井口進風溫度對礦井安全的影響分析與研究

張 朋，李浩然

（山東鼎安檢測技術有限公司，山東 濟南 250032）

中國現階段對能源礦產及金屬非金屬資源需求較大，隨之建設的煤礦、金屬非金屬礦山數量眾多，結合礦種的不同、埋藏深度及地質條件等成礦因素，形成了平硐開拓、豎井開拓、斜井開拓等開拓方式，為滿足不同開拓方式嚴寒季節進風溫度的預熱要求，本文重點對礦井的井口空氣預熱方法及方式進行探討研究，旨在為改善礦井嚴寒季節的通風安全提供借鑒。

1 入井空氣的預熱方式

進入井下的空氣一般采取加熱器配合其輔助設施將室外低于2 ℃的冷空氣在進入井前進行預熱，根據進風井口房的布置情況，主要空氣預熱方式有以下3 種。

1.1 半封閉式井口房空氣預熱方式

當進風井為提升井，物料提升較為頻繁時，井口房大部分為半封閉的狀態，井口進風得不到有效預熱直接進入井下，大部分礦井采用加熱器預熱空氣，加熱后的空氣在主要通風機的作用下吸入或壓入井筒、井口房用來提高進風溫度。該方式按冷、熱空氣混合的不同位置可分為以下3 種。

1.1.1 在井筒內進行冷、熱空氣混合

該暖風方式為采用空氣加熱器將低于2 ℃的冷空氣進行預熱后，通過專用局部通風機配合專用暖風道或保溫后的硬質風筒等延伸至井口以下2 m左右排出，在井筒內進行冷、熱空氣混合。

1.1.2 冷、熱空氣在井口混合

冷、熱空氣在井口混合是將加熱器加熱后的熱空氣直接排至井口處，在井口房內進行冷、熱空氣混合，預熱后的暖風在礦井主通風機的負（正）壓作用下進入礦井[3-4]。

1.1.3 冷、熱空氣在井口和井簡內同時混合

冷、熱空氣在井口和井簡內同時混合是前兩種方式的結合。

相比之下，第一種方式優于后兩種，熱量損失最小，熱能可被最大化利用，但井口上部井架、罐道及各附屬構件凍冰危險仍無法得到有效解決；第二種方式井口上部井架、罐道及各附屬構件凍冰危險可有效解決，但熱空氣損失大，預熱效果遠不如第一種；第三種方式集前兩者優點，規避了其缺點，暖風效果最佳，但運行管理難度較大，維護成本較高。

1.2 封閉式井口房的空氣預熱方式

當進風井口房較為封閉時，熱空氣可直接通過主通風機的負（正）壓作用而進入井下。這種空氣預熱方式大多是在井口房或在連接井口的長廊內直接設置空氣加熱器，直接對冷空氣進行預熱后進入井下，但進風量較大的礦井實際運用時效果不佳。

1.3 斜井口空氣預熱方式

當開拓方式為斜井或斜坡道時，可在井筒內沿巷道壁布置空氣加熱器，井口外部冷空氣進入井筒后由加熱器熱對流、輻射和熱傳導方式將進入井下的空氣進行加熱。該方法在井口無提升情況下較為實用，若為提升井，則要留夠物料提升過程中與空氣加熱器的安全間隙。

2 入井空氣的加熱方法

2.1 敞開式井口空氣加熱法

對于井口房為相對敞開的進風井空氣加熱，目前方法大多為采取礦用空氣加熱器加熱法、地表空氣壓縮機余熱回收等方式。

2.1.1 礦用空氣加熱器加熱法

該方法具體做法為將選型后的空氣加熱器布置在井口架或在井口周邊設置專用加熱器存放點（以不影響人員、物料進出為原則），加熱后的熱空氣由空氣加熱器直接排放至井口與冷空氣混合或通過專用暖風道進入井口以下2 m 左右處，與冷空氣混合進入井下，如圖1 所示。

