【正文】 ss, 2005. (In Chinese)[5] He M C, Li C H. China Geothermal Engineering Tech nology of Middle and Low Enthalpy. Beijing: China Science Press, 2004. (In Chinese)[6] He M C, Qu X H. Engineering principle and its application of stratum new energy. Journal of Architecture and Civil Engineering, 2007, 24(4): 91?4. (In Chinese)[7] He M C, Zhang Y, Qian Z Z. Numerical simulation of stratum storage of cold energy in deep mine control of heat hazard. Journal of Hunan University of Science amp。Technology, 2006, 21(2): 13?6. (In Chinese)[8] He M C, Zhang Y, Guo D M. Storage cold energy system in deep mine heat hazard of new energy administration. China Mining Magazine, 2006, 15(9): 62?4. (In Chinese)HEMS深井降溫系統(tǒng)研發(fā)及熱害控制對(duì)策何滿潮1,21中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京100083。2深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100083摘要： 本文主要探討了深井下降溫的現(xiàn)狀、特點(diǎn)和措施。針對(duì)煤礦存在的熱害問(wèn)題，HEMS降溫技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于某些礦井。由于長(zhǎng)期的開(kāi)采，淺層煤炭資源已經(jīng)接近枯竭，大部分煤礦已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)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(dǎo)致井下工作環(huán)境的熱害威脅空前增加。目前，根據(jù)對(duì)四省市的高溫礦井的調(diào)查和對(duì)幾個(gè)典型礦井的研究，國(guó)內(nèi)礦井主要可以劃分為三類(lèi)：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(diǎn)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(guò)程是：首先從井下涌水中吸收冷能來(lái)使工作面降溫，然后，將從系統(tǒng)中吸收的熱量應(yīng)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(hù)了環(huán)境。HEMS技術(shù)已經(jīng)應(yīng)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(lèi)；礦井涌水；熱害控制模型1 緒論長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭一直是我國(guó)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(zhǎng)期的開(kāi)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(kāi)采。另外，深井下復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境增大了事故的危險(xiǎn)，造成這種復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境的原因是“三高一動(dòng)”：即高地壓，高地溫，高滲壓和開(kāi)采的強(qiáng)烈震動(dòng)【1】。深井下有許多災(zāi)害，如瓦斯爆炸，沖擊地壓，巷道底水，礦山壓力嚴(yán)重，嚴(yán)重變形和圍巖流變等。然而，我們必須應(yīng)付目前的是深部高溫礦井熱害。在礦山深部高溫?zé)嵛：Σ粌H影響周?chē)鷰r石的力學(xué)性能，而且影響煤礦安全生產(chǎn)【2】。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有33個(gè)礦井開(kāi)采深度超過(guò)1000米，且工作面達(dá)到3040 176。 C的溫度。深部礦井熱害問(wèn)題已嚴(yán)重影響了我國(guó)能源資源的發(fā)展，需要迫切解決。