王偉 馮?？?趙天勇 崔祿波 唐學義 胡兵

摘要：隨著深井開采礦山的不斷增多，高溫熱害已然成為制約礦山持續(xù)發(fā)展的一大難題，尤其在深部開拓和探礦階段，生產(chǎn)作業(yè)必須克服獨頭巷道內(nèi)高溫高濕的惡劣環(huán)境，嚴重影響工人的身心健康和工程進度。針對秦嶺金礦在深部生產(chǎn)探礦過程中遇到的高溫熱害難題，通過國內(nèi)外調(diào)研、理論分析、方案比選等手段研究確定了高溫熱害治理推薦方案為完善通風系統(tǒng)，采用羅茨風機進行強制通風。結(jié)合深部中段探礦作業(yè)地點實際，通過方案設計、阻力計算、風機選型開展了羅茨風機強制通風試驗方案研究，以期為秦嶺金礦深部探礦及地下開采提供技術支撐。

關鍵詞：深井開采;探礦;高溫熱害;技術方案;羅茨風機;通風降溫

中圖分類號：TD724文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）03-0025-07doi：10.11792/hj20210305

引言

隨著中國采礦業(yè)的不斷發(fā)展，礦井逐漸向地下延深，礦井高溫高濕熱害問題日益嚴重。礦井熱害不僅影響礦山的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟效益，而且對作業(yè)人員的身體健康和生命安全造成直接危害[1-3]。其原因主要有：①地熱。地球是一個龐大的熱庫，地溫隨深度增加而增高，地表以下平均每下降100m，溫度就升高3℃[3]。在地熱異常區(qū)，溫度隨深度增加得更快。②氧化熱和爆破熱。一方面礦石氧化時會產(chǎn)生一定的熱量，當?shù)V石含硫量達到了自燃的程度時，產(chǎn)生的熱量就會更大。另一方面，礦山施工炸藥爆炸所產(chǎn)生的熱能也會直接散發(fā)到礦井空氣中。③機電設備散熱。礦井內(nèi)大容量機電設備在利用電能驅(qū)動生產(chǎn)機械的同時，還會消耗一部分電能轉(zhuǎn)換為大量的熱能，這些熱能直接散發(fā)到礦井空氣中，進一步加劇了礦井環(huán)境溫度。④其他散熱。如人體、充填材料和地下溫泉水散熱等，都會對礦井內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。

針對上述熱害問題，礦山往往會有針對性地建立通風網(wǎng)絡，對未來礦井涉及的所有作業(yè)地點進行全面覆蓋，依靠成熟的通風系統(tǒng)，一般能夠使礦井內(nèi)部熱環(huán)境處于動態(tài)平衡，減弱深井熱害的影響。但是，在生產(chǎn)系統(tǒng)未完全形成的深部開拓和探礦階段，由于整體通風系統(tǒng)未能形成完整回路，作業(yè)人員仍然長期處于獨頭巷道的半封閉空間中，傳統(tǒng)的局扇通風由于設備能力限制已難以發(fā)揮作用，人工制冷降溫造價過高而難以實施，導致多數(shù)礦山生產(chǎn)作業(yè)時必須克服獨頭巷道內(nèi)高溫高濕的惡劣環(huán)境，嚴重影響工人的身心健康和工程進度。

為此，本研究針對河南秦嶺黃金礦業(yè)有限責任公司（下稱“秦嶺金礦”）在深部探礦過程中遇到的高溫熱害難題，通過國內(nèi)外調(diào)研、理論分析、方案比選，探討了高溫熱害通風降溫技術方案;結(jié)合探礦階段特殊形勢，通過方案設計、阻力計算、風機選型，確定了羅茨風機強制通風現(xiàn)場試驗方案，為改善深部中段作業(yè)環(huán)境提供技術支撐。

