冬瓜山銅礦機械制冷降溫技術的應用研究

姚道春,汪令輝

(銅陵有色金屬集團股份有限公司冬瓜山銅礦, 安徽銅陵市 244031)

冬瓜山銅礦機械制冷降溫技術的應用研究

姚道春,汪令輝

(銅陵有色金屬集團股份有限公司冬瓜山銅礦, 安徽銅陵市 244031)

綜述了金屬礦山高溫熱害的特點及國內外深井降溫技術的研究進展。通過對冬瓜山井下通風和熱環境參數的分析和計算,確定了該礦井通風系統的冷量需求。指出了機械降溫工藝的必要性和可行性,并給出了地面集中降溫系統的主要設備布置方案?；趯Χ仙讲蓞^開拓系統和采掘計劃的全面調查分析,提出了井下輸冷和散冷的實施工藝,并對工程設計、施工、使用過程中的環境與安全防范提出了一些建議。

深井礦山;高溫熱害;機械制冷;降溫技術;冬瓜山銅礦

由于開采范圍及開采強度的持續加大,淺部資源日趨枯竭,諸多礦山被迫轉入深部開采。我國有近三分之一的礦山即將進入深部開采,目前深井的開采深度大多在1000 m左右[1]。隨著礦山開采深度的逐漸增大,井下熱害日益嚴重[2-3]。

井下熱源主要包括地熱、機電設備運轉散熱、礦石爆破放熱、尾砂膠結充填散熱、硫化礦石氧化放熱[4]等。人在高溫高濕的環境中作業時,中樞神經系統受到抑制,注意力分散,降低了肌肉的工作效率,從而使勞動生產率大大下降[5-6]。據南非多年調查統計,當礦內作業地點的空氣濕球溫度達28.9℃(相當于干球30℃)時,開始出現中暑死亡事故。井下溫度升高到一定程度時,還容易引起硫礦粉塵和可燃性氣體發生爆炸[7]。因此,開展井下熱害治理技術研究意義重大。

有關礦井高溫問題,國外的研究始于1740年法國開展的地溫測定;巴西金礦于1915年首次將地面空調應用于井下;西德于1924年在煤礦井下958 m處建立了集中制冷站;自1937～1941年間,礦井降溫理論和相應的計算方法在南非、西德、蘇、日、英等國家得到進一步研究,1985年11月南非金礦把冰輸送井下,利用冰的融解熱吸熱冷卻空冷器冷卻水,該制冷系統能力達628000 k W[8]。我國于1950年代初開始對礦內熱環境開展降溫研究;1960年代開始用小型制冷設備進行礦井降溫。于1976年,原煤炭工業部在中國科學院地質研究所等單位協助下,分別對合山里蘭礦等8座礦井進行系統觀測,并取得了較好的效果[9]。

1 冬瓜山銅礦概況

冬瓜山銅礦位于安徽省銅陵市,是國內目前已發現的埋藏最深的特大型高硫銅礦,根據礦體賦存條件,冬瓜山銅礦主要采用大直徑垂直深孔落礦階段空場嗣后充填采礦方法,設計年產330萬t礦石量。冬瓜山銅礦床沿走向劃分盤區,盤區寬度100 m,長度為礦體水平厚度。盤區之間暫留寬為18 m的隔離礦柱。采場長度方向沿礦體走向,其中尾砂充填采場長度為78 m,膠結充填采場長度為82 m,寬度均為18 m,設計采用“隔一采一”的回采順序,即先采礦房,回采結束后進行膠結充填,再采礦柱,回采結束后用尾砂充填。冬瓜山銅礦采用豎井加斜坡道的開拓方式,其中深部的主要開拓中段有-670,-730,-760,-790,-850 m和-875 m等,目前冬瓜山銅礦床的開拓系統已經形成,包括主井、副井、輔助井、主斜坡道(-670～-875 m)、進風井、主回風井、主要回風道的部分工程等。

