金屬礦山深部地下開采高溫掘進面降溫現狀及發展趨勢探究

中圖分類號：TD727文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2025）08-0001-06

doi：10.11792/hj20250801

引言

隨著采礦深度的逐漸增加，深井開采面臨的環境問題也日益突出，而高溫熱害問題是目前深井開采中亟待解決的首要問題之一[]。開采深度的逐漸增加，使地熱流場加劇礦井內部巖溫升高，加之開采設備的功率增大、數量增多、生產強度的提升均會引起放熱量增大的現象[2-3]，致使礦井溫度持續升高。此外，礦井高巖溫、滲水、生產用水蒸發等因素形成了掘進面作業環境的高濕度[4]。相關文獻提出作業人員長期在高溫高濕環境下作業會導致身體健康遭受嚴重損害[5-7]。一方面，高溫容易致使人體熱平衡遭到破壞，人體通過對流、輻射和蒸發方式散熱的能力大幅減弱，會產生如中暑、心率加速、血壓異常等一系列對健康有害的反應[5-6]，甚至引發各類慢性疾病[7]。另一方面，高溫對工人生理和心理產生影響，使工人工作協調能力降低、動作準確性和反應速度變慢，增加人為失誤的概率，在勞動生產率下降的同時容易引發災害和事故，對井下安全生產構成嚴重威脅[8-9]。因此，迫切需要進行礦井深部掘進作業面降溫技術的相關研究。

同時，深井開采還面臨著嚴重的通風不足、作業場所通風不暢及通風成本高等實際問題[10]，使得礦井機械通風系統難以動態滿足深井開采的需要。隨著開采深度增加，通風線路長、通風阻力大、漏風點多等原因[]，使得傳輸效率大大降低，通風成本直線上升，深井通風愈加困難。生產作業面一旦出現爆破粉塵、炮煙和有毒有害氣體不能及時排出或有效稀釋的情況，將不可避免地對井下工人身心健康造成危害[12]。

全國礦井高溫熱害普查資料顯示，中國深部礦井中，有一級熱害礦井34個，占比 24.64% ，主要分布在江蘇、山東、黑龍江、吉林、河南等省[13]。國外同樣存在許多高溫礦井，例如：南非某鉑金礦的Merensky礦層經過監測后平均溫度達到 43.51°C ，每百米平均地溫增加 2.27^°C^[14] 。為確保安全生產，GB16423—2020《金屬非金屬礦山安全規程》規定15：采掘作業地點的干球溫度大于 28^°C 時，應采取降溫或其他防護措施。現有的降溫技術可分為人工降溫技術和非人工降溫技術[16]。現有結果表明，非人工降溫技術的降溫能力很小，需要人工制冷技術作為輔助。雖然目前相關技術及措施已取得了一定的研究成果，但對于地下高溫金屬礦山掘進面的降溫研究仍是不足，更是缺少對現有技術的綜述性總結及結合時代需求下的發展趨勢研究。

鑒于以上實際情況，本文對目前金屬礦山深部地下開采高溫掘進面降溫現狀及不足進行分析，并對未來發展趨勢進行總結分析。對中國金屬礦山深部地下開采高質量開發提供數據支持，有利于解決高溫熱害問題，減少因高溫引發的各類安全事故，確保礦產資源開采工作能夠順利、高效地持續進行，為中國礦業的長遠穩定發展奠定堅實基礎。

1金屬礦山深部地下開采高溫掘進面熱源及危害

中國礦井熱害一般分為4種類型：正常地熱增溫型、巖溫地熱異常型、熱水地熱異常型和碳硫化物氧化熱型[17]。礦井熱害形成因素包括以下幾點：巷道圍巖散熱、地下熱水放熱、機電設備散熱、運輸的廢石及礦石散熱、人體散熱、地熱及其他熱源散熱等[18]。

1. 1 巷道圍巖散熱

70多年前，SPALDING[19]就已經提到原巖溫度高會很大程度地限制采礦作業的深度，開采深度增加，原巖溫度會上升。相關文獻給出中國深部平均地溫每百米增加 2^°C～4^°C^[19] 。深井深度超過 1000m 后，地層散發的熱量占散熱總量的比例約為 50% 。例如：法國勞倫煤礦的采深到達 1 000～1 300m 時，溫度為 30^°C～45.5^°C^[20] 。此外，其他國家的超千米深井同樣會面臨熱害問題。

