銅礦井下掘進工作面局部降溫技術

王軍華

（湖南漣邵建設工程（集團）有限責任公司， 湖南 長沙 410001）

近年來，隨著我國社會經濟的發展，礦產資源需求量不斷增加，使得我國資源開采量逐年遞增，而且大部分金屬礦產的開采已經逐步延深至深部，這就使得井下掘進工作過程中熱害問題日益嚴重[1-4]。熱害不僅影響開采掘進工作的效率，而且還會對相關工作者的身體健康與安全造成嚴重的影響。因此，展開對銅礦井下掘進工作面局部降溫技術的研究與分析，對于降低銅礦井下掘進工作熱害影響、提高礦山經濟效益具有深遠的影響與重要的意義[5-6]。

1 銅礦井下掘進工作熱害分析

銅礦井下掘進工作中所面臨的熱害種類繁多，只有確定產生熱害的具體原因，才能合理地應用相關的降溫技術，有效地解決熱害問題，切實地提升工作效率與質量，保證人員的安全。

1.1 地面壓入式送風風流余熱

送風風流余熱是產生熱害的重要原因之一。送風風流余熱，可以劃分為地面風流余熱與空氣高位勢能轉化的余熱兩個部分。如果銅礦采區處于南方地區時，受地理區位影響，井下的進風會受到季節、晝夜交替等外界因素的影響，進而會出現井下熱害問題。例如，如果銅礦井下掘進工作過程中地面溫度常年保持在28℃以上，而相對濕度保持在80%時，地面風流通過風筒輸送至井下就會造成井下的溫度、濕度等出現不同程度的增加，產生熱害，對井下掘進工作造成極為不利的影響。而如果通過壓入式系統進行空氣的傳輸，那么空氣在被傳輸至井下后，隨著深度的不斷加深，空氣勢能就會轉化為內能，造成空氣成分中各類數值急劇升高，進而形成降溫冷負荷，最終會產生熱害，對銅礦井下掘進工程造成較大的影響，甚至會影響掘進工作的安全開展。

1.2 圍巖傳熱

圍巖傳熱是一種不可避免的熱害因素，也是銅礦井下掘進工作中必須要面對的熱害問題之一。基于地球內熱的影響，銅礦深井中，隨著掘進深度的不斷加深，巖壁溫度也會隨之上升，在掘進過程中，干燥的巖壁與風流的溫差換熱過程就會產生熱害。

1.3 井下掘進過程余熱

銅礦井下掘進過程中不僅需要使用大量的井下機械設備，而且還需要通過爆破等方式開采。所以，在掘進過程中機械設備長時間運轉會產生大量的余熱，而這些余熱會逐步排至風流中，在風流溫差的換熱過程中會造成風流溫度、濕度等升高，進而產生熱害。如果需要進行爆破作業，那么爆破作業之后會產生大量的余熱，這些余熱需要經歷數小時之后才能徹底排除，而在這個過程中也會產生熱害。這也是銅礦井下掘進工作中必須要面對與解決的熱害問題。

2 井下局部降溫系統存在的問題

當前，部分銅礦在井下掘進工作中為了解決熱害問題，保證井下掘進工作安全、有序地進行，通過構建井下局部降溫系統來解決相關的問題，雖然取得了一定的成效，但是在實際運行過程中受環境等方面的影響，使得井下局部降溫系統仍然存在較多的問題，主要體現在以下幾方面。

2.1 工作面通風量無法滿足要求

銅礦井下掘進工作中為了解決熱害問題，雖然按照掘進工作的實際情況合理地設計了相應的降溫系統，但是在實際工作過程中往往會出現工作面無法滿足設計要求的情況，這種問題會嚴重影響降溫系統的工作效率與質量，令其無法發揮真正的作用與價值。此外，局部降溫系統的選材與安裝也存在風筒保溫厚度較小且漏風率較大的問題，這些問題也會嚴重影響整個降溫系統的正常運轉，最終會導致降溫系統工作效率低下，無法滿足銅礦井下掘進的要求。

2.2 局部降溫系統穩定性有待提升

排水系統是銅礦井下掘進工作局部降溫系統的重要組成部分，在解決熱害問題過程中發揮著至關重要的作用。但是，當前局部降溫系統中由于排水系統的水溫與水量缺乏良好的穩定性，影響整個降溫系統的工作效率與質量，而且還會導致冷水機組冷凝溫度逐步升高，進而使得出風的溫度也會逐步增高，極大地影響了降溫的效果，熱害問題無法得到徹底解決。由此可見，局部降溫系統穩定性較差是影響整個降溫系統的重要問題之一。

2.3 局部降溫系統有待完善

雖然局部降溫系統在銅礦井下掘進工作中的合理應用使得作業面的溫度、濕度有了明顯的改善，但是部分局部降溫系統在設計與建設過程中忽視了通風網路的合理規劃，使得在井下掘進工作區域內會產生大量的尾氣殘留，進而導致工作區域內的空氣質量下降，這既會對工作人員的身體健康造成影響，也會影響銅礦井下掘進工作的效率與質量。所以，當前要提升對局部降溫系統中排風系統設計與建設的重視程度，使得機車尾氣能夠有效地排除，構建良好的工作環境，切實有效地解決井下熱害問題。

3 井下掘進工作面局部降溫技術分析

3.1 井下掘進工作局部降溫方案

結合相關研究文獻以及國內外礦山井下降溫經驗，井下掘進工作局部降溫方案主要有3種。

（1）方案一：在銅礦井地面建設制冷站，利用空氣交換設備、處理設備等將制冷站的冷風輸送至銅礦井下掘進工作面。這種方案的優勢在于可以快速、有效地解決井下熱害問題。但是也存在較大的劣勢，主要是冷風傳輸過程受多種因素的影響，不僅損失較大，提升地面冷負荷，增加能源的消耗，而且需要投入大量的資金對制冷站進行維護與管理，所以經濟性相對較差。

