馬俊生，張愛民，葉 勇

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

1 前言

隨著礦山開采規(guī)模的加大，礦井深度的不斷延深，井下熱害問題越來越突顯[1～2]。當(dāng)?shù)V體埋藏深度達(dá)到1 500m時(shí)，溫度將達(dá)到36℃～50℃，甚至更高。深井熱害控制技術(shù)成為深井開采的重要內(nèi)容。要進(jìn)行深井熱害控制技術(shù)研究，首先需要計(jì)算影響井下內(nèi)熱環(huán)境各個(gè)因素的熱負(fù)荷大小。

影響礦井內(nèi)熱環(huán)境的因素較多，主要包括圍巖放熱、空氣壓縮放熱、機(jī)電設(shè)備放熱、柴油設(shè)備放熱、地下水熱、爆破熱、氧化熱等[3～4]；各因素之間相互影響，如圍巖放熱、柴油設(shè)備放熱、地下水放熱等，在其他參數(shù)不變的情況下與始端和終端風(fēng)流溫差有關(guān)，而終端風(fēng)溫又受井下所有內(nèi)熱因素的影響，即終端風(fēng)溫本身就是一個(gè)未知數(shù)，故若想準(zhǔn)確計(jì)算井下熱負(fù)荷較為困難。

2 熱負(fù)荷計(jì)算相關(guān)公式[5～7]

國內(nèi)外各相關(guān)書籍或文獻(xiàn)關(guān)于深井熱負(fù)荷的計(jì)算方法不盡相同，為了找出適應(yīng)國內(nèi)深井礦山應(yīng)用的計(jì)算方法，收集的資料包括國內(nèi)常用的《采暖通風(fēng)設(shè)計(jì)參考資料》、《礦井熱環(huán)境及其控制》、《礦山地?zé)崤c熱害治理》、《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)(1989)》等，還有國外如美國《SME Mining Engineering Handbook》(即：SME采礦工程手冊(cè))、美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)的《Ashrae Handbook》、澳大利亞的《Mine Ventilation Thermodynamics》(即：礦山通風(fēng)熱動(dòng)力學(xué))等資料。

其中，澳大利亞的《Mine Ventilation Thermodynamics》針對(duì)礦井的溫度梯度、干球溫度、空氣壓力梯度等作出了詳盡的分析，指出在完全干燥井筒內(nèi)，干球溫度梯度為0.976℃/100m，然而現(xiàn)實(shí)井筒當(dāng)中并不可能完全干燥，故一般干球溫度梯度為0.82℃/100m，具體與相對(duì)濕度有一定關(guān)系。另外推導(dǎo)出濕球溫度梯度公式近似為：

式中：a、b、c——回歸系數(shù)，與空氣壓力有關(guān)，計(jì)算公式分別為：a=-7.628 6×10-7P+1.759 3×10-4，b=-1.255 4×10-7P2+2.238×10-5P+1.101 2×10-2，c=-9.410 7×10-6P2+3.805 4×10-3P+0.333 27；

P——井底空氣壓力，kPa；

tw——井底空氣濕球溫度，℃。

通過計(jì)算，當(dāng)空氣壓力梯度為1.22kPa/100m，濕球溫度梯度為0.44℃/100m。

各文獻(xiàn)關(guān)于井下熱負(fù)荷的計(jì)算公式如表1和表2所示。

表1 相關(guān)參考文獻(xiàn)關(guān)于圍巖放熱計(jì)算公式對(duì)比

3 推薦熱負(fù)荷計(jì)算公式

3.1 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

結(jié)合表1和表2關(guān)于井下熱負(fù)荷的不同計(jì)算方法，為了選擇實(shí)用的計(jì)算公式，確定選擇公式的標(biāo)準(zhǔn)如下。

3.1.1 公式本身的合理性

計(jì)算公式本身若具有合理性，就能真實(shí)反映各參數(shù)的內(nèi)在關(guān)系，如通過《SME Mining Engineering Handbook》計(jì)算圍巖放熱量公式可知，圍巖放熱量取決于原巖溫度、巖石類型和形態(tài)、開采深度等，而忽略了巷道通風(fēng)時(shí)間的長短，與實(shí)際不符；《SME Mining Engineering Handbook》用焓值差來計(jì)算空氣壓縮熱，然而根據(jù)焓值i=(1.01+1.85d)t+2 501d可知，焓值與干球溫度有關(guān)，而干球溫度t是井下內(nèi)環(huán)境各因素影響的綜合結(jié)果，難以區(qū)分壓縮空氣導(dǎo)致的溫升多少，故認(rèn)為其公式不適用。