1. 2 地下熱水放熱

在部分地下高溫金屬礦山中存在地下熱水涌出的情況，熱水本身蘊含著大量的熱能，當熱水涌出到巷道或者掘進面附近時，會與周圍的空氣及巖體等發生熱交換，將自身攜帶的熱量釋放出來。熱量會從溫度高的熱水向溫度相對較低的空氣、巖體等傳遞，使得掘進面周圍環境溫度升高，形成局部地熱[21]，嚴重影響作業人員的正常工作及設備的安全運行等。溫差越大，單位時間內傳遞的熱量就越多；接觸面積越廣，熱量交換的范圍也就越大；而空氣流速適當增加有助于帶走更多熱量，但如果熱水涌出量較大且流速快，依然會使掘進面溫度持續升高。

1. 3 機電設備散熱

機電設備散熱是金屬礦山深部地下開采掘進面溫度升高的重要熱源之一[22]。在巷道掘進過程中，需要運用到大功率的機電設備，如采掘機械、提升機械、運輸電機車等。這些機電設備在運轉時會消耗電能，而其中大部分會轉化為熱能。當掘進面有風流流過時，機電設備產生的熱量會以熱對流的形式散發到空氣中。因此，機電設備作為熱源時，其周圍的空氣受熱后溫度升高、密度變小，從而向上流動，周圍較冷的空氣則會補充進來，繼續被加熱、上升，如此循環，使得整個掘進面的風溫不斷升高[23]。

1.4 其他熱源

許多金屬礦山中存在著硫化礦物等具有氧化性的礦物，會與氧氣發生氧化反應，并且在氧化過程中釋放熱量，釋放的熱量不斷積聚，從而致使井下溫度升高[24]。而這種氧化放熱是一個持續的過程，只要有新鮮的礦物表面暴露且有氧的持續供應，放熱就會不斷進行。另外，其他熱源還包含如人體散熱、爆破放熱、充填料放熱、生產用水放熱等，其影響程度因條件而異。而且礦井進風溫度、井下風流的壓縮和膨脹等都會影響井下氣溫的變化[25]。

2金屬礦山深部地下開采高溫掘進面降溫措施及不足

2.1 掘進面降溫措施

就降溫技術研究而言，中國開發了多種相關技術手段，已在深部高溫礦井展現出較好的應用前景。現有降溫技術匯總如表1所示。

表1現有降溫技術匯總 Table1Summary of existing cooling technologies

從表1可以看出：隔熱材料對于隔熱效果較為突出，目前常用的隔熱材料也有多種，如聚氨酯泡沫、巖棉、玻璃棉及新型的氣凝膠氈等。因此，常采用在巷道壁面敷設隔熱層的方式，部分礦山還會對通風管道等進行隔熱包裹。隔熱材料增大了熱量傳遞的熱阻，減少風流吸收的熱量，降低了風流溫度，實現掘進面溫度下降[26]。個體防護裝備能夠主動幫助人體散熱，減輕高溫對身體的不良影響，減少因高溫導致的注意力不集中、操作失誤等情況發生[29]；加大風量在一定程度上確實能夠起到明顯的降溫作用，但受制于井巷斷面及通風機的性能指標[27]。由于礦山自身的地質條件和開采規劃存有差異，需要對不同通風系統進行選擇、規劃。這就使得對于開采中或實際作業環境中的礦山應用明顯不足，更多是前期設計使用。綜合以上看來：水制冷技術的適用范圍較廣，尤其適用于有穩定水源且巷道條件便于鋪設輸水管路的礦山。從降溫效率來看，其能夠較為有效地降低掘進面風流溫度，一般可使風流溫度降低 5^°C～10^°C^[28] ，具體取決于制冷機組的制冷能力、冷水流量及熱交換情況等因素。而制冰制冷技術有著更加顯著的優勢，冰的相變潛熱較大，在同等制冷量需求下，制冰制冷所需的輸送量可能比水制冷更小[30]，能減少輸送設備的規模和能耗；另一方面，制冰可以在地面利用低谷電價等優惠時段進行，降低運行成本[31]。然而，仍需要對制冰制冷技術所面臨的實際問題進行因礦制宜的應用研究。

