【導讀】HEMan-chao1,2. Technology,Beijing100083,China. Beijing100083,China. hazardcontrolmodel. 1Introduction

　　

【正文】 References [1] Xie H P. Resource exploitation under high ground stress梡 resent situation, basic scientific problems and perspective. Foreland and Future of Science, Beijing: China Environmental Science Press, 2020(6): 179–191.(In Chinese) [2] He M C, Xie H P, Peng S P. Study on rock mechanics in deep mining engineering. Chinese Journal of Rock Me chanics and Engineering, 2020, 24(16): 28032813. (In Chinese) [3] Feng X L, Chen R H. Research and development on aircooling in deep hightemperature mines at home and abroad. Yunnan Metallurgy, 2020, 34(5): 7–10. (In Chinese) [4] National Security Production Supervision Administrative Bureau. Coal Mine Safety Regulations. Beijing: Coal Industry Press, 2020. (In Chinese) [5] He M C, Li C H. China Geothermal Engineering Tech nology of Middle and Low Enthalpy. Beijing: China Science Press, 2020. (In Chinese) [6] He M C, Qu X H. Engineering principle and its application of stratum new energy. 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(In Chinese) HEMS 深井降溫系統(tǒng)研發(fā)及熱害控制對策 何滿潮 1,2 1 中國礦業(yè)大學 (北京 )力學與建筑工程學院 ,北京 100083。 2 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室 ,北京 100083 摘要 ： 本文主要探討了深井下降溫的現(xiàn)狀、特點和措施。針對煤礦存在的熱害問題， HEMS 降溫技術(shù)已經(jīng)成功應用于某些礦井。由于長期的開采，淺層煤炭資源已經(jīng)接近枯竭，大部分煤礦已經(jīng)開始開采深部煤炭，隨著礦井深度的增加，井下圍巖溫度 也不斷上升，導致井下工作環(huán)境的熱害威脅空前增加。目前，根據(jù)對四省市的高溫礦井的調(diào)查和對幾個典型礦井的研究，國內(nèi)礦井主要可以劃分為三類：常溫礦井、中高溫礦井、高溫礦井。 HEMS 的原理是從礦井涌水中提取冷能。根據(jù)徐州礦區(qū)的地溫特點和涌水量的不同，提出了控制礦井熱害的三種模型 :一是夾河礦普通冷源模型；二是三河尖煤礦冷源短缺和地溫異常模型；和張雙樓煤礦冷源充足模型。深井下 HEMS 技術(shù)的降溫過程是：首先從井下涌水中吸收冷能來使工作面降溫，然后，將從系統(tǒng)中吸收的熱量應用與建筑物和洗澡用水，這樣可以代替鍋爐供熱，節(jié)約了能 源，保護了環(huán)境。 HEMS 技術(shù)已經(jīng)應用到徐州的夾河煤礦和三河尖煤礦，并使工作面的溫度和濕度得到了有效的控制。 關(guān)鍵詞 ： 深井熱害；礦井分類；礦井涌水；熱害控制模型 1 緒論 長期以來，煤炭一直是我國主要的能源，在不可再生資源中占據(jù)著不可替代的地位。由于長期的開采，淺部資源已經(jīng)幾近枯竭，因此大部分礦井已經(jīng)轉(zhuǎn)向深部開采。另外，深井下復雜的地質(zhì)環(huán)境增大了事故的危險，造成這種復雜的地質(zhì)環(huán)境的原因是“三高一動”：即高地壓，高地溫，高滲壓和開采的強烈震動 【 1】 。 