隨著開(kāi)采深度的增加，圍巖溫度不斷上升，熱害嚴(yán)重性不斷影響開(kāi)采和掘進(jìn)工作面。在20世紀(jì)50年代和60年代，熱害發(fā)生在國(guó)內(nèi)外的一些深層的礦井。在20世紀(jì)70年代，這一問(wèn)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(shì)。據(jù)外國(guó)一些礦山初步統(tǒng)計(jì)【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?zé)崴拇嬖?，在日本豐雨鉛鋅礦，深度為500米時(shí)溫度高達(dá)80176。C，因此深井熱害問(wèn)題需要立即解決。到2000年，在中國(guó)國(guó)有煤礦的平均開(kāi)采深度約650米，176。C。對(duì)于超過(guò)1000米深度的礦井，原巖溫度高達(dá)40至45 176。C，而在工作面溫度介于34和36℃之間，導(dǎo)致大部分礦井，成為一或二級(jí)熱害危險(xiǎn)區(qū)。這種炎熱的環(huán)境嚴(yán)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(wèn)題對(duì)工人的影響，降低了工人的自我保護(hù)能力，并且會(huì)嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。為了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和對(duì)我國(guó)礦井高溫的環(huán)境的控制，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）和煤礦安監(jiān)局對(duì)我國(guó)高溫礦井進(jìn)行了細(xì)致深入的調(diào)查。該調(diào)查在4個(gè)省市的國(guó)有重點(diǎn)和地方國(guó)有煤礦中展開(kāi)，即山東，江蘇，安徽和河南。對(duì)各個(gè)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(jì)寧3號(hào)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(guó)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(hào)井，6號(hào)井，11號(hào)井和神華集團(tuán)梁北煤礦。目前根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外高溫礦井的調(diào)查和個(gè)別礦井應(yīng)用的降溫措施的研究，國(guó)內(nèi)煤礦可以劃分為三類(lèi)。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(gè)煤礦工作面的溫度超過(guò)26℃，其中6個(gè)煤礦工作面的氣溫介于26和30176。C之間，7個(gè)礦井氣溫超過(guò)30176。C。在江蘇有5個(gè)煤礦工作面超過(guò)26℃，其中3個(gè)工作面溫度介于26至30176。C，兩個(gè)煤礦工作面溫度 30176。C。安徽有10個(gè)煤礦的工作面超過(guò)26℃的溫度，7個(gè)煤礦溫度介于從26至30176。C之間，7個(gè)煤礦溫度超過(guò)30176。C。河南省有12個(gè)煤礦工作面溫度超過(guò)26℃，兩個(gè)煤礦介于26至30 176。C之間，10個(gè)煤礦溫度超過(guò)30176。C。國(guó)內(nèi)的地溫分布規(guī)律就是根據(jù)幾個(gè)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(kāi)采深度的增加而大幅增加。工作面高溫?zé)岷Φ奈ｋU(xiǎn)是我們必須面對(duì)的問(wèn)題。圖1孫村煤礦地溫、風(fēng)溫與開(kāi)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(lái)越高。開(kāi)采深度在700至1200米時(shí)，增加變成了非線性的，尤其是當(dāng)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(yán)重性。3礦井分類(lèi)和特征《煤礦安全規(guī)程》第102條規(guī)定：在礦山掘進(jìn)工作面的空氣溫度不得超過(guò)26℃，如果溫度超過(guò)了26℃，應(yīng)縮短工作時(shí)間，并提供給工人的保護(hù)措施。在工作面空氣溫度超過(guò)30℃時(shí)，工人應(yīng)停止工作。根據(jù)對(duì)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(guò)程中空氣溫度超過(guò)26℃的礦井。