冬瓜山銅礦機(jī)械制冷降溫技術(shù)的應(yīng)用研究

姚道春,汪令輝

(銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司冬瓜山銅礦, 安徽銅陵市 244031)

冬瓜山銅礦機(jī)械制冷降溫技術(shù)的應(yīng)用研究

姚道春,汪令輝

(銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司冬瓜山銅礦, 安徽銅陵市 244031)

綜述了金屬礦山高溫?zé)岷Φ奶攸c(diǎn)及國內(nèi)外深井降溫技術(shù)的研究進(jìn)展。通過對冬瓜山井下通風(fēng)和熱環(huán)境參數(shù)的分析和計算,確定了該礦井通風(fēng)系統(tǒng)的冷量需求。指出了機(jī)械降溫工藝的必要性和可行性,并給出了地面集中降溫系統(tǒng)的主要設(shè)備布置方案?；趯Χ仙讲蓞^(qū)開拓系統(tǒng)和采掘計劃的全面調(diào)查分析,提出了井下輸冷和散冷的實施工藝,并對工程設(shè)計、施工、使用過程中的環(huán)境與安全防范提出了一些建議。

深井礦山;高溫?zé)岷?機(jī)械制冷;降溫技術(shù);冬瓜山銅礦

由于開采范圍及開采強(qiáng)度的持續(xù)加大,淺部資源日趨枯竭,諸多礦山被迫轉(zhuǎn)入深部開采。我國有近三分之一的礦山即將進(jìn)入深部開采,目前深井的開采深度大多在1000 m左右[1]。隨著礦山開采深度的逐漸增大,井下熱害日益嚴(yán)重[2-3]。

井下熱源主要包括地?zé)?、機(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)散熱、礦石爆破放熱、尾砂膠結(jié)充填散熱、硫化礦石氧化放熱[4]等。人在高溫高濕的環(huán)境中作業(yè)時,中樞神經(jīng)系統(tǒng)受到抑制,注意力分散,降低了肌肉的工作效率,從而使勞動生產(chǎn)率大大下降[5-6]。據(jù)南非多年調(diào)查統(tǒng)計,當(dāng)?shù)V內(nèi)作業(yè)地點(diǎn)的空氣濕球溫度達(dá)28.9℃(相當(dāng)于干球30℃)時,開始出現(xiàn)中暑死亡事故。井下溫度升高到一定程度時,還容易引起硫礦粉塵和可燃性氣體發(fā)生爆炸[7]。因此,開展井下熱害治理技術(shù)研究意義重大。

有關(guān)礦井高溫問題,國外的研究始于1740年法國開展的地溫測定;巴西金礦于1915年首次將地面空調(diào)應(yīng)用于井下;西德于1924年在煤礦井下958 m處建立了集中制冷站;自1937～1941年間,礦井降溫理論和相應(yīng)的計算方法在南非、西德、蘇、日、英等國家得到進(jìn)一步研究,1985年11月南非金礦把冰輸送井下,利用冰的融解熱吸熱冷卻空冷器冷卻水,該制冷系統(tǒng)能力達(dá)628000 k W[8]。我國于1950年代初開始對礦內(nèi)熱環(huán)境開展降溫研究;1960年代開始用小型制冷設(shè)備進(jìn)行礦井降溫。于1976年,原煤炭工業(yè)部在中國科學(xué)院地質(zhì)研究所等單位協(xié)助下,分別對合山里蘭礦等8座礦井進(jìn)行系統(tǒng)觀測,并取得了較好的效果[9]。

1 冬瓜山銅礦概況

冬瓜山銅礦位于安徽省銅陵市,是國內(nèi)目前已發(fā)現(xiàn)的埋藏最深的特大型高硫銅礦,根據(jù)礦體賦存條件,冬瓜山銅礦主要采用大直徑垂直深孔落礦階段空場嗣后充填采礦方法,設(shè)計年產(chǎn)330萬t礦石量。冬瓜山銅礦床沿走向劃分盤區(qū),盤區(qū)寬度100 m,長度為礦體水平厚度。盤區(qū)之間暫留寬為18 m的隔離礦柱。采場長度方向沿礦體走向,其中尾砂充填采場長度為78 m,膠結(jié)充填采場長度為82 m,寬度均為18 m,設(shè)計采用“隔一采一”的回采順序,即先采礦房,回采結(jié)束后進(jìn)行膠結(jié)充填,再采礦柱,回采結(jié)束后用尾砂充填。冬瓜山銅礦采用豎井加斜坡道的開拓方式,其中深部的主要開拓中段有-670,-730,-760,-790,-850 m和-875 m等,目前冬瓜山銅礦床的開拓系統(tǒng)已經(jīng)形成,包括主井、副井、輔助井、主斜坡道(-670～-875 m)、進(jìn)風(fēng)井、主回風(fēng)井、主要回風(fēng)道的部分工程等。