深井下 有許多災害，如瓦斯爆炸，沖擊地壓，巷 道底水，礦山壓力嚴 重，嚴重變形和圍巖流變 等 。然而，我們必須應付目前的是 深部高溫礦井熱害。在礦山深部高溫熱危害不僅影響周圍巖石的力學性能，而且 影響 煤礦安全生產(chǎn) 【 2】 。據(jù)不完全統(tǒng)計， 我國 有 33 個礦井 開采深度超過 1000 米， 且 工作 面 達到 3040 176。 C 的溫度 。 深部礦井熱害問題已嚴重影響了 我 國能源資源的發(fā)展，需要迫切解決 。 隨著開采深度的增加，圍巖溫度不斷上升， 熱 害嚴重性不斷影響 開采和掘進工作面。在 20 世紀 50 年代和 60 年代，熱害發(fā)生在國內(nèi)外的一些深層 的礦井 。在 20 世紀 70 年代，這一問題變得更加普遍， 有 從 少數(shù) 礦井發(fā)展到 所有煤礦的趨 勢。據(jù)外國一些礦山初步統(tǒng)計 【 3】 ， 南非西部礦山 在 3300米的深度氣溫已上升了到 50176。C。 由于地熱水 的 存在，在 日本豐 雨鉛鋅礦 ，深度為 500 米 時溫度 高達 80176。C，因此深井熱害問題 需要立即解決。 到 2020 年，在中國國有煤礦的平均開采深度約 650 米，生產(chǎn)水平 的 原巖平均氣溫介于 和 176。C。 對于 超過 1000 米深度的 礦井 ，原巖溫度 高達 40 至 45 176。C，而在工作 面 溫度介于 34 和 36℃ 之間 ，導致大部分 礦井 ，成為一或 二級 熱害 危險區(qū)。 這種炎熱的環(huán)境嚴重危害工人的健康，是 降低 體能的原因 所在 ，如工作效率低， 中暑 和 頭暈 ， 上述 問題對 工人的 影響 ，降低了 工人的 自我保護能力 ，并且 會嚴重影響安全生產(chǎn) 。 為了進一步的認識和對 我 國礦井高溫 的 環(huán)境的 控制， 中國 礦業(yè) 大學 （北京）和煤礦安 監(jiān) 局 對我 國高溫礦井進行 了細致深入的 調(diào)查。 該調(diào)查 在 4 個省 市的 國有重點和地方國有煤礦 中展開 ， 即 山東，江蘇，安徽和河南。 對各 個 地區(qū)調(diào)查的礦井是 ： 新汶礦業(yè)公司 孫村煤礦 ，淄博礦業(yè)公司 唐口煤礦 ，兗州礦業(yè)公司 濟寧 3 號井 和大同礦業(yè)公司 在山東省的 星村煤礦 ；在 江蘇，有 徐州礦業(yè)公司 的夾河煤礦和三河尖煤礦 ， 大屯煤電公司的姚橋煤礦，連云港礦業(yè)公司的白吉礦和和國投新集公司的劉莊礦 ， 以及 在安 徽省 調(diào)查 的淮南礦業(yè)公司潘一 煤礦 ， 河南省 平煤公司 4 號井 ， 6 號井， 11 號井和神華集團 梁北煤礦 。 目前 根據(jù)對國內(nèi)外高溫礦井的調(diào)查和個別礦井應用的降溫措施的研究，國內(nèi)煤礦可以劃分為三類。 2 地溫分布規(guī)律 根據(jù)這些調(diào)查提供的資料， 山東省 有 13 個煤 礦 工作 面的 溫度 超過26℃ ，其中 6 個 煤礦 工作面的氣溫介于 26 和 30176。C 之間 ， 7 個礦井 氣溫超過30176。C。在 江蘇有 5 個煤 礦 工作面超過 26℃ ，其中 3 個工作面溫度介 于 26至 30176。C， 兩個煤礦工作面溫度 30176。C。 安徽 有 10 個煤礦的工作面超過 26℃的溫度， 7 個煤礦溫度介于 從 26 至 30176。C 之 間 ， 7 個煤礦溫度超過 30176。C。河南省有 12 個煤 礦 工作面 溫度 超過 26℃ ，兩個 煤礦 介 于 26 至 30 176。C 之間，10 個煤礦溫度超過 30176。C。國內(nèi)的地溫分布規(guī)律就是根據(jù)幾個典型礦井的地溫分析得出的。 圖 1 顯示 了 新泰孫村煤礦地面溫度，工作面溫度和 礦井 深 之間的關(guān)系。 根據(jù) 所示的兩 組 數(shù) 據(jù) ，地面和工作面溫度增加與開采深度的增加而大幅增加。工作面高溫熱 害的 危險是我們必須面對的問題。 0 20 0 40 0 60 0 80 0 10 001020304030 176。C26 176。CS top w ork line溫度 176。C深度ma地溫 梯度圖0 20 0 40 0 60 0 80 0 10 001020304050溫度 176。C深度mb通風 溫度圖地溫巷道溫度工作面溫度 圖 1 孫村煤礦地溫、風溫與開采深度關(guān)系圖 圖 2 顯示了在徐州夾河煤礦地面溫度分布 。 從圖中 可以看到，溫度 隨著 深度的增加 越來越高 。 