據(jù)國(guó)家典型煤礦調(diào)查和研究，高溫礦井主要分布在中國(guó)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(dāng)?shù)V井高溫第一次出現(xiàn)時(shí)有一個(gè)共同的特點(diǎn)：在特定的生產(chǎn)水平之上的沒(méi)有高溫?zé)岷?，但一旦開(kāi)采深度超過(guò)這個(gè)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(lèi)。在掘進(jìn)工作面的空氣溫度不超過(guò)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℃，176。C/176。C/100米，在工作面空氣的相對(duì)濕度小于80％，通常有沒(méi)有熱害的危險(xiǎn)。在掘進(jìn)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(lèi)礦井的開(kāi)采深度在800至1000米。在這一類(lèi)中包括新村和姚橋煤礦煤炭。此類(lèi)礦井已經(jīng)擴(kuò)大到深部開(kāi)采。工作面高溫已逐漸成為限制正常生產(chǎn)的一個(gè)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(duì)濕度在工作面小于90％。在這些中高溫礦井中工作的工人，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)中暑和熱害疾病等情況。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(guò)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?chē)膸r石溫度范圍在37到42176。C之間，地?zé)崽荻瘸^(guò)2176。C/100m，176。C/100 m，夏天時(shí)回風(fēng)流中的溫度可達(dá)34到37 176。C，工作面的相對(duì)濕度是在95%和100%之間。因此熱害是非常嚴(yán)重的問(wèn)題。在高溫的工作環(huán)境中，工人經(jīng)常中暑并且感覺(jué)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(dǎo)致神經(jīng)混亂，造成人進(jìn)入恍惚狀態(tài)，感覺(jué)疲勞，一般會(huì)使身體虛弱或變得發(fā)昏。這些狀態(tài)是導(dǎo)致事故的主要原因。4對(duì)于三類(lèi)礦井的建議對(duì)于常溫礦井，我們建議應(yīng)該實(shí)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(duì)于中高溫礦井，應(yīng)該提完善非機(jī)械降溫技術(shù)，如加強(qiáng)通風(fēng)，改善通風(fēng)設(shè)施。通過(guò)這些改進(jìn)措施，即可滿足礦井降溫的要求。對(duì)于高溫礦井，我們必須采取機(jī)械降溫的措施。建議的采取措施在所有三個(gè)小組礦中在表1顯示。表1礦井降溫措施類(lèi)別工作面溫度熱害現(xiàn)狀降溫措施正常溫度26無(wú)正常通風(fēng)中等溫度2630中暑頻繁非機(jī)械降溫措施高溫30使人頭暈機(jī)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(wèn)題，以及徐州礦業(yè)公司夾河煤礦的深井熱害現(xiàn)狀，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)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(dāng)?shù)夭块T(mén)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(lái)源的新型降溫技術(shù)。該系統(tǒng)稱為高溫轉(zhuǎn)換機(jī)械系統(tǒng)，該設(shè)備于2007年在徐州礦業(yè)公司夾河煤礦得到了成功的應(yīng)用，對(duì)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(gè)水平的涌水中提取冷能，然后冷能與工作面的高溫氣流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而降低工作面的空氣溫度和濕度。同時(shí)從系統(tǒng)中得到的熱能用來(lái)作為建筑物供熱和洗澡的熱源。在HEMS中有兩個(gè)循環(huán)，一個(gè)是井下的冷熱交換系統(tǒng)，另一個(gè)是地面的加熱設(shè)備和致冷系統(tǒng)。這兩個(gè)系統(tǒng)形成了整個(gè)循環(huán)和生產(chǎn)系統(tǒng)，如圖3所示。圖3 HEMS系統(tǒng)工作原理6降溫模式和技術(shù)深井熱害控制有三種模式，HEMS技術(shù)是根據(jù)徐州礦區(qū)的地溫區(qū)特點(diǎn)和礦井涌水的不同形成的【1115】。