深井開采高溫?zé)岷εc控制技術(shù)

蘇 娟，邢 茂

（太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所，山西 太原 030024）

深井開采高溫?zé)岷εc控制技術(shù)

蘇 娟，邢 茂

（太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所，山西 太原 030024）

深井熱害效應(yīng)是煤礦開采中制約著安全生產(chǎn)的重要原因之一，需對(duì)深井熱造成的安全隱患進(jìn)行分析，并研究相應(yīng)的控制措施行。

深井；熱害效應(yīng)；控制措施

1 工程背景簡(jiǎn)述

煤炭在我國(guó)能源中具有重要地位，千米以下的儲(chǔ)量有2.95×105億t，占我國(guó)煤炭總量的53%。長(zhǎng)期大量開采了，埋藏于淺部的煤炭之后，更多的煤礦開始轉(zhuǎn)向深部開采。例如：陽(yáng)泉、大同、平頂山等煤礦相繼進(jìn)入深部開采階段。由于開采深度的增加，礦井災(zāi)害更易發(fā)生，其中的深井熱害效應(yīng)對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)有著很大制約，熱害效應(yīng)可以導(dǎo)致瓦斯異常涌出、采空區(qū)易自燃、通風(fēng)困難、人員健康等一系列問題，開始引起人們的廣泛關(guān)注。

2 深井高溫?zé)嵩?/h2>

2.1 圍巖傳熱

深井熱害效應(yīng)主要是由高溫巖體引起，而高溫圍巖是由地?zé)嵋?，地?zé)岬闹饕獊碓词怯煞派湫栽厮プ兌a(chǎn)生的。圍巖與風(fēng)流的熱交換屬于復(fù)雜的不穩(wěn)定過程。為了便于計(jì)算，常用類似穩(wěn)定傳熱公式來計(jì)算圍巖散熱量[1]。

式中：Qτ為圍巖散熱量，W；U為井巷凈斷面周長(zhǎng)，m；L為井巷長(zhǎng)度，m；tτ為井巷始末兩端平均原始巖溫，℃；t為流經(jīng)巷道始末兩端平均氣溫，℃；Kτ為圍巖與井下風(fēng)流的熱交換系數(shù)，W/（m2·℃）。

2.2 熱水放熱

井下熱水的放熱量主要由水溫和水量決定，它對(duì)礦內(nèi)空氣的影響表現(xiàn)為在流經(jīng)巷道時(shí)通過熱傳導(dǎo)和蒸發(fā)與空氣發(fā)生的熱濕交換，并在熱濕交換同時(shí)進(jìn)行時(shí)，推動(dòng)其總熱交換的動(dòng)力是焓差而不是溫差[2]。

式中：Q為熱水和空氣間的總熱交換量；Qx為熱水和空氣間的濕熱交換量；Ql為熱水和空氣音質(zhì)潛熱交換量；a為空氣與水表面的濕熱交換系數(shù)，W（m2·℃）；t為周圍空氣的溫度，℃；tb為邊界層內(nèi)空氣的溫度，℃；r為水的汽化潛熱，J/k g；σ為水與空氣間按含濕量差計(jì)算的傳質(zhì)系數(shù)，k g/(m2·s)；d為周圍空氣的含濕量，k g/k g；db為邊界層內(nèi)空氣的含濕量，k g/k g；A為空氣與水的接觸表面積，m2。

2.3 運(yùn)輸中的煤炭及矸石的放熱

以運(yùn)輸機(jī)巷作為進(jìn)風(fēng)巷的通風(fēng)系統(tǒng)中，運(yùn)輸過程中的煤炭及矸石放熱也會(huì)造成一定熱量。其放熱量公式為：

式中：Qk為運(yùn)輸中的煤炭及矸石的放熱量，k W；m為煤炭或矸石的運(yùn)輸量，k g/s；Cm為煤炭或矸石的比熱，k J/(k g·℃)；Δt為運(yùn)輸中的煤炭或矸石被冷卻的溫度，℃。

2.4 風(fēng)流自壓縮的產(chǎn)熱

進(jìn)風(fēng)井筒里，風(fēng)流的自壓縮是最主要的熱源。由礦內(nèi)空氣的壓縮或膨脹引起的溫升變化值可按下式計(jì)算[3]。式中：n為多變指數(shù)，等溫過程n=1，絕熱過程n=1.4；R為氣體常數(shù)，對(duì)于干空氣，取287J/（k g·K）；（Z1—Z2）為流體入口與出口高度差值，m。

3 熱害效應(yīng)產(chǎn)生的安全隱患問題

3.1 瓦斯異常涌出

高溫是促進(jìn)瓦斯解吸、滲流的重要因素。瓦斯分子在高溫條件下可獲得較高的能量脫離煤的表面。深井開采中的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般開采中的溫度，這就意味著深井開采過程中瓦斯會(huì)異常涌出，導(dǎo)致巷道、回采工作面、硐室等瓦斯超限，影響到煤礦的安全生產(chǎn)。

3.2 通風(fēng)困難

較高的溫度會(huì)形成較高的氣壓。由理想氣體公式得：PV=nRT，在V不變的情況下，T越高，P越大。深井開采的礦井，無論是巷道、回采空間、硐室等都有著較高的溫度，因此，深井巷道，回采空間有著較高的壓力，也就是通風(fēng)阻力較大，這會(huì)降低壓差使通風(fēng)難度加大，而通風(fēng)困難也會(huì)影響到瓦斯的排放。

