深井热害分析与控制技术研究进展

崔益源，李 坤，梅国栋，卢 尧，李垚萱

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 102628；2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628)

矿产资源作为人类社会的基础物质之一，其合理开发与高效产出对国家的发展建设具有至关重要的战略意义。随着经济建设的逐步深入，浅部矿产资源开发已无法满足我国日益增长的需求，大部分矿山企业进入深部开采阶段。随着开采深度的逐渐增加，深井热害问题日渐凸显。深井热害不仅会诱发矿物(特指煤)自燃造成重大的生产安全事故；同时，极端热环境对工作人员造成的生理压力也是不容忽视的重要问题。目前，我国已有千米深矿井近百座，某些非煤矿山工作面温度甚至超过35 ℃，相对湿度接近100%[1]。

对矿井热害的研究始于1740年，法国科学家首先对Belfort地区的金属矿山进行了地温观测[2]。随后，英国、南非、西德等国家也相继开展了矿井热力学的理论研究，并提出了调温圈、制冷降温等概念，建立了矿井热害研究领域最初的理论基础。随着矿井开采深度的逐步加深，热害问题在全球矿业领域凸显严重，引起了学者的广泛重视，矿井热害的研究也从简单的地温监测扩展为岩石-风流热交换、风温预测、湿热计算等方面。时至今日，矿井热害已成为一门多学科交叉、理论研究与工程实践相结合的综合性研究课题。

本文简要综述地下矿山常见热源的成因，以及现阶段在深井热害规律、评价及治理方法方面取得的研究成果，并结合目前科学技术进展，对深井热害规律及治理研究的发展方向提出自己的看法。

1 金属矿山深井常见热源分析

尽管不同矿井的高温热害程度有所差别，但是热源构成基本一致，主要有围岩散热、空气自压缩热、机械设备放热和爆破放热，随着充填式开采技术的推广和普及，充填体水化放热也成为深井热害的一种新型热源。图1为板溪锑矿井下热源放热量比例。

图1 板溪锑矿井下主要热源分布Fig.1 Distribution of heat sources of Banxi antimony mines

1.1 围岩散热

围岩散热是最为直接与重要的井下热源，其放热量可占井下热源放热总量的40%～50%。围岩的温度随着采掘深度的增加而增加，围岩温度的变化规律可分为两个阶段，分别为线性变化阶段和非线性变化阶段。图2为夹河矿地温分布图，在0～700 m阶段，温度呈线性变化；700～1 200 m

图2 夹河矿开采深度与地温关系图[3]Fig.2 Relationship between depth and ground temperature in Jiahe mine

呈非线性变化，特别是当开采深度超过1 000 m时，非线性特征显著增加，矿井围岩温度上升速度极快。

围岩对矿井热环境的影响体现在对风流的加热作用上，围岩向风流传热的方式有两种，一种是岩石圈的热传导，另一种是借助地下水蒸发形成的热对流。对流散热常常出现在地下水较为丰富的矿井中，而热传导则是普遍存在的围岩散热方式。封闭的原岩体温度是一个恒定值，当地下岩石圈首次暴露于矿井空气环境中时，便与风流发生热交换，围岩热流量的传导是一个缓慢的动态过程，随着时间的推移，被冷却的岩石圈范围逐步扩大，形成稳定的温度场，与风流的热交换也趋于稳定。

1.2 空气压缩散热

空气的压缩过程主要指的是入井口空气沿巷道流入矿井深部，由于必然会向下流动，流动过程中必然会产生气柱压力，速度增大导致空气动能转化为自身重力势能，重力势能又转化为焓，导致空气自身温度上升的一个过程。空气压缩虽然不是常规意义的井下热源，但产生的效果与主要热源相差不大。文献[4]对东滩煤矿井下风流进行了监测，监测结果表明，由于空气的压缩热作用，风流下井口较上井口温度升高了接近3℃。

由于空气压缩热源是不可抵消的，随着深度的增加会越来越大，所以空气压缩热源对于整个深部矿井的热源十分重要。对于高深矿井，风流流经矿井时，风流压缩产热是不可忽略的。如果竖井是潮湿的，风流热焓增值中仅仅只有一部分使温度升高，而另一部分被水的蒸发所吸收，使风流中水蒸气含量升高。据统计资料显示，在热焓增值中64%用于温度升高，36%被水分蒸发所吸收。实际上，在进风井中深度每增加100 m，风流的温度增加0.8 K，比干燥空气绝热压缩时的理论值低20%。

