凡口鉛鋅礦深部開采熱害環境調查及冷負荷計算

姚銀佩，盧海珠，王 志，李方波

（1.湖南有色冶金勞動保護研究院，湖南 長沙 410014；2.凡口鉛鋅礦，廣東韶關 512325）

隨著金屬礦山開采深度的不斷增加，主要開采作業進入深部區域，井下作業環境高溫是導致生產作業條件惡化的重要原因，長時間的高溫會嚴重影響勞動者身心健康和降低作業效率，并易引發生產安全事故。凡口鉛鋅礦開采深度近千米，炎熱時期，井下-650 m水平主巷溫度已達31.7℃，工作面空氣溫度最高達到34℃，相對濕度在90%以上；某些礦井涌水口出水溫度達到了39.5℃，相對濕度為100%。根據我國《金屬非金屬礦山安全規程》中規定：“采掘作業地點的空氣溫度不宜超過26℃，不應超過28℃，超過規定時應采取降溫或其他防護措施”。而凡口礦深部各采掘點溫度普遍高于規定值，有必要對礦山深部熱源分析并計算礦井冷負荷［1］，為下一步采取相應的降溫制冷方案提供基礎參數。

1 礦山深部開采環境調查

1.1 礦區氣候

凡口鉛鋅礦礦區地處亞熱帶，氣候溫暖濕潤。年平均氣溫20℃、最高42℃，最低零下4.3℃；年平均降雨量1 457 mm，年平均蒸發量為1 467.7 mm，年平均相對濕度為77%，年平均絕對濕度為19.2 g／m3。礦區月度日平均氣溫圖如圖1所示，由礦區月度日均氣溫圖可以看出，一年中月度日均最高溫超過28℃的月份為5～10月份。受地表氣候的影響，在5～10月份礦井入風流溫度較高，相對濕度較大，加劇了井下熱環境影響。

圖1 礦區月度日平均氣溫圖

1.2 礦區地溫帶及地溫梯度

為了掌握礦區地溫帶的分布規律和深部原巖溫度對深部采礦作業的影響，對礦區地溫進行了立體方向上分區域分時期的跟蹤監測。通過對地溫監測數據的綜合分析，總結出了礦區恒溫層深度、厚度及恒溫溫度，以及深部原巖溫度變化規律。如圖2所示。

從監測數據［2］及其圖2曲線來看，5月、7月、10月三個月份監測數據顯示地表至深度18 m（標高102 m）的巖溫受地表季節氣候溫度影響比較大，為變溫帶；而深度為18～44 m（標高102～76 m）的巖溫變化不大基本穩定，為恒溫帶，恒溫帶厚度為26 m，溫度為21.3℃；恒溫帶以下地溫隨深度增加而升高，為增溫帶，增溫帶的平均地溫梯度為2.744℃／100 m，平均地溫增溫級為36.445 m／℃。根據上述地溫梯度規律推算，-600 m、-650 m兩個中段的原巖溫度分別為39.8℃、41.2℃。

圖2 礦區地溫監測數據曲線及地溫帶分布圖

1.3 井下深部中段氣候環境

針對井下深部中段氣候環境進行現場調查與測量，主要內容包括中段大巷、VCR采場、上向水平分層充填采場、掘進點的溫度、濕度、風速（風量）、大氣壓等參數進行測量。

根據炎熱季節對-600 m、-650 m及-750 m等中段的井下氣候參數進行現場調查與檢測，檢測結果顯示：新副井口早晨空氣溫度28℃，相對濕度84%，中午空氣溫度31℃，相對濕度76%，大氣壓力為99.25 kPa；新副井石門空氣溫度28.6℃，相對濕度75%；中段溫度平均31.7℃，高的達到33～34℃，相對濕度93%以上，其中 VCR采場空氣溫度29.6℃，相對濕度93%，上向水平充填采場空氣溫度30.2℃，相對濕度95%，普通掘進點空氣溫度30.1℃，相對濕度93%，掘進機掘進點空氣溫度31.1℃，相對濕度95%；穿脈及上盤回風巷內的溫泉孔水溫39.5℃，空氣溫度31.4℃，相對濕度100%；-650 m中段水倉水溫28℃，水溝內回流水30℃。