2.2 降溫技術實施局限

從技術層面來看，部分降溫技術的成本依然較高，一些技術在復雜地質條件、長距離巷道等特殊工況下的適用性需進一步提高[32]。從整體的研究角度來看，不同地區的礦山地質條件差異較大，如何開發出更具通用性、靈活調整的降溫技術方案需進一步探索與實踐；在保障降溫效果的同時，實現節能減排、減少對環境的影響也是未來需要重點關注和解決的方向。目前降溫技術的實施局限性主要分為以下幾項：1）局部通風降溫存在的局限性。隨著掘進深度不斷增加及巷道距離的拉長，軸流風機要將地面的新鮮空氣輸送到作業面，面臨的阻力極大，長距離的輸送過程會造成大量的風量損失，使得最終到達作業面的新鮮空氣量嚴重不足，難以起到良好的降溫作用；在空氣輸送過程中膠質軟風筒由于自身材質特性會產生較大的阻力，進一步削減風量。此外，其隔熱性能差，當外界圍巖溫度較高時，風筒內的空氣在流經過程中容易吸收熱量[33]，使得到達作業面的風溫升高，風量小、風速低的情況加劇；在井下相對封閉的空間中，軸流風機運行產生的噪聲加劇工人的身心健康影響[33]，造成風機關機不送風的現象，通風降溫效果嚴重下降。

2）其他降溫技術的局限性。在實際操作中，有部分單位會采取釋放作為鑿巖機動力源的壓縮空氣來緩解高溫高濕狀況[34]，但效果并不理想。一方面，壓縮空氣的溫度接近常溫，難以對高溫的作業環境起到實質性的改善作用。另一方面，釋放壓縮空氣會造成作業氣源無法保障，影響到其他依賴壓縮空氣的設備正常運行[34]，同時導致運營成本大幅升高；此外，部分降溫技術在復雜地質條件或深部礦井應用時會受到較大限制。例如，在地層結構復雜、巖石特性多變的深部礦井時，特定地質條件研發的制冷技術可能無法正常發揮作用。

3）成本問題的局限性。不同的降溫技術在設備購置、安裝、運行及維護等方面所需成本差異較大，且其降溫效果也各有不同。對于通風降溫技術，加大風量需要更換大功率通風機來實現，設備購置成本、安裝成本、運行成本、維護成本均有較大支出，成本預算成為其首要制約條件；對于隔熱技術，隔熱材料成本因種類不同而有較大差別。隔熱設施布置時，敷設施工需要人工成本，若對通風管道等進行包裹，還涉及額外的包裹材料及施工費用；對于水制冷技術所需的設備較為復雜，地面的制冷主機價格昂貴，相關配套設備，加上安裝調試、設備維護維修等費用相對較高。同樣對于制冰制冷技術，制冰機的購置成本較高，整個系統的初期投資成本相比水制冷技術更高[35]。

因此，針對目前的局限性需要綜合多方面因素考慮。不僅要根據礦山自身的地質條件、巷道布局、經濟實力等來選擇合適的降溫技術組合，還要注重技術的長期運行穩定性和維護成本控制，實現降溫效果與成本效益的良好平衡，確保礦山在安全舒適的環境下高效生產。

3金屬礦山深部地下開采高溫掘進面降溫發展趨勢

3.1 深化降溫機理與理論研究

目前缺少對不同地質條件、開采深度及不同類型金屬礦山中各熱源的熱量釋放規律、相互影響關系等的深入探究。同時，由于熱傳遞過程涉及圍巖、風流、機電設備等多介質間的復雜換熱[36]，因此，針對不同礦體仍需要進一步完善熱傳遞機制的理論模型，精確量化各因素對掘進面溫度升高的影響。此外，當前研究缺少對作業人員在高溫環境下的熱舒適性研究，需要對溫度、濕度、風速、勞動強度等多方面因素進行聯動研究，建立適用于金屬礦山深部地下開采高溫掘進面特殊工況的熱舒適評價指標體系，使降溫措施的制定更貼合保障作業人員健康與舒適工作的實際需求。

3.2相關技術研發與節能高效制冷技術

針對深度大、巖溫高、巷道距離長的獨頭掘進工作面局部通風局限問題，研發高效的通風設備和新型風筒材料。同時，對局部通風系統的風流組織進行優化模擬，設計更合理的通風布局，確保新鮮貫穿風流能有效送達作業面。

