我国煤矿深井热害成因及治理方法研究进展

王诗祺 王 美

(西安科技大学能源学院)

随着我国矿井开采深度不断提高，高温深井越来越多，高温热害严重影响了井下工作人员的健康状况和工作设备的高效运行，在很大程度上影响了矿井安全生产。对于煤矿深井开采而言，矿井热害严重时极有可能诱发煤岩自燃。我国煤矿煤层按自燃倾向性可分为4个区，即华北烟煤自燃区、东北褐煤-烟煤自然区、西北低变质烟煤自燃区和华南高硫煤自燃区[1]。由于褐煤着火点低，褐煤赋存越多的矿井越易发生煤岩自燃，因此治理矿井热害也是防止煤岩自燃的重要举措。我国于2005年起实施的《煤矿安全规程》中规定生产矿井掘进面空气温度不得超过26 ℃，机电设备硐室的空气温度不得超过30 ℃。一般将矿井相应区域温度超过《煤矿安全规程》规定的气温上限而导致的危害统称为矿井热害。本研究结合近年来我国煤矿深井开采热害治理研究成果，对热害成因进行分析，对热害治理技术措施进行总结和评价，并就该领域的发展方向进行讨论。

1 矿井热害成因

(1)地面大气温度变化。从地表流入井下的气流温度随着地表大气温湿度的变化而变化，地表大气温度的日变化和季节性变化都是周期性的，但季节性温度变化对热害的影响更为严重。对于原岩温度在28 ℃以上的矿井，巷道围岩调热圈对夏季风温的调节作用随着原岩温度的升高而减弱，出现季节性热害现象[2]。

(2)风流自压缩。流体自压缩是空气在深井内由于自身重力作用将位能经过摩擦作用转换为热能产生温升的过程。位能在其中具有决定性作用，即采深越大，风流受到的压力变化越大，风流自压缩引起矿井内部温升便越大。在无其他外部热源的情况下，井巷深度每增加102 m，由于风流自压缩产生的热量会使其温度升高1 ℃[3]，而实际的温升值也与矿井内空气的含湿量有关。

(3)围岩与风流热交换。在同一地区，井下未被发掘的岩石温度随着距离地表的深度加大而上升，其上升速度(地温梯度)主要取决于岩石热导率和大地热流值。我国煤矿根据大地热流场，可将热害区分为东部、中部、西北和滇藏热害区[1]，开发强度较高的东部和中部热害区地热流平均值分别为60，50 mW/m2。随着采深不断增大，原始岩温会不断升高，从而产生热害。围岩与风流热交换是一个非稳态的传热过程，井巷掘进后，围岩不断向风流传热，而自身温度会不断降低，使其传热能力下降，直至最终与风流温度几乎相同。在许多深井中，围岩原始温度高是造成矿井高温的主要原因。

(4)井巷内热水放热。井巷内热水放热有2种形式：一是涌出的热水可通过对流传热方式直接加热风流；二是涌出的热水加热上部岩体，岩体将热量传递给风流。

(5)矿区中矿岩氧化放热。硫化矿、煤矿都存在氧化放热现象，但煤炭的氧化放热并不能对井下温度造成显著影响，当含硫矿床或煤层中含有大量硫化铁时，氧化放热量会达到相当大的程度。

(6)机械电动设备放热。该类热量包括了提升设备除了做有用功以外的以各种形式散失的热量，通风机电动机消耗的全部电能转化为热能的热量，输给水泵的电机消耗的电能和水泵轴承摩擦消耗的热量以及灯具电能全部转换为热能的热量。

(7)运输大巷中煤炭和矸石散热。运输中煤炭和矸石的放热会导致风流干球温升与湿增，为围岩散热的另一种表现形式。

(8)水泥水化放热。矿用硅酸盐水泥主要用作煤矿采空区充填材料，水泥与水拌和发生的水化反应为放热反应，其放出的热量成为水化热。

(9)人员放热。井下工人的劳动放热量主要取决于其工作的持续时间和繁重程度，休息时人体散热量为0.09～0.12 kW/人，轻度体力劳动时人体散热量为0.25 kW/人，中等体力劳动时人体散热量为0.275 kW/人，繁重体力劳动时人体散热量为0.47 kW/人[4]。