1.3 机械设备放热

现代井工作业过程中，大型机械设备的使用量与日俱增，地下开采和掘进过程中所需的车辆、大型凿岩设备及供电设备都是较为常见的机械热源。

机械热源对矿井的整体热环境影响不大，但对某些特定区域有较大影响，如掘进工作面本身通风效果差，大型凿岩机功率高、发热量大，造成掘进工作面温度普遍偏高；变配电硐室设有大量供电设备，释放出较大热量，对硐室内部环境影响较大，如没有较为适当的温度控制措施，会对配电硐室工作人员造成较大生理影响。

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总体来说，机械设备热源一般呈点式分布、区域性特征明显，因此需要对井下某些地点进行重点温度监测。

1.4 井下爆破放热

爆破是金属矿山的常见开采方式，炸药爆炸的瞬间产生的高温也是井下不可忽略的热源之一。通常爆破作业的工序是在所需崩落的目标岩体上打眼，然后装入炸药引爆，这使得爆破放热存在两种形式：一部分热量迅速扩散到空气中，随风流移动；另一部分热量由于与岩体直接接触，影响了围岩的温度，从而形成了一个小型的固定热源，这部分热量需要一个较长的时间才能全部释放到井下的风流中。

1.5 充填体放热

近年来，随着安全和环保要求的逐步提升，对采空区进行妥善处理成为地下金属矿山开采的一个重要课题，充填式开采已经在越来越多的矿山企业得以推广。充填式开采可以有效回收矿柱、提高采出率，同时保护了采空区的顶板，采出的废石也得到了有效处置。目前，充填体一般采用水泥与石灰组成的复合凝胶，充填体胶结的是一个放热过程，散热量较大，因此充填体水化放热成为深井开采的一种新型热源，必须加以重视。

充填体热源的放热规律有别于上述热源。首先，充填体与围岩一样是一种固定的热源，但充填体的放热规律却更加复杂，这是由于充填体水化涉及一系列物理和化学变化，使得充填体在不同时间段的发热量不同。同时，根据填充强度需求差异，充填体原料的配比也不尽相同，也成为了影响充填体放热规律的一个重要因素。采空区的填充往往是分阶段、分区域进行的，这使得不同充填体处于不同的放热阶段，当新充填体处在放热量上升阶段时，老充填体很有可能已经处在热量衰减或停止放热阶段，从而增加了区域热环境变化的复杂程度。

充填体放热不仅影响工作面工作人员的生理健康状况，还会对生产安全造成重大影响，水化热来不及放出越积越多时，极容易造成充填体膨胀开裂，导致充填质量下降，甚至造成采空区塌陷等灾难性后果，因此必须对充填体放热进行重点监控。

2 矿井热运动规律研究

在了解深井热源的构成及放热原理的基础上，对矿井热运动规律进行研究有助于确定高温监控的重点区域，并有针对性地制定切实可行的深井降温方案。目前，对矿井热运动规律的研究主要集中在围岩放热规律和机械设备放热规律两方面。

围岩与风流之间的热量传递是一个非稳态过程，围岩暴露初期，岩体的整体温度一致，随着时间的推移，巷道壁外部不断向环境中释放热量，形成温度差，岩体深部的热量不断向外传导，供应巷道壁流失的热量。当通风时间足够长时，围岩与风流间的热交换保持稳定。根据温度场的不同可以将围岩体划分为恒温圈和调热圈，如图3所示。

图3 围岩体温度场Fig.3 Temperature field of strata

目前，国内外对深井巷道的温度场研究较多。文献[5]采用理论分析和数值模拟的方式研究了巷道围岩的温度场，研究结果表明围岩的调热圈半径与通风时间的平方根呈线性关系；文献[6]对围岩的非稳态温度场进行了有限元分析，在靠近巷道壁的附近，围岩内部等温线与巷道形状相似，围岩深部的温度场受原岩应力和非匀质特性影响，呈现类似椭圆的不规则形状。文献[7]采用了Comsol Multiphysics多物理场耦合模拟软件研究了渗流水对围岩温度场的影响。