2 礦井熱源分析

深部開采的礦井熱源種類眾多，這些熱源釋放熱量給空氣升溫，致使井下形成熱害環境。礦井熱源的類型受礦山地質地熱條件、大氣環境及生產系統的差異而有所不同，但主要熱源類型基本相同，按照散熱量是否受井下風流溫度的影響，可分為相對熱源和絕對熱源兩種：相對熱源如圍巖散熱、井下高溫水散熱等，絕對熱源如空氣自壓縮放熱、機電設備作業放熱、人體放熱等［3］。

凡口鉛鋅礦井下開采條件復雜，礦體為高硫礦石，采用機械化上向分層膠結充填法和大直徑深孔嗣后充填采礦法開采，無軌設備鑿巖、撬毛及出礦，其井下熱源包括：空氣自壓縮、礦石氧化、圍巖、礦巖采落、礦石運輸、礦井熱水、機械設備、井下爆破、其它放熱等。按井下熱源產熱因素不同可歸納為五類：

1.圍巖放熱。凡口礦深部圍巖溫度接近40℃，是熱害形成最主要且不可避免的因素。

2.礦井熱水。地下水受深部原巖高溫的影響，井下涌水溫度較高，再加上水中含硫礦物接觸空氣氧化，甚至形成了很多溫泉涌水。礦井涌水在流向中段水倉的過程逐漸釋放熱害到井下空氣中。

3.礦巖放熱。礦石放熱分為礦巖采落、礦石氧化、礦石運輸等，在這些過程中，礦巖與空氣接觸，礦巖本身高溫熱和氧化釋放的熱交換到井下空氣中。

4.井下空氣的壓縮放熱。新鮮空氣從井口到深部中段，垂高大約800 m，空氣在自重作用下壓縮放熱。

5.井下機械設備放熱。凡口礦井下深部采掘運輸設備近30臺，裝機功率896 kW，其它供電設備，裝機功率5 330 kW，也是井下熱害產生重要因素。

3 礦井冷負荷

礦井冷負荷計算可通過計算密閉區域內散熱量來得出。為提高預測可靠性，在冷負荷計算中采用了正算法計算工作面冷負荷，即通過計算工作面總體散熱量來確定工程的冷負荷。最后通過風量焓值校準確定總的冷負荷量［4］。

3.1 礦井冷負荷正算

以凡口鉛鋅礦深部熱害較為嚴重的-600 m、-650 m中段為研究對象，分別計算凡口鉛鋅礦井下各熱源的散熱量［5］，為熱害的治理提供依據。

1.圍巖散熱。計算-600 m、-650 m中段的圍巖散熱量時，每個中段按井巷長度2 000 m、巷道斷面周長14 m計算。根據地質資料，巷道圍巖不穩定換熱系數取 0.98 W／（m2·℃），計算 -600 m、-650 m中段的圍巖放熱量為324 kW、362 kW，合計686 kW。

2.地下熱水散熱。當深入到井下-600 m中段以下時，部分區域溫度達到39℃以上（650 m S4＃穿涌水孔最高水溫39.0℃，上盤巷涌水孔最高水溫39.5℃）。礦井涌水的穩定溫度為28～30℃（-650水倉回流水溫度28.8℃）。根據-650 m水倉及-750 m水倉日排水量來看，礦井中段涌水量約為400 m3／d，在水溝流動過程中，水溫由平均39℃降至28℃，水的比熱容為 4.187 kJ／（kg·℃），計算得-600 m、-650 m中段熱水放熱量和為426 kW。

3.機械設備放熱。凡口鉛鋅礦井下-455 m以下采掘設備為集中管理，根據-455 m以下的設備包括采掘運輸設備和供電設備統計，按-455 m以下5個主要生產中段來計算，-600 m、-650 m中段主要生產設備功率占2／5，局部風機、照明及振動電機等供電設備功率占2／5，-650 m水倉水泵功率計算在內，-600 m和-650 m中段各種井下設備總功率為3 076 kW，計算設備放熱量為308 kW。

