深井開采高溫熱害與控制技術

蘇 娟，邢 茂

（太原理工大學 采礦工藝研究所，山西 太原 030024）

深井開采高溫熱害與控制技術

蘇 娟，邢 茂

（太原理工大學 采礦工藝研究所，山西 太原 030024）

深井熱害效應是煤礦開采中制約著安全生產的重要原因之一，需對深井熱造成的安全隱患進行分析，并研究相應的控制措施行。

深井；熱害效應；控制措施

1 工程背景簡述

煤炭在我國能源中具有重要地位，千米以下的儲量有2.95×105億t，占我國煤炭總量的53%。長期大量開采了，埋藏于淺部的煤炭之后，更多的煤礦開始轉向深部開采。例如：陽泉、大同、平頂山等煤礦相繼進入深部開采階段。由于開采深度的增加，礦井災害更易發生，其中的深井熱害效應對煤礦的安全生產有著很大制約，熱害效應可以導致瓦斯異常涌出、采空區易自燃、通風困難、人員健康等一系列問題，開始引起人們的廣泛關注。

2 深井高溫熱源

2.1 圍巖傳熱

深井熱害效應主要是由高溫巖體引起，而高溫圍巖是由地熱引起，地熱的主要來源是由放射性元素衰變而產生的。圍巖與風流的熱交換屬于復雜的不穩定過程。為了便于計算，常用類似穩定傳熱公式來計算圍巖散熱量[1]。

式中：Qτ為圍巖散熱量，W；U為井巷凈斷面周長，m；L為井巷長度，m；tτ為井巷始末兩端平均原始巖溫，℃；t為流經巷道始末兩端平均氣溫，℃；Kτ為圍巖與井下風流的熱交換系數，W/（m2·℃）。

2.2 熱水放熱

井下熱水的放熱量主要由水溫和水量決定，它對礦內空氣的影響表現為在流經巷道時通過熱傳導和蒸發與空氣發生的熱濕交換，并在熱濕交換同時進行時，推動其總熱交換的動力是焓差而不是溫差[2]。

式中：Q為熱水和空氣間的總熱交換量；Qx為熱水和空氣間的濕熱交換量；Ql為熱水和空氣音質潛熱交換量；a為空氣與水表面的濕熱交換系數，W（m2·℃）；t為周圍空氣的溫度，℃；tb為邊界層內空氣的溫度，℃；r為水的汽化潛熱，J/k g；σ為水與空氣間按含濕量差計算的傳質系數，k g/(m2·s)；d為周圍空氣的含濕量，k g/k g；db為邊界層內空氣的含濕量，k g/k g；A為空氣與水的接觸表面積，m2。

2.3 運輸中的煤炭及矸石的放熱

以運輸機巷作為進風巷的通風系統中，運輸過程中的煤炭及矸石放熱也會造成一定熱量。其放熱量公式為：

式中：Qk為運輸中的煤炭及矸石的放熱量，k W；m為煤炭或矸石的運輸量，k g/s；Cm為煤炭或矸石的比熱，k J/(k g·℃)；Δt為運輸中的煤炭或矸石被冷卻的溫度，℃。

2.4 風流自壓縮的產熱

進風井筒里，風流的自壓縮是最主要的熱源。由礦內空氣的壓縮或膨脹引起的溫升變化值可按下式計算[3]。式中：n為多變指數，等溫過程n=1，絕熱過程n=1.4；R為氣體常數，對于干空氣，取287J/（k g·K）；（Z1—Z2）為流體入口與出口高度差值，m。

3 熱害效應產生的安全隱患問題

3.1 瓦斯異常涌出

高溫是促進瓦斯解吸、滲流的重要因素。瓦斯分子在高溫條件下可獲得較高的能量脫離煤的表面。深井開采中的溫度遠遠高于一般開采中的溫度，這就意味著深井開采過程中瓦斯會異常涌出，導致巷道、回采工作面、硐室等瓦斯超限，影響到煤礦的安全生產。

3.2 通風困難

較高的溫度會形成較高的氣壓。由理想氣體公式得：PV=nRT，在V不變的情況下，T越高，P越大。深井開采的礦井，無論是巷道、回采空間、硐室等都有著較高的溫度，因此，深井巷道，回采空間有著較高的壓力，也就是通風阻力較大，這會降低壓差使通風難度加大，而通風困難也會影響到瓦斯的排放。

