陳 剛，干雨杭，李先杰

(1.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083)

受發(fā)展核電和國家戰(zhàn)略需求影響，對(duì)鈾礦石的需求量逐年增加[1-2]。但經(jīng)過近50多年的開采，中國淺層鈾礦資源越來越少，唯一在生產(chǎn)的硬巖鈾礦井，其下一步三期的開采深度預(yù)計(jì)超過700 m。鈾礦逐步進(jìn)入深部開采，面臨地?zé)釋?duì)作業(yè)環(huán)境的惡化影響。

某鈾礦井正處于二期與三期開采的過渡階段，隨著礦井生產(chǎn)作業(yè)中段向深部延展，礦井內(nèi)部環(huán)境高溫高濕的特點(diǎn)逐步顯現(xiàn)，部分獨(dú)頭掘進(jìn)面和作業(yè)面的環(huán)境溫度超過了國家規(guī)定的28 ℃限值[3]。高溫高濕環(huán)境不僅給井下工人的身體健康帶來巨大的影響，還大大降低了采礦效率。因此，急需對(duì)礦井內(nèi)熱源進(jìn)行調(diào)查分析，并針對(duì)性地提出降低礦井內(nèi)環(huán)境溫度的對(duì)策。本研究對(duì)生產(chǎn)作業(yè)中段的熱源進(jìn)行了梳理分析，并針對(duì)-150 m中段不同的散熱源提出相應(yīng)解決措施。

1 生產(chǎn)作業(yè)中段熱源分析

棉花坑礦井二期開采已接近尾聲，下一步進(jìn)行的三期開采深度將至-400 m(海拔)以下。在棉花坑礦向深處開采的過程中，各熱源對(duì)礦井的加熱現(xiàn)象逐步顯現(xiàn)。在夏季，棉花坑井地表入風(fēng)溫度為25 ℃，當(dāng)?shù)竭_(dá)-50 m中段時(shí)溫度升高至26 ℃，當(dāng)?shù)竭_(dá)-150 m中段時(shí)溫度已達(dá)27.8 ℃，再經(jīng)過空氣壓縮機(jī)房、熱水和巖壁的加熱，導(dǎo)致部分獨(dú)頭掘進(jìn)面溫度最高達(dá)35 ℃。

在常規(guī)礦山井下開采中，能夠影響作業(yè)環(huán)境溫度的主要因素有圍巖、礦井運(yùn)輸機(jī)械、礦用機(jī)電設(shè)備、礦井水等[4-7]。為了分析礦山井下溫度變化，找出影響井下作業(yè)環(huán)境溫度的主要因素，以-150 m中段為研究對(duì)象，對(duì)井下熱源進(jìn)行監(jiān)測，分析各熱源對(duì)井下溫度升高的影響程度。

1.1 礦井內(nèi)部熱源監(jiān)測及分析

一個(gè)高溫?zé)嵩磿?huì)同時(shí)通過多種散熱方式散熱，以巖壁散熱為例，存在巖壁與空氣接觸時(shí)發(fā)生的傳導(dǎo)散熱方式，也存在因空氣流動(dòng)而產(chǎn)生的對(duì)流散熱方式。實(shí)際中，很難弄清楚幾種不同散熱方式所占的比例，目前也沒有可以比較精確計(jì)算總散熱量的公式。在礦井中，由于內(nèi)部空間較小，而且空氣的流速、溫度、濕度等各參數(shù)可通過相應(yīng)的儀器測量[8-9]；所以不同熱源的散熱量可以利用空氣經(jīng)過熱源前后的比焓變化來間接推導(dǎo)得出。

礦井中的空氣在通過熱源后的吸熱量計(jì)算公式為

Q=Q2-Q1=ma×(h2-h1)=Vaρa(bǔ)×(h2-h1)，

(1)

式中：Q1—空氣通過熱源前具有的熱量，kJ；Q2—空氣通過熱源加熱后具有的熱量，kJ；ma—空氣的質(zhì)量，kg；Va—空氣的體積，m3；ρa(bǔ)—空氣的密度，kg/m3；h1—通過熱源前的空氣比焓，kJ/kg；h2—通過熱源后的空氣比焓，kJ/kg。

基于式(1)，結(jié)合某礦生產(chǎn)狀況，圍繞上述幾類主要熱源(無軌設(shè)備除外)，對(duì)鈾礦井下熱源及礦井空氣溫度、濕度進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測設(shè)備及監(jiān)測計(jì)劃見表1。

