淺談尚莊煤礦的熱害治理

袁桂生，樊玉安

（安源煤業集團股份有限公司尚莊煤礦，江西 豐城 331143）

1 概況

1.1 礦井概況

安源煤業集團股份有限公司尚莊煤礦，位于江西省豐城市北西8 km， 行政區劃屬尚莊街道辦事處管轄。 礦井1968年建成投產， 核定生產能力為0.36 Mt/a。 礦井開拓方式為斜井多水平開拓，采用兩翼對角式通風方式。 礦井東翼（東風井）配兩臺FBCDZ-8-NO.28B 防爆抽出式對旋軸流主扇，西翼（西風井） 配兩臺FBCDZNO.23 防爆抽出式對旋軸流主扇，礦井最大排風量可達10 000 m3/min 以上。尚莊煤礦開采二疊系上統龍潭組B4b單一煤層，屬煤與瓦斯突出礦井，煤塵具有爆炸性，煤層有自燃傾向。 礦井原設計服務年限36年，擴界后剩余服務年限27年。

1.2 礦井熱環境概況

尚莊煤礦屬表土層較厚、 深部巖層高地溫、開采強度高的煤與瓦斯突出礦井。 礦井共分四個開采水平，現開采的四水平（-650～-850 m）開采深度近900 m。由于井下采掘工作面地溫高、且工作面采掘運機電設備散熱量大，工作面作業場所熱害程度嚴重。 尤其是開拓掘進工作面埋深大、巷道走向長、供風距離比較遠，夏季開拓掘進工作面溫度達33℃～38℃， 濕度達86%～95%。 雖然采取了增加供給風量、加裝巷中噴霧降溫等一些措施，現場作業人員但仍然多次發生暑現象。 開拓掘進工作面的高溫熱害既嚴重危害了職工的身心健康，又影響了巷道施工進度，制約了礦井的正常生產及接替。

根據井下氣象環境實測， 尚莊煤礦-800 m 開拓掘進工作面溫度超36℃、相對濕度高達97%。 井下開拓掘進工作面高溫、高濕工作的環境，遠超《煤礦安全規程》的規定，必須采取更有效的降溫措施治理熱害，確保現場作業環境達到有關規定要求。

2 熱害產生的環境因素

2.1 地面大氣環境

尚莊煤礦采用抽出式通風，東西兩臺主扇負責排風。 礦井風流由地面經進風井進入井下，地面大氣環境溫度對井下風流氣象條件的影響較大。 由于夏季地面溫度較高，且濕度較大，高溫新鮮風流導致井下風流基礎溫度較高，濕度大。

2.2 地質地熱環境

尚莊煤礦隨著開采水平的延深（礦井開拓掘進工作面目前最深已達地下850 m左右），地溫、地壓因素也越來越明顯。 尚莊煤礦的恒溫地層在-118 m、26℃，平均增溫梯度為2.48℃/百m。 礦井-800 m圍巖溫度實測達39.7℃，地熱是開拓掘進工作面高溫高濕的關鍵因素。

2.3 礦井生產環境

煤礦井下開采所形成的生產作業環境對井下熱能聚集有直接影響。 如采掘工作面爆破煤巖所產生的爆炸熱能，機電設備運轉時產生的散熱、運輸中的煤矸放熱、通風風流與井巷等物體摩擦、壓縮產生的熱量以及人體散熱等，都將與礦井風流發生熱交換，使井下風流溫度升高。 熱害已成為制約尚莊煤礦礦井安全生產的主要因素之一。

3 礦井氣溫預測

尚莊煤礦井下開拓掘進工作面氣溫高的原因主要有圍巖散熱、爆破煤巖爆炸熱、機械設備運轉散熱、風流摩擦壓縮熱、人體散熱等。 當機械設備運轉散熱等其他因素類似的情況下，井下開拓掘進工作面的氣溫與圍巖散熱存在正相關關系。 即：在開拓掘進工作面同等裝備、配風量的情況下，埋深越深，巖溫越高，氣溫越高。 根據尚莊礦實測的資料，尚莊煤礦礦井夏季-650 m 大巷的風流溫度在28℃～29℃，-800 m 的巖溫為39.7℃。 礦井現開拓掘進工作面主要布置在-800 m 水平， 開拓掘進工作面如不采取降溫措施，工作面的風流溫度將達到36℃～38℃以上。

3.1 礦井熱害治理

開拓掘進工作面溫度過高， 必須進行熱害防治，以保證礦井安全生產。 僅靠噴霧和通風技術措施治理熱害，既不經濟，也不現實，無法達到降溫的效果。 在采取大功率對旋風機、大直徑阻燃風筒、大斷面巷道的同時，必須采取局部制冷風機供冷風的制冷降溫措施，從而達到改善井下開拓掘進工作面作業環境，保護礦工的身體健康，提高勞動生產效率的目的。

3.2 開拓掘進工作面冷負荷計算[3]

尚莊煤礦開拓掘進工作面風流溫度在36℃～38℃之間，濕度93%～100%；配風量為300～450 m3/min。 計算時掘進工作面氣溫取38℃； 降溫前濕度95%，配風量為400 m3/min。 降溫后開拓掘進工作面溫度按26℃，濕度按85%計算。

掘進工作面冷負荷計算如下：

式中：Q 為掘進工作面冷負荷，kW；G 為掘進工作面的質量風量，kg/s；i1為處理前掘進工作面的進風流焓值，kJ/kg；i2為處理后掘進工作面的進風流焓值，kJ/kg。

G=掘進工作面風量×風流密度

=6.67×1.29=8.6 kg/s

Δi= 焓差 (111.88-68.93) kJ/kg (從空氣焓濕圖中讀取)

=42.95 kJ/kg

Q=8.6×42.95=369.37 kW

4 礦井降溫系統方案

根據尚莊煤礦開拓掘進工作面的實際情況，決定采用局部移動降溫系統。 根據開拓掘進工作面所需冷負荷計算，采用單臺局部移動降溫機組的制冷量為450 kW 機組， 可單獨滿足一個開拓掘進工作面的降溫需要。

4.1 降溫系統概述

局部移動式降溫系統主要是由制冷系統、冷卻系統和供配電系統等組成。 其中制冷系統由井下制冷主機（ZLF-450）、蒸發器、蒸發器風機等設備組成；冷卻系統由回冷機、回冷機風機、噴霧泵、軟水器、軟水箱及冷卻水循環泵等設備組成。

圖1 井下局部降溫開式系統原理

4.2 開拓掘進工作面局部降溫系統的應用效果

自2018年7月以來， 尚莊煤礦在東Ⅳ無極繩下山（東Ⅰ邊界總回下山）、東Ⅰ運輸下山、東Ⅰ下山采區運輸副巷西段等開拓掘進工作面使用了局部降溫系統。 在降溫系統開啟前，這幾個開拓掘進工作面的局部通風機前進風實測溫度達30℃～31℃，工作面及回風實測溫度達34℃～37℃之間， 濕度95%，員工工作環境及其惡劣，經常出現中暑現象。使用局部降溫系統后， 工作面及回風實測溫度在24℃～28℃之間，濕度85%（見表1），工作環境比較舒適，施工現場再未發生員工中暑現象。

表1 降溫系統使用前后工作面溫度對比

5 結語

尚莊煤礦在開拓掘進工作面使用局部降溫系統進行熱害治理，顯著降低了開拓掘進工作面及回風流溫度，改善現場作業環境，保護了礦工的身體健康，勞動生產效率得到提高，體現了黨和國家的安全生產方針，可供類似高地溫熱害礦井借鑒。