山东黄金集团深部矿山热害特征与治理措施研究

2022-06-28陈科旭孙玉强陈宜华4

现代矿业 2022年5期

陈科旭程力孙玉强陈宜华4

（1.山东黄金集团有限公司深井开采实验室；2.山东省深海深地金属矿智能开采重点实验室；3.招金矿业股份有限公司；4.安徽工业大学能源与环境学院）

金属矿产资源综合开发利用，既可助推国民经济的迅猛发展，又能促进社会物质文明与科技进步［1-2］。但由于浅层资源的匮乏，越来越多的矿井正逐步进入深部开采阶段［3-4］。据统计，未来10 a 内我国三分之一的地下金属矿山开采深度将达到或超过1 000 m，其中最大的开采深度可达2 000～3 000 m［5-6］。对于深部开采定义的探讨，学术表达为深部开采应综合反映深部的应力水平、应力状态和围岩属性，且地应力随采深增大，岩爆发生频率明显增加［7-9］，金属矿山深部一般界定为采深超过800 m［10］。随着采深增加，高温热害问题将愈发突出。文献［11-12］指出，当矿井温度超过一定值后，每增1 ℃，井下工伤事故上升5%～14%，工人的劳动效率将降低7%～10%，井下机电设备故障率增加1 倍以上。谢和平院士［13］指出，千米以下矿山采掘工作面温度高达35 ℃以上，空气相对湿度达90%～100%，且随着井下温度升高，事故率呈急剧增大趋势。因此，深井热害治理技术将成为制约矿山深部安全高效开采的关键问题之一，也是目前千米以下黄金矿山深部开采亟需解决的技术难题［14-15］。

鉴于此，以山东黄金集团深部开采矿山为背景，详细分析典型黄金矿山通风降温现状、热害成因及热源分布，结合国内外矿山采取的通风制冷降温方式，重点对典型矿山取得的成果进行梳理和总结，以期为同类深部矿山开采高温热害治理提供借鉴。

1 山东黄金典型矿山通风降温现状

山东黄金集团在矿业领域以国际一流示范矿山建设引领矿业转型升级，在山东胶西北地区建成了世界级黄金生产与资源储备基地，目前山东黄金集团共有26 座矿山，其中，山东省有7 座采深超800 m 的矿山，采深超800 m 的矿山分布如图1 所示。这些矿山呈现出不同程度的高温高湿热害现象，施工作业环境恶劣，生产效率低，并严重影响工人身心健康。

通过现场调研并查询相关矿山资料，归纳总结了三山岛金矿、新城金矿、玲珑金矿、沂南金矿等典型矿山通风系统及风机参数，具体如表1所示。

表1 山东黄金典型矿山通风制冷降温现状

由表1可知：

（1）除沂南金矿外，其余矿山典型开采区域都在-660 m 水平以下，采深均超过800 m。除金洲矿业外，采掘工作面温度均超过33 ℃。根据《矿井降温技术规范》（MTT 1136—2011）中4.1.3规定，热害井田应按采掘工作面的风流温度划分3级：一级热害矿井为28 ℃～30 ℃；二级热害矿井为30 ℃～32 ℃；三级热害矿井≥32 ℃。因此，除金洲矿业为二级热害矿山外，其余矿山均为三级热害矿山。

（2）山东黄金矿山基本采用机械抽出式通风，即将主扇风机设在回风巷中，通过单翼对角式、两翼对角式等多级机站通风技术将污风排出地表。在局部独头掘进位置多采用压入式通风，将局扇风机设在掘进巷道进风巷中，通过柔性风筒将新鲜风流压送到工作面，风筒内压力大于巷道内压力。

（3）目前山东黄金矿山采用的主要通风降温措施是加大通风量、加大风筒直径以及加大局扇功率等。制冷降温措施主要依靠水冷空调降温设备、冰冷降温设备（或制冰机）等方式。

2 热害特征与热源分析

矿井热害是指井下作业环境的空气温度超过国家规定的卫生和安全标准，从而对人体健康、生产和安全造成危害［16］。高温热害是矿井生产向深部发展过程中不可避免的问题，而充分认识和了解热害致因可为改善矿井高温环境提供治理方向。