4.空氣自壓縮放熱。根據現場調查，-600 m中段進風量為32.06 m3／s，與地表高差為720 m，-650 m中段進風量為40.58 m3／s，與地表高差為770 m。-600 m、-650 m中段共計空氣自壓縮熱量為256 kW。

5.采落礦巖的散熱量。按礦山生產作業計劃，-600 m和-650 m中段生產量為4萬t／月，平均每天采下的礦石量約為1 300 t，計算-600 m和-650 m中段采落礦巖的散熱量為48 kW。

6.運輸中礦石放熱。在巷道中，礦車中的礦石和廢石會散發出熱量，致使其周圍的風流的溫度上升。按運輸途中礦石的溫度從39℃降到28℃，-600 m、-650 m中段運輸中礦石總放熱量為217 kW。

7.氧化放熱量。據前述，-600 m和-650 m中段平均每天采礦量為1 300 t，礦石密度4 t／m3，按照0.2 m的立方塊大小來計算礦石表面積為9 750 m2，作業面平均風速0.45 m／s，計算的總的氧化放熱量為89 kW。

8.人體放熱。礦山-600 m中段同時作業人員約為50人，-650 m中段同時作業人員約為40人，合計90人。作業人員的散熱量按照重體力勞動來計算取0.47 kW／人，計算得出-600 m、-650 m中段作業人員的散熱量約為42 kW。

綜上所述，該礦井下熱環境的八種影響因素，以-600 m和-650 m中段來計算其總放熱量為2 072 kW，對井下熱環境起主要作用的是圍巖放熱、熱水放熱、井下設備放熱、空氣自壓縮和礦石運輸放熱，具體的各種熱源的散熱量統計見表1。

表1 -600 m、-650 m中段井下產熱量統計表

3.2 礦井冷負荷逆算

按照相關的安全規章制度的要求，井下生產作業區域的空氣溫度不應超過28℃。一般設計降溫標準溫度取28℃，相對濕度取85%。該礦-600 m、-650 m中段，最高氣溫為31.7℃，降溫前相對濕度為98%，兩個中段的需風量為72 m3／s。

兩種狀態下的空氣焓濕圖如圖3所示。

作業面需冷量［6，7］計算公式為：

式中：G為工作面的質量風量／kg·s-1；i1為制冷前工作面風流焓值／kJ·kg-1，查空氣焓濕圖，i1為107.452 kJ／kg；i2為制冷后工作面風流焓值／kJ·kg-1，查空氣焓濕圖，i2為 80.299 kJ／kg。

圖3 兩種狀態下的空氣焓濕圖

按逆算法計算冷負荷為：

3.3 礦井冷負荷確定

根據凡口礦礦區氣象和井下熱環境條件，按正算法計算-600 m、-650 m中段總散熱量為2 072 kW，按逆算法計算冷負荷為2 346 kW，兩種算法數值相近，逆算法稍大，取較大者，即-600 m、-650 m中段總工程冷負荷為2 346 kW。

4 結 論

1.礦山開采熱環境調查包括大氣溫度、相對濕度等地表氣候條件，礦區地溫帶及地溫梯度等原巖地溫參數，井下空氣溫度、相對濕度、井下涌水量及水溫、水倉水量及水溫等礦井氣候條件。

2.礦山井下的熱源有很多種，對凡口鉛鋅礦井下產生高溫熱害影響的主要有圍巖放熱、礦井熱水、礦巖放熱、空氣自壓縮放熱、機械放熱等五類，圍巖散熱是凡口鉛鋅礦井下第一大熱源。

3.采用計算工作面總體散熱量的正算法和計算進出風流風量和焓值的逆算法來計算工作面冷負荷，凡口鉛鋅礦-600 m、-650 m中段總工程冷負荷為2 346 kW，為礦山深部開采熱害防治機械制冷提供參數依據。