黃金礦山深部熱害問題分析與控制

李書強(qiáng)，馬明輝，李玥霄 ，張 旭

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦， 山東 萊州市 261400； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100083； 3.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院， 北京 100083)

黃金礦山深部熱害問題分析與控制

李書強(qiáng)1，馬明輝1，李玥霄2，張 旭3

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦， 山東 萊州市 261400； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100083； 3.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院， 北京 100083)

隨著礦井采深增加，進(jìn)入深部之后，礦山工作面開始受高溫影響，這不僅制約礦山的安全生產(chǎn)建設(shè)，也威脅礦工的身體健康。以三山島金礦為背景，介紹了井下主要產(chǎn)熱因素，針對(duì)產(chǎn)熱原因相應(yīng)提出治理措施。引入礦井環(huán)境與礦工的熱平衡方程，經(jīng)過推導(dǎo)得出礦工熱舒適方程，經(jīng)該方程可計(jì)算適宜風(fēng)速及風(fēng)量，為井下通風(fēng)和熱害治理提供了理論依據(jù)。

深部礦井；熱害治理；通風(fēng)降溫；熱舒適方程；個(gè)體防護(hù)

各地礦產(chǎn)開發(fā)由露天逐漸轉(zhuǎn)到地下，且隨著地下開采深度的逐年增加，礦井溫度越來(lái)越高。高溫直接影響礦工的身體健康，由高溫引起的不適和生理反應(yīng)降低勞動(dòng)效率，制約礦工反應(yīng)能力，增大了人員在井下發(fā)生危險(xiǎn)的可能性。

高溫高濕環(huán)境影響人的循環(huán)、消化、神經(jīng)等系統(tǒng)，大量排汗造成水分丟失，血液粘稠增加心臟和腎臟負(fù)擔(dān)[1]，給礦工造成健康隱患。我國(guó)目前有上百對(duì)礦井已出現(xiàn)熱害問題，部分礦井的工作面溫度超過30℃[2]，高溫作業(yè)降低勞動(dòng)生產(chǎn)效率，容易引起井下安全事故。日本曾對(duì)北海道所在的7個(gè)礦井進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)高溫環(huán)境容易出現(xiàn)精神不佳、全身乏力等癥狀，溫度在30℃以上的工作面發(fā)生事故的概率比30℃以下工作面的概率高出2倍[3]。國(guó)內(nèi)淮南礦業(yè)集團(tuán)、三尖河礦、張雙樓煤礦、趙樓煤礦，深部礦井工作面溫度都超過了30℃,熱害問題嚴(yán)重，影響了生產(chǎn)建設(shè)[4￣7]。

三山島金礦已進(jìn)入深部開采，高地溫問題開始顯現(xiàn)，為不影響正常生產(chǎn)和減少安全隱患，急需針對(duì)礦井深部地?zé)岙a(chǎn)生之因素進(jìn)行分析，并對(duì)各原因加以研究辯證施治、優(yōu)化通風(fēng)風(fēng)量，為礦區(qū)可能出現(xiàn)的高地溫問題積累理論依據(jù)。

1 地理背景及井下放熱因素

三山島金礦位于山東省煙臺(tái)萊州市北部32 km處，是山東半島大型金礦之一，三山島金礦屬于破碎帶蝕變巖型巖漿熱液礦床,處于招-掖金礦帶中[8](見圖1)。

圖1 膠北地區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖

礦區(qū)開采已進(jìn)入深部，且隨著開采深度的逐年增加，井下工作溫度也隨之增高，礦區(qū)開采每下降100 m，原巖溫度增加2℃～4℃，工作面由于地?zé)嶙饔脤?dǎo)致溫度上升，因此今后可能產(chǎn)生的熱害問題不容小覷，且井下造成溫度升高的原因較多，做好準(zhǔn)備研究預(yù)防控制是為上策。從圖2可直觀感受井下環(huán)境，深部巷道和工作面均有一定透水，這也是造成井下溫度升高的原因。

圖2 井下巷道環(huán)境

三山島金礦井下放熱因素主要?dú)w結(jié)為4個(gè)方面：

(1) 原巖放熱：隨著開采深度增加原巖溫度升高，這是深井礦山的主要熱源之一。巷道巖壁與周圍空氣熱交換和熱輻射導(dǎo)致空氣溫度升高。

(2) 井下熱水放熱：深部礦井排水困難，熱水將熱量散發(fā)到空氣中。

(3) 礦石氧化放熱：礦石在潮濕環(huán)境下容易發(fā)生氧化反應(yīng)放熱。

(4) 運(yùn)輸、機(jī)電設(shè)備放熱：井下無(wú)軌設(shè)備如卡車、鏟運(yùn)機(jī)等燃燒化石燃料，產(chǎn)生溫室氣體如二氧化碳、二氧化硫等，不僅增加井下溫度也破壞環(huán)境。