2.1 山东黄金矿山热害特征

随着山东黄金矿山开拓深度加大，生产作业必须克服独头巷道内高温高湿的恶劣环境［17］。受资料收集限制，图2仅显示山东黄金典型矿山开拓深度和工作面温度分布。

由图2 可知：山东黄金典型矿山开拓深度已超800 m，其中，三山岛金矿、金洲矿业、鑫汇金矿高达1 100 m 以上。除金洲矿业通风系统工程贯通外，其余矿山掘进工作面温度均在35 ℃以上。虽然沂南金矿通风系统工程已贯通且开拓深度仅有-540 m 水平，但受异常温泉带和硫化物矿石氧化影响严重，部分采掘工作面温度达40 ℃以上。

2.2 高温热源分析

尽管千米以下矿井受热害影响程度不同，但热源组分基本一致。文献［19-20］指出，矿井热源主要包括围岩散热、空气压缩热、机械设备散热、地下水散热、矿石氧化散热、充填体散热、爆破产热、人员散热等。图3 为山东黄金某金矿井下热源放热量所占比重。

2.2.1 围岩放热

围岩放热是矿井内巷道围岩与空气热交换增温的主要热源，也是高温热害的根源。根据《矿井降温技术规范》（MTT 1136—2011）中4.1.1规定，井田热害区等级应按原始岩温划分2 级：一级热害区为31 ℃～37 ℃；二级热害区≥37 ℃。如三山岛金矿-1 140 m水平围岩最高温度为38 ℃左右（无通风系统），处于二级热害区。通风系统形成后，该区域围岩最高温度达30 ℃左右。围岩温度随矿井开采深度增大而升高，但每个矿井受不同地质环境影响，地温梯度变化也不尽相同［21-22］。根据前人对地温的统计，地温梯度一般为1.7～3.0℃/（100 m）［23-24］。山东黄金部分矿山地温梯度变化如表2所示。

表2 山东黄金部分矿山地温梯度变化

2.2.2 空气压缩热

空气压缩过程是空气由地面经压缩作用到达筒底，由势能转化为热能，导致空气自身温度上升的一个过程。通过对山东黄金新城金矿井下风流进行检测，风流出井口较风流入井口温度升高了约4 ℃。据统计，地层深度每增加100 m，气流温度值升高0.4～0.5 ℃，空气压缩放热占井下热量的20%［16］。

2.2.3 机械设备散热

机械设备散热在高度机械化的现代化矿井热源构成中占有较大的比重［25］，其特点多为点状、区域状分布，尤其是在掘进工作面、回采工作面、斜坡道以及变配电硐室等影响更为突出。三山岛金矿作为国际一流示范矿山，其机电设备散热约占18%，根据现场实测，当-960 m 中段采场所有柴油设备正常运行时，气流温度从31.7 ℃升到36.5 ℃，温差大约为4.8 ℃。

2.2.4 地下热水散热

地下水通过断层、裂隙及深部热源发生关联时，地下热水会形成局部地热异常区，当该部分受到损伤时，地热水会大量涌出。三山岛金矿热涌水主要集中于F1 断裂带下盘和F3 断裂带处，矿体上部涌水与相应标高巷道壁温度相同，矿体下部热涌水温度平均高于相应标高2 ℃，热涌水温度为38.5 ℃。

沂南金矿-476 m 水平距井口大约200 m 有异常温泉带，水温最高为73 ℃。据现场实测，因通风系统工程已贯通，风速大约在2 m/s。沂南金矿-476 m 水平温湿度见图4。

3 热害治理措施

3.1 国内外矿山热害治理方法

在认清每个矿山热害来源及放热原理的基础上，对各个矿井高温区域进行热环境规律研究，并针对性地采取经济可行的热害治理措施。通过查阅相关文献［26-32］得出，国内外矿山多从源头控制、个体防护、切断热源传播途径、局部制冷降温技术、管理措施等方面对热害进行治理，国内外矿山采用的热害治理方法汇总如表3所示。

表3 国内外矿山采用的热害治理方法

3.2 山东黄金矿山热害治理方法

山东黄金各个矿山结合现场实际情况，采用的热害治理措施有增大风量、制冷降温、其他热害治理措施等。

3.2.1 增大风量

针对矿山多个分散采场同时作业、通风路线长、通风巷道堆积物较多、角联巷道较多造成漏风短路等问题，采用增大风量降温的方法，主要有适当加大风筒直径（如图5，风筒直径须在600 mm 以上）、增大进回风风机功率（或提高风机型号）、更改风机叶片安装角度、长距离独头掘进实施风库接力通风方式、增设通风构筑物［33］（图6）等。

