張 朋，李浩然

（山東鼎安檢測技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250032）

中國現(xiàn)階段對能源礦產(chǎn)及金屬非金屬資源需求較大，隨之建設(shè)的煤礦、金屬非金屬礦山數(shù)量眾多，結(jié)合礦種的不同、埋藏深度及地質(zhì)條件等成礦因素，形成了平硐開拓、豎井開拓、斜井開拓等開拓方式，為滿足不同開拓方式嚴(yán)寒季節(jié)進(jìn)風(fēng)溫度的預(yù)熱要求，本文重點(diǎn)對礦井的井口空氣預(yù)熱方法及方式進(jìn)行探討研究，旨在為改善礦井嚴(yán)寒季節(jié)的通風(fēng)安全提供借鑒。

1 入井空氣的預(yù)熱方式

進(jìn)入井下的空氣一般采取加熱器配合其輔助設(shè)施將室外低于2 ℃的冷空氣在進(jìn)入井前進(jìn)行預(yù)熱，根據(jù)進(jìn)風(fēng)井口房的布置情況，主要空氣預(yù)熱方式有以下3 種。

1.1 半封閉式井口房空氣預(yù)熱方式

當(dāng)進(jìn)風(fēng)井為提升井，物料提升較為頻繁時(shí)，井口房大部分為半封閉的狀態(tài)，井口進(jìn)風(fēng)得不到有效預(yù)熱直接進(jìn)入井下，大部分礦井采用加熱器預(yù)熱空氣，加熱后的空氣在主要通風(fēng)機(jī)的作用下吸入或壓入井筒、井口房用來提高進(jìn)風(fēng)溫度。該方式按冷、熱空氣混合的不同位置可分為以下3 種。

1.1.1 在井筒內(nèi)進(jìn)行冷、熱空氣混合

該暖風(fēng)方式為采用空氣加熱器將低于2 ℃的冷空氣進(jìn)行預(yù)熱后，通過專用局部通風(fēng)機(jī)配合專用暖風(fēng)道或保溫后的硬質(zhì)風(fēng)筒等延伸至井口以下2 m左右排出，在井筒內(nèi)進(jìn)行冷、熱空氣混合。

1.1.2 冷、熱空氣在井口混合

冷、熱空氣在井口混合是將加熱器加熱后的熱空氣直接排至井口處，在井口房內(nèi)進(jìn)行冷、熱空氣混合，預(yù)熱后的暖風(fēng)在礦井主通風(fēng)機(jī)的負(fù)（正）壓作用下進(jìn)入礦井[3-4]。

1.1.3 冷、熱空氣在井口和井簡內(nèi)同時(shí)混合

冷、熱空氣在井口和井簡內(nèi)同時(shí)混合是前兩種方式的結(jié)合。

相比之下，第一種方式優(yōu)于后兩種，熱量損失最小，熱能可被最大化利用，但井口上部井架、罐道及各附屬構(gòu)件凍冰危險(xiǎn)仍無法得到有效解決；第二種方式井口上部井架、罐道及各附屬構(gòu)件凍冰危險(xiǎn)可有效解決，但熱空氣損失大，預(yù)熱效果遠(yuǎn)不如第一種；第三種方式集前兩者優(yōu)點(diǎn)，規(guī)避了其缺點(diǎn)，暖風(fēng)效果最佳，但運(yùn)行管理難度較大，維護(hù)成本較高。

1.2 封閉式井口房的空氣預(yù)熱方式

當(dāng)進(jìn)風(fēng)井口房較為封閉時(shí)，熱空氣可直接通過主通風(fēng)機(jī)的負(fù)（正）壓作用而進(jìn)入井下。這種空氣預(yù)熱方式大多是在井口房或在連接井口的長廊內(nèi)直接設(shè)置空氣加熱器，直接對冷空氣進(jìn)行預(yù)熱后進(jìn)入井下，但進(jìn)風(fēng)量較大的礦井實(shí)際運(yùn)用時(shí)效果不佳。

1.3 斜井口空氣預(yù)熱方式

當(dāng)開拓方式為斜井或斜坡道時(shí)，可在井筒內(nèi)沿巷道壁布置空氣加熱器，井口外部冷空氣進(jìn)入井筒后由加熱器熱對流、輻射和熱傳導(dǎo)方式將進(jìn)入井下的空氣進(jìn)行加熱。該方法在井口無提升情況下較為實(shí)用，若為提升井，則要留夠物料提升過程中與空氣加熱器的安全間隙。

2 入井空氣的加熱方法

2.1 敞開式井口空氣加熱法

對于井口房為相對敞開的進(jìn)風(fēng)井空氣加熱，目前方法大多為采取礦用空氣加熱器加熱法、地表空氣壓縮機(jī)余熱回收等方式。

2.1.1 礦用空氣加熱器加熱法

該方法具體做法為將選型后的空氣加熱器布置在井口架或在井口周邊設(shè)置專用加熱器存放點(diǎn)（以不影響人員、物料進(jìn)出為原則），加熱后的熱空氣由空氣加熱器直接排放至井口與冷空氣混合或通過專用暖風(fēng)道進(jìn)入井口以下2 m 左右處，與冷空氣混合進(jìn)入井下，如圖1 所示。

