銅礦井下掘進(jìn)工作面局部降溫技術(shù)

王軍華

（湖南漣邵建設(shè)工程（集團(tuán)）有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410001）

近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，礦產(chǎn)資源需求量不斷增加，使得我國(guó)資源開(kāi)采量逐年遞增，而且大部分金屬礦產(chǎn)的開(kāi)采已經(jīng)逐步延深至深部，這就使得井下掘進(jìn)工作過(guò)程中熱害問(wèn)題日益嚴(yán)重[1-4]。熱害不僅影響開(kāi)采掘進(jìn)工作的效率，而且還會(huì)對(duì)相關(guān)工作者的身體健康與安全造成嚴(yán)重的影響。因此，展開(kāi)對(duì)銅礦井下掘進(jìn)工作面局部降溫技術(shù)的研究與分析，對(duì)于降低銅礦井下掘進(jìn)工作熱害影響、提高礦山經(jīng)濟(jì)效益具有深遠(yuǎn)的影響與重要的意義[5-6]。

1 銅礦井下掘進(jìn)工作熱害分析

銅礦井下掘進(jìn)工作中所面臨的熱害種類繁多，只有確定產(chǎn)生熱害的具體原因，才能合理地應(yīng)用相關(guān)的降溫技術(shù)，有效地解決熱害問(wèn)題，切實(shí)地提升工作效率與質(zhì)量，保證人員的安全。

1.1 地面壓入式送風(fēng)風(fēng)流余熱

送風(fēng)風(fēng)流余熱是產(chǎn)生熱害的重要原因之一。送風(fēng)風(fēng)流余熱，可以劃分為地面風(fēng)流余熱與空氣高位勢(shì)能轉(zhuǎn)化的余熱兩個(gè)部分。如果銅礦采區(qū)處于南方地區(qū)時(shí)，受地理區(qū)位影響，井下的進(jìn)風(fēng)會(huì)受到季節(jié)、晝夜交替等外界因素的影響，進(jìn)而會(huì)出現(xiàn)井下熱害問(wèn)題。例如，如果銅礦井下掘進(jìn)工作過(guò)程中地面溫度常年保持在28℃以上，而相對(duì)濕度保持在80%時(shí)，地面風(fēng)流通過(guò)風(fēng)筒輸送至井下就會(huì)造成井下的溫度、濕度等出現(xiàn)不同程度的增加，產(chǎn)生熱害，對(duì)井下掘進(jìn)工作造成極為不利的影響。而如果通過(guò)壓入式系統(tǒng)進(jìn)行空氣的傳輸，那么空氣在被傳輸至井下后，隨著深度的不斷加深，空氣勢(shì)能就會(huì)轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，造成空氣成分中各類數(shù)值急劇升高，進(jìn)而形成降溫冷負(fù)荷，最終會(huì)產(chǎn)生熱害，對(duì)銅礦井下掘進(jìn)工程造成較大的影響，甚至?xí)绊懢蜻M(jìn)工作的安全開(kāi)展。

1.2 圍巖傳熱

圍巖傳熱是一種不可避免的熱害因素，也是銅礦井下掘進(jìn)工作中必須要面對(duì)的熱害問(wèn)題之一?；诘厍騼?nèi)熱的影響，銅礦深井中，隨著掘進(jìn)深度的不斷加深，巖壁溫度也會(huì)隨之上升，在掘進(jìn)過(guò)程中，干燥的巖壁與風(fēng)流的溫差換熱過(guò)程就會(huì)產(chǎn)生熱害。

1.3 井下掘進(jìn)過(guò)程余熱

銅礦井下掘進(jìn)過(guò)程中不僅需要使用大量的井下機(jī)械設(shè)備，而且還需要通過(guò)爆破等方式開(kāi)采。所以，在掘進(jìn)過(guò)程中機(jī)械設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生大量的余熱，而這些余熱會(huì)逐步排至風(fēng)流中，在風(fēng)流溫差的換熱過(guò)程中會(huì)造成風(fēng)流溫度、濕度等升高，進(jìn)而產(chǎn)生熱害。如果需要進(jìn)行爆破作業(yè)，那么爆破作業(yè)之后會(huì)產(chǎn)生大量的余熱，這些余熱需要經(jīng)歷數(shù)小時(shí)之后才能徹底排除，而在這個(gè)過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生熱害。這也是銅礦井下掘進(jìn)工作中必須要面對(duì)與解決的熱害問(wèn)題。