(10)风动机具压缩空气放热。由于压缩空气在井下温度较高，且用量较低，该部分热量经常可以忽略不计。

(11)其他原因。包括炸药爆炸、岩层移动等原因，由于作用时间短，不会对井下气候条件产生显著影响，可以忽略不计。

2 矿井热害治理方法

2.1 非制冷降温方法

2.1.1 通风降温

通风降温属于增强风与围岩的对流传热过程，为强化传热，可采用以下方法：

(1)在相关规范允许的风速范围内，可以通过增加风量的方式降低风流温升和围岩放热强度，减少通风阻力，防止漏风，提高风机功率[5]。

(2)矿井通风系统应尽可能缩短进风路线长度，进风路线越长，风流沿途与围岩传热量越多，风流温度升高便越大。矿井通风方式分为中央式、对角式、区域式、混合式4种基本类型，不管何种通风方式，进风路线越短，降温效果越好。

(3)采用下行通风方式，风流路线从高水平巷道流入低水平巷道，使得上行通风系统中的围岩散热和机电设备散热不到达工作面而被直接带出巷道，从而改善了工作面的环境状况。一般来说，相对于上行通风方式，下行通风方式可使温度较高的工作面温度降低约3 ℃[6]。

(4)开采工作面的通风形式一般可以分为U型、E型、W型、Z型和Y型，其中W型和Y型均设置有2条进风道，相比其他通风形式，该2种通风方式的通风阻力较小，采空区漏风也有一定程度下降，有助于改善井下作业环境[7]。相对于Y型通风方式，W型通风方式能够增加工作面的风量，高温深井中应尽可能设计采用该型通风方式[8]。

2.1.2 减少热源

减少热源可以从减少围岩散热、减少矿岩氧化放热、减少热水放热、减少机电设备放热等方面考虑。

(1)减少围岩散热。任森[9]提出了一种新型围岩隔热材料，并将其覆盖于巷道围岩表面，再在隔热材料上安装蛇形管道的换热袋，管内以空气作为工作介质，管外充水，实践表明，有助于减少围岩传热量。

(2)减少矿岩氧化放热。可选择抑制氧化的物质降低氧化速度，针对硫化矿岩低温即可氧化自燃的特性，崔伯林等[10]通过在CaO、NaCl等碱土金属盐类或碱类物质中加入有机物，特别是加入表面活性物质，可使矿岩表面活性面积明显减少，从而可以达到抑制矿岩氧化放热的目的。

(3)减少热水散热。采用隔热管道超前疏导热水，将高温排水管敷设于回风道。

(4)减少机电设备放热。可选用风扇对机电硐室进行独立通风[11]。

2.2 制冷降温方法

矿井降温技术发展已有80余年历史，1920年在巴西的莫劳·约理赫金矿建立了世界上第1个矿井空调系统；1923年英国彭德尔顿煤矿第1次在采区安设制冷机冷却采面；1953年在洛伯尔格矿井下安装大型风流冷却设备；20世纪60年代南非大型矿井开始采用集中式空调降温方式；1985年11月南非首次采用冰做载冷剂；1989年南非金矿建成了压缩空气制冷空调系统；同年波兰研制出涡流管式空气制冷装置[12]。我国于1964年首次在淮南九龙岗矿安装了矿井局部制冷降温系统[13]；1981—1985年，山东孙村煤矿在井下设计安装了首套集中式降温系统，随后平顶山八矿在井下安装了集中式制冷系统；1992—1995年，山东孙村矿设计了地面集中降温系统；1995年，陈平[14]提出矿井压气式空调系统；2002年，孙村煤矿采用井下集中式降温系统；2007年，平煤四矿建造了热—电—乙二醇矿井制冷系统；同年何满朝研发的HEMS降温系统被应用于夹河煤矿中，总体而言，我国矿井降温技术近年来得到了不断完善和发展。

传统降温系统根据制冷站的安装位置可以分为井下集中空调系统(制冷机设于井下)、地面集中式空调系统、井上下联合空调系统(制冷机分别设置于地上和地下)、井下分散式局部空调系统(可移动式空调系统)。地面集中式空调系统可以分为地面冷却风流系统(全部设备安装于地面)和井下冷却风流系统(制冷机设置于地面)[15]。根据载冷剂的不同可以将矿井空调制冷技术分为蒸汽压缩式、空气压缩式、人工制冷水、人工制冰空调降温技术[16]。该类降温方法在我国已得到了广泛应用，但随着近年来矿井热害日益严重，传统制冷降温方法的能效比低、制冷效率低、降温效果不明显等不足日益显现，在此背景下，一批新型的矿井降温方法得到了研究和应用。