（2）方案二：礦井地面建設制冷站，利用冷水降溫。這種方案需要通過水管將冷水輸送至井下，達到降溫供風的目的（如圖1所示）。這種方案雖然可以有效地解決井下熱害問題，但在實際實施過程中不僅需要鋪設大量的管道，還需要增設高低壓轉換設備才能滿足降溫需求，這種方案不僅造價較高，而且也需要耗費大量的工期進行降溫系統的建設。

圖1 人工冷水降溫原理

（3）方案三：局部制冷系統進行制冷。這種方案是在銅礦井下掘進工作面附近建設制冷系統，通過空氣處理設備達到降溫的目的。這種方案的優勢在于制冷系統無需建設在地面，根據掘進工作進度隨時可以變換制冷系統的位置，進而有效地降低制冷系統的負荷，并且減少了管道安裝的工作量，有效提升降溫系統工作效率的同時也降低了降溫系統的造價。

以上3種礦井掘進工作面降溫方案是目前比較常見的降溫技術，這就需要不同礦井的采礦工作者根據自身的實際情況進行合理的選擇，進而有效地解決熱害問題，為井下掘進工作安全、穩定、有序的開展提供重要的基礎保障。

3.2 井下掘進工作局部降溫系統設計

銅礦井下掘進工作面局部降溫系統主要是由礦井水冷卻系統、制冷站、空冷器、送風系統組成，不同的系統在降溫系統中發揮著不同的作用，局部降溫系統工藝流程如圖2所示。

圖2 局部降溫系統工藝流程

（1）礦井水冷卻系統。在礦井掘進過程中會產生大量的地下水，這些地下水溫度較低，可以有效地滿足降溫需求，所以礦井水完全可以作為降溫系統的散熱冷源。需要注意的是礦井水一般具有較強的腐蝕性，所以相關的設備必須要選用不銹鋼板等防腐蝕的材料。同時，要根據銅礦井下掘進工作面熱害問題的實際情況合理地選擇冷水機組的功率，進而在保證系統穩定運行的同時有效地將降溫系統中制冷排出的熱量全部排至地面，有效達到井下降溫的目的。此外，降溫系統如果在實際運行過程中出現排水量不足的情況，可以及時采取旁通部分回水或者供水混合措施來解決相關的問題，保證降溫系統能夠正常的散熱。

（2）制冷站。制冷站作為整個降溫系統的中樞，在系統的設計過程中需要根據礦井的實際情況合理地選擇制冷機的型號，才能滿足實際需求。同時，由于礦井內部水流量以及存在較多的不穩定因素，對制冷劑的選擇也要結合礦井內部的實際情況，盡量選擇冷凝溫度較高的制冷劑，才能保證制冷站的制冷效果。

（3）空冷器。空冷器是整個降溫系統中的重要組成部分，在實際降溫過程中，一方面要考慮經濟性，另一方面要考慮輸送冷損失，所以空冷器一般要設置在冷水機附近，這樣既可以節省管道的鋪設，也可以減少冷的損失。此外，空冷器宜選擇串聯兩級冷卻，唯此才能有效地降低風流溫度，滿足降溫需求。

（4）風筒送冷風系統。風筒送冷風系統的設計必須要滿足最小送風量為260 m3/min，并且采取必要的保溫處理措施，保證漏風率低于 3%，這樣才能保證風筒送冷風系統滿足降溫系統的實際需求，更好地達到降溫目的。

3.3 降溫效果

為驗證局部降溫工作效果，以大紅山銅礦為例，將局部降溫系統應用于大紅山銅礦 285中段（285～400 m）持續開采工程。大紅山銅礦位于云南省新平縣，礦區屬侵蝕山地地形，切割深，起伏大，海拔高800～1840 m，平均氣溫為23.5℃，（最高氣溫為 45℃、最低氣溫為 1℃），影響了銅礦井下掘進工作。

大紅山銅礦將局部降溫技術應用到了風井-800 m水平巷道的掘進工作面，并且完成調試正常運行，通過連續運行至副井與風井，井下通風網路貫通兩個月，保證了井下掘進工作的有效開展。該系統礦井供水溫度為（28～30）℃，經過冷水機組降溫后的冷卻水進入空冷器，空冷器運行參數進/出水溫度為 （18～24）℃/32.6℃，經過換熱冷卻水進/出空冷器溫度差保持在了14.6℃/8.6℃。而風流經過降溫系統之后會得到充分的冷卻，可以有效地降低氣溫12.5℃，同時濕度還可以達到91%，完全符合設計要求，滿足井下掘進的實際需求。

4 結語

（1）對銅礦井下熱害進行了歸納分析，為合理應用相關降溫技術提供了理論依據。經分析可知，銅礦井下熱害成因主要包括3個方面：地面壓入式送風風流余熱、圍巖傳熱以及井下掘進工作過程余熱。

（2）對已有降溫系統所存在的不足進行了研究，目前銅礦井下工作面局部降溫系統穩定性有待提高，且工作面通風量尚未滿足施工要求，降溫系統性能有待改進。

（3）基于局部降溫系統不足，在此基礎上提出了相應的改進方案，并將改進后的降溫系統應用于大紅山銅礦工程。實際應用表明，改進后局部降溫系統降溫效果有較大提升，可滿足實際工程要求，切實有效地提升了井下掘進工作效率與質量，同時提升了經濟效益。