷是由壓縮機、冷卻器和減壓機組成?？諝饨泬嚎s、冷卻和再減壓后，由輸送管道送至工作面，通過管道端部引射器釋放冷空氣至工作面，與工作面熱空氣產生熱交換并排出混合氣體，從而達到降溫的效果。因系統(tǒng)中載冷媒介為已壓縮氣體，故可降低對輸氣管道斷面尺寸的要求。能夠有效地降低礦山集中制冷系統(tǒng)的建設、使用和維護成本。壓縮空氣降溫系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 壓縮空氣降溫系統(tǒng)示意圖

3.2.3 冰冷卻空調降溫系統(tǒng)

冰冷卻空調系統(tǒng)由制冰系統(tǒng)、輸冰系統(tǒng)和溶冰系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)制冰完成后，將冰輸送至井下的溶冰系統(tǒng)，利用冰塊溶解將冷卻至0℃左右，再將冷卻水輸送至高溫工作面。實踐證明，可采用礦山通用的空氣動力管道以自流的形式向下輸送，輸送管道不會產生高壓。冰冷卻制冷系統(tǒng)建立在地表，相較于水冷系統(tǒng)，優(yōu)點是系統(tǒng)相對簡單、使用和維護方便。冰冷卻空調降溫系統(tǒng)簡圖如圖3所示。

4 某深井高溫礦井熱害防治實例

4.1 礦山概況

安徽某銅礦是一座埋深超過千米的大型現(xiàn)代化礦床，設計生產規(guī)模達到10 000 t/d以上。經現(xiàn)場實際測量，井下采區(qū)巖溫達到40℃左右，井下工作面溫度較高，作業(yè)條件差。該礦采用多級機站方式的側翼對角式通風系統(tǒng)，新鮮風流主要由專用進風井、主井、副井和輔助井進入，由專用的回風井回風。井下多達十二個作業(yè)中段，分別為一中段、二中段至十二中段等。井下風機裝機總容量達到3 100 kW以上，經測量總回風量為673 m3/s。

圖3 冰冷卻系統(tǒng)簡圖

4.2 井下作業(yè)面溫度現(xiàn)狀

經實測，該礦井下部分采區(qū)作業(yè)面巖溫達到40℃左右，其風溫也達到40℃左右，可知作業(yè)面溫度條件較差。由于該礦屬于1 000 m的深井，礦石日產量大，作業(yè)面分布廣且多，導致局部區(qū)域風量不足且分風困難。即使風量足夠，由于通風線路長，最終導致達到作業(yè)面的風流風溫也較高。現(xiàn)有傳統(tǒng)的通過加強通風的方式已經無法達到降溫的效果。且礦井下部采用大型鏟運機作業(yè)和無軌出礦設備，部分區(qū)域存在空壓機等設備，機電設備持續(xù)放熱也導致通過簡單的通風方式無法達到降溫的效果。

4.3 高溫熱害防治方案

通過現(xiàn)場調查結果，結合礦山的實際情況，在充分考慮現(xiàn)有作業(yè)要求和研究深部的降溫防熱的技術要求，決定有限隔離深部與淺部，將七中段作業(yè)隔離中段，一中段至七中段為淺部，八中段至十二中段為深部，分別采用不同的降溫方式。

4.3.1 淺部降溫防熱措施

由于一、二、三中段基本開采完畢，且經測定，風溫基本維持在21℃左右。因此，將上部一、二、三中段三個中段部分空區(qū)進行密閉處理，利用通暢且風溫較低的101、201、301等舊主巷和空區(qū)進行新風預冷。將預冷風導入專用進風井，降低了專用風井內的溫度，可以達到降溫的效果。將原七中段西部風機的服務作業(yè)區(qū)域縮小，減少兩臺132 kW風機的運行，即只服務于四至七中段的作業(yè)區(qū)域，將原服務的八中段通風納入至深部區(qū)域。

4.3.2 深部降溫防熱措施

采用加強通風和隔絕熱源的方式無法解決深部的熱害問題，必須采用礦井空調技術。根據(jù)該礦井下的開拓特點及降溫系統(tǒng)的布局，充分利用現(xiàn)有的開拓巷道，減少工程量和投資等，達到最好的降溫效果。由于該礦井下作業(yè)點比較分散且高溫作業(yè)點也多，決定采用加強通風非人工降溫及機械制冷降溫相結合的方式。

建立冷水機組制冷降溫。由于冷水機組制冷降溫系統(tǒng)具有制冷量大，服務范圍廣等特點，該礦決定采用該系統(tǒng)。按制冷站的位置不同來分，可分為以下三種類型：地面集中式空調系統(tǒng)、井下集中式空調系統(tǒng)和井上井下聯(lián)合式空調系統(tǒng)。三種空調系統(tǒng)的各有其優(yōu)缺點。地面式優(yōu)點：建設施工、安裝、維護、管理和使用方便。缺點：冷損失較大，系統(tǒng)復雜。井下式優(yōu)點：冷損失較小系統(tǒng)簡單，方便調節(jié)供冷量。缺點：設備施工、安裝、維護、管理和使用不方便，安全系數(shù)較低。聯(lián)合式優(yōu)點：冷損失較小，建設施工、安裝、維護較方便。缺點：系統(tǒng)比價復雜，制冷設備機組布置分散，管理不方便。該礦經過綜合技術比較，決定將機組安裝在地表，將冷風輸送至所有中段的關鍵進風點，通過主進風巷進入各作業(yè)區(qū)域。通過對井下總冷量、總進風量、總耗冷量等一系列參數(shù)的計算分析，選用4臺ZK200-L型用水冷帶水源的直接蒸發(fā)式送風機組，選用HMT-800型方形橫流式低噪音冷卻塔，六臺QPG300-315型冷卻水泵，并配備冷凝水回水泵、排風管、出風管等一系列裝置。

除此之外，還需在九中段的總回風巷增加一臺132 kW并聯(lián)風機加強通風，各作業(yè)面需采用局扇加強風流的流動，熱風的排放。主要是井下圍巖散熱到空氣中，而且井下大量的無軌設備和大型鏟運機產生大量的熱量釋放至空氣中。因此在原有制冷降溫機組的基礎上還需加強通風有助于熱量的排放。

5 結 語

1.礦山井下熱害產生的因素多種多樣，并且不可避免。隨著礦山不斷地往深部開采，深井高溫熱害日趨嚴重，嚴重影響礦山的安全生產和井下作業(yè)人員的生命安全。

2.在礦山生產活動中，礦山的高溫熱害一般首先采用加強通風降溫，傳統(tǒng)降溫技術中通風降溫效果較好。但隨著深度的增加，熱害也日趨嚴重，人工制冷降溫技術就顯得格外重要。

3.人工制冷降溫技術對防治井下高溫熱害具有廣闊的應用前景。我國的礦山將慢慢地進入深部開采，開展更多的井下降溫技術研究，有助于我國礦山事業(yè)的發(fā)展，確保礦山的安全生產，保護人民的生命財產安全，利于社會的和諧發(fā)展。