3.2.2 制冷降温

增风降温被认为是最易实现且经济可行的方法［34］，但井巷工程中进回风断面面积以及矿山经济条件也会限制通风系统总风量的提升。当供风量增大到一定程度后，继续增加供风量，则风温的下降将不明显［35］。当生产水平原岩温度低于35 ℃时，增大风量降温的效果较为明显；超过35 ℃时，应考虑其他降温措施［36］。目前山东黄金矿山制冷降温技术多采用水冷却系统、风水混合降温系统、冰冷却系统［37］。

三山岛金矿为解决-1 140 m水平北巷热水区（出水温度53 ℃）独头掘进高温问题［38］，安装了一台水冷却降温设备，如图7 所示。该设备由超导液箱、纯净水箱、高低压换热器和空冷器等部分组成，可克服冷却水进水温度小于50 ℃，水质较差且为高含盐量卤水等问题。现场安装运行后，周围环境温度降至30℃左右，湿度降至70%左右，满足《金属非金属矿山安全规程》（GB16423—2020）中6.1.4 节和6.6.1 节的相关规定。

玲珑金矿安装了一台局部风水混合制冷设备，如图8所示，该制冷设备由压缩机、冷空气输送、热水循环等组成，对作业面空气直接进行制冷降温，产生的热量利用水作为排热介质，通过保温管路将水排至水仓后送至地表。降温前作业面温度为35.7 ℃，湿度为97%，该设备制冷后，温度能达到14 ℃，湿度达60%，风流到作业面后，温度为27.1 ℃，湿度为83%。

新城金矿在采掘作业面局部通风风筒末端安装通风降温制冷箱（图9），该箱内部用2 mm 薄板焊接9个冰块箱，靠近进出口端用2 mm 薄板焊接进出风导流罩，降温制冷装置能够装设9 块冰块，装置内部粘贴隔温材料，箱内加装冰块，使作业面温度由原来的32 ℃降至28 ℃左右，降低了4 ℃，降温效果明显。

沂南金矿采用冰冷制冷系统降温、水冷雾化降温、移动一体式空调降温与通风天井相结合的综合降温技术。其中冰冷制冷系统是指在地表设置制冰站，将制取的冰块，放入冷风气室，通过冰块冷却空气，利用30 kW×3的对旋风机吸入冷风，通过敷设在井筒内的隔热玻璃钢风筒将冷风送入井下各施工中段马头门，各中段设置11 kW 的局扇将冷风通过隔热的胶质风筒输送至各工作面。水冷雾化降温是指利用生产系统通风井-10 m 处的18 ℃恒温冷水，通过供水管路输送至各工作面，通过高压雾化吸热降低工作面温度。移动一体式空调系统降温是针对高温比较严重区域。通过以上综合降温技术的实施，可将工作面的温度由45 ℃～50 ℃降低到35 ℃左右。制冷系统降温与通风天井降温系统见图10。在高温环境恶劣的工作面，采用移动一体式空调降温系统对工作面降温。

3.2.3 其他热害治理方法

在井下，其他可能的热害治理方法主要有人体降温服、切断冷源传播途径、地温岩层预冷技术等。

人体降温服［39］是实现个体保护的措施，此方式虽然不能从根本上解决热害问题，但对工人的生理健康起到至关重要的作用。目前冷却服还在研发阶段，涡流管冷端降温技术［40］的研发将使得气冷式降温服发展更为广阔；液体降温服［41］虽然降温效果较为良好，但液体的重量以及泄露问题一直限制其发展；相变降温服［42-43］因微胶囊技术的产生而得到人们的重视，但寻求一种持续时间较长、调温性能较好的相变材料成为该技术发展的关键。

切断热源传播途径法主要是对高温岩壁填充隔热材料［44-46］，将风筒或水管进行隔热。目前填充材料的支护作用和经济适用性［47-48］尚处于研发阶段，保冷风筒与隔热风筒在井下更为常见。

低温岩层预冷技术是利用恒温带岩层温度对夏天热气流进行降温，降温后的气流进入作业面。此技术要求恒温带有足够长废旧巷道或采空区，能够提供预冷风流的储存场所。金洲矿业金青顶矿区［49］恒温带处于标高+45～+55 m，恒温带温度常年保持12 ℃左右，此矿区利用标高为-155 m 水平以上的浅部岩层预冷入风流，降温效果明显。