2.2.1 HEMS降温系统

对于涌水量大的高温深井，HEMS系统是一种能源循环利用、环保高效的降温系统。该系统通过提取高温矿井涌水中的冷量，获得低温水与工作面的高温空气换热和更高温的水给地面供热(图1)。夹河煤矿采用了HEMS降温系统，采煤工作面温度降低了4～6 ℃。其原理是将25 ℃矿井涌水作为冷源，通过HEMS-Ⅰ制冷工作站制取-1 ℃水和38 ℃水，其中38℃水可以作为地面供热用水，-1 ℃ 水经过管路变为0 ℃，再通过HEMS-PT压力转换工作站水温变为5 ℃，5 ℃水再经过管路变为6 ℃，6 ℃水在HEMS-Ⅱ降温降湿工作站与30 ℃风混合，将18 ℃的风流输送至工作面上，从而达到降温效果；6 ℃ 水升温至11 ℃后，经过管道变为12 ℃，12 ℃水通过HEMS-PT压力转换工作站水温变为5 ℃，5 ℃水再经过管道变为6 ℃水返回HEMS-Ⅰ制冷工作站实现上下2个循环过程。根据该降温系统，我国建立了第一个深部科学与工程实验室(DUSEL)，该实验室是为了供国内外学者研究深部矿物能源问题而建立的现代化实验室，我国夹河煤矿配合DUSEL研究中心与调度室的实时监控，在深井制冷方面取得了显著的实践成果[17-19]。

图1 HEMS系统工作流程

2.2.2 冰制冷降温系统

冰制冷降温系统通过在地面制取冰块/冰片/冰粒/冰泥，并将其通过垂直输冰立管输送至井下蓄冰池，取蓄冰池中0 ℃冷冻水作为综采面换热和井下喷淋、打钻机械等辅助用水，空冷器换热后的回水返回至蓄冰池起到融冰作用。该系统较冷水系统而言需水量更少、能效比高、设备功率小，因此更加节能。平煤六矿和孙村煤矿采用的降温系统便为冰制冷降温系统，其主要的制冷设备均安装于地面，井下仅有水泵、空冷器等少量设备，整个系统维护方便，可满足安全生产要求[20-23]。冰制冷降温系统的工作流程如图2所示。

图2 冰制冷降温系统工作流程

2.2.3 热—电—乙二醇制冷系统

热—电—乙二醇制冷系统是利用低浓度瓦斯发电的高温烟气余热，采用乙二醇作为冷媒的低温制冷系统，可针对不同的热害情况选择相应的工作模式。该系统利用瓦斯发电的余热通过溴化锂机组制成5.2 ℃乙二醇溶液，通过乙二醇机组继续降温乙二醇溶液至-3.4 ℃，降温后的乙二醇溶液通过换热器进行换热，换热器的低温水输送至空冷器给井下工作面降温，降温后的回水通过换热器导入溴化锂机组进行再利用(图3)，该过程可根据具体热害情况进行相应调节[20]。该降温系统运行成本低廉，工作稳定，适用于各种热害的矿井，降温效果较好。平煤四矿采用热—电—乙二醇制冷系统后，采掘工作的面温度降低了7～8 ℃。

图3 热—电—乙二醇制冷系统工作流程

2.2.4 矿井移动式冰蓄冷空调

矿井移动式冰蓄冷空调是冰冷却技术和移动式空调技术相结合的产物，从进风巷道传入的热湿空气通过风筒被输送至空调器降温后，再将冷空气输送至工作面。将制冷站制取的冰块置于储冰箱内并连接空调水系统，储冰箱与空调泵车管道连接，经过换热后的回水经过储冰箱降温后，再通过供水水泵输送回空调器进行循环，多余的水通过喷嘴将雾化水喷入局部巷道对空气进行降温除尘。该系统各部分都安装于矿车上，处理后的空气可以直接送入工作面，既减小了处理冷负荷，又提升了热湿交换效率。该型降温设备便于安装和管理，可以重复使用，投资小，可满足采掘面复杂环境的降温要求[24]。

2.2.5 分离式热管降温除湿技术

矿井湿源包括由地表大气及井下含水量引起的自然湿源以及采掘过程中的冷却降温和降尘用水导致的蒸发散热、采区充填溢流水蒸发散热、排水设施蒸发散热等因素引起的人为湿源[25]。对于高温高湿矿井，空冷器时常无法高效除湿，由于矿井除湿耗冷量显然多于降温的耗冷量，分离式热管降温除湿技术是集降温与除湿作用于一体的技术方法，在地表制冷站布置热管的冷凝段，井下围岩处布置热管的蒸发段，可实现新风二次降温除湿和回风的降温除湿，有助于大幅提升井下工作人员的舒适性(图4)[26]。