該礦山開采深度接近1000 m;礦石平均含硫17%,最高達19%;礦體主要開拓中段原巖溫度高達39.8℃。井下機電設備故障明顯增多;此外,高溫條件對礦工的身心健康、工作效率也產生了惡劣影響。因此,冬瓜山銅礦井下深部礦床開采過程中的高溫熱害治理是當前面臨的一個難題。

2 冬瓜山銅礦礦井熱源及需冷量計算

2.1 礦井熱源

根據南非金礦、美國孤山銅礦及秘魯銅銀礦等礦井熱源分析,冬瓜山銅礦礦井主要熱源有:地表周期性季節變化影響;地熱,包括正常的隨采深增加而增大的地溫梯度增溫,采落礦石及運輸過程中的散熱;機電設備運轉散熱;涌出熱水散熱;采空區充填物及氧化放熱;空氣壓縮熱;人體勞動作業中的散熱等。

2.2 礦井需冷量計算

銅礦需冷量計算難度大,主要表現在:大風量多風機機站,要進行各中段需冷量計算;計算冷量較大;每中段間距差較小,因采礦形成的冒落帶、天井、溜井等影響,在通風系統中盤區復雜角聯,造成采場內串漏風嚴重。

冬瓜山副井,冬、夏季進風不穩定,表1給出了冬瓜山銅礦井下各測點的風溫和風量?？梢园l現, -670 m中段大巷進風溫度為20.4℃;-730 m中段大巷進風溫度為19.0℃;-790 m中段大巷進風溫度為16.5℃;-850 m東副井石門進風溫度為17.8℃;-875 m東副井石門進風溫度為17.7℃。這與正常礦井隨送風距離的增長而升溫,隨采深增加而原始巖溫增相反。測定結果表明,該礦山的通風系統串漏風嚴重。

表1 冬瓜山銅礦井下各測點的風溫和風量

根據《煤炭工業礦井設計規范》及《煤礦井下熱害防治設計規范》的要求,需進行采場進出風溫預測,包括地溫預測。礦山恒溫帶深度20±5 m,溫度17.55℃,礦體平均地溫梯度0.021℃/m。依據地溫預測公式計算得出的結果見表2。

表2 地溫預測值

由表3可以看出,據恒溫帶參數預測的地溫值與礦供資料給出的地溫值基本一致,均可采用。實測統計資料表明,恒溫帶溫度隨緯度的增大而降低。該銅礦位處北緯30°54′11″～30°54′56″。將恒溫帶溫度內插在表3中,比較吻合,故認為恒溫帶也是正確的。

表3 恒溫帶參數

由此可以推斷,冬瓜山銅礦的地溫分布正常。

風量取用483 m3/s,因該風量是“冬瓜山銅礦冬瓜山礦段礦井降溫技術研究方案”中的系統風量分配數;其中,專用進風井373 m3/s,主井30 m3/s,冬瓜山副井及團山副井進風量共為80 m3/s。

風溫采用歷年最熱月平均氣象參數氣溫,根據礦資料,采用地面最高氣溫40℃計算。

2010年1月14日,測定井口相對濕度93%,井下5處平均77%。同年2月6日測定團山副井95%、冬瓜山副井97%,冬瓜山輔助井及周圍附近兩處100%,相對濕度4處平均值98%(剛降完雨), 4處平均氣溫6.65℃,氣壓平均101.47 k Pa,考慮冬瓜山銅礦屬亞熱帶氣候,夏季降雨量大,平均1364 mm,最大為2173 mm,雨后相對濕度會相應增大,最終采用濕度100%計算冷量。

據上述參數,可利用含濕量公式(1)和焓值公式(2)求得焓差。

此外,也可以通過查找i-d圖表獲得相應數據。

經計算,483 m3/s的40℃高溫風降至28℃需有效冷量45771.9 k W,再乘以1.15的設備冷損備用系數,所以總需冷量為52637 k W。在分配冷量時,取冬瓜山副井(行人)使風溫達到26℃左右為適宜,給員工創造良好的行人環境。