該礦山開采深度接近1000 m;礦石平均含硫17%,最高達(dá)19%;礦體主要開拓中段原巖溫度高達(dá)39.8℃。井下機(jī)電設(shè)備故障明顯增多;此外,高溫條件對礦工的身心健康、工作效率也產(chǎn)生了惡劣影響。因此,冬瓜山銅礦井下深部礦床開采過程中的高溫?zé)岷χ卫硎钱?dāng)前面臨的一個難題。

2 冬瓜山銅礦礦井熱源及需冷量計算

2.1 礦井熱源

根據(jù)南非金礦、美國孤山銅礦及秘魯銅銀礦等礦井熱源分析,冬瓜山銅礦礦井主要熱源有:地表周期性季節(jié)變化影響;地?zé)?包括正常的隨采深增加而增大的地溫梯度增溫,采落礦石及運(yùn)輸過程中的散熱;機(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)散熱;涌出熱水散熱;采空區(qū)充填物及氧化放熱;空氣壓縮熱;人體勞動作業(yè)中的散熱等。

2.2 礦井需冷量計算

銅礦需冷量計算難度大,主要表現(xiàn)在:大風(fēng)量多風(fēng)機(jī)機(jī)站,要進(jìn)行各中段需冷量計算;計算冷量較大;每中段間距差較小,因采礦形成的冒落帶、天井、溜井等影響,在通風(fēng)系統(tǒng)中盤區(qū)復(fù)雜角聯(lián),造成采場內(nèi)串漏風(fēng)嚴(yán)重。

冬瓜山副井,冬、夏季進(jìn)風(fēng)不穩(wěn)定,表1給出了冬瓜山銅礦井下各測點(diǎn)的風(fēng)溫和風(fēng)量?？梢园l(fā)現(xiàn), -670 m中段大巷進(jìn)風(fēng)溫度為20.4℃;-730 m中段大巷進(jìn)風(fēng)溫度為19.0℃;-790 m中段大巷進(jìn)風(fēng)溫度為16.5℃;-850 m東副井石門進(jìn)風(fēng)溫度為17.8℃;-875 m東副井石門進(jìn)風(fēng)溫度為17.7℃。這與正常礦井隨送風(fēng)距離的增長而升溫,隨采深增加而原始巖溫增相反。測定結(jié)果表明,該礦山的通風(fēng)系統(tǒng)串漏風(fēng)嚴(yán)重。

表1 冬瓜山銅礦井下各測點(diǎn)的風(fēng)溫和風(fēng)量

根據(jù)《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計規(guī)范》及《煤礦井下熱害防治設(shè)計規(guī)范》的要求,需進(jìn)行采場進(jìn)出風(fēng)溫預(yù)測,包括地溫預(yù)測。礦山恒溫帶深度20±5 m,溫度17.55℃,礦體平均地溫梯度0.021℃/m。依據(jù)地溫預(yù)測公式計算得出的結(jié)果見表2。

表2 地溫預(yù)測值

由表3可以看出,據(jù)恒溫帶參數(shù)預(yù)測的地溫值與礦供資料給出的地溫值基本一致,均可采用。實測統(tǒng)計資料表明,恒溫帶溫度隨緯度的增大而降低。該銅礦位處北緯30°54′11″～30°54′56″。將恒溫帶溫度內(nèi)插在表3中,比較吻合,故認(rèn)為恒溫帶也是正確的。

表3 恒溫帶參數(shù)

由此可以推斷,冬瓜山銅礦的地溫分布正常。

風(fēng)量取用483 m3/s,因該風(fēng)量是“冬瓜山銅礦冬瓜山礦段礦井降溫技術(shù)研究方案”中的系統(tǒng)風(fēng)量分配數(shù);其中,專用進(jìn)風(fēng)井373 m3/s,主井30 m3/s,冬瓜山副井及團(tuán)山副井進(jìn)風(fēng)量共為80 m3/s。

風(fēng)溫采用歷年最熱月平均氣象參數(shù)氣溫,根據(jù)礦資料,采用地面最高氣溫40℃計算。

2010年1月14日,測定井口相對濕度93%,井下5處平均77%。同年2月6日測定團(tuán)山副井95%、冬瓜山副井97%,冬瓜山輔助井及周圍附近兩處100%,相對濕度4處平均值98%(剛降完雨), 4處平均氣溫6.65℃,氣壓平均101.47 k Pa,考慮冬瓜山銅礦屬亞熱帶氣候,夏季降雨量大,平均1364 mm,最大為2173 mm,雨后相對濕度會相應(yīng)增大,最終采用濕度100%計算冷量。

據(jù)上述參數(shù),可利用含濕量公式(1)和焓值公式(2)求得焓差。

此外,也可以通過查找i-d圖表獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)。

經(jīng)計算,483 m3/s的40℃高溫風(fēng)降至28℃需有效冷量45771.9 k W,再乘以1.15的設(shè)備冷損備用系數(shù),所以總需冷量為52637 k W。在分配冷量時,取冬瓜山副井(行人)使風(fēng)溫達(dá)到26℃左右為適宜,給員工創(chuàng)造良好的行人環(huán)境。