3.3 采空區的自燃

深井開采與淺井開采有著很大的不同，具體表現為高地應力、高地溫、高巖溶水壓的“三高”上。高應力下采空區的煤更容易破碎成小塊體，煤塊越小越易自燃，在一定的高溫條件下，降低了通過煤體氧化產生的熱量向煤壁和圍巖的傳熱量；外界的高溫易使熱量積聚，更易發生煤自燃現象。

4 深井熱害效應的控制技術

4.1 礦井空調器制冷降溫

礦井空調器制冷降溫，是用于深部礦井降溫的新技術。按制冷機組的位置，將其分為三種類型：（1）地面集中式礦井空調系統：制冷機組設置在地面，冷凝熱也在地面排放，將井下一次高壓冷凍水轉換成二次低壓冷凍水。

（2）井下集中式礦井空調系統：根據冷凝熱排放地可分為：井下布置制冷機組，冷凝熱在井下回風流中排放；井下制冷機組，冷凝熱在地面排放。

（3）井上、下聯合式礦井空調系統：將制冷站設置在井上地面和井下硐室中，在地面集中對冷凝熱進行處理。因為冷凝熱是在地面進行處理，實質上它達到兩級制冷程度。

4.2 通風降溫

礦井加大通風量處理高溫具有良好效果，礦井處理高溫的主要方法之一，通風降溫的措施如下：

（1）合理通風系統的選擇：按照礦井實際生產條件、地理位置、礦井開拓等條件，選擇通風風路最短的通風系統、合理的優化通風方式，可很大程度地減少通風沿程阻力及摩擦阻力，降低進風流帶走巷道圍巖熱量的能力，降低進風流自身的熱量，避免將高熱量帶入開采空間。（2）合理選擇回采工作面的通風方式：回采工作面的通風方式對回采工作面的通風量有很大影響，其風量的大小也影響著回采工作面的溫度，（風量越小，溫度相對較高；風量越大，溫度相對較低）。所以選擇合適的通風方式很重要。一般情況下，W型通風方式較U型和Y型風量供給量大，有助于降溫、，降低熱害。（3）利用調熱巷道通風：調熱巷道是用于調節深井高溫的一條專用巷道，將淺層水平巷道的較低溫度直接帶到深部巷道，調節深部巷道的溫度。（4）獨立通風：對于井下較大發熱量的硐室采用對立通風，使其大量的熱量直接通入總回風流中。

4.3 隔絕熱源

采用一定的物質（如：發泡混凝土等）沿巷道斷面進行涂層，目的是將巷道內的熱量隔絕，使其不與風流換熱，將其隔絕在巖石內部，從根本上減少熱源危害。

4.4 巷道布置方式

開采深部煤層時，巷道應盡可能布置在遠離大的背斜、向斜、斷層等地質構造中。因在這些地質構造中：如斷層，地熱流將會沿著大的裂隙涌向礦井巷道，使巷道溫度升高；如背斜、向斜，地熱的高溫主要存在于背斜、向斜的軸心部，若巷道沿著軸線的方向布置，則熱量會不斷的向巷道聚集。

5 結束語

深井開采過程中的高溫熱害效應公對煤礦安全造成很大危害，從理論上認識深井熱害效應的本質，及其安全隱患，采取有效控制措施，對煤礦安全開采有著重要現實意義。

[1]楊世銘.傳熱學［M］.北京:高等教育出版社，1980.

[2]王賢能，黃潤秋，黃國明.深埋長大隧道中地下水對地溫異常的影響［J］.地質災害與環境保護，1996，17（4）:23-27.

[3] 呂品.礦井熱害的調查與防治［J］.中國煤炭，2002.12（7）：38-40.

[4]陳衛紅,陳鏡瓊,史廷明.職業危害與職業健康安全管理［M］.北京:化學工業出版社，2006.

Control Technology of Heat Disaster in Deep Wellsmining

SU Juan;XINGmao
(Institute of Mining Technology, Taiyuan University of Technology, Taiyuan Shanxi 030024

Heat disaster effect in deep wells is one of major factors to constrain the safety production. Itis necessary to analyze the safety hazard caused by the heat and its corresponding control measures.

deep wells; heat disaster effect; control measures

X 936；T D 7

A

2011-10-20

蘇 娟（1986—），女，山西靈石人，在讀碩士研究生，從事煤礦安全防治及風沙顆粒運移研究。

劉新光