2 井下局部降溫系統(tǒng)存在的問(wèn)題

當(dāng)前，部分銅礦在井下掘進(jìn)工作中為了解決熱害問(wèn)題，保證井下掘進(jìn)工作安全、有序地進(jìn)行，通過(guò)構(gòu)建井下局部降溫系統(tǒng)來(lái)解決相關(guān)的問(wèn)題，雖然取得了一定的成效，但是在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中受環(huán)境等方面的影響，使得井下局部降溫系統(tǒng)仍然存在較多的問(wèn)題，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

2.1 工作面通風(fēng)量無(wú)法滿足要求

銅礦井下掘進(jìn)工作中為了解決熱害問(wèn)題，雖然按照掘進(jìn)工作的實(shí)際情況合理地設(shè)計(jì)了相應(yīng)的降溫系統(tǒng)，但是在實(shí)際工作過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)工作面無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求的情況，這種問(wèn)題會(huì)嚴(yán)重影響降溫系統(tǒng)的工作效率與質(zhì)量，令其無(wú)法發(fā)揮真正的作用與價(jià)值。此外，局部降溫系統(tǒng)的選材與安裝也存在風(fēng)筒保溫厚度較小且漏風(fēng)率較大的問(wèn)題，這些問(wèn)題也會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)降溫系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，最終會(huì)導(dǎo)致降溫系統(tǒng)工作效率低下，無(wú)法滿足銅礦井下掘進(jìn)的要求。

2.2 局部降溫系統(tǒng)穩(wěn)定性有待提升

排水系統(tǒng)是銅礦井下掘進(jìn)工作局部降溫系統(tǒng)的重要組成部分，在解決熱害問(wèn)題過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。但是，當(dāng)前局部降溫系統(tǒng)中由于排水系統(tǒng)的水溫與水量缺乏良好的穩(wěn)定性，影響整個(gè)降溫系統(tǒng)的工作效率與質(zhì)量，而且還會(huì)導(dǎo)致冷水機(jī)組冷凝溫度逐步升高，進(jìn)而使得出風(fēng)的溫度也會(huì)逐步增高，極大地影響了降溫的效果，熱害問(wèn)題無(wú)法得到徹底解決。由此可見(jiàn)，局部降溫系統(tǒng)穩(wěn)定性較差是影響整個(gè)降溫系統(tǒng)的重要問(wèn)題之一。

2.3 局部降溫系統(tǒng)有待完善

雖然局部降溫系統(tǒng)在銅礦井下掘進(jìn)工作中的合理應(yīng)用使得作業(yè)面的溫度、濕度有了明顯的改善，但是部分局部降溫系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與建設(shè)過(guò)程中忽視了通風(fēng)網(wǎng)路的合理規(guī)劃，使得在井下掘進(jìn)工作區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的尾氣殘留，進(jìn)而導(dǎo)致工作區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量下降，這既會(huì)對(duì)工作人員的身體健康造成影響，也會(huì)影響銅礦井下掘進(jìn)工作的效率與質(zhì)量。所以，當(dāng)前要提升對(duì)局部降溫系統(tǒng)中排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)的重視程度，使得機(jī)車尾氣能夠有效地排除，構(gòu)建良好的工作環(huán)境，切實(shí)有效地解決井下熱害問(wèn)題。

3 井下掘進(jìn)工作面局部降溫技術(shù)分析

3.1 井下掘進(jìn)工作局部降溫方案

結(jié)合相關(guān)研究文獻(xiàn)以及國(guó)內(nèi)外礦山井下降溫經(jīng)驗(yàn)，井下掘進(jìn)工作局部降溫方案主要有3種。

