黄金矿山深部热害问题分析与控制

李书强，马明辉，李玥霄 ，张 旭

(1.山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿， 山东 莱州市 261400； 2.中国地质大学，北京 100083； 3.北京科技大学 土木与资源工程学院， 北京 100083)

黄金矿山深部热害问题分析与控制

李书强1，马明辉1，李玥霄2，张 旭3

(1.山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿， 山东 莱州市 261400； 2.中国地质大学，北京 100083； 3.北京科技大学 土木与资源工程学院， 北京 100083)

随着矿井采深增加，进入深部之后，矿山工作面开始受高温影响，这不仅制约矿山的安全生产建设，也威胁矿工的身体健康。以三山岛金矿为背景，介绍了井下主要产热因素，针对产热原因相应提出治理措施。引入矿井环境与矿工的热平衡方程，经过推导得出矿工热舒适方程，经该方程可计算适宜风速及风量，为井下通风和热害治理提供了理论依据。

深部矿井；热害治理；通风降温；热舒适方程；个体防护

各地矿产开发由露天逐渐转到地下，且随着地下开采深度的逐年增加，矿井温度越来越高。高温直接影响矿工的身体健康，由高温引起的不适和生理反应降低劳动效率，制约矿工反应能力，增大了人员在井下发生危险的可能性。

高温高湿环境影响人的循环、消化、神经等系统，大量排汗造成水分丢失，血液粘稠增加心脏和肾脏负担[1]，给矿工造成健康隐患。我国目前有上百对矿井已出现热害问题，部分矿井的工作面温度超过30℃[2]，高温作业降低劳动生产效率，容易引起井下安全事故。日本曾对北海道所在的7个矿井进行调查，发现高温环境容易出现精神不佳、全身乏力等症状，温度在30℃以上的工作面发生事故的概率比30℃以下工作面的概率高出2倍[3]。国内淮南矿业集团、三尖河矿、张双楼煤矿、赵楼煤矿，深部矿井工作面温度都超过了30℃,热害问题严重，影响了生产建设[4￣7]。

三山岛金矿已进入深部开采，高地温问题开始显现，为不影响正常生产和减少安全隐患，急需针对矿井深部地热产生之因素进行分析，并对各原因加以研究辩证施治、优化通风风量，为矿区可能出现的高地温问题积累理论依据。

1 地理背景及井下放热因素

三山岛金矿位于山东省烟台莱州市北部32 km处，是山东半岛大型金矿之一，三山岛金矿属于破碎带蚀变岩型岩浆热液矿床,处于招-掖金矿带中[8](见图1)。

图1 胶北地区区域地质图

矿区开采已进入深部，且随着开采深度的逐年增加，井下工作温度也随之增高，矿区开采每下降100 m，原岩温度增加2℃～4℃，工作面由于地热作用导致温度上升，因此今后可能产生的热害问题不容小觑，且井下造成温度升高的原因较多，做好准备研究预防控制是为上策。从图2可直观感受井下环境，深部巷道和工作面均有一定透水，这也是造成井下温度升高的原因。

图2 井下巷道环境

三山岛金矿井下放热因素主要归结为4个方面：

(1) 原岩放热：随着开采深度增加原岩温度升高，这是深井矿山的主要热源之一。巷道岩壁与周围空气热交换和热辐射导致空气温度升高。

(2) 井下热水放热：深部矿井排水困难，热水将热量散发到空气中。

(3) 矿石氧化放热：矿石在潮湿环境下容易发生氧化反应放热。

(4) 运输、机电设备放热：井下无轨设备如卡车、铲运机等燃烧化石燃料，产生温室气体如二氧化碳、二氧化硫等，不仅增加井下温度也破坏环境。

2 降温措施

2.1 通风降温

通风是一项行之有效的降温措施，增加风量可降低空气中的热量。某日本学者进行的研究表明:增加通风量,气流温度可大幅度下降,当通风量增加到某一程度气温可急速下降,但是若风量超过这一限度再增加，则气流温度下降速率减弱,最经济的通风量约为巷道的0.56～0.84倍。改善通风系统,可采用下列措施:减少风阻、防止漏风、加大扇风机能力、采用合理分风与辅助风路通风法、加强通风管理等。

但是风量的增加不是无限制的,它受规定的风速和降温成本的制约，因此，需要合理分配风量，从而既达到降温要求又控制了降温成本。

引入矿井环境与矿工的热平衡方程[9]：

S=M-W-R-C-E

式中，M为人体新陈代谢产能；W为人体机械做功；R为人体与环境的辐射热交换；C为人体与环境的对流热交换;E为人体由于呼吸和皮肤表面蒸发热；S为人体的蓄热量。单位均为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为呼吸系数；VO2为矿工耗氧量；A为人体表面积；αγ为线性辐射换热系数；tc为着装人体外表平均温度；tm为环境平均辐射温度,αc为对流换热系数；B为气压；fc为服装面积系；ta为井下空气温度；v为空气流动速度；αcr为综合换热系数tms为皮肤表面平均温度；t0为折算温度；Fc为服装的有效传热效率；φ为相对湿度；Pab为空气温度ta对应的水蒸气饱和分压力；Le为刘易斯数,Ws为皮肤湿度；Psb为皮肤温度所对应的水蒸气饱和分压力；Fp为服装的渗透系。