1工程概況

秦嶺金礦成立于1966年，礦山開采歷史悠久，其有金硐岔分礦、楊砦峪分礦、四范溝分礦等3個礦區(qū)，后因小秦嶺自然保護區(qū)劃定，將金硐岔分礦和四范溝分礦的大部分劃出，僅楊砦峪礦區(qū)基本保留。楊砦峪礦區(qū)于1985年正式投產(chǎn)，經(jīng)過30多年的開采，最大開拓深度已達1330m，深部巷道巖爆現(xiàn)象較為頻繁，高溫熱害較為突出，屬典型的深井開采礦山。

礦山現(xiàn)有1 #、2 #、3 #三級倒段和4 #盲豎井4條。目前，3 #盲豎井最深中段標高為330m，距離地表1660m平硐已達1330m，由于原巖溫度較高、局部通風不暢，獨頭作業(yè)面實測溫度達40℃，根據(jù)礦井熱害防治技術規(guī)范的等級劃分屬三級熱害礦井。由于環(huán)境溫度過高，對井下采掘工程影響較大，施工人員無法長時間持續(xù)工作，更迭頻繁，除690m中段與758m巷道貫通通風條件相對較好外，其他中段受環(huán)境溫度所限，探礦、掘進、采礦工程均無法正常實施。

2015年，礦山進行通風治理方案設計，在3 #盲豎井330m、450m中段分別安裝2臺FD6.3/15型壓入式對旋軸流局扇風機，串聯(lián)直徑600mm柔性阻燃風筒延伸至豎井馬頭門，與掛設在井筒內(nèi)的490mm剛性風筒串聯(lián)形成污風通道，最終將井底濕熱空氣排至距3 #盲豎井860m污風排放口。后因3 #盲豎井風流微弱，將局扇風機挪至3 #盲豎井860m入風口，雖然壓入風量有明顯提高，但礦山深部高溫熱害問題仍未得到實質(zhì)性改善。

2017年，為有效應對井下高溫環(huán)境造成的施工難題，礦山購置一套中雪ZB10T-R2W（25kg）制冰系統(tǒng)。該系統(tǒng)滿負荷運行情況下，每天可生產(chǎn)400塊25kg冰塊。冰塊由地表礦車運送至3 #盲豎井深部作業(yè)掌子面，并放置于工人作業(yè)點附近對作業(yè)環(huán)境進行冷卻降溫，此外也曾嘗試將冰塊放置于風筒出口處進行通風降溫，但其降溫效果均不佳。

2高溫熱害治理技術方案

針對礦山遇到的上述技術難題，通過查閱國內(nèi)外相關文獻，深入研究同類礦山疑難問題的解決思路和技術策略，探索發(fā)現(xiàn)可行的技術方案和手段措施，同時對礦山已采取的技術手段失效原因進行深刻剖析，最終制定了研究技術路線，見圖1。高溫熱害治理技術方案有：方案一，完善通風系統(tǒng)實現(xiàn)降溫;方案二，深井巷道圍巖噴漿隔熱;方案三，穿戴個體冷卻防護服;方案四，井下制冰-噴淋冷卻降溫。

2.1完善通風系統(tǒng)實現(xiàn)降溫

由于井下采礦工作面或井巷的特定條件，客觀上存在著可引起風流熱力參數(shù)變化的熱源（如圍巖散熱、空氣自壓縮放熱、機電設備運轉(zhuǎn)產(chǎn)熱及其他熱源）和濕源（如礦（巖）體內(nèi)的含水、水溝內(nèi)的流水和生產(chǎn)用水等的水分蒸發(fā)）。根據(jù)能量守恒及轉(zhuǎn)換定律，當有濕空氣流過某條巷道時，在外界加給風流的熱量和因高差產(chǎn)生的重力位能作用下，必將引起巷道始、末斷面上風流能量的改變[4-5]。