圖1 礦用空氣加熱器布置圖

2.1.2 地表空氣壓縮機(jī)余熱回收

根據(jù)多地區(qū)、多礦井實(shí)際調(diào)研，一般螺桿空氣壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)會散熱溫度可達(dá)60～80 ℃，這就為冷空氣的預(yù)熱提供了免費(fèi)的高效能熱源。壓縮機(jī)熱量回收裝置布置方式是將空氣壓縮機(jī)處上部安設(shè)熱量集中回收罩，回收罩通過風(fēng)筒連接通風(fēng)機(jī)，由通風(fēng)機(jī)將回收的熱空氣排至井口或井口以下2 m 左右處的出風(fēng)口與冷空氣混合，空氣壓縮機(jī)的熱量回收臺數(shù)可視本地區(qū)氣候環(huán)境通過計(jì)算選定，如圖2 所示。

圖2 空氣壓縮機(jī)余熱回收布置圖

2.2 封閉式豎井口空氣加熱方法

通過對多處礦井的調(diào)查，除在井口房安設(shè)空氣加熱器加熱方法外，在有條件的情況下可在通往井口的文化長廊安設(shè)多組采暖暖氣片進(jìn)行配合，來實(shí)現(xiàn)冷空氣的預(yù)熱效果最佳，具體方法為在井口安設(shè)暖風(fēng)機(jī)制熱，然后關(guān)閉進(jìn)、出車側(cè)井口通道（車輛運(yùn)行時(shí)可打開），讓礦井進(jìn)風(fēng)最大限度地經(jīng)由文化長廊通過，來實(shí)現(xiàn)冷空氣預(yù)熱，如圖3 所示。

圖3 封閉式豎井口空氣加熱方法

2.3 斜井井口空氣加熱方法

在井筒內(nèi)沿巷道壁布置空氣加熱器或以水為介質(zhì)的暖氣片，布置長度與組數(shù)可視進(jìn)風(fēng)量大小及升溫效果而定（暖氣片布置應(yīng)以不影響行人及物料提升為準(zhǔn)則，當(dāng)斷面無法滿足時(shí)，應(yīng)進(jìn)行擴(kuò)幫增大巷道斷面，擴(kuò)幫長度應(yīng)留有可增加暖氣片的余量）。為確?？諝饧訜嵝Ч蓪諝饧訜崞髯钅┒司惨岳?0 m 左右處安裝溫度計(jì)或溫度傳感器進(jìn)行溫度觀測，確保加熱后的溫度在2 ℃以上[5]，如圖4 所示。

圖4 斜井井口空氣加熱方式布置圖

3 空氣加熱量的計(jì)算

3.1 總加熱量計(jì)算

井口空氣加熱量包括加熱量及熱損失量。加熱量包括加熱冷空氣所需熱量；熱損失包括井口房結(jié)構(gòu)熱損失及暖風(fēng)道保溫?zé)釗p失等，在井口房及暖風(fēng)道采取保溫效果后可不另行計(jì)算，通過總加熱量乘以系數(shù)進(jìn)行求得。井口空氣加熱量可按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式（1）中：Q為井口空氣加熱量；a為熱量損失系數(shù)，敞開式井口房取1.05～1.10，封閉式井口房及斜井口取1.10～1.15；M為井筒進(jìn)風(fēng)量，kg/s；Cp為空氣定壓比熱容，Cp=1.01 kJ/（kg·K）；th為冷、熱空氣混合后的溫度，根據(jù)相關(guān)法規(guī)要求取2 ℃；t1為井口房外冷空氣溫度，℃。

3.2 空氣加熱器的選擇計(jì)算

3.2.1 通過加熱器的風(fēng)量

通過加熱器的風(fēng)量可按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式（2）中：M1為通過空氣加熱器的風(fēng)量，kg/s；th0為進(jìn)行空氣預(yù)熱后加熱器出口的熱風(fēng)溫度，℃，取表1。

表1 加熱器出口的熱風(fēng)溫度

3.2.2 空氣加熱器能夠供給的熱量

空氣加熱器能夠供給的熱量計(jì)算公式為：

式（3）中：Q′為加熱器所能提供的熱量，kW；k為空氣加熱器的傳熱系數(shù)，kW/（m2·K）；S為空氣加熱器的散熱面積，m2；Δtp為熱媒與空氣間的平均溫度差，℃。

當(dāng)熱媒介質(zhì)為熱蒸汽時(shí)：

當(dāng)熱媒介質(zhì)為熱水時(shí)：

式（4）（5）中：t為飽和蒸汽溫度，℃；tw1、tw2分別為熱水供水及回水的溫度，℃。

4 結(jié)論

通過不同開拓方式的礦井進(jìn)行實(shí)際調(diào)查分析與研究，得出以下結(jié)論：采用本文中論述的井口房封閉型、半封閉型、斜坡道（斜井）的暖風(fēng)布置方式正常運(yùn)行情況下，在冬季可將入井空氣加熱至2 ℃以上。