表1 礦井熱源監(jiān)測設(shè)備及監(jiān)測計(jì)劃

1.2 主要熱源散熱量計(jì)算

1.2.1 巖壁散熱量Q壁

選取-150 m中段長度為100 m的長直主巷(無其他支巷)進(jìn)行研究，巖壁溫度為25 ℃。測量該主巷的空氣溫度、濕度、風(fēng)量以及巖壁溫度等數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2。

表2 巖壁散熱量計(jì)算依據(jù)

將表2數(shù)據(jù)代入式(1)，可計(jì)算得到選取的100 m巖壁的散熱量Q壁=10.6 kJ/s。忽略礦井中其他物體吸收的熱量，最終可估算出-150 m中段南部總長度為500 m的長直主巷巖壁散熱量為53 kJ/s。

1.2.2 空壓機(jī)散熱量Q機(jī)

根據(jù)礦井熱源監(jiān)測中對(duì)空壓機(jī)的監(jiān)測方案，對(duì)計(jì)算空壓機(jī)散熱量所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，結(jié)果見表3。將表3數(shù)據(jù)代入式(1)，可計(jì)算得到空壓機(jī)的散熱量Q機(jī)=195 kJ/s。

表3 空壓機(jī)散熱量計(jì)算依據(jù)

1.2.3 涌水散熱量Q水

礦井中的散熱媒介為地下涌水，計(jì)算時(shí)忽略熱量在傳遞過程中的損失，用涌水的吸熱量確定散熱量。涌水?dāng)?shù)據(jù)見表4。

表4 涌水散熱量計(jì)算依據(jù)

利用表4數(shù)據(jù)，根據(jù)公式計(jì)算得到涌水散熱量Q水=V水×ρ水×C×ΔT=70.8×1 000×4.2×5÷3 600=413 kJ/s。

1.2.4 無軌設(shè)備散熱量Q機(jī)電

一般無軌設(shè)備散熱量普遍采用當(dāng)班設(shè)備裝機(jī)容量乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)得出，具體計(jì)算公式為

Q機(jī)電=k×Ne，

(2)

式中：Ne—每班機(jī)械設(shè)備的總裝機(jī)容量，kW；k—綜合轉(zhuǎn)化系數(shù)，一般取0.3。當(dāng)前，礦井生產(chǎn)中段單班工作礦用無軌卡車2臺(tái)，單臺(tái)功率為110 kW；鏟運(yùn)機(jī)2臺(tái)，單臺(tái)功率為60 kW。根據(jù)式(2)計(jì)算得出Q機(jī)電=102 kJ/s。

1.3 熱源散熱量計(jì)算結(jié)果分析

通過對(duì)-150 m中段熱源的計(jì)算，得出各熱源散熱量占比，如圖1所示。

圖1 -150 m中段各熱源占比

從圖1可看出：在-150 m中段，導(dǎo)致礦井內(nèi)作業(yè)環(huán)境溫度升高的主要因素為涌水，其散熱量占總散熱量的53.78%；空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)貢獻(xiàn)的散熱量占總散熱量的26.04%；無軌設(shè)備散熱量占總散熱量的13.28%。在試驗(yàn)測量時(shí)，雖然深部開采巖石溫度有所提升；但巖壁對(duì)作業(yè)環(huán)境空氣的加熱現(xiàn)象并不顯著，其貢獻(xiàn)的散熱量僅占總散熱量的6.90%，其原因是在-150 m中段巷道周圍形成了調(diào)熱圈。

2 礦井熱害治理

對(duì)礦井熱源調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，礦井熱源主要有工作的空壓機(jī)、地下涌水、無軌設(shè)備和巖壁；其中地下涌水和空壓機(jī)貢獻(xiàn)的散熱量約占總散熱量的80%。因此解決礦井熱害問題的重點(diǎn)集中在降低涌水和空壓機(jī)的散熱上。

2.1 礦井水源分析

2.1.1 大氣降水

礦區(qū)內(nèi)年降水量為970～2 244.6 mm。依水文觀測結(jié)果來看，不同季節(jié)礦坑的充水強(qiáng)度有明顯的差異，豐水期礦山采掘坑道排水量是枯水期的2倍多，說明大氣降水是井下充水的主要來源。