依據(jù)焓值方程可用公式（1）表示如下：

式中：h2、h1為巷道始、末斷面上風流的比焓（kJ/kg）;∑Qh為該區(qū)段中各種熱源散熱量之和（kW）;G為通過該區(qū)段巷道的質(zhì)量風量（kg/s）;g為重力加速度（m/s 2）;Z1、Z2為始、末斷面中心距基準面的高程（m）。

當∑Qh一定時，巷道通過的風量越大，分攤于每單位質(zhì)量風流的熱量就越小，起到了“稀釋”熱的作用。一方面，在一定的入風溫度下，末端氣溫升值小，達到了降溫的目的。另一方面，較高的風速可以提高人體的舒適感，改善人的主觀感覺，獲得降溫或感覺舒適些的效果。因此，在一定條件下增加采掘工作面的風量可以達到降溫的目的，即通風降溫是可行和有效的。

結(jié)合礦山實際，以現(xiàn)階段探礦成果為基礎布置通風天井，從而形成深部中段通風系統(tǒng)回路，實現(xiàn)深部作業(yè)面的通風降溫。新設計通風天井初步確定在330～450m北沿和330～690m東沿，同時為避免污風來回折返，在730～860m新掘一條通風天井。采用Ventsim通風模擬軟件建立的三維模型見圖2。其中，新設計通風工程包含330m水平通風平巷975m，1.4m通風天井610m。通過模擬結(jié)果可知，在新的通風系統(tǒng)方案下，330m、450m中段作業(yè)面干球溫度均為27℃～28℃，滿足金屬非金屬礦山安全規(guī)程的規(guī)定。

與此同時，在330m中段回風天井未開掘、4 #盲豎井西翼中段間未貫通前，3 #、4 #盲豎井中段開拓及探礦都為長距離掘進巷道，若利用現(xiàn)有的局扇通風，由于其風壓不足，送風距離短，難以達到通風要求，對礦山生產(chǎn)造成了極大的安全隱患;建議礦山采用礦用羅茨風機（見圖3）進行強制通風，新鮮風流在風機作用下進入330m、450m探礦作業(yè)面，吹掃工作面后，污風由主運巷道排至3 #盲豎井井筒，最終通過690m回風通道，經(jīng)730m以上回風通風口排至地表。

2.2深井巷道圍巖噴漿隔熱

大多數(shù)情況下，圍巖以熱傳導的方式放熱，故可采用隔熱材料噴涂巖壁來阻止圍巖熱傳導。膨脹?；⒅槭且环N無機玻璃質(zhì)礦物材料，經(jīng)多級碳化硅電加熱管式生產(chǎn)工藝加工而成，呈不規(guī)則球狀體顆粒，內(nèi)部多孔空腔結(jié)構(gòu)，表面?；忾]，光澤平滑，理化性能穩(wěn)定，具有質(zhì)輕、絕熱、防火、耐高低溫、抗老化、吸水率小等優(yōu)異特性，可替代粉煤灰漂珠、玻璃微珠、膨脹珍珠巖、聚苯顆粒等諸多傳統(tǒng)輕質(zhì)骨料在不同制品中的應用，是一種環(huán)保型高性能新型無機輕質(zhì)絕熱材料。陶粒是一種在回轉(zhuǎn)窯中經(jīng)發(fā)泡生產(chǎn)的輕骨料，具有球狀外形，表面光滑而堅硬，內(nèi)部呈蜂窩狀，密度小、熱導率低、強度高。在耐火材料行業(yè)中，陶粒主要用作隔熱耐火材料的骨料。

基于上述性質(zhì)，?；⒅楹吞樟５膶嵯禂?shù)較小，可將玻化微珠作為細骨料、陶粒作為粗骨料加入到普通混凝土中實現(xiàn)保溫阻熱的作用[6-7]。?；⒅楹吞樟Ｒ妶D4。

同時，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，添加新材料后的混凝土支護體在深井巖爆災害治理方面具有較好的效果，可以實現(xiàn)深井熱害與巖爆災害的綜合治理。其材料保溫隔熱性能見表1。