開采深度 在 700 至 1200 米 時， 增加 變成了 非線性的 ，尤其是當 深度為 1000 米 ，這 種 地面溫度非線性 的 分布顯示了 熱 害 危害的 嚴重 性。 3 礦井分類和特征 《煤礦安全規(guī)程》第 102 條 規(guī)定 ： 在礦山掘進工作面的空氣溫度不得超過 26℃， 如果溫度超過了 26℃ ，應縮短工作時間，并提供給工人的保護措施。在工作面空氣溫度超過 30℃ 時 ， 工人應停止工作 。根據(jù)對典型 高溫礦井 的調(diào)查， 高溫礦井就是 在工作面 在生產(chǎn)過程中空氣溫度超過 26℃的礦井 。 據(jù)國家典型煤礦調(diào)查和研究，高溫 礦井 主要分布在中國東部的礦區(qū)，如安徽省淮北和淮南礦區(qū)，江蘇省徐州礦區(qū)，山東新汶礦區(qū) ， 河南省平頂山礦區(qū)。在這些 地區(qū)，當 礦 井 高溫第一次 出現(xiàn)時 有一個共同的特點 ：在 特定 的 生產(chǎn) 水平之上 的沒有高溫熱害，但一旦開采深度超過這個水平，將出現(xiàn)不同程度 的 高溫危害。根據(jù)工作面 的 溫度， 礦井 可分為三 類 。 常溫礦井 在 掘進工作面的空氣溫度不超過 26176。C 的礦井稱為常溫礦井 。 礦井 深度通常 小 于 800 米 ， 巷道圍巖溫度約為 30℃， 地溫梯度從 176。C/100m 到176。C/100 米，在工作面空氣的相對濕度小于 80％，通常有沒有 熱害 的危險。 中高溫礦井 在掘進工作面空氣溫度為 26 至 30176。C 的礦井 ，被稱為中 高溫礦 井 。根據(jù)調(diào)查 該類礦井的開采 深度 在 800 至 1000 米 。在這一 類 中包括 新村和姚橋煤礦煤炭 。 此類 礦井 已經(jīng)擴大到深 部 開 采 。工作面高溫已逐漸成為限制正常生產(chǎn) 的 一個重要因素 。周邊巷道巖石溫度約 35176。C， 溫 度 梯度約為2176。C/100 米，空氣相對濕度在工作面小于 90％。在這些中高溫礦井 中工作的工人 ， 會經(jīng)常出現(xiàn) 中暑和熱害疾病 等情況 。 高溫礦井 在 采掘 工作面的氣溫超出 30176。C 的 礦井 稱 為 高溫礦 井 。 這種煤礦 的 采 掘深度 通常超 過 900 m， 目前， 這些深度主要在 1000 到 1300 m 之間，例如在 夾河 、 三河尖 、 孫村 和 唐口 煤礦。在這些礦 井 ，工作面 的周圍的巖石溫度 范圍在 37 到 42176。C 之間 ，地熱梯度超過 2176。C /100m， 最大地熱梯度 達176。C/100 m，夏天 時回風流中 的 溫度可達 34 到 37 176。C， 工作面的相對 濕度 是在 95%和 100%之間。因此 熱害是非常嚴重的問題。 在高溫的工作環(huán)境中 ，工 人 經(jīng)常 中暑并且感覺微弱 身體虛弱 。 深井傷亡也比較多 。 在熱害 環(huán)境 中 不僅危害工 人 健康，而且導致神經(jīng)混亂，造成人進入 恍惚 狀態(tài) ，感 覺 疲勞，一般 會使身體虛弱 或變得發(fā)昏。 這些 狀態(tài) 是導致事故的主要原因。 4 對于三類礦井的建議 對于常溫礦井 ，我們建議應該實施一些有效的措施，例如在管理 上 完善 管理系統(tǒng) 或 提高管理水平。 對于中高溫礦井， 應該提 完善非機械降溫技術(shù)，如加強通風，改善通風設施。通過這些改進措施，即可滿足礦井降溫的要求。 對于 高溫礦 井 ，我們必須采取機械 降溫 的措施。 建議的采取措施在所有三個小組礦中在表 1 顯示。 表 1 礦井降溫措施 類別 工作面溫度 熱害現(xiàn)狀 降溫措施 正常溫度 26 無 正常通風 中等溫度 2630 中暑頻 繁 非機械降溫措施 高溫 30 使人頭暈 機械降溫 5 HEMS 的工作原理 根據(jù)以上的研究和目前降溫技術(shù)存在的問題，以及徐州礦業(yè)公司夾河煤礦的深井熱害現(xiàn)狀，中國礦業(yè)大學聯(lián)合徐州礦業(yè)公司調(diào)查分析了目前的熱害控制技術(shù)。研究也得到了許多當?shù)夭块T的支持。基于此次調(diào)查，我們第一次提出了以礦井涌水作為冷能來源的新型降溫技術(shù)。該系統(tǒng)稱為高溫轉(zhuǎn)換機械系統(tǒng)，該設備于 2020 年在徐州礦業(yè)公司夾河煤礦得到了成功的應用，對控制礦井熱害起到了良好的效果。 HEMS 的工作原理是從礦井個水平的涌水中提取冷能，然后冷能與工作面的高 溫氣流進行轉(zhuǎn)換，從而降低工作面的空氣溫度和濕度。同時從系統(tǒng)中得到的熱能用來作為建筑物供熱和洗澡的熱源。在 HEMS 中有