3 礦井降溫系統(tǒng)的選擇

3.1 降溫方式及特點(diǎn)

選擇降溫方式有兩大難點(diǎn),一是井下開拓中段較多,高溫點(diǎn)分散,熱源種類繁多,且不斷發(fā)生變化,熱量計算困難;二是降溫系統(tǒng)布設(shè)井下,需冷量大,又是對角式通風(fēng),排放冷凝熱困難(經(jīng)驗數(shù)值為制冷量的1.15～1.3倍)。但隨著國內(nèi)外礦井降溫技術(shù)的發(fā)展,礦井降溫系統(tǒng)由簡單(局部分散式)到復(fù)雜,由小冷量到大冷量(集中式),見表4。

表4 不同降溫方式比較

3.2 降溫系統(tǒng)的選擇

針對冬瓜山銅礦生產(chǎn)布局分散,夏季高溫點(diǎn)多,推薦熱害綜合治理采用通風(fēng)非人工降溫和機(jī)械制冷降溫相結(jié)合的方式。各個方案降溫效果比較見表5。

表5 機(jī)械制冷降溫的方案比較

(1)通風(fēng)技術(shù)措施。建立和完善合理的通風(fēng)系統(tǒng);各中段分配適宜的風(fēng)量。

(2)其它措施。采用某些隔熱材料噴涂巖壁,以減少圍巖放熱;對局部較少人員實行個體防護(hù),研究表明,穿冷卻服是保護(hù)個體免受惡劣氣候環(huán)境危害的有效措施。

4 安全與環(huán)保措施

(1)環(huán)保措施。機(jī)械制冷系統(tǒng)選用對臭氧層無破壞作用的環(huán)保型制冷劑。

(2)安全措施。實際運(yùn)行過程中應(yīng)有專人檢查風(fēng)機(jī)和空冷器的運(yùn)行情況,在遇到極端熱天氣時,一旦井下空氣冷卻器運(yùn)行出現(xiàn)異常應(yīng)及時采取相應(yīng)措施,根據(jù)空氣冷卻器集灰情況安排清洗檢修。嚴(yán)格按規(guī)程、規(guī)范及相關(guān)法律要求制定安全技術(shù)措施及管理制度,加強(qiáng)工程實施過程中各環(huán)節(jié)監(jiān)控和防范。

5 結(jié) 論

礦井降溫技術(shù)研究是冬瓜山銅礦基礎(chǔ)設(shè)置和安全生產(chǎn)、提高效益的重要組成部分。上述分析表明,該項目的實施具有必要性和可行性,可以更好地協(xié)調(diào)礦山安全和生產(chǎn)的矛盾,給礦山職工創(chuàng)造一個良好的工作環(huán)境。

今后還需要進(jìn)一步改造與完善通風(fēng)系統(tǒng),為各中段合理配風(fēng)。按照上述思路,該礦實施了綜合性降溫并做到有針對性降溫,需冷量小且降溫效果顯著。該礦山的具體降溫設(shè)計與分期施工,需進(jìn)一步論證與確定;還需要進(jìn)一步分析降溫中段通風(fēng)、各種熱源散熱等現(xiàn)狀以及需冷配冷情況。

[1]胡漢華.深熱礦井環(huán)境控制[M].長沙:中南大學(xué)出版社, 2009.

[2]郭建偉.深熱綜采工作面制冷降溫技術(shù)的研究與實施[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2006,33(1):39-39.

[3]王 勇.深井熱害防治探討[J].煤礦安全,2003,34(10):38-40.

[4]陽富強(qiáng),吳 超,吳國珉,等.硫化礦石堆自燃預(yù)測預(yù)報技術(shù)[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2007,17(5):89-95.

[5]劉曉鑫,胡漢華.我國深部礦井熱害治理設(shè)想和展望[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2011,31(1):84-87.

[6]支學(xué)藝,蔣仲安,陳旺星,等.冬瓜山銅礦掘進(jìn)工作面強(qiáng)化通風(fēng)與降溫技術(shù)[J].金屬礦山,2006(12):64-66.

[7]Soundararajan R,Amyotte P,Pegg M J.Explosibility hazard of iron sulphide dusts as a function of particle size[J].Journal of Hazardous Materials,1996(51):225-239.

[8]王永勝,王保齊,于曉波.集中式機(jī)械制冷系統(tǒng)在礦井熱害治理中的應(yīng)用[J].煤礦安全,2011,42(5):6-9.

[9]劉何清,吳 超,王衛(wèi)軍,等.礦井降溫技術(shù)研究述評[J].金屬礦山,2005(6):43-46.

2012-03-18)

姚道春(1969-),安徽來安縣人,工程師,主要從事采礦技術(shù)及生產(chǎn)管理工作,Email:skwlh9204@163.com。