?；⒅楹吞樟榻ㄖ鼗炷恋囊话阈越ú?，礦山可聯(lián)系附近廠家自行采購。

2.3穿戴個體冷卻防護服

在工人分散的井下高溫作業(yè)地點，不便采取集中降溫措施時，可采用個體防護措施，如井下作業(yè)人員穿戴冷卻服，實行個體保護，尤其針對礦山探礦時期，由于礦體位置并未完全探明，未來生產(chǎn)作業(yè)地點不夠明確，過早投入井巷工程可能造成資金浪費。而冷卻服穿戴便捷，可以防止環(huán)境對身體的對流和輻射傳熱，并且使人體在體力勞動中所產(chǎn)生的熱能較易傳給冷卻服中的冷媒。據(jù)統(tǒng)計，個體防護的制冷成本僅為其他制冷成本的20%左右。

國內(nèi)礦井個體冷卻防護服一般為連為一體的上衣和褲子，有可以調(diào)節(jié)的腰帶。防護服整體設計從外向內(nèi)包括外保溫層、制冷層、內(nèi)保溫層3層，上衣的制冷層內(nèi)部設置有口袋和冰水管路。

該套裝備可滿足井下工作人員降溫的要求，冷量可均勻分布于人體全身，還可以把溫度升高的水排出，及時降低冷卻服的質(zhì)量。防護裝備主要性能指標如下[8]：

1）在環(huán)境溫度35℃下，體感溫度為18℃～29℃。

2）在環(huán)境溫度35℃下，正常使用時間為4～5h。

3）單套裝備總質(zhì)量1.2～1.5kg。

4）蓄冷劑相變溫度為-4.1℃，相變潛熱為258J/g。

5）蓄冷劑相變過程可逆，可重復使用。

6）蓄冷劑化學性質(zhì)穩(wěn)定，無毒無腐蝕性、不燃、環(huán)保。

冷卻防護服的冷媒分為液冷和氣冷2種，考慮到干冰制作工藝相對簡單，設計采用氣冷方式。本地區(qū)可加工制作，且降溫效果好，可就近聯(lián)系廠家進行現(xiàn)場試驗。

2.4井下制冰-噴淋冷卻降溫

井下集中式冷水降溫系統(tǒng)基本原理是利用井下制冷機組制備冷凍水，將冷凍水直接輸送到高溫工作面的空冷器實現(xiàn)降溫。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，礦山已購置中雪ZB10T-R2W（25kg）制冰系統(tǒng)一套，現(xiàn)場調(diào)試過程見圖5。制成的冰塊由地表礦車運送至3 #盲豎井深部作業(yè)掌子面，并放置于工人作業(yè)點附近對作業(yè)環(huán)境進行冷卻降溫。國內(nèi)某高巖溫隧道施工中應用了該項技術[9]，但該技術僅能作為快速降溫的一種輔助手段。

結(jié)合該套制冰系統(tǒng)的技術性能，同時對礦山前期采取的冰塊降溫工藝進行分析認為，造成冰塊直接降溫效果不佳的主要原因是冰塊與空氣接觸面積太小，難以對作業(yè)面環(huán)境溫度產(chǎn)生實質(zhì)性影響。因此，可以考慮將制冰機組經(jīng)758m平硐運輸至井下距離3 #盲豎井較近的地方進行集中制冷，建造小型鹽水池和蓄水池，將制成的冰塊攪碎后倒入小型蓄水池形成冰水混合物，經(jīng)DN20鍍鋅管道泵送至深部探礦作業(yè)面，最終借助自動噴淋系統(tǒng)實現(xiàn)作業(yè)環(huán)境的冷卻降溫。