2 降溫措施

2.1 通風(fēng)降溫

通風(fēng)是一項(xiàng)行之有效的降溫措施，增加風(fēng)量可降低空氣中的熱量。某日本學(xué)者進(jìn)行的研究表明:增加通風(fēng)量,氣流溫度可大幅度下降,當(dāng)通風(fēng)量增加到某一程度氣溫可急速下降,但是若風(fēng)量超過這一限度再增加，則氣流溫度下降速率減弱,最經(jīng)濟(jì)的通風(fēng)量約為巷道的0.56～0.84倍。改善通風(fēng)系統(tǒng),可采用下列措施:減少風(fēng)阻、防止漏風(fēng)、加大扇風(fēng)機(jī)能力、采用合理分風(fēng)與輔助風(fēng)路通風(fēng)法、加強(qiáng)通風(fēng)管理等。

但是風(fēng)量的增加不是無(wú)限制的,它受規(guī)定的風(fēng)速和降溫成本的制約，因此，需要合理分配風(fēng)量，從而既達(dá)到降溫要求又控制了降溫成本。

引入礦井環(huán)境與礦工的熱平衡方程[9]：

S=M-W-R-C-E

式中，M為人體新陳代謝產(chǎn)能；W為人體機(jī)械做功；R為人體與環(huán)境的輻射熱交換；C為人體與環(huán)境的對(duì)流熱交換;E為人體由于呼吸和皮膚表面蒸發(fā)熱；S為人體的蓄熱量。單位均為W/m2。

M=352.2(0.23RQ+0.77)VO2/A

W=0.05M,R=4.63×10-8αγ(tc-tm)

C=αCfc(tc-ta)

αc=1.202B0.5V0.5

αr=4.6(1+0.01tm)

R+C=fcαcr(tms+t0)Fc

t0=(αγtm+αcta)/αcr

E=0.0173M(5.87-φPab)+0.0014M(34-ta)+

Lcαc(0.06+0.94Ws)(Psb-Pab)Fp

式中，RQ為呼吸系數(shù)；VO2為礦工耗氧量；A為人體表面積；αγ為線性輻射換熱系數(shù)；tc為著裝人體外表平均溫度；tm為環(huán)境平均輻射溫度,αc為對(duì)流換熱系數(shù)；B為氣壓；fc為服裝面積系；ta為井下空氣溫度；v為空氣流動(dòng)速度；αcr為綜合換熱系數(shù)tms為皮膚表面平均溫度；t0為折算溫度；Fc為服裝的有效傳熱效率；φ為相對(duì)濕度；Pab為空氣溫度ta對(duì)應(yīng)的水蒸氣飽和分壓力；Le為劉易斯數(shù),Ws為皮膚濕度；Psb為皮膚溫度所對(duì)應(yīng)的水蒸氣飽和分壓力；Fp為服裝的滲透系。

又根據(jù)礦工舒適條件：蓄熱量S=0，平均皮膚溫度tms<36.5℃，皮膚濕度Ws<50%。 則可通過聯(lián)立公式推導(dǎo)得出礦工熱舒適方程：

0.95M-fcαcr(36.5-t0)Fc-0.0173M(5.87-φPab)-0.0014M(34-ta)-7.897αc(Psb-φPab)Fp=0

上式為具有普遍意義的礦工熱舒適方程。從上式中可以看出，Pab與ta有關(guān),αc和αcr與風(fēng)速v有關(guān)。據(jù)其可求出令工人舒適的氣候條件ta、V、φ。

三山島金礦某中段井下回采工作面的平均氣溫為29℃左右,空氣濕度為96%，由礦工舒適度公式可得工作面風(fēng)速為1.25 m/s，其工作面的通風(fēng)斷面積為12.02 m2，其需風(fēng)量為901.5 m3/min。

2.2 其他控制措施

針對(duì)三山島深部放熱因素，辯證施治、科學(xué)管理，通過研究擬定了如下防控措施：

(1) 個(gè)體防護(hù)：礦工佩戴冷卻服，冷卻服使用范圍較廣。從眾多文獻(xiàn)中的使用效果來(lái)看，用冰做冷卻介質(zhì)效果最好，也最可靠，冷卻時(shí)間可維持3 h左右。由于井下礦工分散作業(yè)，采用集中降溫不僅成本高，而且效率也低，使用個(gè)人防護(hù)措施較為高效。

