深部采矿的热害防治及治理现状

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2014年9月19日

引言

随着矿产资源的不断开发，我国的浅表矿床及开采技术条件相对简单的矿床储量不断消耗，迫使大多数矿山转入深部或复杂矿床的开采。目前，许多硬岩矿床已进入或接近深部开采的范畴，据统计，我国有三分之一的矿山即将进入深部开采。深部矿床开采的技术难点主要集中在三个方面:即深部地压(岩爆)预测与控制技术、井下热害控制技术以及强化开采技术集成。在深部矿床开采技术领域内，国内的研究工作起步较晚，没有成熟的技术和经验可借鉴。在“九五”期间，虽然开展了部分前期研究工作，但现有的采矿技术不能有效地解决深部矿床开采的问题。目前，急需研究开发适应于深部矿床开采的新工艺新技术，同时对现有的技术进行集成与提升，以满足我国不断涌现的深部矿床开采的需要。

由此可以看出，井下热害控制技术在我国深井开采技术中占有很重要的地位[1]。

1井下热源分析

井下气温升高，是由于各种热源散热的缘故。井下热源包括地热、地下水蒸发热、空气压缩热和机械设备放热以及爆热、氧化反应热、人体代谢生成热等。实践证明，地热、空气压缩热、爆热和氧化反应热是主要的井下热源。

1.1地热

地热是最重要的深井通风热源，据研究，深井岩层放热占井下热量的48%［2］。地热是以围岩传热形式散热，地面以下岩层温度变化规律是：自上而下，岩层划分为变温带、恒温带和增温带，其中，恒温带以下的岩石温度随深度增加而增加，当采掘作业将岩石暴露出来以后，地热便从岩石中释放出来。原岩放热是深井矿山的主要热源之一，当井下空气流经围岩时，两者发生热交换，从而使井下空气温度升高。因受地热增温的影响，岩石温度随深度的增加而升高。围岩与井巷空气热交换的主要形式是传导和对流，即借热传导自岩体深处向井巷传热，或经裂隙水借对流将热传给井巷。在大多数情况下，围岩主要以热传导方式将热传给岩壁，并通过岩壁传给井下空气。

岩石温度随深度而增高的程度决定于岩石成分和岩石的导热性能、水文地质特征和其他一些因素，一般用地热增温率来表征岩石的增温程度［2］：

式中：t h为深度h处的岩石温度（o C）；t0为该地区地表空气的年平均温度（C）；

G t为地热梯度（o C/m）；h为所测定岩石温度之点距地表的深度（m）；h0为恒温带的深度（m）。

由于围岩与井巷空气热交换是一个复杂的非稳定过程，计算也非常繁琐。为计算方便，视此类问题为沿巷道轴向进行的一维非稳态热传导问题处理，并设岩石内温度高于井下空气温度，岩石传给井下空气的热量可按（2）式计算［3］：

式中：Q为岩石传给井下空气的热量（J）；A为巷道断面积（m2）；t为巷道通风时间（S）；T w为围岩的原始岩温（K）；T i为巷道内某点空气的温度（K）；k为围岩的热导率［W/（m·K）］；ɑ为围岩的热扩散系数（m2/S）。

1.2空气压缩热

地面空气经井筒进入矿井内，由于受到井筒空气柱的压力而被压缩，空气到达井筒底部时，其所具有的势能转化为热能。试验研究结果表明：空气每下降100m，气流温度升高约0.4C~0.5C，空气压缩放热占井下热量的20%［2］。

当空气沿着井巷向下流动时，在重力场作用下，由于其势能转换为焓，其压力与温度都有所上升。根据能量守恒定律，风流在压缩过程中的焓增与风流前后状态的高差成正比，即：

式中：i1、i2为风流在始点与终点时的焓值（J/kg）；h1、h2为风流在始点与终点状态下的标高（m）；g为重力加速度（m/S2）。

对于理想气体：di=c p dt，即：

式中：c p为空气的定压比热容，cp=1005J/（kg·K）；T1、T2分别为风流在始点及终点时的干球温度（K）。故：T2-T1=0.00976（h1-h2）。

从上述结论可以看出，空气压缩所引起的焓增同风量无关，只与两点标高有关，而且随着开采深度的增加而相应增大。空气沿井筒下降，由于空气沿井筒往下流经100m垂深距离时，热量约增加0.979J/kg。