图4 分离式热管降温除湿技术流程

2.2.6 载/蓄冷功能性充填体相变降温

充填采矿法是一种应用于围岩不稳固、地表需要保护或开采高品位矿床的常用方法，充填的目的是保护岩层，保护地表，提供继续回采的平台，确保最大限度的回收矿产资源[27]。王美[28]等提出了一种载/蓄冷(CLS)功能性充填方法，其充填材料中加入了具有降温性能的载/蓄冷介质，对于国内外应用广泛的上向水平分层充填法，其降温过程可以分为3个阶段，降温初期充填体降温能力最强，制冷性能最佳，降温中期充填体降温能力下降，制冷性能一般，后期采场开采完毕，开始上部矿体开采时，原先的充填体降温吸热过程结束，再将新的载/蓄冷功能材料送入采空区，便可继续进行采场降温。这对载/蓄冷介质的性质提出了较高要求，选用的充填材料应能够通过相变吸收大量潜热，并且相变温度须满足矿井降温、矿井工作人员的舒适性、化学性质稳定、成本低廉等要求。载/蓄冷功能性充填体相变降温方式大大降低了敷设传统制冷系统的费用，传热效率较高，有助于降低自燃性矿床发生火灾的概率。

2.2.7 蓄热充填体深井吸附降温

对于深井充填体，陈柳等[29]提出了一种利用充填体的热能通过转轮除湿机对矿井空气进行减湿处理的思路，包括空气处理系统、充填采热系统和矿井水系统3个部分。空气处理系统将经过3级表面式冷却器降温和2级转轮除湿机交叉除湿获得的低温低湿空气送入采区工作面；充填采热系统中的热源可与空气进行换热；天然的低温矿井水经过处理泵入3级表冷器，与高温空气换热后的高温回水可作为排水热利用。该系统采用充填热源来降低矿井空气湿度，利用地下矿井水降低矿井空气温度，充分利用了矿井自然条件，因此大幅降低了矿井降温系统能耗，可有效实现矿井降温除湿，其工作流程如图5所示。

图5 蓄热充填体吸附降温流程

2.2.8 基于PED的地面集中矿井降温系统

王玉杰等[30]提出的基于PED的地面集中矿井降温系统是在地面集中制冷降温系统的基础上添加了高低压转换装置(PED)，该装置的作用是将高压冷水的压力降低至能够供给末端空冷器使用的低压，同时确保冷水温度基本不升高。该系统基于自动控制原理实现高压输冷、集中供冷和地面排热的综合控制，降温效果较好。此外，该控制系统也可以根据末端空冷器的出风温度，调节进入空冷器的冷水流量，确保井下工作环境舒适，同时也在最大程度上节约了冷水流量，节能效果较好。

2.2.9 个体防护

个体防护方式一般采用降温服对人体进行直接降温。人体降温服是一种通过制冷降温装置对人体微气候区进行降温来抵抗外界热环境，维持人体热平衡的服装。降温服一般有气冷降温服、相变降温服等类型。矿井热环境下个体防护降温方式初期投资少、使用便利、不受地点约束，应用前景较广阔。

3 展 望

目前，矿井热害治理方法主要有非制冷降温和制冷降温2类，往往综合2种方式进行降温实践。对于热害问题严重的矿井，以制冷降温为主，非制冷降温为辅。在制冷降温法中较为新颖的方法为利用天然冷源矿井涌水的HEMS降温系统、利用高品位冷能的冰蓄冷降温系统、利用余热的热—电—乙二醇降温系统、利用非能动循环的分离式热管技术降温系统以及利用充填体的载/蓄冷降温系统和吸附降温系统。通过比较发现，上述各降温系统性能各异，适用范围有所不同，例如对于高湿矿井可以尝试采用蓄热充填体深井吸附降温方法或分离式热管除湿技术进行处理。对于深井热害治理，应该根据矿井实际情况因地制宜地对非制冷降温方法和制冷降温方法的组合方式进行综合优化设计。本研究认为深井热害治理领域的研究方向主要为：

(1)结合矿井可利用资源的特性化降温系统研究。综合分析利用天然冷源矿井涌水的HEMS降温系统和利用余热的热—电—乙二醇降温系统可知，利用矿井环境中的“冷”和“热”资源可实现矿井有效降温，并降低能耗。因此，进一步发掘矿井环境中的冷热源并用于降温，是创新深井降温方式的重要途径。此外，对环境资源的利用不仅局限于热能，结合开采工艺特点提出特性化降温方法是创新深井降温的另一个重要途径，如对于采用充填采矿法的矿井，利用充填体并结合蓄冷或吸附降温方法，能够有效降低降温系统能耗及设备投资，但目前该方法仍处于理论、技术研究阶段。