3 礦井降溫系統的選擇

3.1 降溫方式及特點

選擇降溫方式有兩大難點,一是井下開拓中段較多,高溫點分散,熱源種類繁多,且不斷發生變化,熱量計算困難;二是降溫系統布設井下,需冷量大,又是對角式通風,排放冷凝熱困難(經驗數值為制冷量的1.15～1.3倍)。但隨著國內外礦井降溫技術的發展,礦井降溫系統由簡單(局部分散式)到復雜,由小冷量到大冷量(集中式),見表4。

表4 不同降溫方式比較

3.2 降溫系統的選擇

針對冬瓜山銅礦生產布局分散,夏季高溫點多,推薦熱害綜合治理采用通風非人工降溫和機械制冷降溫相結合的方式。各個方案降溫效果比較見表5。

表5 機械制冷降溫的方案比較

(1)通風技術措施。建立和完善合理的通風系統;各中段分配適宜的風量。

(2)其它措施。采用某些隔熱材料噴涂巖壁,以減少圍巖放熱;對局部較少人員實行個體防護,研究表明,穿冷卻服是保護個體免受惡劣氣候環境危害的有效措施。

4 安全與環保措施

(1)環保措施。機械制冷系統選用對臭氧層無破壞作用的環保型制冷劑。

(2)安全措施。實際運行過程中應有專人檢查風機和空冷器的運行情況,在遇到極端熱天氣時,一旦井下空氣冷卻器運行出現異常應及時采取相應措施,根據空氣冷卻器集灰情況安排清洗檢修。嚴格按規程、規范及相關法律要求制定安全技術措施及管理制度,加強工程實施過程中各環節監控和防范。

5 結 論

礦井降溫技術研究是冬瓜山銅礦基礎設置和安全生產、提高效益的重要組成部分。上述分析表明,該項目的實施具有必要性和可行性,可以更好地協調礦山安全和生產的矛盾,給礦山職工創造一個良好的工作環境。

今后還需要進一步改造與完善通風系統,為各中段合理配風。按照上述思路,該礦實施了綜合性降溫并做到有針對性降溫,需冷量小且降溫效果顯著。該礦山的具體降溫設計與分期施工,需進一步論證與確定;還需要進一步分析降溫中段通風、各種熱源散熱等現狀以及需冷配冷情況。

[1]胡漢華.深熱礦井環境控制[M].長沙:中南大學出版社, 2009.

[2]郭建偉.深熱綜采工作面制冷降溫技術的研究與實施[J].礦業安全與環保,2006,33(1):39-39.

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[4]陽富強,吳 超,吳國珉,等.硫化礦石堆自燃預測預報技術[J].中國安全科學學報,2007,17(5):89-95.

[5]劉曉鑫,胡漢華.我國深部礦井熱害治理設想和展望[J].礦業研究與開發,2011,31(1):84-87.

[6]支學藝,蔣仲安,陳旺星,等.冬瓜山銅礦掘進工作面強化通風與降溫技術[J].金屬礦山,2006(12):64-66.

[7]Soundararajan R,Amyotte P,Pegg M J.Explosibility hazard of iron sulphide dusts as a function of particle size[J].Journal of Hazardous Materials,1996(51):225-239.

[8]王永勝,王保齊,于曉波.集中式機械制冷系統在礦井熱害治理中的應用[J].煤礦安全,2011,42(5):6-9.

[9]劉何清,吳 超,王衛軍,等.礦井降溫技術研究述評[J].金屬礦山,2005(6):43-46.

2012-03-18)

姚道春(1969-),安徽來安縣人,工程師,主要從事采礦技術及生產管理工作,Email:skwlh9204@163.com。