姜家窑金矿深部高温热害研究分析与控制.pdf

第3 2 卷增刊12023年6 月文章编号：10 0 4-40 51（2 0 2 3)S1-0436-04中国矿业CHINA MINING MAGAZINED0I:10.12075/j.issn.1004-4051.20230341Vol.32,Suppl 1June2023姜家窑金矿深部高温热害研究分析与控制杨铁江，徐涛，盛新利，丁珩根（中矿金业股份有限公司，山东招远2 6 540 0）摘要：矿山高温热害是制约深部开采的关键因素。以姜家窑金矿为背景，在现场调研的基础上，对矿区现有热害特征和矿山热源进行分析。根据热源分析结果及现场监测数据，通过自主开发的风流参数预测软件对未开采层水平巷道风流参数进行预测，结果显示未开采区热环境参数总体可控，该结果可为后期通风系统的设计提供参考。此外，结合国内外同类矿山深部开采热害的治理措施和姜家窑矿区存在的热害特征，对后期通风系统的优化和建设提供了治理建议。研究结果可为同类矿山深部热害研究治理提供参考。关键词：高温热害；热源分析；热害治理；参数预测中图分类号：TD727Analysis and control of deep high temperature heat damage inYANG Tiejiang，X U T a o,SH ENG X i n l i,D I NG H e n g g e n(Shandong Zhongkuang Group Co.,Ltd.,Zhaoyuan 265400,China)Abstract:High temperature heat damage in mines is a key factor restricting deep mining.This article takesthe Jiangjiayao Gold Mine as the background,and based on on-site research,analyzes the existing thermalhazard characteristics and mine heat sources in the mining area.Based on the heat source analysis results andon-site monitoring data,the independently developed airflow parameter prediction software was used topredict the airflow parameters of the horizontal roadway in the undeveloped layer.The results show that thethermal environment parameters in the undeveloped area were generally controllable,which can providereference for the design of the ventilation system in the later stage.In addition,based on the treatmentmeasures for thermal hazards in deep mining of similar mines both domestically and internationally,as wellas the characteristics of thermal hazards in the Jiangjiayao Mining Area,suggestions for the optimization andconstruction of ventilation systems in the later stage have been provided.The research results of this articlecan provide reference for the research and treatment of deep thermal damage in similar mines.Keywords:high temperature heat damage;heat source analysis;heat hazard management;parameterprediction0引言金属矿产资源是金属材料的根本来源，而金属材料则是国家发展的重要物质基础。金属矿产属于不可再生资源，随着浅部资源的开采殆尽以及深部开采理论和技术的发展，深部矿产开采逐渐成为我文献标识码：AJiangjiayao Gold Mine国资源开发的重要形式1-3。