：冷能正常夾河煤礦礦井深度在一千米一下，熱害非常嚴(yán)重，工作面溫度約36176。C。礦井涌水量為95135m3/h。建筑物供熱和洗浴用水均由鍋爐供應(yīng)，浪費(fèi)了大量資源，而且嚴(yán)重污染環(huán)境?；趭A河煤礦的特殊條件，HEMS系統(tǒng)可以用來(lái)降低礦井溫度。礦井的冷能資源正常，可以滿足降溫的需要。水的冷能可以利用，而且在降溫過(guò)程中可以生成熱量，這些熱可以用來(lái)代替鍋爐供應(yīng)的建筑物供熱和洗浴用水。從夾河煤礦的特殊條件看，有兩個(gè)工程建設(shè)的實(shí)例。例一用礦井涌水作為冷能來(lái)源，其工作原理如圖4a所示。例二利用水位的高低循環(huán)作為冷能來(lái)源，其工作原理如圖4b所示。該系統(tǒng)在礦井的降溫計(jì)劃中已成功應(yīng)用到兩個(gè)采煤工作面和四個(gè)掘進(jìn)工作面。地面熱能的利用計(jì)劃和建設(shè)已圖4夾河煤礦利用涌水和水位循環(huán)降溫系統(tǒng)圖：冷能不足和地溫異常三河尖煤礦井深一千米，熱害較為嚴(yán)重。工作面溫度約38176。C。礦井涌水量為60m3/h，水溫在2530176。C之間。奧陶系的互補(bǔ)水量達(dá)1020m3/h，由于地溫異常水溫達(dá)50176。C. 建筑物供熱和洗浴用水均由鍋爐供應(yīng)，浪費(fèi)了大量資源，而且嚴(yán)重污染環(huán)境?；趭A河煤礦的特殊條件，HEMS系統(tǒng)可以用來(lái)降低礦井溫度。礦井涌水貧乏，冷能來(lái)源不足。因此，應(yīng)充分利用三河尖煤礦的地溫異常的情況。首先，從礦井涌出的熱水中提取的熱能可用于冬季地面的建筑物供熱。HEMS代替了鍋爐，而冷能也可以在該過(guò)程中獲得。冷能被儲(chǔ)存在地下，用于夏季的工作面進(jìn)行降溫。從三河尖煤礦的特殊條件看，有兩個(gè)工程建設(shè)的實(shí)例。例一利用水的高低循環(huán)作為冷能來(lái)源，其功能圖如圖5a所示；例二地?zé)崂糜?jì)劃，其功能圖如圖5b所示。該系統(tǒng)已經(jīng)在三河尖煤礦降溫計(jì)劃中成功應(yīng)用到兩個(gè)采煤工作面和四個(gè)掘進(jìn)工作面。地面熱能利用的計(jì)劃和建設(shè)也已完工。圖5 三河尖煤礦利用循環(huán)和地溫異常降溫功能圖：冷能充足張雙樓煤礦井深在一千米一下，熱害嚴(yán)重。工作面溫度約37176。C，礦井涌水量在10001200m3/h之間。建筑物供熱和洗浴用水均由鍋爐供應(yīng)，浪費(fèi)了大量資源，而且嚴(yán)重污染環(huán)境。基于張雙樓煤礦的特殊條件，HEMS系統(tǒng)可以用來(lái)降低礦井溫度。礦井有大量的礦井涌水，冷能資源可以滿足降溫的需求，仍然有較多的礦井水富余。根據(jù)該礦井的條件，HEMS的工作過(guò)程如下：首先從部分礦井水中提取的冷能用于解決礦井夏季的熱害問(wèn)題，同時(shí)從剩余水中提取的冷能用于建筑物供冷。在冬季，從礦井水中提取的熱用用來(lái)代替鍋爐的供熱。基于礦井的現(xiàn)狀，HEMS在礦井的應(yīng)用，熱能被用來(lái)為建筑物供熱，冷能用于降溫。該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用到建筑物供熱、食品處理和衣物干洗中。礦井的降溫設(shè)計(jì)也已完成。7 HEMS系統(tǒng)的工作效果HEMS降溫系統(tǒng)的相關(guān)裝備已取得國(guó)家產(chǎn)品安全合格證書(shū)。通過(guò)本項(xiàng)技術(shù)的研究與徐州礦務(wù)集團(tuán)共同建立了深井降溫深部科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室，在徐州夾河煤礦1200m深的7446高溫采煤工作面成功應(yīng)用，取得了很好效果。圖7顯示了該系統(tǒng)一天的運(yùn)行數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表明，℃,℃，到工作面時(shí)，℃?！娼档?6℃，滿足生產(chǎn)要求。從整個(gè)降溫季節(jié)的數(shù)據(jù)分析，降溫范圍達(dá)46℃。圖8表明，該系統(tǒng)不僅降低了溫度,而且濕度降低了5%—10%。圖9 .7746工作面相對(duì)濕度變化分析8降溫技術(shù)比較從表2中可以看出，HEMS不僅有比其它技術(shù)更好的降溫效果，而且其投入和運(yùn)行費(fèi)用較低。更重要的是礦井自然涌水得到了利用，降低能量消耗。表2國(guó)內(nèi)外深井降溫技術(shù)對(duì)比技術(shù)類(lèi)型集中空調(diào)式冰冷式礦井水冷式技術(shù)來(lái)源及應(yīng)用時(shí)間前蘇聯(lián)，1929德國(guó)，1985南非，1986中國(guó)，2006冷源閉路循環(huán)水冰水相變礦井涌水取冷模式對(duì)閉路循環(huán)水噴淋冷卻用水制冰，融冰相變天然水體溫差，大流量循環(huán)獲取能量能力△T=2—3℃相變溫差大△T=8—13℃220