3.3 采空區(qū)的自燃

深井開采與淺井開采有著很大的不同，具體表現(xiàn)為高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓的“三高”上。高應(yīng)力下采空區(qū)的煤更容易破碎成小塊體，煤塊越小越易自燃，在一定的高溫條件下，降低了通過煤體氧化產(chǎn)生的熱量向煤壁和圍巖的傳熱量；外界的高溫易使熱量積聚，更易發(fā)生煤自燃現(xiàn)象。

4 深井熱害效應(yīng)的控制技術(shù)

4.1 礦井空調(diào)器制冷降溫

礦井空調(diào)器制冷降溫，是用于深部礦井降溫的新技術(shù)。按制冷機(jī)組的位置，將其分為三種類型：（1）地面集中式礦井空調(diào)系統(tǒng)：制冷機(jī)組設(shè)置在地面，冷凝熱也在地面排放，將井下一次高壓冷凍水轉(zhuǎn)換成二次低壓冷凍水。

（2）井下集中式礦井空調(diào)系統(tǒng)：根據(jù)冷凝熱排放地可分為：井下布置制冷機(jī)組，冷凝熱在井下回風(fēng)流中排放；井下制冷機(jī)組，冷凝熱在地面排放。

（3）井上、下聯(lián)合式礦井空調(diào)系統(tǒng)：將制冷站設(shè)置在井上地面和井下硐室中，在地面集中對(duì)冷凝熱進(jìn)行處理。因?yàn)槔淠裏崾窃诘孛孢M(jìn)行處理，實(shí)質(zhì)上它達(dá)到兩級(jí)制冷程度。

4.2 通風(fēng)降溫

礦井加大通風(fēng)量處理高溫具有良好效果，礦井處理高溫的主要方法之一，通風(fēng)降溫的措施如下：

（1）合理通風(fēng)系統(tǒng)的選擇：按照礦井實(shí)際生產(chǎn)條件、地理位置、礦井開拓等條件，選擇通風(fēng)風(fēng)路最短的通風(fēng)系統(tǒng)、合理的優(yōu)化通風(fēng)方式，可很大程度地減少通風(fēng)沿程阻力及摩擦阻力，降低進(jìn)風(fēng)流帶走巷道圍巖熱量的能力，降低進(jìn)風(fēng)流自身的熱量，避免將高熱量帶入開采空間。（2）合理選擇回采工作面的通風(fēng)方式：回采工作面的通風(fēng)方式對(duì)回采工作面的通風(fēng)量有很大影響，其風(fēng)量的大小也影響著回采工作面的溫度，（風(fēng)量越小，溫度相對(duì)較高；風(fēng)量越大，溫度相對(duì)較低）。所以選擇合適的通風(fēng)方式很重要。一般情況下，W型通風(fēng)方式較U型和Y型風(fēng)量供給量大，有助于降溫、，降低熱害。（3）利用調(diào)熱巷道通風(fēng)：調(diào)熱巷道是用于調(diào)節(jié)深井高溫的一條專用巷道，將淺層水平巷道的較低溫度直接帶到深部巷道，調(diào)節(jié)深部巷道的溫度。（4）獨(dú)立通風(fēng)：對(duì)于井下較大發(fā)熱量的硐室采用對(duì)立通風(fēng)，使其大量的熱量直接通入總回風(fēng)流中。

4.3 隔絕熱源

采用一定的物質(zhì)（如：發(fā)泡混凝土等）沿巷道斷面進(jìn)行涂層，目的是將巷道內(nèi)的熱量隔絕，使其不與風(fēng)流換熱，將其隔絕在巖石內(nèi)部，從根本上減少熱源危害。

4.4 巷道布置方式

開采深部煤層時(shí)，巷道應(yīng)盡可能布置在遠(yuǎn)離大的背斜、向斜、斷層等地質(zhì)構(gòu)造中。因在這些地質(zhì)構(gòu)造中：如斷層，地?zé)崃鲗?huì)沿著大的裂隙涌向礦井巷道，使巷道溫度升高；如背斜、向斜，地?zé)岬母邷刂饕嬖谟诒承薄⑾蛐钡妮S心部，若巷道沿著軸線的方向布置，則熱量會(huì)不斷的向巷道聚集。

5 結(jié)束語

深井開采過程中的高溫?zé)岷π?yīng)公對(duì)煤礦安全造成很大危害，從理論上認(rèn)識(shí)深井熱害效應(yīng)的本質(zhì)，及其安全隱患，采取有效控制措施，對(duì)煤礦安全開采有著重要現(xiàn)實(shí)意義。

[1]楊世銘.傳熱學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1980.

[2]王賢能，黃潤(rùn)秋，黃國(guó)明.深埋長(zhǎng)大隧道中地下水對(duì)地溫異常的影響［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，1996，17（4）:23-27.

[3] 呂品.礦井熱害的調(diào)查與防治［J］.中國(guó)煤炭，2002.12（7）：38-40.

[4]陳衛(wèi)紅,陳鏡瓊,史廷明.職業(yè)危害與職業(yè)健康安全管理［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

Control Technology of Heat Disaster in Deep Wellsmining

SU Juan;XINGmao
(Institute of Mining Technology, Taiyuan University of Technology, Taiyuan Shanxi 030024

Heat disaster effect in deep wells is one of major factors to constrain the safety production. Itis necessary to analyze the safety hazard caused by the heat and its corresponding control measures.

deep wells; heat disaster effect; control measures

X 936；T D 7

A

2011-10-20

蘇 娟（1986—），女，山西靈石人，在讀碩士研究生，從事煤礦安全防治及風(fēng)沙顆粒運(yùn)移研究。

劉新光