又根据矿工舒适条件：蓄热量S=0，平均皮肤温度tms<36.5℃，皮肤湿度Ws<50%。 则可通过联立公式推导得出矿工热舒适方程：

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

上式为具有普遍意义的矿工热舒适方程。从上式中可以看出，Pab与ta有关,αc和αcr与风速v有关。据其可求出令工人舒适的气候条件ta、V、φ。

三山岛金矿某中段井下回采工作面的平均气温为29℃左右,空气湿度为96%，由矿工舒适度公式可得工作面风速为1.25 m/s，其工作面的通风断面积为12.02 m2，其需风量为901.5 m3/min。

2.2 其他控制措施

针对三山岛深部放热因素，辩证施治、科学管理，通过研究拟定了如下防控措施：

(1) 个体防护：矿工佩戴冷却服，冷却服使用范围较广。从众多文献中的使用效果来看，用冰做冷却介质效果最好，也最可靠，冷却时间可维持3 h左右。由于井下矿工分散作业，采用集中降温不仅成本高，而且效率也低，使用个人防护措施较为高效。

(2) 地温预冷技术：在井下岩层充分测温的基础上，利用位于浅部的低温巷道对入风风流进行预冷降温。湘西金矿通过改造通风系统，现场测定证明，经过低温岩层预冷的入风风流要比直接经风井进入井下的风流低5℃左右。

(3) 清理热源：井下热源主要包括围岩散热、运输设备散热、热水散热、矿石氧化发热等。针对围岩放热，需要在围岩上涂抹绝热材料，将围岩与空气隔绝，减少传热。针对运输设备如卡车、铲运机等放热，一是要改造发动机提高燃油效率，减少放热；二是控制好尾气排放，合理吸收尾气，处理好C、O化合物和S、O化合物。针对热水散热，一方面要及时疏干排水，一方面要及时导流。针对矿石氧化放热现象，提高采矿效率，降低矿石在采场的储存时间，避免矿石遗漏，做好运输工作。充分使用充填采矿法，降低围岩暴露面积。

(4) 局部制冷：在高温工作面可安装制冷设备，以应对短时间的高强度工作。

3 结 论

三山岛金矿开采目前已进入深部，高地温开始显现，对生产安全和矿工健康产生较大隐患。根据实地调查研究掌握井下主要热源，并提出了相对控制措施：

(1) 矿区主要产热因素：原岩放热、井下热水放热、运输设备和机电设备放热、矿石氧化放热。

(2) 针对井下产热因素，提出了控热措施：佩戴冷却服进行个体防护，由浅部低温巷道围岩预冷风流，将井下热源及时清理并为高温围岩涂抹绝热材料。

(3) 引入矿井环境与矿工的热平衡方程，经过推导得出矿工热舒适方程：0.95M-fcαcr(36.5-t0)Fc-0.0173M(5.87-φPab)-0.0014M(34-ta)-7.897αc(Psb-φPab)Fp=0，经该方程可计算适宜风速及风量，不仅节约成本，也达到了良好的通风效果。

[1]潘英杰.矿井高温对人体的危害及控制[J].工业安全与防尘，1990(1)：22￣24.

[2]冯兴隆，陈日辉.国内外深井降温技术研究和发展[J].云南冶金，2005，34(5)：7￣10.

[3]梁德辉.国外有色金属高温矿井的通分降温技术[R].长沙：长沙有色冶金设计研究院，1988：8￣15.

[4]李亚民.局部降温机在矿井高温工作面的应用[J].煤矿安全，2008(09)：39￣41.

[5]何国强，阮国强，等.赵家楼矿高温热害防治研究与实践[J].煤炭学报，2011，36(1)：101￣104.

[6]郭平业，秦 飞.张双楼煤矿深井热害控制及其资源化利用技术应用[J].煤炭学报,2013，38(2)：393￣398.

[7]何满朝,郭平业，等.三河尖矿深井高温体特征及其热害控制方法[J].岩石力学与工程学报，2010，29(1)：2593￣2597.

[8]宋明春，张军进，等.局部降温机在矿井高温工作面的应用[J].地质学报，2015，89(2)：365￣383.

李文新(1982-)，男，安全评价师，注册安全工程师，主要从事非煤矿山尾矿库安全评价与研究工作，Email：liwenxin465755@163.com。

2016￣11￣19)