在实际应用中，学者们更关心巷道壁对风流的传热作用，因此在多年来的研究成果中建立了许多围岩与风流热交换的数学模型[8-10]。巷道壁热量的释放可以归结为岩石的热传导系数问题，也有许多学者围绕热传导系数的测量展开了一系列研究，如文献[11]采用钻孔取岩的方式，测试了三山岛金矿巷道围岩的热传导系数，并借此分析了围岩的放热量；文献[12]考虑了岩体含水情况下巷道壁的导热系数；文献[13]对不同深度原岩进行钻孔测温，并采用反演原理得出了矿井的地热场分布；文献[14]测量了通风速度及通风时间对围岩散热系数的影响。

3 矿井热害评价及防治

3.1 热害评价技术

矿井热害评价描述井下作业人员对矿井热环境的可接受水平，主要表现在矿井的热舒适度。热舒适度是指人体对热环境的接受程度[18-19]，由于存在个体差异，最佳的热舒适度不是一个固定值。不同的国家和标准对热舒适度也有不同的规定，但总体而言，热舒适度应满足大多数工作人员对热环境的接受程度。例如，美国暖气和空调工程师学会[19]将热舒适条件定义为“80%处于静坐或少量活动状态下的工人感到可接受的热环境条件”，并将热舒适环境定义为3个参数：出汗率处于可接受状态、人体热平衡保持可接受状态、皮肤温度保持可接受状态。

文献[20]从人体的代谢率、机械设备功率、皮肤热传导率和人体热存储量等角度建立了一个综合的热评价模型，得到了不同温度下人体最大失水率；文献[21]描述了一种热舒适度评价方法，建立不同风速、温度与人体出汗率及皮肤最大湿度之间的关系，从而实现工人热暴露时间的预测，并得出了保证矿工热舒适度的最佳风速；文献[22]结合了多种前人评价的指标及公式(如湿球温度[23]、非舒适度[24]、改进非舒适度[25]等)，提出了适用于地下矿井工人热舒适度评价的热符合指数和评价标准；文献[26]以50名井下热害作业人员和15名无热害作业人员作为研究对象，探讨了深井热环境与工人热疾病之间的关系，并对研究对象在热环境中工作前后的生理指标进行了分析，得到了深井热害对矿工生理的影响。

3.2 热害防治技术

热害防治技术分人工降温技术和非人工降温技术。对于深度不大、热害不严重的矿井往往采用非人工降温技术；对于深度大、热害严重的矿井，非人工降温技术无法满足需求时，必须采用人工降温技术。

1)非人工降温技术

目前，矿井非人工降温技术包括通风降温、热源控制、个体防护等。

通风降温主要包括优化通风网络和加强通风。其中，优化通风网络属于整体降温方案，由于矿井热环境是通过井下风流与人体直接接触的，因此改善井下空气条件是最直接的降温方式。通过通风网络设计，采用风路较短的通风系统，风流就不会过多的与岩石接触，从而缩短了空气被加热的时间。同时，根据对原岩放热量进行分析，使风流尽可能多的流过较低温度的岩层也可以实现风流降温。文献[27]采用Ventsim软件建立了矿井通风系统三维仿真模型，真实反映了井下风流状况和高温环境现状，并在基础上通过通风网络结构优化实现了深井热害治理；文献[28]采用了多级基站通风设计，通过对通风网络优化解算，进行了各基站风量的确定，经实际检验取得了较好的效果，将井下作业面温度控制在26 ℃以下。

热源控制技术主要应用在围岩散热的控制上，该技术主要采用隔热材料进行巷道刷帮，使原岩与井下空气环境隔离，这样原岩的热量便不会传导至空气中，从而达到了热害治理的目的，是一种主动防控技术。文献[29]在计算高温热害隧洞温度场的基础上，在围岩变温圈与混凝土衬砌之间添加了硬质聚氨酯泡沫隔热层，并对隔热层的设计参数进行了数值计算，取得了较好的降温效果；文献[30]以硅石灰为基料，水泥为胶结料，研制出了一种密度较小、导热系数低的井下热源屏蔽材料。经过实际测试，该材料可降低巷道温度5.2 ℃，降低工作面温度3.3～3.5 ℃，具有良好的降温效果；文献[31]介绍了冒泡复合隔热材料，通过正交试验确定了原料的最佳配比，并在霄云矿进行了测试，使巷道出口气流平均温度降低了5 ℃；文献[32]也采用膨胀珍珠岩复合材料研制出了一种巷道围岩和排水沟的隔热材料。