隨著環保與節能理念在各行業的不斷深入，金屬礦山深部地下開采高溫掘進面降溫領域也愈發重視節能型制冷空調技術的發展。以地熱、熱涌水、電站余熱等為制冷動力的節能減排制冷空調技術展現出了廣闊的發展前景[37]

從資源利用角度來看，利用地熱、熱涌水的熱量來助力制冷過程，實現了對掘進面的有效降溫，不僅提高了資源利用率，還避免了能源的浪費。對于鄰近電站的礦山，合理引入電站排放的余熱作為制冷空調的動力，在降低礦山降溫成本的同時，也使得電站余熱得到了有效利用，減少了對周邊環境的熱排放影響。從環保節能角度來看，以地熱、熱涌水、電站余熱等為制冷動力的技術，減少了對電能的依賴，降低了因發電產生的二氧化碳等溫室氣體排放，有助于緩解能源消耗帶來的環境壓力；從降低運營成本角度來看，利用天然熱源或余熱作為制冷動力，可大幅減少礦山企業在制冷空調系統運行過程中的電費支出等成本，從長期運營來看，其節省的成本相當可觀。綜合來看，以地熱、熱涌水、電站余熱等為制冷動力的節能減排制冷空調技術未來有望成為金屬礦山深部地下開采高溫掘進面降溫的主流技術[38]，在推動礦山可持續發展、保障井下作業安全舒適等方面將發揮更為重要的作用。

3.3新材料融合與制冷降溫技術

隨著科技的不斷發展，金屬礦山深部地下開采高溫掘進面降溫領域也逐漸呈現出新材料融合的趨勢。從隔熱角度來看，納米氣凝膠材料就是一種極具前景的新材料[39]，具有極低的導熱系數，是目前隔熱性能最好的材料之一。將其應用于金屬礦山深部地下開采高溫掘進面的巷道壁面隔熱處理時能夠更有效地阻隔圍巖向巷道內風流傳遞熱量。同時，在制冷方面，通過納米技術對制冷劑進行改性，使其相變吸熱效率更高，從而增強制冷效果[40]。而且納米傳感器能夠實時精準地感知溫度、壓力等參數變化，實現制冷系統的精細化運行，降低能耗。

新技術與新材料的融合，對于提升降溫效果和拓展應用場景有著顯著的作用。不僅可以提升降溫效果，能將掘進面的溫度控制在更適宜的范圍內，保障作業人員的健康和安全，提升勞動生產率；還可以拓展應用場景，使其滿足在深部高溫、長距離巷道的復雜工況，或不同地質條件、不同礦產類型的礦山環境，都能通過調整材料的使用方式或技術的參數配置，實現有效降溫[41]。新技術新材料的融合為金屬礦山深部地下開采高溫掘進面降溫帶來了新的機遇和希望，未來需進一步深入研究和實踐探索，使其更好地應對日益嚴峻的高溫熱害挑戰。

3.4 智能化降溫系統

隨著物聯網、大數據、人工智能等先進技術逐漸地融入金屬礦山深部地下開采高溫掘進面降溫領域，構建智能化降溫系統已然成為未來的重要發展趨勢[42]。通過在掘進面及相關區域布置大量的溫度傳感器、濕度傳感器等各類物聯網感知設備，可實時收集環境數據，并將數據準確無誤地傳輸至統一的監控平臺。依托大數據技術，能夠對海量的溫度數據及其他關聯數據（如通風量、設備運行參數等）進行深度分析[42]；可以掌握挖掘不同時間段、不同作業條件下溫度變化的規律，為制定精準的降溫策略提供依據；還能通過數據分析提前預測溫度升高趨勢，以便提前采取應對措施。在此基礎上，加入人工智能技術，讓降溫系統具備自動調控降溫設備的能力。智能算法可以根據實時監測數據及預設的溫度閾值，自動判斷是否需要啟動、調節制冷設備的功率43，或者改變通風系統的通風量、風向等參數，避免能源浪費，實現節能增效。

