采煤工作面風控降溫技術試驗

羅 勇

(煤礦瓦斯治理國家工程研究中心，安徽 淮南232001)

引言

煤是我國的主要能源之一。隨著社會的發展和煤炭資源開發的日益加強，礦井的開采深度不斷增大。目前，世界各主要采煤國家相繼進入深部開采，隨著開采深度的逐步增加，地溫也隨之升高。德國和俄羅斯的一些礦山開采深度已達1 400～1 500 m；南非卡里頓維爾金礦開采深度達3 800 m，豎井井底已達地表以下4 146 m。加拿大超千米的礦井有30座，美國有11座[1-2]。據不完全統計，我國目前已有33對千米以下礦井[3]。據世界各地的測量資料，全球平均地溫梯度約為3 ℃/100m，據全國礦井高溫熱害普查資料統計，我國目前已有65對礦井出現了不同程度的熱害，其中38對礦井的采掘工作面氣溫超過30 ℃。據我國煤田地溫觀測資料統計，地溫梯度為2 ℃/100m ～4 ℃/100m，例如平頂山八礦平均地溫梯度為3.4 ℃/100m，-430m水平的原始巖溫為33.2～33.6 ℃，采掘工作面的氣溫在29～32 ℃，最高已達34 ℃，礦井熱害問題凸顯[1]。

我國2005年1月1日起實施的新《煤礦安全規程》規定，生產礦井采掘工作面空氣溫度不得超過26 ℃，機電設備硐室的空氣溫度不得超過30 ℃[1]。

深井開采條件下，地溫不斷升高，熱害以及有毒有害氣體、粉塵的危害也日益增大。這些危害嚴重影響作業工人的效率及身心健康，甚至很可能導致一些礦井惡性事故的發生，給礦井的安全生產及其日常管理帶來了極大的威脅。地熱已經成為瓦斯、煤塵、水、火、頂板之后的第六災害。可見，煤礦深井降溫技術正成為國內外礦山研究的一個重要領域。

1 淮南礦區高溫礦井概述

淮南礦區深部(-600 m以下)工作面、掘進頭夏季溫度30～36 ℃，有的工作面上隅角溫度高達37～40 ℃，加之空氣污濁、濕度幾乎達100%，悶熱難當。工人在高溫環境中作業，經常出現中暑、昏厥、休克等現象，工人的生命權和健康權難以保證。隨著開采深度的不斷增加，地熱災害問題日益嚴重。煤層-600 m標高大部分區段地溫超過31 ℃，局部區段大于37 ℃。其中潘一礦-650 m標高圍巖溫度達到37 ℃，潘三礦-650 m標高地溫達到36.3 ℃。新建的顧橋礦井、丁集礦井等都屬于以地溫異常為主的高溫區，其中顧橋礦井地溫梯度平均為3.08 ℃/100 m。垂深500 m巖石的平均地溫在31 ℃以上，已達一級熱害區；垂深700 m巖石的地溫在37 ℃左右，進入二級熱害區；垂深800 m巖石的地溫達40 ℃。礦井設計第一水平標高為-780 m，原巖溫度為37.7～43.7 ℃，平均為40.1 ℃。丁集井田恒溫帶深度和溫度分別為30 m和16.8 ℃，礦井平均地溫梯度為4.02 ℃/100m，絕大部分地溫梯度大于3 ℃/100m。礦井設計第一水平標高-826 m，原巖地溫達到43 ℃[4-5]。

礦井向深部延伸，大型機械化設備的采用和開采強度的加大造成延伸深度大、距離遠、通風斷面小、風量有限，因此下山采區保護層開采的工作面溫度很高。瓦斯治理、開采程序與勞動環境的矛盾尤顯突出。目前礦區的開采重心在-650 m，并正以每年10 m的速度向下延伸，并且由于瓦斯治理的需要，必須盡早采用下山開采，首先開采煤層較薄的保護層(如新區的B11煤層)，為主采突出煤層的瓦斯治理留出時間和空間。采場向深部延伸的速度加快，加劇了工作面溫度環境的惡化。淮南礦區井田地溫異常的主要原因[4-5]包括：

1) 井田地質構造比較復雜，斷層多，特別是受郯蘆斷層構造的影響，溝通了上地幔的熱流通道，將深部熱流導入淺部，致使巖溫升高。

2) 淮南礦業集團新區地處潘集背斜隆起區域，由于巖層結構的變化改變了熱流方向，垂直層理方向的導熱性能小于沿層理方向的導熱性能，從而導致了井田不同地帶溫度場分布的差異，越是靠近背斜軸部地溫越高。