該方案的主要問題一方面是如何提高冰塊的管道輸送效率，另一方面是如何提高冰塊與空氣、巖石的接觸面積。因此，建議礦山在實施過程中采取以下措施：

1）對于冰塊破碎機破碎程度的控制，冰塊的塊度需小于管道直徑的2/3，但同時又不能過于破碎，以免造成冰塊過快融化。

2）對于冰水混合物輸送泵的選擇，既需要考慮流量大小，又要使冰塊在輸送至掌子面時不至于融化。

3）冰水混合物在輸送過程中，一部分直接噴淋在巷道巖石壁面，另一部分可堆置于局扇風管出口輔助通風降溫。

此外，自動噴淋系統(tǒng)主管路應低于架線水平20～30cm，避免噴霧與電機車架線過多接觸，同時采用塑料水管對局部地段架線進行包裹處理，最大限度減少觸電安全事故的發(fā)生。

2.5方案對比分析

為了客觀反映4種高溫熱害治理方案的技術優(yōu)劣，從方案適用性、工藝復雜程度及方案可靠性等方面對各方案進行了綜合比較分析（見表2）。

由表2可知：方案一——完善通風系統(tǒng)實現(xiàn)降溫為最優(yōu)方案。將施工通風天井作為長遠方案進行規(guī)劃設計，而將羅茨風機強制通風作為現(xiàn)階段深部探礦工程的臨時方案。一方面可以及時為深部作業(yè)面補充新鮮空氣，滿足人員對作業(yè)環(huán)境的基本需求;另一方面可以在深部中段通風天井完成前在作業(yè)面及巷道中形成一定程度的貫穿風流，從而有效降低作業(yè)面的環(huán)境溫度，提高作業(yè)環(huán)境的舒適度。

3現(xiàn)場實施方案

3.1試驗地點選擇

通過分析3 #盲豎井深部330m、450m中段現(xiàn)有生產(chǎn)作業(yè)面對高溫熱害的治理需求和緊迫性，經(jīng)技術人員商榷后最終將450m中段正在施工的60 #脈西沿脈探礦作業(yè)面作為本次深部高溫熱害治理的試驗地點。

3.2通風管線布置

結(jié)合3 #盲豎井井口及車場的現(xiàn)場實際情況，將羅茨風機安裝在860m車場靠近2 #盲豎井一側(cè)（見圖6）。風管與羅茨風機出口串聯(lián)后，經(jīng)與豎井管道串聯(lián)延伸至450m中段水平，然后用風管在水平巷道串聯(lián)延伸至探礦作業(yè)面，風管末端應距離探礦掌子面15m以上。現(xiàn)場安裝時，風管之間采用法蘭或熱熔連接，每10m采用圓鋼托架固定在巷道側(cè)幫。對于局部巷道斷面偏小，安裝后可能影響中段運輸?shù)牡囟螒崆斑M行擴幫處理。

3.3通風阻力計算

根據(jù)450m中段平面圖，860m中段羅茨風機安裝地點距離3 #盲豎井約100m，450m中段探礦掌子面距離3 #盲豎井馬頭門的實際距離達1100m，3 #盲豎井井筒中安裝有2根內(nèi)徑490mmPE剛性阻燃風管。

本次試驗通風管路設計時豎井段410m仍延用已有490mmPE剛性阻燃風管，而在860m、450m中段平巷內(nèi)為使管路敷設不影響中段生產(chǎn)運輸，則選擇內(nèi)徑300mm的PE風管，風管長度約1200m。通風管路和井巷工程展開分析得到的通風阻力分布情況見圖7。

3）綜上所述，本次試驗的通風總阻力計算結(jié)果為57.665kPa。

3.4試驗設備及材料

1）通過查閱羅茨風機性能表，300系列羅茨風機可滿足本次現(xiàn)場試驗風量2m 3/s（120m 3/min）的通風要求;以JGR300H系列羅茨風機不同升壓要求下的風機性能和價格進行分析比較，同時考慮一定的風壓備用系數(shù)，最終確定升壓80.0kPa的羅茨風機最為合適。羅茨風機性能參數(shù)見表3。