(2)降温系统整体能效及经济性评价方法研究。面对形式各异的深井降温方法，选择综合性价比最高、绿色、安全的降温方法是以科学严谨的能效及经济性评价为前提。而目前针对矿井降温系统的科学评价方法极为缺乏，普遍参照建筑HVAC(供暖通风与空调)评价机制，导致评价结果无法有效指导矿井降温系统设计。因此，应该针对现有的矿井降温方法，剖析其能量转化和转移环节，制定出一套科学的、可操作性的能效及经济性评价方法，为矿井降温设计提供可靠依据。

参 考 文 献

[1] 李树刚，林海飞.煤矿灾害机理[M].徐州：中国矿业大学出版社，2014.

[2] 易 欣.矿井季节性热害预测与降温方法研究[D].西安：西安建筑科技大学，2015.

[3] 陈效友.高温深井降温技术及其经济性研究[D].淮南：安徽理工大学，2013.

[4] 陈宜华.深部矿床开采地热成因及降温技术研究[D].沈阳：东北大学，2012.

[5] 王志军.高温矿井地温分布规律及其评价系统研究[D].青岛：山东科技大学，2006.

[6] 林传军.利用下行风技术治理深井高温热害[J].矿业安全与环保，2005，32(1)：53-54.

[7] 王彦凯，李 兵，郗福锁，等.W型和U型通风方式的比较[J].煤，2000(6)：46-47.

[8] 吴勇华.矿井气候环境的综合评价[J].陕西煤炭，2002(2)：3-6.

[9] 任 森.新型矿井热害防治措施初探[J].煤矿安全，2012，43(12)：177-179.

[10] 崔伯林，宋学义.硫化矿岩氧化阻化剂研究[J].湖南有色金属，1990(6)：1-3.

[11] 陈安国.矿井热害产生的原因、危害及防治措施[J].中国安全科学学报，2004，14(8)：3-6.

[12] 高志鹏.矿井降温技术研究现状及展望[J].应用能源技术，2014(11)：38-43.

[13] 严荣林，侯贤文.矿井空调技术[M].北京：煤炭工业出版社，1994.

[14] 胡军华.高温深矿井风流热湿交换及配风量的计算[D].青岛：山东科技大学，2004.

[15] 刘忠宝，王 浚，张书学.高温矿井降温空调的概况及进展[J].真空与低温，2002(3)：8-12.

[16] 黄瑶瑶.矿井制冷降温技术发展综述[J].科技与企业，2016(6):194-195.

[17] MAN C. Application of HEMS cooling technology in deep mine heat hazard control[J].International Journal of Mining Science and Technology,2009,19(3):269-275.

[18] 樊九林.HEMS系统降温技术在深井开采中的应用[J].煤炭科技，2007(4)：63-64.

[19] LESKO K T. The US National Science Foundation's deep underground laboratory at Homestake-DUSEL[J].Journal of Physices,2008(5):11-16.

[20] 卫修君，胡春胜.热—电—乙二醇低温制冷矿井降温技术的研究及应用[J].矿业安全与环保，2009，36(1)：20-22.

[21] 亓玉栋.矿井冰制冷降温系统能效测试与诊断[D].青岛：山东科技大学，2010.

[22] 赵运超，石发恩，刘小生，等.提高矿井制冷系统能效的探讨[J].广西大学学报(自然科学版)，2012，37(2)：387-392.

[23] 菅从光，卫修君，乐 俊.冰制冷降温系统经济性运行分析[J].矿业安全与环保，2008，35(4)：33-34.

[24] 张琳邡，纪 河.矿井移动式冰蓄冷空调的应用研究[J].科技创新与应用，2016(8)：29-30.

[25] 白 银，王长彬.高家堡煤矿热湿源分析与控制技术研究[J].能源与环保，2017，39(5)：170-174.

[26] 张亚平，王 美，郝改红.矿井降温除湿系统的热力学分析[J].煤炭技术，2016，35(10)146-148.

[27] 张钦礼，王新民.金属矿床地下开采技术[M].长沙：中南大学出版社，2016.

[28] WANG M,LIU L,CHEN L,et al.Cold load and storage (CLS) functional backfill for cooling deep mine[J].Advances in Civil Engineering,2018.

[29] 陈 柳，刘 浪，张 波，等.基于蓄热充填体深井吸附降温机理[J].煤炭学报，2018，43(2)：483-489.

[30] 王玉杰，陈孜虎.基于PED的地面集中矿井降温系统应用研究[J].矿山机械，2016，44(11)：70-73.