深部开采不仅要面临高地应力的围岩条件，深部高温热害对人员和设备的影响也函需解决4。对于金属矿山而言，将开采深度大于8 0 0 m定义为深部开采5。目前，我国深度超过10 0 0 m的金属矿山达3 0 多处6 ，而未来10收稿日期：2 0 2 3-0 5-10第一作者简介：杨铁江（198 7 一），男，山东菏泽人，工程师，主要从事矿山安全生产管理工作，E-mail：8 3 948 590 0 q q.c o m。引用格式：杨铁江，徐涛，盛新利，等，姜家窑金矿深部高温热害研究分析与控制J.中国矿业，2 0 2 3，3 2（S1）：43 6-43 9，446.YANG Tiejiang,XU Tao,SHENG Xinli,et al.Analysis and control of deep high temperature heat damage in Jiangjiayao Gold MineJJ.ChinaMining Magazine,2023,32(S1):436-439,446.责任编辑：宋菲增刊1年我国50%铁矿、3 3%的有色金属矿、53%的煤炭资源将进人千米以下深部开采7。随着开采深度的提高，高温热害成为制约深部开采的关键因素。金属非金属矿山安全规程(GB16423一2 0 2 0)规定井下工作地点的空气湿球温度不应超过2 7，当作业点湿球温度超过3 0 时应停止作业 。长期高温环境下作业不仅降低劳动效率、损耗设备，而且严重危害人体健康、增加事故发生率9-10 。所以，在深部矿产开采时，提前设计合理的通风降温方法来解决高温热害问题，可以显著提高开采效率，保障人员安全。为此，依托招远市姜家窑金矿，现场采集部分代表性中段的风流状态参数，分析现有通风系统降温效果，并根据现场情况研究矿山热源成因，可以为同类矿山的高温热害治理提供参考。此外，在现场调研数据和热源分析的基础上，通过自主开发的风流参数预测软件可对该矿区井下开采层和未开采层水平巷道的风流参数进行预测，可以为现有通风系统的优化以及后期通风系统建设提供帮助。1矿山概况及现场调查研究1.1矿山概述姜家窑金矿位于山东省招远市城区南3 0 km，现设2 个矿区，即姜家窑矿区和道北庄子矿区。矿山现采用地下开采方式，明竖井十盲竖井联合开拓。矿区主要采用上向水平分层充填、下向进路充填、上向进路充填和分段充填四种采矿方法。同一采区内立面上采用从下向上、中段内采用从上盘至下盘、从回风井一侧向竖井后退式回采的开采顺序，目前矿山已回采至一410 m中段，矿山最末生产中段为-730 m中段。矿区设计采用侧翼对角式通风系统，机械抽出式通风方式，通风示意图见图1。1号竖井、6 号盲竖井和5号盲竖井承担主要进风任务，新鲜风流经中段运输巷道到达采场，清洗工作面后，污风通过上中段回风巷道，再由4号盲竖井、3 号盲竖井、1号盲竖井，最终由斜井排出地表。矿区采用串联通风，共3台风机。1台K45-4-NO14轴流式风机，风量35.767.2m/s,全压10 9 42 0 9 9 Pa,电机功率N=132kW,设在斜井井口;1台K40-4-NO15轴流式风机，额定风量2 8.7 6 2.6 m/s，全压3 8 7 1746Pa,电机功率N=110kW，设在1号盲井井口附近一8 0 m中段内；1台K40-4-NO15轴流式风机安装于3 号盲井井口一2 55m中段内。1.2现场调查分析为进一步研究姜家窑金矿的高温热害情况，对杨铁江，等：姜家窑金矿深部高温热害研究分析与控制437姜家窑矿区进行了3 个中段的现场风流参数采集，包含现场温度、湿度、风速的记录以及巷道尺寸的测量。基于各中段的地热情况，本次调查选取热害较为严重的一53 0 m中段、一6 10 m中段和一7 3 0 m中段，巷道现场情况见图2，测点布置见图3。现场调查时，在中段共监测15处测点数据，参数见表1。图1矿井通风系统示意图Fig.1 Schematic diagram of mine ventilation system图2 运输巷道环境Fig.2Transportation tunnel environment由图3 及表1,可得结果。一53 0 m中段和一6 3 0 m中段主运输巷道类似，均通过6 号盲井输送新鲜风流，一53 0 m中段采深相对较浅、地温低，通风时间长，温度随其深度的减少而明显下降，除个别测点温度比金属非金属矿山安全规程（GB16423一2020)规定的气相条件稍微高一点，基本都在规程规定的范围内，并且该段通风风速较小，适当增加通风即可将湿球温度控制在2 7 以内。