表2 相關(guān)參考文獻(xiàn)關(guān)于井下熱負(fù)荷計(jì)算公式對(duì)比表

3.1.2 參數(shù)的可獲取性

《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》和《Ashrae Handbook》關(guān)于空氣自壓縮熱計(jì)算公式實(shí)質(zhì)上相同，僅單位不同，考慮到《Ashrae Handbook》公式在風(fēng)量已知情況下，僅需要測量井口空氣密度就可以計(jì)算出給定深度的空氣自壓縮熱，便于計(jì)算，故認(rèn)為較合適；另外，《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》在計(jì)算熱水對(duì)空氣的放熱時(shí)，熱水對(duì)空氣的散熱系數(shù)αw難以獲取，而《SME Mining Engineering Handbook》計(jì)算熱水放熱量公式較合適。

此外，在計(jì)算柴油設(shè)備放熱量時(shí)，《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》給出的公式較復(fù)雜，其中柴油機(jī)散熱量百分比ηd、柴油機(jī)的有效功率等參數(shù)受設(shè)備使用工況影響較大，無法精確計(jì)算，而《SME Mining Engineering Handbook》給出的雖為經(jīng)驗(yàn)公式，但容易操作計(jì)算，故認(rèn)為較合適。

3.2 最終推薦公式

3.2.1 圍巖放熱量

井巷圍巖放熱(或吸熱)量，可按下式計(jì)算：

Qgu=kτLU(VRT-tB)

(1)

式中：Qgu——圍巖放熱(或吸熱)量，kW；

L、U——巷道的長度和周長，m；

VRT——井巷圍巖的初始溫度，℃；

tB——巷道中風(fēng)流的平均溫度，℃；

kτ——單位時(shí)間從單位壁面上向風(fēng)流放出的熱量單位，W/(m2·℃)。

f——巷道斷面積，m2；

a——巖石導(dǎo)溫系數(shù)，m2/s；

λ——巖體熱導(dǎo)率，W/(m·℃)；

3.2.2 空氣自壓縮放熱量

大多數(shù)情況下，定壓比熱容為一個(gè)常數(shù)，對(duì)于每壓縮1kg空氣102m，定壓比熱容僅變化1kJ。即干球溫度的變化規(guī)律為：1/(1.004×102×1)=0.009 77K/m，或者1K/102m。干球溫度每100m溫度梯度為：

式中：w——含濕量，每千克干空氣中水蒸汽的含量，kg/kg。

濕球溫度的變化，取決于豎井進(jìn)口空氣的溫度和濕度，以及豎井中壓力的變化。大約每300m變化1.4K，則計(jì)算出0.467℃/100m。

空氣絕熱壓縮的理論熱負(fù)荷為：

q=QρEΔd

(2)

式中：q——自壓縮的理論熱負(fù)荷，kW；

Q——豎井中的空氣流量，m3/s；

ρ——空氣密度，kg/m3；

E——海拔每增高102m，能量的增量(1/102)，kW；

Δd——海拔變化，m。

3.2.3 機(jī)電設(shè)備放熱量

井下機(jī)電設(shè)備包含鑿巖設(shè)備、電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)、膠帶運(yùn)輸機(jī)、破碎機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)、振動(dòng)放礦機(jī)等，由于井下輔扇主要采用抽出式布置，風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)流作功，使得風(fēng)流內(nèi)能增加主要發(fā)生在無人作業(yè)的回風(fēng)側(cè)，而研究通風(fēng)熱負(fù)荷的目的主要是針對(duì)有人作業(yè)環(huán)境，故此處未計(jì)算風(fēng)機(jī)熱負(fù)荷。

q=PE-mgh

(3)

式中：P——輸入功率，kW；

E——設(shè)備總效率，%；

m——物料質(zhì)量，kg；

h——增加高度，m。

3.2.4 柴油設(shè)備放熱量

柴油設(shè)備放熱量是同功率電動(dòng)設(shè)備的2.8倍，其熱量的1/3以輻射的形式散發(fā)，1/3以煙的形式排出，1/3作為有用功，但最終也轉(zhuǎn)化成熱量。

q=FEC

式中：F——油耗，L；

E——燃燒效率，%；

C——柴油熱值，34 000kJ/L。

根據(jù)換算，上式可轉(zhuǎn)換為：

q=2.8PE

(4)

式中：P——柴油設(shè)備功率，kW。

3.2.5 爆破放熱

被爆的巖石溫度一般低于原巖溫度，被爆巖石對(duì)空氣放熱量可按下式計(jì)算：

q=mCp(VRT-Td)

(5)

式中：m——單位時(shí)間爆破的巖石量，kg/s;

Cp——巖石比熱，kJ/kg℃；

td——爆破后礦堆溫度，℃；

VRT——原巖溫度，℃。

在原巖溫度已知的情況下，巖石爆破放熱量跟爆破后礦堆溫度有關(guān)，而爆破后礦堆溫度跟通風(fēng)條件、礦石在井下停留時(shí)間、淋水等因素有關(guān)。