2）根據(jù)450m中段巷道內(nèi)和860m車場的管路布置情況，需購置內(nèi)徑300mm的風管1200m;以每節(jié)風管長6m計算，則需購置200節(jié)，同時需配備2節(jié)內(nèi)徑300～490mmPE變徑風管和一定數(shù)量的金屬管道托架;此外，還應根據(jù)450m中段巷道內(nèi)管線測量放線情況，對局部拐彎巷道進行片幫處理，同時與廠家定制一定數(shù)量同等管道規(guī)格的PE管道彎頭。根據(jù)目前確定的60 #脈450m中段西沿脈探礦作業(yè)面情況，初步估算為5處彎頭，2處片幫巷道。

3）為提高690m中段回風巷道的通風效率，將860m車場壓入式軸流風機安裝至690m中段馬頭門附近，從而將豎井內(nèi)排出的炮煙及時抽送至回風巷道，提高通風效率，避免炮煙排入860m車場。

3.5工程費用

為最大限度節(jié)約工程成本，對國內(nèi)多個生產(chǎn)阻燃PVC、PE管材的廠家進行詢價調(diào)研，最終將DN315×12.1mmPE風管作為現(xiàn)場試驗用風管，據(jù)此計算現(xiàn)場試驗所用設備材料費用為20.0536萬元，安裝工程費用取設備材料費總價的20%，則現(xiàn)場實施所需費用共計240643.2元，其計算過程見表4。

4結(jié)論

1）在國內(nèi)外文獻調(diào)研基礎上，結(jié)合礦井深部高溫熱害致災機理制定本研究技術路線，針對技術措施對熱環(huán)境構(gòu)成要求的有效性研究，提出了通風降溫、圍巖噴漿、個體防護和制冰冷卻等4種有效方案，并對其實施可行性進行了分析論述。

2）根據(jù)高溫熱害治理技術方案特點，分別從方案適用性、工藝復雜程度及方案可靠性等方面對4種方案的技術優(yōu)劣性進行綜合比較分析，研究確定了符合礦山生產(chǎn)實際的高溫熱害治理技術方案，并將羅茨風機通風降溫作為現(xiàn)階段通風降溫方案。

3）結(jié)合深部高溫熱害治理試驗地點實際，在通風阻力計算、設備材料選型及工程費用計算基礎上開展羅茨風機通風降溫技術方案研究，確定了采用升壓80.0kPa的JGR300H羅茨風機、PE風管進行通風降溫的現(xiàn)場實施方案。

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Abstract：Withtheincreasingnumberofdeepminingoperations，hightemperatureandheatdamagehasbecomeamajorproblemrestrictingthesustainabledevelopmentofmines.Especiallyinthedeepdevelopmentandexplorationstage，theproductionmustovercometheadverseenvironmentofhightemperatureandhighhumidityinthesingleheadtunnel，whichseriouslyaffectsthephysicalandmentalhealthofworkersandtheprojectprogress.InviewofthehightemperatureandheatdamagechallengeencounteredintheproductionandexplorationdeepinQinlingGoldMine，therecommendedheatdamagetreatmentschemetodealwithhightemperatureandheatdamagewasdeterminedbymeansofdomesticandforeignresearch，theoreticalanalysisandschemecomparison.Theschemeturnsouttobeventilationsystemoptimization，withRootsblowerusedforforcedventilation.Basedonthepracticeinthelevelsofdeepexploration，thetestonforcedventilationschemewithRootsblowerwasstudiedthroughschemedesign，resistancecalculationandfanselection，inhopethatitcanprovidetechnicalsupportfordeepexplorationandundergroundmininginQinlingGoldMine.

Keywords：deepundergroundmining;exploration;hightemperatureandheatdamage;technicalscheme;Rootsblower;ventilationandcooling