一7 3 0 m中段为一期通风系统中的最深处，是438通风系统中的重点通风中段，该中段通风均为新鲜风流，现场测试巷道空气温度、湿度和风速，基本在金属非金属矿山安全规程（GB16423一2 0 2 0）规定的环境参数上限附近，分析其原因主要是采深较大、地温高，围岩及矿石散热对井下空气温度影响较大，并且开采过程中由于地下水蒸发较快，空气的湿度大,测试风速均小于运输巷道平均风速限值6 m/s,因此，可以利用通风方法加大风量进行降温，在通风降温达不到预期效果时可以采取井下局部降温技术进行除湿降温。测点8测点7盲井口测点5测点6测点1测点4测点2测点3CM1613CM1615测点10图3 一53 0 m中段测线布置示意图Fig.3SSchematic diagram of line layout of-530mmiddlesection表1各中段风流参数表Table 1Air flow parameters of each middle section巷道断面编号宽度/m高度/m530-13.03530-22.15530-32.98530-42.51530-54.52610-12.26610-22.40610-32.42610-42.83610-53.05730-14.30730-22.32730-32.98730-42.73730-53.04中国矿业整体而言，姜家窑矿区资源深部开采具有围岩温度高、通风线路长、开采中段多、工作面数量多、分布广且分散等特点。针对姜家窑矿区现有的通风现状，建议采用分区通风11，建立通风自动化监控系统12 1的方式来解决高温热害问题。2矿山深部风流状态参数预测姜家窑金矿采场巷道断面小，阻力大，不利于风流的贯穿，且随着开采深度的增加，通风系统愈加复杂，局部区域温度湿度过高、风机利用效率低和风速小等问题更加明显。为此，通过对井下热源分析、通风系统模拟及导人井下工作面参数的基础上，设计了一款可预测井下巷道风流热状态参数的软件。在已调查中段风流参数的基础上，调整对井下热源的分析和通风系统的模拟，使软件预测结果与现有调查数据相一致。再利用风流参数预测软件对未开采水平巷道风流参数进行预测，预测结果见表2。表2 未开采水平巷道风流参数预测Table 2Prediction of air flow parameters inunexploited horizontal tunnels预测位置风流温度/编号测点CM1629CM1625CM1627CM1617/CM1619CM1621CM1623瞬时瞬时湿球湿度/温度/风速/温度/%(m/s)2.5665.502.4763.102.4867.702.2962.002.8863.602.2764.502.4663.602.5565.002.6366.402.7376.403.0471.602.7263.102.6163.602.5866.003.0066.00第3 2 卷含湿量/相对湿度/湿球温度/(g/kg干空气）%-1 000 m32.1-1 200 m33.0-1 500 m35.0未开采层预测风流参数远远超过金属非金属矿山安全规程（GB16423一2 0 2 0）规定的井下环境矿井降温要求，必须采取新的矿井降温技术控制井下热环境参数，保障矿山安全开采。3热害治理措施3.1金属矿山深部开采热害治理技术随着开采深度的增加，矿区高温热害势必会发生，而与矿区情况相适宜的热害治理技术可以有效27.00.226.60.426.10.127.50.227.90.127.62.926.60.327.60.125.80.626.50.427.80.926.7028.01.728.01.127.20.526.80.429.2028.4092.4830.6094.3934.1793.7726.40改善矿区的热害问题。目前热害治理技术可分为非27.6524.5026.4028.0029.8028.7028.9024.0023.2027.1027.1028.6031.032.234.0人工制冷措施和人工制冷措施12-14，非人工制冷措施一般适用于浅部开采或地温热害不严重的矿井，而随着地下矿山开采深度的加大，仅仅采用非人工空调措施已达不到经济性、安全性以及降温要求，只能采用人工制冷措施15。目前国内外常用的制冷措施见表3 16 3.2姜家窑矿区深部开采热环境治理建议针对矿区深部开采围岩温度高、通风线路长、开采中段多、工作面数量多、分布广且分散等特点，对国内外同类矿山深部开采热害的治理措施进行深人研究，探索出适合姜家窑金矿的热环境治理措施，可为该矿区后期通风系统的建设提供参考。增刊13.2.1 现有开采水平热环境治理建议目前井下存在的主要问题是部分区域温度过高及整体风速较小，但超出温度位于规程上限3 以内，可通过增加通风风量进行降温。