（1）方案一：在銅礦井地面建設(shè)制冷站，利用空氣交換設(shè)備、處理設(shè)備等將制冷站的冷風(fēng)輸送至銅礦井下掘進(jìn)工作面。這種方案的優(yōu)勢(shì)在于可以快速、有效地解決井下熱害問(wèn)題。但是也存在較大的劣勢(shì)，主要是冷風(fēng)傳輸過(guò)程受多種因素的影響，不僅損失較大，提升地面冷負(fù)荷，增加能源的消耗，而且需要投入大量的資金對(duì)制冷站進(jìn)行維護(hù)與管理，所以經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差。

（2）方案二：礦井地面建設(shè)制冷站，利用冷水降溫。這種方案需要通過(guò)水管將冷水輸送至井下，達(dá)到降溫供風(fēng)的目的（如圖1所示）。這種方案雖然可以有效地解決井下熱害問(wèn)題，但在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中不僅需要鋪設(shè)大量的管道，還需要增設(shè)高低壓轉(zhuǎn)換設(shè)備才能滿足降溫需求，這種方案不僅造價(jià)較高，而且也需要耗費(fèi)大量的工期進(jìn)行降溫系統(tǒng)的建設(shè)。

圖1 人工冷水降溫原理

（3）方案三：局部制冷系統(tǒng)進(jìn)行制冷。這種方案是在銅礦井下掘進(jìn)工作面附近建設(shè)制冷系統(tǒng)，通過(guò)空氣處理設(shè)備達(dá)到降溫的目的。這種方案的優(yōu)勢(shì)在于制冷系統(tǒng)無(wú)需建設(shè)在地面，根據(jù)掘進(jìn)工作進(jìn)度隨時(shí)可以變換制冷系統(tǒng)的位置，進(jìn)而有效地降低制冷系統(tǒng)的負(fù)荷，并且減少了管道安裝的工作量，有效提升降溫系統(tǒng)工作效率的同時(shí)也降低了降溫系統(tǒng)的造價(jià)。

以上3種礦井掘進(jìn)工作面降溫方案是目前比較常見(jiàn)的降溫技術(shù)，這就需要不同礦井的采礦工作者根據(jù)自身的實(shí)際情況進(jìn)行合理的選擇，進(jìn)而有效地解決熱害問(wèn)題，為井下掘進(jìn)工作安全、穩(wěn)定、有序的開(kāi)展提供重要的基礎(chǔ)保障。

3.2 井下掘進(jìn)工作局部降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

銅礦井下掘進(jìn)工作面局部降溫系統(tǒng)主要是由礦井水冷卻系統(tǒng)、制冷站、空冷器、送風(fēng)系統(tǒng)組成，不同的系統(tǒng)在降溫系統(tǒng)中發(fā)揮著不同的作用，局部降溫系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。

圖2 局部降溫系統(tǒng)工藝流程

（1）礦井水冷卻系統(tǒng)。在礦井掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的地下水，這些地下水溫度較低，可以有效地滿足降溫需求，所以礦井水完全可以作為降溫系統(tǒng)的散熱冷源。需要注意的是礦井水一般具有較強(qiáng)的腐蝕性，所以相關(guān)的設(shè)備必須要選用不銹鋼板等防腐蝕的材料。同時(shí)，要根據(jù)銅礦井下掘進(jìn)工作面熱害問(wèn)題的實(shí)際情況合理地選擇冷水機(jī)組的功率，進(jìn)而在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)有效地將降溫系統(tǒng)中制冷排出的熱量全部排至地面，有效達(dá)到井下降溫的目的。此外，降溫系統(tǒng)如果在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)排水量不足的情況，可以及時(shí)采取旁通部分回水或者供水混合措施來(lái)解決相關(guān)的問(wèn)題，保證降溫系統(tǒng)能夠正常的散熱。

（2）制冷站。制冷站作為整個(gè)降溫系統(tǒng)的中樞，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要根據(jù)礦井的實(shí)際情況合理地選擇制冷機(jī)的型號(hào)，才能滿足實(shí)際需求。同時(shí)，由于礦井內(nèi)部水流量以及存在較多的不穩(wěn)定因素，對(duì)制冷劑的選擇也要結(jié)合礦井內(nèi)部的實(shí)際情況，盡量選擇冷凝溫度較高的制冷劑，才能保證制冷站的制冷效果。