智能化趨勢對于提高降溫效率、優化資源配置有著重大意義。從提高降溫效率來看，實時監測與自動調控能夠確保降溫措施的及時性和精準性，避免了人工干預可能存在的滯后性和誤差，使掘進面的溫度始終維持在較為適宜的狀態，為作業人員創造良好的工作環境。在優化資源配置方面，通過精準調控設備運行，避免了設備的過度運行或無效運行，降低了能耗，減少了設備的損耗，延長了設備使用壽命，同時也降低了礦山企業的運營成本，提升了整體經濟效益。綜合來看，智能化降溫系統有望成為解決金屬礦山深部地下開采高溫掘進面高溫熱害問題的關鍵手段，也是推動礦山行業朝著更加安全、高效、可持續的方向發展的必然趨勢。

3.5 增加實踐與示范項目

選擇不同地質條件、開采深度、熱源類型的典型地下高溫金屬礦山，建立多個掘進面降溫技術試驗示范點。在示范點全面應用和測試各類新技術、新設備、新材料及新的管理措施等，通過長期的實際運行數據收集和效果評估，總結經驗教訓，為其他礦山提供可參考、可復制的成功案例[44]。此外，要多維度鼓勵礦山企業與高校、科研院所緊密合作，將科研成果更快地轉化為實際生產力。科研機構針對企業面臨的具體降溫難題開展專項研究，企業則為科研項目提供試驗場地、設備及資金支持等，形成產學研用協同創新的良好局面，加速金屬礦山深部地下開采高溫掘進面降溫技術的更新換代和推廣應用。通過以上建議的實施，有望在金屬礦山深部地下開采高溫掘進面降溫領域取得更多突破，為保障礦山井下作業安全、高效及行業的可持續發展奠定堅實基礎。

4 結論與展望

如何保障安全生產是目前亟須重點解決的問題之一。本文分析了目前中國金屬礦山深部地下開采高溫掘進面的熱源來源及熱害現狀，并對現有的降溫技術類型及不足等現狀進行總結分析。基于此，給出了金屬礦山深部地下開采高溫掘進面降溫技術的未來發展趨勢，主要結論如下：

1）在熱源分析方面，明確井下熱源是多因素共同作用的結果，包含了巷道圍巖散熱、地下熱水放熱、機電設備散熱及其他熱源散熱等。

2）對比總結分析了現有降溫技術的工作原理、實施效果及不足，并從目前現有技術的局限性角度出發，重點從礦山自身的地質條件、巷道布局、經濟實力及運行穩定性和維護成本等因素來選擇合適的降溫技術組合。

3）未來發展趨勢應以節能型制冷空調技術、新材料融合技術，以及智能化降溫系統為未來發展的主流方向。

總之，本研究較為全面地梳理了金屬礦山深部地下開采高溫掘進面降溫的現狀，剖析了現存問題，并對未來發展趨勢做出了合理展望，以期為該領域后續的研究與實踐提供有益參考，助力礦山行業更好地應對高溫熱害挑戰，保障井下作業安全、高效進行，推動行業可持續發展。

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Cooling status and development trends of high-temperature tunneling faces in deepunderground miningofmetal mines

Song Xiaoliang1， Shi Kun2， Zhang Xin3 （1. Shaanxi Building Materials Research Institute Engineering Design Co.，Ltd.; 2.Xinwen Mining GroupCo.，Ltd.; 3.SchoolofResources Enginering，Xi'an UniversityofArchitectureandTechnology） Abstract：With the intensification of global mineral resource development，ensuring safe production has become one of the urgent issues that mines must addres.This study analyzes the current sources ofheat and the impacts of heat hazards at high-temperature tunneling faces in deep underground mining of metal mines.It also summarizes and analyzes existing cooling technologiesin terms oftypes，working principles，andapplicableconditions，withanemphasis on the deficiencies and limitations ofcurrent approaches.Basedonactual future needs，5development trends forcooling technologiesareproposed.The study points out that mine air-conditioning and cooling systems willsee broaderapplications inthefutureandhighlightsthatenergy-eficientcoling technologies，integrationofnewmaterials，andintellient cooling systems represent the main directions for future research in mine cooling.The findings can serve as areference for developing cooling technologies for high-temperature tunneling faces in deep underground mining of metal mines and offer valuable insights for safe mine operations.

Keywords： deep mining; underground mining; heat hazard; metal mine;tunneling face;cooling; mine air-conditioning and cooling; new material; intelligentization