3.2.6 地下水放熱

地下水包含井下涌水和生產(chǎn)水，生產(chǎn)水溫度一般比原巖溫度低，起到冷卻的作用。地下裂隙涌水對(duì)井下放熱量，可按下式計(jì)算：

q=mC0(VRT-td)

(6)

式中：m——涌水量，kg/s；

C0——水比熱，取C0=4.19kJ/kg℃；

td——進(jìn)入排水系統(tǒng)后水溫，℃；

VRT——裂隙水溫度(近似原巖溫度)，℃。

3.2.7 其他熱源放熱

其他熱源包含礦石氧化、木材氧化、照明等，由于放熱量小，一般情況下可忽略不計(jì)。

4 國內(nèi)某深井礦山熱負(fù)荷計(jì)算實(shí)例

4.1 礦山概況

礦山位于遼寧本溪東南郊16km，礦體屬隱伏盲礦床，礦體埋藏深度404～1 934m，賦礦標(biāo)高-134～-1 713m。礦床賦存于太古界鞍山群茨溝組第三含鐵巖段中，巖性較簡單，巖石較完整。礦區(qū)揭露的主要地層為泥灰?guī)r、石英巖、綠泥石英片巖、閃長玢巖、綠泥石英片巖、磁鐵石英巖、赤鐵石英巖。

礦區(qū)屬中溫帶濕潤氣候區(qū)，年均氣溫7.2℃～8.4℃，最高氣溫37.5℃，最低氣溫-34.5℃，年均相對(duì)濕度65%左右。

礦區(qū)每百米地溫梯度最大2.0℃，無地?zé)岙惓?。地?zé)嵩鰷靥荻鹊陀谡Ｖ?每百米3.0℃)。其主要是深部地下水貧乏，徑流緩慢。豎井地質(zhì)鉆地溫測量顯示：1號(hào)回風(fēng)井100～1 470m平均地溫梯度為1.77℃/100m，1 470m地下溫度為35.8℃；措施井100～1 240m平均地溫梯度為1.69℃/100m，1 240m地下溫度為30.60℃；副井50～700m地溫梯度為1.35℃/100m，725～1 500m地溫梯度為1.81℃/100m，全孔平均地溫梯度為1.66℃/100m，1 510m地下溫度為36.5℃。

4.2 計(jì)算工況

按照氣象和鉆孔地溫資料，考慮兩種工況(冬季和夏季)，如表3所示。其中干球溫度梯度根據(jù)相關(guān)資料暫按0.8℃/100m計(jì)算。

4.3 結(jié)果分析

根據(jù)公式(1)至(6)分別計(jì)算，井下各熱源熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果見表4。

通過分析：工況一(冬季)，井下各熱源放熱量為55 970.8kW，其中圍巖放熱量占11.8%，空氣自壓縮放熱量占37.9%，柴油設(shè)備放熱量占22.5%，空氣壓縮對(duì)總放熱量的貢獻(xiàn)率最大，其次為柴油設(shè)備。

工況二(夏季)，井下各熱源放熱量為42 123.6kW，其中圍巖對(duì)空氣表現(xiàn)為吸熱，其吸熱量為1 799.1kW，空氣自壓縮放熱量占46.3%，柴油設(shè)備放熱量占29.8%，機(jī)電設(shè)備放熱量占21.3%，空氣壓縮對(duì)總放熱量的貢獻(xiàn)率最大，其次為柴油設(shè)備。

表3 熱負(fù)荷驗(yàn)算的兩種工況

表4 兩種工況下熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果 kW

另外，需要注意的是以上部分是從整體上考慮井下熱負(fù)荷計(jì)算，若要評(píng)價(jià)局部作業(yè)環(huán)境，則柴油設(shè)備放熱量和巖石爆破散熱量對(duì)局部環(huán)境影響較大，需要重點(diǎn)考慮。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 郝秀強(qiáng).深井礦山熱源分析及降溫技術(shù)探討[J].中國礦山工程，2010，39(3):52-55.

[2] 劉何清，吳 超,等.礦井降溫技術(shù)研究述評(píng)[J].金屬礦山，2005,(348):43-46.

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

[4] 吳 超.礦井通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2008.

[5] 楊德源，楊天鴻.礦業(yè)熱環(huán)境及其控制[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

[6] Felipe Calizaya,John Marks.Mining Engineering Handbook(SME)(Ⅲ)[M].2012.1611-1621.

[7] American Society of Heating,Refrigerating and Air-conditioning Engineers.Ashrae Handbook[M].2011,Chapter 29.1-29,13.