考虑到该矿区开采中段多、工作面多而广是导致井下风速较小的主要因素，可采取分区通风的方式，对各个分区的巷道和工作面进行有效的通风16 。3.2.2未开采水平热环境治理建议结合矿区气候条件,对一1150 m中段、一12 10 m中段的夏季和冬季工况进行井下热负荷计算。根据热源分析，对两中段的主要井下放热源进行计算，以校核井下总需风量是否满足通风降温需求。计算结果见表4。表3 国内外常用制冷措施Table3Common cooling measures方法增加通风量；选取合适的通风方式；根据矿区开调节通风方式拓系统选取合理的通风系统优化巷道布置分区开拓方式、混合开拓方式和双巷或多巷掘及采矿方法进；使用全部充填法人工防护新型冷却工作服等减少各种加快矿石的运输，减少矿物氧化放热；尽量使用热源放热电气设备；巷壁隔热等在地面或井下设置大型制冷站制取冷量，然后通人工制冷过输冷系统将制取的冷量输送到需要进行空气调节的工作面处表4井下各热源总放热表Table 4Total heat release of various undergroundheat sources井下放热源夏季放热量/kW围岩798.59空气自压缩2028.37机电设备69.23柴油设备110.36人体47.00井下涌水634.14合计3687.69根据表2 中10 0 0 m和一12 0 0 m中段风流参数预测结果，及姜家窑矿区夏季入井新鲜风流平均空气温度2 6、相对湿度7 5%，冬季人井新鲜风流平均空气温度2.0、相对湿度59%，风量183.75m/s，计算夏季和冬季风流在限制工况作业面干球温度2 8、湿球温度2 7 的条件下的恰差分别为3 7 57.58 kW、17 0 40.56 k W。对比一1150 m、一12 10 m中段生产时期井下热负荷夏季3 6 9 6.6 8 kW、冬季6 6 3 1.17 kW可知，杨铁江，等：姜家窑金矿深部高温热害研究分析与控制制冷措施31(11):3409-3421.冬季放热量/kW2蔡美峰，薛鼎龙，任奋华.金属矿深部开采现状与发展战略1758.47J.工程科学学报，2 0 19，41（4）：417-42 6.2.428.74CAI 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论1）矿区现有热害问题主要是部分区域温度过高及整体风速较小，可通过分区通风和增加通风量来解决。2）矿区井下热源放热情况较其他金属矿山存在明显差异，其中空气自压缩热和井下涌水散热可占热源放射量的7 0%以上，围岩散热量较小，约占17%。3）对未开采层水平巷道风流参数的预测结果显示，其热环境参数总体可控。通过对同类矿山的热害处理措施调研，提出应严格监测采场等作业面温度，重点加强独头掘进面通风降温，对于局部地温异常地段，必要时可采用冰块或局部制冷机组进行局部降温。参考文献1蔡美峰，谭文辉，吴星辉，等.金属矿山深部智能开采现状及其发展策略J.中国有色金属学报，2 0 2 1,3 1(11)：3 40 9-3 42 1.CAI Meifeng,TAN Wenhui,WU Xinghui,et al.Current situ-ation and development strategy of deep intelligent mining inmetal minesJJ.Chinese Journal of Non ferrous Metals,2021,4463）整体分析可知，单位面积断层条数C2在每个中段都是综合权重最大的指标，是影响突水危险性最重要的指标。由此可见，在惟幕注浆施工完成以后，在深部开采的工程中需要加强导水构造的探查和治理，才可以充分保证注浆雌幕的有效性和对深部开采突水危险性起到有效地控制作用。参考文献1韩久方，柳昭星，王皓.深井高承压水工作面底板注浆效果及突水危险性分析 J.煤炭技术，2 0 2 3 42（4）：12 2-12 6.HAN Jiufang,LIU Zhaoxing,WANG Hao.Analysis on floorgrouting effect and water inrush risk in coalface of deep wellwith high confined aquiferJJ.Coal Technology,2023,42(4):122-126.2 付开隆，周羽，韦正雄.贵南高铁朝阳隧道出口平导6.10 突水突泥事件分析 J.中国岩溶，2 0 2 2，41（6）：8 9 5-9 0 4.FU Kailong,ZHOU Yu,WEI Zhengxiong.Analysis of 6.10water and mud inrush 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