3) 淮南煤田的巖漿巖侵入限于上窯、潘集、丁集勘探區，一般呈層狀侵入，引起礦區九龍崗、潘集、丁集、顧橋地溫異常。

4) 煤系地層上覆有較厚(400 m以上)的第四系松散層，形成鍋蓋效應，地層散熱條件差，聚熱效應明顯。在同一深度相同地質條件下，其上覆的第四系地層越厚，地溫也越高。淮南新老礦區的地溫差異很大，原因正在于此。

熱害問題已經成為制約淮南礦區安全生產、高產高效、和諧發展的瓶頸，如果不能有效地解決地熱災害問題，必將嚴重阻礙淮南礦區新一輪生產和建設的發展。

2 深井高溫工作面降溫技術

一般來說，井下熱源包括空氣自壓縮放熱、圍巖散熱、機電設備散熱、氧化熱和炸藥爆破熱等[3]。淮南礦區深井采用的降溫措施主要包括非制冷空調降溫措施和機械制冷降溫措施，前者主要有增加風量、改革通風方式、避開局部熱源、預冷進風風流、隔絕高溫圍巖、熱水防治、采取個體防護等手段；后者主要是人工制冷降溫措施，主要包括集中或局部的空調式降溫技術、冰冷式降溫技術、氣冷式(壓風)降溫技術等。制冷機按容量和設置位置可大致分為：1)獨立移動式制冷機。在各工作面實施局部制冷的方式；2)大型制冷機安裝在地表或井下的集中固定式制冷方式。即制冷機在豎井井口或井底冷卻全部進風的直接制冷方式和制冷機的冷水用送水管送往工作面附近與移動式熱交換器配套，組成局部冷卻的分散制冷方式[1-2]。

非制冷式空調降溫措施在我國礦井熱害治理中應用較為成熟，如避開局部熱源、加強通風、預冷進風風流等優化通風系統的方法。另外我國對隔絕高溫圍巖、個體防護的研究也有很大的進展。根據目前國內外礦井熱害治理經驗，有效的治理方式是采用機械制冷空調進行采掘工作面降溫，但存在制冷設備投資大、建設周期長、運行成本高等缺點。當采用非機械制冷降溫措施不足以消除井下熱害，或技術經濟效果不佳的情況下，才考慮采取人工制冷降溫。

3 Y型通風風控降溫技術

加大工作面風量、縮短風流路線、減少巷道散熱和采空區氧化熱進入工作空間是非機械制冷降溫的主要手段。采煤工作面Y型通風方式具備上述條件，因此，在顧橋煤礦同一煤層(B11煤層)同一采區相鄰工作面進行了U型通風和Y型通風降溫試驗[5]。

3.1 試驗工作面概況

1117(1)首采工作面位于礦井-780 m北一采區中部，北為F87采區邊界斷層，南到工業廣場保護煤柱，東西分別到設計運輸順槽和回風順槽線。周圍及上下煤層均未開采。工作面標高-803.5～-679.6 m，走向長2 746.5～2 765.8(2 756.2) m。傾斜長249.9 m，煤層傾角3o～10o，工作面煤層賦存穩定，平均厚度2.55 m。工作面采用U型通風方式，運輸順槽進風，軌道順槽回風，后退式全冒落采煤工藝。工作面設計日產量為10 000 t。

1115(1)工作面位于北一B11-2采區的第五個條帶，工作面凈長220 m，回采長度2 596.3 m，工作面標高-765.8～-656.2 m。該工作面井下位于東至1114(1)運輸順槽，西至1114(1)運輸順槽，南到工業廣場保護煤柱，北到F87采區邊界斷層。周圍除1117(1)工作面正在回采外，其余上下煤層均未開采。工作面采用Y型通風方式，運輸順槽和軌道順槽進風，工作面回采后軌道順槽留巷作為工作面回風巷，形成兩進一回Y型通風系統。1115(1)工作面運輸順槽(一次沿空留巷巷道)為錨梁網支護，巷道設計中高為3.2 m、寬5.0 m、斷面16.0 m2；運輸順槽用于進風、運煤及輔助運輸。1115(1)工作面軌道順槽(一次沿空留巷巷道)為錨梁網支護，巷道設計中高3.4 m、寬5.0 m、斷面17.0 m2；軌道順槽用于進風及輔助運輸。1114(1)工作面運輸順槽、邊界煤層回風上山為錨梁網支護，巷道設計中高3.2 m、寬5.0 m、斷面16.0 m2；1114(1)運輸順槽、邊界煤層回風上山作為1115(1)工作面回采時的回風通道。工作面設計日產量為10 000 t。