个体防护降温措施立足于矿工本身，通过研制矿工个体防护装备，来抵抗矿井恶劣的热环境条件。这种方式虽然不能从根本上解决深井热害问题，但就保护矿工生理健康的角度而言，是最经济最高效的方法。目前，个体防护降温措施的研究主要集中在降温服的研发和革新。文献[33]采用涡流管冷端降温技术，研制了一种便携式降温马甲，与传统降温服相比，更为轻便灵活，制冷效果更好，经现场试验测试，冷端降温可达1.2 ℃，续航能力36 min；文献[34]提出了半导体制冷技术，运用该项技术研制的制冷服的主要特点是：无管路，不存在填充物泄漏问题；无制冷机，不存在震动和噪声；制冷单元小巧，质量较轻，可根据需求任意组装制冷单元；文献[35]研发了一种新型气动制冷冰箱，井下制冷温度可达到-18 ℃，与降温服配合可有效实现矿井高温个体防护。

2)人工降温技术

人工降温技术是采取主动措施，从根本上改善矿井热环境的技术方法。该方法主要是利用热力学中的逆卡诺循环，将热量从低温物体向高温物体转移，即人工制冷。人工降温是涉及热力学、流体力学和空调工程的综合型技术，在尺度较大的地下矿山空间，制冷效率和制冷费用都是需要着重考虑的。

人工降温技术可分为水冷技术和冰冷技术，其中水冷技术就是矿井空调技术的应用；冰冷则是采用制冰机，将冰块输送到井下，利用冰水相变吸热实现降温。相对而言，水冷技术工艺较为简单，循环性更好。我国比较有代表性的水冷技术成果是何满潮院士开发的HEMS降温系统[36-41]，该系统的工作原理是利用矿井各水平的现有涌水，采用能量提取装置提取涌水中的冷量，作用于矿井工作面，实现降温；同时将置换出的高温传送至地表，用于供热和洗浴等。HEMS降温系统具有高效、节能、环保的独特优势，在我国众多热害矿井中得到了推广和应用。文献[42]提出了一种相变材料微单元的设想，用于深井循环管路降温系统，该设计以三水合醋酸钠作为降温媒介，制成PCM微单元，以水力输送的方式实现相变材料的循环运转，解决了冰-水相变法冷量损失大、管道易堵塞、运行成本高等问题。

4 矿井热害研究发展新方向

回顾矿井热害研究的发展过程，体会近年来矿井热源放热规律、环境热运动规律及热评价及防治技术的研究成果，笔者认为矿井热害研究发展的方向如下：

1)围岩温度场变化规律和原岩与风流的热交换规律仍然是研究矿井热环境的关键性科学问题。从实验和实测的角度建立围岩变温圈和热耦合数学模型，确定关键计算参数有利于更进一步了解矿井热害的发展变化规律，为其高效的治理提供理论基础。

2)随着数值仿真技术的快速发展，ANSYS、Comsol Multiphysics、Ventsim等商业软件的普及，使矿井热害的研究趋于局部化、具体化，越来越多的研究开始立足于工程和生产过程中的实际问题，有针对性地解决区域高温难题。同时，数值仿真可以作为现场监控监测的辅助手段，对矿井异常高温状态区域进行预测和预报。

3)目前，对矿井热源放热规律的研究还较多地集中在围岩体放热和机械设备放热方面，对爆破放热以及充填体水化放热的研究还较少。爆破放热和充填体放热受风流影响大，具有较强的时空变化特性，虽然对矿井整体热环境影响不大，但可能造成区域“热涌”，对井下工作人员造成较大影响，因此必须加以重视。而数值仿真技术的发展大大缩短了研究时间和研究成本，为该方向的研究提供了方法基础。

4)解决深井热害问题的根源还在于热源的控制与热环境的改善。因此，大力发展隔热材料和人工降温技术才能从全局的角度解决根本性问题。然而，隔热材料和人工降温技术的开发和应用是一个系统工程，需要较大的时间成本和经济成本，因此，局部热害防治技术和个体防护技术也应该同步发展。结合数值仿真的区域热害分析与处理技术成本低、周期短、效率高，其得天独厚的优势会在未来矿井热害治理领域扮演重要角色。

5 结论

深井热害的主要热源包括围岩放热、空气自压缩热、机械放热、爆破放热和充填体水化放热5类。热源放热规律、热害评价和热害防治技术是深井热害所要研究的3个关键性科学问题。在以往的研究中，国内外学者取得了一定的成果。数值仿真技术的快速发展为深井热害研究提供了新的方向：关注热环境时空变化规律，寻求整体和局部热害控制相结合的高效降温方法。