（3）空冷器。空冷器是整個(gè)降溫系統(tǒng)中的重要組成部分，在實(shí)際降溫過(guò)程中，一方面要考慮經(jīng)濟(jì)性，另一方面要考慮輸送冷損失，所以空冷器一般要設(shè)置在冷水機(jī)附近，這樣既可以節(jié)省管道的鋪設(shè)，也可以減少冷的損失。此外，空冷器宜選擇串聯(lián)兩級(jí)冷卻，唯此才能有效地降低風(fēng)流溫度，滿足降溫需求。

（4）風(fēng)筒送冷風(fēng)系統(tǒng)。風(fēng)筒送冷風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須要滿足最小送風(fēng)量為260 m3/min，并且采取必要的保溫處理措施，保證漏風(fēng)率低于 3%，這樣才能保證風(fēng)筒送冷風(fēng)系統(tǒng)滿足降溫系統(tǒng)的實(shí)際需求，更好地達(dá)到降溫目的。

3.3 降溫效果

為驗(yàn)證局部降溫工作效果，以大紅山銅礦為例，將局部降溫系統(tǒng)應(yīng)用于大紅山銅礦 285中段（285～400 m）持續(xù)開(kāi)采工程。大紅山銅礦位于云南省新平縣，礦區(qū)屬侵蝕山地地形，切割深，起伏大，海拔高800～1840 m，平均氣溫為23.5℃，（最高氣溫為 45℃、最低氣溫為 1℃），影響了銅礦井下掘進(jìn)工作。

大紅山銅礦將局部降溫技術(shù)應(yīng)用到了風(fēng)井-800 m水平巷道的掘進(jìn)工作面，并且完成調(diào)試正常運(yùn)行，通過(guò)連續(xù)運(yùn)行至副井與風(fēng)井，井下通風(fēng)網(wǎng)路貫通兩個(gè)月，保證了井下掘進(jìn)工作的有效開(kāi)展。該系統(tǒng)礦井供水溫度為（28～30）℃，經(jīng)過(guò)冷水機(jī)組降溫后的冷卻水進(jìn)入空冷器，空冷器運(yùn)行參數(shù)進(jìn)/出水溫度為 （18～24）℃/32.6℃，經(jīng)過(guò)換熱冷卻水進(jìn)/出空冷器溫度差保持在了14.6℃/8.6℃。而風(fēng)流經(jīng)過(guò)降溫系統(tǒng)之后會(huì)得到充分的冷卻，可以有效地降低氣溫12.5℃，同時(shí)濕度還可以達(dá)到91%，完全符合設(shè)計(jì)要求，滿足井下掘進(jìn)的實(shí)際需求。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)銅礦井下熱害進(jìn)行了歸納分析，為合理應(yīng)用相關(guān)降溫技術(shù)提供了理論依據(jù)。經(jīng)分析可知，銅礦井下熱害成因主要包括3個(gè)方面：地面壓入式送風(fēng)風(fēng)流余熱、圍巖傳熱以及井下掘進(jìn)工作過(guò)程余熱。

（2）對(duì)已有降溫系統(tǒng)所存在的不足進(jìn)行了研究，目前銅礦井下工作面局部降溫系統(tǒng)穩(wěn)定性有待提高，且工作面通風(fēng)量尚未滿足施工要求，降溫系統(tǒng)性能有待改進(jìn)。

（3）基于局部降溫系統(tǒng)不足，在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案，并將改進(jìn)后的降溫系統(tǒng)應(yīng)用于大紅山銅礦工程。實(shí)際應(yīng)用表明，改進(jìn)后局部降溫系統(tǒng)降溫效果有較大提升，可滿足實(shí)際工程要求，切實(shí)有效地提升了井下掘進(jìn)工作效率與質(zhì)量，同時(shí)提升了經(jīng)濟(jì)效益。