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(guó)內(nèi)外深井降溫技術(shù)的研究進(jìn)展。通過(guò)對(duì)冬瓜山井下通風(fēng)和熱環(huán)境參數(shù)的分析和計(jì)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。基于對(duì)冬瓜山采區(qū)開(kāi)拓系統(tǒng)和采掘計(jì)劃的全面調(diào)查分析,提出了井下輸冷和散冷的實(shí)施工藝,并對(duì)工程設(shè)計(jì)、施工、使用過(guò)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(kāi)采范圍及開(kāi)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(kāi)采。我國(guó)有近三分之一的礦山即將進(jìn)入深部開(kāi)采,目前深井的開(kāi)采深度大多在1000 m左右[1]。隨著礦山開(kāi)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(shí),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(dòng)生產(chǎn)率大大下降[5-6]。據(jù)南非多年調(diào)查統(tǒng)計(jì),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(shí),開(kāi)始出現(xiàn)中暑死亡事故。井下溫度升高到一定程度時(shí),還容易引起硫礦粉塵和可燃性氣體發(fā)生爆炸[7]。因此,開(kāi)展井下熱害治理技術(shù)研究意義重大。

有關(guān)礦井高溫問(wèn)題,國(guó)外的研究始于1740年法國(guó)開(kāi)展的地溫測(cè)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(jì)算方法在南非、西德、蘇、日、英等國(guó)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(guó)于1950年代初開(kāi)始對(duì)礦內(nèi)熱環(huán)境開(kāi)展降溫研究;1960年代開(kāi)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(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所等單位協(xié)助下,分別對(duì)合山里蘭礦等8座礦井進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè),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(guó)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?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V方法,設(shè)計(jì)年產(chǎn)330萬(wàn)t礦石量。冬瓜山銅礦床沿走向劃分盤(pán)區(qū),盤(pán)區(qū)寬度100 m,長(zhǎng)度為礦體水平厚度。盤(pán)區(qū)之間暫留寬為18 m的隔離礦柱。采場(chǎng)長(zhǎng)度方向沿礦體走向,其中尾砂充填采場(chǎng)長(zhǎng)度為78 m,膠結(jié)充填采場(chǎng)長(zhǎng)度為82 m,寬度均為18 m,設(shè)計(jì)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(kāi)拓方式,其中深部的主要開(kāi)拓中段有-670,-730,-760,-790,-850 m和-875 m等,目前冬瓜山銅礦床的開(kāi)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(kāi)采深度接近1000 m;礦石平均含硫17%,最高達(dá)19%;礦體主要開(kāi)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(duì)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(kāi)采過(guò)程中的高溫?zé)岷χ卫硎钱?dāng)前面臨的一個(gè)難題。

2 冬瓜山銅礦礦井熱源及需冷量計(jì)算

2.1 礦井熱源

根據(jù)南非金礦、美國(guó)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(guò)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(dòng)作業(yè)中的散熱等。

2.2 礦井需冷量計(jì)算

銅礦需冷量計(jì)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(jì)算;計(jì)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(pán)區(qū)復(fù)雜角聯(lián),造成采場(chǎng)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(cè)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(mén)進(jìn)風(fēng)溫度為17.8℃;-875 m東副井石門(mén)進(jìn)風(fēng)溫度為17.7℃。這與正常礦井隨送風(fēng)距離的增長(zhǎng)而升溫,隨采深增加而原始巖溫增相反。測(cè)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(cè)點(diǎn)的風(fēng)溫和風(fēng)量

根據(jù)《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》及《煤礦井下熱害防治設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求,需進(jìn)行采場(chǎng)進(jìn)出風(fēng)溫預(yù)測(cè),包括地溫預(yù)測(cè)。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(cè)公式計(jì)算得出的結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 地溫預(yù)測(cè)值

由表3可以看出,據(jù)恒溫帶參數(shù)預(yù)測(cè)的地溫值與礦供資料給出的地溫值基本一致,均可采用。實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)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(jì)算。

2010年1月14日,測(cè)定井口相對(duì)濕度93%,井下5處平均77%。同年2月6日測(cè)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(duì)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(duì)濕度會(huì)相應(yīng)增大,最終采用濕度100%計(jì)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(guò)查找i-d圖表獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)。

經(jīng)計(jì)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(shí),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(kāi)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(jì)算困難;二是降溫系統(tǒng)布設(shè)井下,需冷量大,又是對(duì)角式通風(fēng),排放冷凝熱困難(經(jīng)驗(yàn)數(shù)值為制冷量的1.15～1.3倍)。但隨著國(guó)內(nèi)外礦井降溫技術(shù)的發(fā)展,礦井降溫系統(tǒng)由簡(jiǎn)單(局部分散式)到復(fù)雜,由小冷量到大冷量(集中式),見(jiàn)表4。

表4 不同降溫方式比較

3.2 降溫系統(tǒng)的選擇

針對(duì)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(gè)方案降溫效果比較見(jiàn)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(duì)局部較少人員實(shí)行個(gè)體防護(hù),研究表明,穿冷卻服是保護(hù)個(gè)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(duì)臭氧層無(wú)破壞作用的環(huán)保型制冷劑。

(2)安全措施。實(shí)際運(yùn)行過(guò)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(shí),一旦井下空氣冷卻器運(yùn)行出現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)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(shí)施過(guò)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(xiàng)目的實(shí)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(gè)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(shí)施了綜合性降溫并做到有針對(duì)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(jì)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(zhǎng)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(shí)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(yáng)富強(qiáng),吳 超,吳國(guó)珉,等.硫化礦石堆自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2007,17(5):89-95.

[5]劉曉鑫,胡漢華.我國(guó)深部礦井熱害治理設(shè)想和展望[J].礦業(yè)研究與開(kāi)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(píng)[J].金屬礦山,2005(6):43-46.

2012-03-18)

姚道春(1969-),安徽來(lái)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。