2深部采矿的热害防治及治理现状

2.1国外矿井热害理论研究现状和水平

国外对矿井降温理论的研究始于1740年法国在Belfort矿山附近进行的地温测定[4]。真正在矿井降温理论研究上的发展起步于20世纪20年代。国外在矿井降温理论的发展大致可分为三个时期，即雏形期、发展期和形成完整的学科理论期。

雏形期：20世纪20年代至50年代，这一时期由于世界各国煤矿的开采规模都比较小，矿山热害问题并不是十分严重，所以矿井降温理论研究的发展比较缓慢。研究成果散见于各种文献中，仅限于个别的研究成果。其中比较有代表性的是：1923年西德HeistDrekopt在假定巷壁温度为稳定周期性变化的前提下，

解析了围岩内部温度场的周期性变化，提出了围岩调热圈等概念，尽管其基本假定不尽合理，但这是研究矿井降温问题的最初理论；此后在1939年至1941年间，南非BiccandJappe连续发表了题为―深井风温预测‖的论文，提出了风温预测计算的基本思路；1951年英国VanHeerden、日本平松等结合平巷与围岩的热交换，在理想条件下得出了围岩调热圈温度场的理论解。这个理论解与传热学领域中英国Carslaw等人在1939年用拉普拉斯变换得出的理论解是一致的；1953年前苏联学者又提出了较精确的不稳定换热系数和调热圈温度场的计算方法；1955年平松又提出了围岩与风流不稳定换热时的风温近似计算式，这些研究成果奠定了现代矿井降温理论的研究基础，有的现在还在沿用。

发展期：20世纪50年代至70年代初，这一时期由于电子计算机的应用，矿井降温理论有了较大的发展。如1961年前苏联BopoπaeB、1966年前西德Nottort等发表了用数值计算法描述围岩调热圈温度场的学术论文。同时，矿井围岩热物理参数的测试技术也得到了初步应用。如1964年西德Mucke用圆板状试块测定稳态导热的岩石导热系数。1967年Shernat在现场中对一段巷道强制加热，实测围岩中的温度分布，从实测值和理论值的对比中，得出了一些热参数。同年南非Starfield等对巷道在潮湿条件下的热交换规律进行了初步探讨，矿井降温理论已朝着实用性的方向迈进。

形成学科理论体系期：20世纪70年代中后期至今，学科理论迅猛发展，一些系统专著相继问世，如舍尔巴尼等著的《矿井降温指南》、平松等著的《通风学》、福斯著的《矿井气候》等都对矿井降温理论做了较系统的阐述。而且问题的研究也深入到了采掘工作面。如1971年后西德的J.V oss等相继提出了一整套采掘工作面风温计算方法；1975年美国的J.Mcguaid系统提出了矿井热害治理的各种对策；1977年保加利亚的Shcherban等对掘进工作面的风温计算作了较详尽的论述。进入80年代后，学科的研究更是提高到了一个新的水平，发表论文数量激增，研究成果更加符合实际。如日本内野用差分法求得不同巷道形状、岩性条件下的调热圈温度场，并提出了考虑入风温度变化、有水影响条件下的风温计算式；南非Starfield等也提出了更为精确的不稳定换热系数的计算公式，日本天野等提出了较为完整的矿井降温设计的程序模型；南非RichardGundersen编制了迄今较为完善的矿山通风与降温网络模拟（VUMA）软件等。

2.2国内矿井热害理论研究现状和水平

我国对矿井降温理论的研究起步于20世纪50年代初期。抚顺煤科院最早开展矿井降温地温考察和气象参数的观测。到60年代，随着我国高温矿井数量的增多，国内的一些学者在认真学习国外经验的同时，开始结合我国矿井的实际，逐步开展了矿井降温理论的研究，但进展较慢。直至80年代以后，我国矿井降温理论的研究才有了实质性的发展。有代表性的论文主要有黄翰文的―矿井风温预测的探讨‖、―矿井风温预测的统计研究‖、杨德源的―矿井风流的热交换‖等。到80年代后期，我国也形成了较完整的矿井降温的学科理论体系，相继出版了一些系统专著，如岑衍强等编著的《矿井热环境工程》、余恒昌主编的《矿山地热与热害治理》、王隆平编著的《矿井降温与制冷》等。进入21世纪之后，又有一些新的书籍的出版，如杨德源主编的《矿井热环境及其控制》、胡汉华主编的《深热矿井环境控制》、王朝阳主编的《低热损冷源介质输送技术及高效热交换技术》。这些研究内容都丰富和发展了矿井降温的理论体系，可概括为以下几个方面[5]：

（1）建立了矿山地热学的理论体系。矿山地热学主要是研究矿区地温场的