2.1.2 地表水

礦床內(nèi)沒有主要的地表水體，地表水來源主要是河流，流量為17.05～434.6 L/s，在雨季流量還會(huì)增大。

礦床內(nèi)分布有花崗巖中的裂隙潛水；但由于裂隙較小而且裂隙隨深度增加而減少，因此地表水進(jìn)入到礦床深部的水量較小。

含礦構(gòu)造帶的上部巖石主要為碎裂巖和晚期石英脈，巖石的滲水性能差，地表水沿構(gòu)造帶流入礦井深部的水量較??；而含礦構(gòu)造帶的下部水量出現(xiàn)局部增大現(xiàn)象，說明深部可能賦存規(guī)模較大構(gòu)造裂隙水[10]。

利用已統(tǒng)計(jì)的生產(chǎn)中段涌水量、開采面積以及礦床勘探時(shí)取得的水文地質(zhì)資料，對(duì)-150 m中段及其以下中段的礦坑涌水量進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果見表5。

表5 礦坑涌水量預(yù)測結(jié)果

從地質(zhì)勘探資料和涌水量預(yù)測分析，礦井深部可能賦存規(guī)模較大的構(gòu)造裂隙水，且受地表補(bǔ)給影響明顯。該水源在巖溫作用下形成熱水，是井下作業(yè)環(huán)境溫度升高的重要貢獻(xiàn)者。

2.2 熱害治理對(duì)策

2.2.1 采用管道排放涌水

把-150 m中段南部涌水作為采用管道排放涌水的試驗(yàn)對(duì)象，制定熱水管道排放試驗(yàn)方案：采用聚氯乙烯(PVC)管將水引至水倉，將溫度較高的地下涌水與礦井巷道隔離，從而降低了涌水對(duì)巷道南部空氣的熱量傳遞。采用管道排放涌水后，仍有部分熱量通過管道壁面?zhèn)鬟f。在這種情況下，可利用管道入口和出口水溫差來計(jì)算散熱量，結(jié)果見表6。

表6 涌水散熱量計(jì)算測量數(shù)據(jù)

2.2.2 空壓機(jī)地表運(yùn)行

停用-150 m中段的空壓機(jī)，并改造通風(fēng)系統(tǒng)。將空壓機(jī)移至礦井地表，通過管路對(duì)-150 m中段送風(fēng)，從而杜絕了空壓機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的熱量向南部通風(fēng)系統(tǒng)的傳遞。

2.2.3 調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)

通過設(shè)置風(fēng)門、密閉采空區(qū)廢棄巷道等措施對(duì)礦井的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。加大-150 m中段的進(jìn)風(fēng)量，使得-150 m中段進(jìn)風(fēng)量從原來的10 m3/s增加到19 m3/s；同時(shí)加快熱量的排出，讓巖層快速形成調(diào)熱圈。

2.3 熱源治理結(jié)果

采取上述降溫措施后，利用原來的熱源監(jiān)測方案對(duì)-150 m中段作業(yè)面溫度進(jìn)行了監(jiān)測，治理效果見表7，治理前后的散熱量對(duì)比如圖2所示?？梢钥闯?，與治理前相比，治理后-150 m中段南部作業(yè)面溫度平均下降了3.3 ℃，散熱量下降了55%，治理后涌水的散熱量明顯下降，空壓機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的熱量不再向南部通風(fēng)系統(tǒng)傳遞，熱源得到有效控制。

表7 -150 m中段南部治理前后溫度對(duì)比

圖2 治理前后熱源散熱量對(duì)比

3 結(jié)論

地下涌水、空壓機(jī)、無軌設(shè)備、巖壁對(duì)井下空氣溫度升高的貢獻(xiàn)率分別為53.78%，26.04%，13.28%和6.90%。從采用管道排放涌水，停用入風(fēng)端空壓機(jī)和調(diào)整局部通風(fēng)路線方面入手，提出了熱害治理對(duì)策。經(jīng)過治理后，礦井-150 m中段南部采掘工作面的溫度低于28 ℃，滿足了國家標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

井下涌水量受地表補(bǔ)給影響明顯，地表水經(jīng)巖體加熱后涌入作業(yè)空間，導(dǎo)致環(huán)境溫度升高。巖體散熱仍然是礦井溫度升高的主要影響因素，研究深部巖溫變化規(guī)律是進(jìn)行下一步開采熱害治理的前提。