(2) 地溫預(yù)冷技術(shù)：在井下巖層充分測(cè)溫的基礎(chǔ)上，利用位于淺部的低溫巷道對(duì)入風(fēng)風(fēng)流進(jìn)行預(yù)冷降溫。湘西金礦通過改造通風(fēng)系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定證明，經(jīng)過低溫巖層預(yù)冷的入風(fēng)風(fēng)流要比直接經(jīng)風(fēng)井進(jìn)入井下的風(fēng)流低5℃左右。

(3) 清理熱源：井下熱源主要包括圍巖散熱、運(yùn)輸設(shè)備散熱、熱水散熱、礦石氧化發(fā)熱等。針對(duì)圍巖放熱，需要在圍巖上涂抹絕熱材料，將圍巖與空氣隔絕，減少傳熱。針對(duì)運(yùn)輸設(shè)備如卡車、鏟運(yùn)機(jī)等放熱，一是要改造發(fā)動(dòng)機(jī)提高燃油效率，減少放熱；二是控制好尾氣排放，合理吸收尾氣，處理好C、O化合物和S、O化合物。針對(duì)熱水散熱，一方面要及時(shí)疏干排水，一方面要及時(shí)導(dǎo)流。針對(duì)礦石氧化放熱現(xiàn)象，提高采礦效率，降低礦石在采場(chǎng)的儲(chǔ)存時(shí)間，避免礦石遺漏，做好運(yùn)輸工作。充分使用充填采礦法，降低圍巖暴露面積。

(4) 局部制冷：在高溫工作面可安裝制冷設(shè)備，以應(yīng)對(duì)短時(shí)間的高強(qiáng)度工作。

3 結(jié) 論

三山島金礦開采目前已進(jìn)入深部，高地溫開始顯現(xiàn)，對(duì)生產(chǎn)安全和礦工健康產(chǎn)生較大隱患。根據(jù)實(shí)地調(diào)查研究掌握井下主要熱源，并提出了相對(duì)控制措施：

(1) 礦區(qū)主要產(chǎn)熱因素：原巖放熱、井下熱水放熱、運(yùn)輸設(shè)備和機(jī)電設(shè)備放熱、礦石氧化放熱。

(2) 針對(duì)井下產(chǎn)熱因素，提出了控?zé)岽胧号宕骼鋮s服進(jìn)行個(gè)體防護(hù)，由淺部低溫巷道圍巖預(yù)冷風(fēng)流，將井下熱源及時(shí)清理并為高溫圍巖涂抹絕熱材料。

(3) 引入礦井環(huán)境與礦工的熱平衡方程，經(jīng)過推導(dǎo)得出礦工熱舒適方程：0.95M-fcαcr(36.5-t0)Fc-0.0173M(5.87-φPab)-0.0014M(34-ta)-7.897αc(Psb-φPab)Fp=0，經(jīng)該方程可計(jì)算適宜風(fēng)速及風(fēng)量，不僅節(jié)約成本，也達(dá)到了良好的通風(fēng)效果。

[1]潘英杰.礦井高溫對(duì)人體的危害及控制[J].工業(yè)安全與防塵，1990(1)：22￣24.

[2]馮興隆，陳日輝.國(guó)內(nèi)外深井降溫技術(shù)研究和發(fā)展[J].云南冶金，2005，34(5)：7￣10.

[3]梁德輝.國(guó)外有色金屬高溫礦井的通分降溫技術(shù)[R].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院，1988：8￣15.

[4]李亞民.局部降溫機(jī)在礦井高溫工作面的應(yīng)用[J].煤礦安全，2008(09)：39￣41.

[5]何國(guó)強(qiáng)，阮國(guó)強(qiáng)，等.趙家樓礦高溫?zé)岷Ψ乐窝芯颗c實(shí)踐[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(1)：101￣104.

[6]郭平業(yè)，秦 飛.張雙樓煤礦深井熱害控制及其資源化利用技術(shù)應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2013，38(2)：393￣398.

[7]何滿朝,郭平業(yè)，等.三河尖礦深井高溫體特征及其熱害控制方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(1)：2593￣2597.

[8]宋明春，張軍進(jìn)，等.局部降溫機(jī)在礦井高溫工作面的應(yīng)用[J].地質(zhì)學(xué)報(bào)，2015，89(2)：365￣383.

李文新(1982-)，男，安全評(píng)價(jià)師，注冊(cè)安全工程師，主要從事非煤礦山尾礦庫(kù)安全評(píng)價(jià)與研究工作，Email：liwenxin465755@163.com。

2016￣11￣19)