3.2 風控降溫效果考察

經過對前述高溫采面熱源調查[5]，可知：

1)主要進風巷圍巖放熱占57.7%，運輸中煤和矸石放熱占15.4%，物料的氧化放熱占7.7%，其它熱量占19.2%。

2) 綜采工作面機電設備多、容量大，其運轉散熱占75.7%，煤巖放熱占18.4%，其它熱源放熱占8.9%。

因此，采用沿空留巷兩進一回Y型通風方式，綜采工作面機電設備散熱和采空區氧化散熱可直接進留巷回風巷內，工作面材料道作為輔助進風巷，其風流溫度將顯著降低。圖1為2007年9至10月1115(1)Y型通風工作面、1117(1)U型通風工作面實際供風量變化關系曲線，圖2為2007年8至12月1115(1)Y型通風工作面、1117(1)U型通風工作面軌道巷風溫實測關系曲線。

圖1 1115(1)面和1117(1)面風量變化關系曲線

圖2 1115(1)面軌順溫度和1117(1)面軌順風流溫度變化關系實測結果

由圖1和圖2可以看出，2007年7至10月，雖然1117(1)工作面配風量大，但由于采用U型通風方式，綜采工作面機電設備散熱和采空區氧化熱直接進入工作面回風流，導致軌道巷的風流溫度上升，1117(1)工作面軌道巷正常風流溫度30～34 ℃，最高達35 ℃，工作環境差。1115(1)綜采面采用二進一回Y型通風方式，1115(1)綜采面軌道巷正常風流溫度27～30 ℃，最高32 ℃。兩巷風流溫度差3～4 ℃，風控降溫效果明顯。相比局部降溫系統的效果，取得了較好的經濟效益和社會效益。

相比工作面傳統的U型通風方式(圖3左)，兩進一回的Y型通風方式(圖3右)有利于深部的安全高效開采：Y型通風工作面采空區的漏風主要流向留巷，可顯著改變采空區流場結構，從根本上解決上隅角瓦斯積聚難題；保證工作面上隅角瓦斯濃度處于安全允許值以下的較低值；在保證工作面瓦斯濃度不超限的安全前提條件下，通過調節二進風巷的進風比，降低工作面的風量，減少上、下端口壓差，保證上部端口區域瓦斯濃度處于較低水平；由于工作面中沒有來自采空區的漏風，避免了采空區瓦斯向工作面的涌入；運煤、運料設備、供電、供水等管線都在進風巷中，而回風巷內既無電纜道，也無管路，成為專用回風巷，大大提高了安全性；采煤工作面機電設備散熱和采空區氧化熱直接進入專用回風巷，工作面上、下進風巷均處于進風系統，對高溫采煤工作面具有明顯的降溫作用。因此，Y型通風沿空留巷是安全、技術和社會效益一體化的瓦斯治本技術，是解決高瓦斯和高地溫問題的根本出路[5]。進入深部開采后，工作面應棄U型通風方式而選擇Y型通風方式。

圖3 U型通風和Y型通風工作面通風系統示意圖

4 結語

本文對比U型通風和沿空留巷Y型通風的風控降溫效果，結果表明：采用U型通風方式，雖然1117(1)工作面配風量大，但由于綜采工作面機電設備散熱和采空區氧化熱直接進入工作面回風流，導致軌道巷的風流溫度上升，軌道巷正常風流溫度30～34 ℃，最高達35 ℃，工作環境差；采用二進一回的Y型通風方式，機電設備散熱和采空區氧化熱直接排入留巷回風流中，1115(1)綜采面軌道巷正常風流溫度27 ～30 ℃，最高32 ℃。兩巷風流溫度差平均約3.5 ℃，風控降溫效果十分明顯。

非制冷式空調降溫技術降溫效果有限，并不能作為單獨的降溫手段使用，無法滿足深部高溫礦井熱害治理的需要。而機械制冷效果雖好，但存在制冷設備投資大、建設周期長、運行成本高等缺點。因此，必須采用綜合手段去獲得理想的降溫效果。淮南礦區2008年開始試驗瓦斯發電余熱吸收制冷(熱電冷聯供)礦井降溫技術[3-5]，該方法為煤礦礦井熱害治理探索出一條新路，實現了瓦斯能源的綜合利用，提高了瓦斯資源的利用率，降低了制冷的運行成本，消除了因為熱害治理成本高昂從而難以開展的矛盾，在取得瓦斯發電效益的同時利用余熱解決了礦井熱害治理難題，必將成為科研人員進一步研究的重要方向之一。

[1]衛修君,胡春勝. 礦井降溫理論[M]. 北京: 煤炭工業出版社, 2008.

[2]王 文,桂祥友,王國君. 礦井熱害的治理[J]. 礦業安全與環保, 2002,29(3):31-33.

[3]李亞民. 瓦斯發電余熱制冷技術在煤礦熱害治理中的應用[J]. 安徽建筑工業學院學報:自然科學版, 2009,17(3):53-56.

[4]袁 亮. 淮南礦區礦井降溫研究與實踐[J]. 采礦與安全工程學報, 2007, 24(3):298-301.

[5]袁 亮. 低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采理論與實踐[M]. 北京：煤炭工業出版社, 2008.