圖1 礦用空氣加熱器布置圖

2.1.2 地表空氣壓縮機余熱回收

根據多地區、多礦井實際調研，一般螺桿空氣壓縮機運行時會散熱溫度可達60～80 ℃，這就為冷空氣的預熱提供了免費的高效能熱源。壓縮機熱量回收裝置布置方式是將空氣壓縮機處上部安設熱量集中回收罩，回收罩通過風筒連接通風機，由通風機將回收的熱空氣排至井口或井口以下2 m 左右處的出風口與冷空氣混合，空氣壓縮機的熱量回收臺數可視本地區氣候環境通過計算選定，如圖2 所示。

圖2 空氣壓縮機余熱回收布置圖

2.2 封閉式豎井口空氣加熱方法

通過對多處礦井的調查，除在井口房安設空氣加熱器加熱方法外，在有條件的情況下可在通往井口的文化長廊安設多組采暖暖氣片進行配合，來實現冷空氣的預熱效果最佳，具體方法為在井口安設暖風機制熱，然后關閉進、出車側井口通道（車輛運行時可打開），讓礦井進風最大限度地經由文化長廊通過，來實現冷空氣預熱，如圖3 所示。

圖3 封閉式豎井口空氣加熱方法

2.3 斜井井口空氣加熱方法

在井筒內沿巷道壁布置空氣加熱器或以水為介質的暖氣片，布置長度與組數可視進風量大小及升溫效果而定（暖氣片布置應以不影響行人及物料提升為準則，當斷面無法滿足時，應進行擴幫增大巷道斷面，擴幫長度應留有可增加暖氣片的余量）。為確保空氣加熱效果，可對空氣加熱器最末端井筒以里10 m 左右處安裝溫度計或溫度傳感器進行溫度觀測，確保加熱后的溫度在2 ℃以上[5]，如圖4 所示。

圖4 斜井井口空氣加熱方式布置圖

3 空氣加熱量的計算

3.1 總加熱量計算

井口空氣加熱量包括加熱量及熱損失量。加熱量包括加熱冷空氣所需熱量；熱損失包括井口房結構熱損失及暖風道保溫熱損失等，在井口房及暖風道采取保溫效果后可不另行計算，通過總加熱量乘以系數進行求得。井口空氣加熱量可按以下公式進行計算：

式（1）中：Q為井口空氣加熱量；a為熱量損失系數，敞開式井口房取1.05～1.10，封閉式井口房及斜井口取1.10～1.15；M為井筒進風量，kg/s；Cp為空氣定壓比熱容，Cp=1.01 kJ/（kg·K）；th為冷、熱空氣混合后的溫度，根據相關法規要求取2 ℃；t1為井口房外冷空氣溫度，℃。

3.2 空氣加熱器的選擇計算

3.2.1 通過加熱器的風量

通過加熱器的風量可按以下公式進行計算：

式（2）中：M1為通過空氣加熱器的風量，kg/s；th0為進行空氣預熱后加熱器出口的熱風溫度，℃，取表1。

表1 加熱器出口的熱風溫度

3.2.2 空氣加熱器能夠供給的熱量

空氣加熱器能夠供給的熱量計算公式為：

式（3）中：Q′為加熱器所能提供的熱量，kW；k為空氣加熱器的傳熱系數，kW/（m2·K）；S為空氣加熱器的散熱面積，m2；Δtp為熱媒與空氣間的平均溫度差，℃。

當熱媒介質為熱蒸汽時：

當熱媒介質為熱水時：

式（4）（5）中：t為飽和蒸汽溫度，℃；tw1、tw2分別為熱水供水及回水的溫度，℃。

4 結論

通過不同開拓方式的礦井進行實際調查分析與研究，得出以下結論：采用本文中論述的井口房封閉型、半封閉型、斜坡道（斜井）的暖風布置方式正常運行情況下，在冬季可將入井空氣加熱至2 ℃以上。