郭平業(yè)，卜墨華，張 鵬，何滿潮?

1) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083 2) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院, 北京100083

礦產(chǎn)資源是支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要?jiǎng)恿?，多年?lái)，隨著礦產(chǎn)資源的需求量增加和開(kāi)采強(qiáng)度的不斷增大，淺部資源日趨枯竭，礦山開(kāi)采即將或已經(jīng)進(jìn)入深部開(kāi)采階段[1-2]. 目前，煤炭資源開(kāi)采深度達(dá)到1500 m，有色金屬礦開(kāi)采深度超過(guò)4350 m[3].統(tǒng)計(jì)資料表明，我國(guó)煤炭總儲(chǔ)量的73.2%埋深超過(guò)1000 m，而在未來(lái)10～15年，53%的煤炭資源將在1000 m以下深度開(kāi)采[4]，且我國(guó)煤礦開(kāi)采深度以平均10～15 m?a-1的速度增加，超過(guò)1000 m深的礦井已有49處[5]；我國(guó)目前超千米深的金屬礦山約32座，且未來(lái)10年內(nèi)，1/3的金屬礦山開(kāi)采深度將達(dá)到或超過(guò)1000 m，其中最大的開(kāi)采深度可達(dá)到2000～3000 m[6].

隨著開(kāi)采深度逐漸增加，礦山地?zé)嵩斐傻母邷責(zé)岷?wèn)題日趨嚴(yán)重[7-9]，其與礦井涌水、瓦斯、冒頂、粉塵一同被稱(chēng)為礦山五大災(zāi)害. 此外，礦山地?zé)嵋彩且环N可再生的綠色低品位熱能，是淺層–中層地?zé)崮艿囊徊糠諿10-11]，對(duì)其開(kāi)發(fā)利用不僅有助于井下礦物采選，而且提取的熱能可用于礦區(qū)生產(chǎn)和生活[12]. 鑒于此，本文基于已有研究成果，歸納了礦山地?zé)岬闹聻?zāi)形式，回顧了目前礦井熱害的防控技術(shù)，總結(jié)了礦山地?zé)岬闹饕梅椒ǎ荚跒槲覈?guó)礦井熱害治理及資源化利用提供借鑒.

1 礦山地?zé)嶂聻?zāi)形式

受區(qū)域深部熱背景、巖石熱導(dǎo)率和地下水活動(dòng)等影響，不同地區(qū)的礦井地溫梯度變化不一樣[13-14]，我國(guó)煤礦縱向溫度場(chǎng)可以概化為線性、非線性和異常3種典型分布模式[15]，即隨著開(kāi)采深度增加，原巖溫度通常會(huì)呈現(xiàn)線性或非線性增加趨勢(shì). 因此，煤炭資源進(jìn)入深部開(kāi)采后，不可避免的面臨礦山地?zé)釒?lái)的諸多問(wèn)題. 本文將礦山地?zé)嶂聻?zāi)形式分為加劇煤巖體性質(zhì)劣化、誘發(fā)支護(hù)結(jié)構(gòu)失效和導(dǎo)致高溫高濕環(huán)境3類(lèi)，具體包括加劇圍巖變形破壞、誘發(fā)吸附瓦斯溢出、降低錨桿錨固強(qiáng)度、加劇錨護(hù)材料腐蝕、損害工人身心健康、降低工人工作效率和增加機(jī)械設(shè)備故障率7種具體的災(zāi)害形式(圖1).

圖1 礦山地?zé)嶂聻?zāi)形式Fig.1 Forms of disasters caused by mine geothermal energy

1.1 加劇煤巖體性質(zhì)劣化

1.1.1 加劇圍巖變形破壞

溫度是影響巖石物理力學(xué)性質(zhì)的重要因素[16]，已有研究表明，溫度每變化1 ℃可以產(chǎn)生0.4～0.5 MPa的地應(yīng)力. 因此，深部高溫環(huán)境必然會(huì)引起圍巖軟化大變形，從而導(dǎo)致巷道塌方災(zāi)害. 李劍光等[17-18]通過(guò)開(kāi)展不同溫度(-20～50 ℃)后軟巖相似材料單軸壓縮試驗(yàn)，研究了材料的變形、強(qiáng)度特性和破壞形式，結(jié)果表明，隨著溫度升高，軟巖相似材料的彈性模量及峰值強(qiáng)度整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì). 此外，該作者還研究了溫度對(duì)軟巖蠕變特性的影響，得到了軟巖蠕變總量、起始蠕變量、瞬時(shí)熱應(yīng)變和蠕變速率隨著溫度升高而增大的結(jié)論. 查文華等[19]開(kāi)展了煤系砂質(zhì)泥巖在25～55 ℃溫度下的力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著溫度升高，砂質(zhì)泥巖力學(xué)性質(zhì)逐漸劣化. 馬占國(guó)等[20]研究發(fā)現(xiàn)在25～100 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，煤的強(qiáng)度和彈性模量呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，而應(yīng)變先增加后減小. 何滿潮與郭平業(yè)[21]應(yīng)用自主研發(fā)的深部煤巖溫壓耦合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展了煤樣和泥巖溫壓耦合狀態(tài)下的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，得到了煤樣和泥巖溫壓耦合狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，分析了彈性模量、峰值應(yīng)變和峰值強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)的變化特征，揭示了層理角度對(duì)溫壓耦合作用下泥巖力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律(圖2). 總之，研究溫壓耦合作用下深部軟巖的力學(xué)特性及損傷演化機(jī)制，對(duì)于深部工程塌方事故防治及礦山安全生產(chǎn)具有重要意義.

圖2 不同層理角度泥巖在不同溫度下的力學(xué)性質(zhì)[21]. (a) 應(yīng)力應(yīng)變曲線；(b) 峰值應(yīng)力；(c) 峰值應(yīng)變；(d) 彈性模量Fig.2 Mechanical properties of mudstone with different bedding angles at different temperatures[21] : (a) stress–strain curves; (b) peak stress; (c) peak strain; (d) elastic modulus

1.1.2 誘發(fā)吸附瓦斯溢出

深部煤巖體處于高溫高壓耦合狀態(tài)下，大量研究表明，溫度和壓力是煤層吸附瓦斯逸出的重要誘因[22-27]，瓦斯逸出的直接后果是煤與瓦斯突出和爆炸災(zāi)害增多. 因此，掌握掘進(jìn)工作面瓦斯逸出隨礦山壓力和溫度的變化規(guī)律，對(duì)于煤炭資源安全開(kāi)采是十分重要的. 目前，大多數(shù)研究表明，壓力一定時(shí)，隨著溫度的不斷升高，吸附瓦斯逸出量也逐漸增加(圖3和圖4). 當(dāng)溫度一定時(shí)，隨著壓力增加，煤層吸附瓦斯逸出量逐漸減小并趨于一個(gè)穩(wěn)定值，但是隨著壓力繼續(xù)增加，煤體內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)微裂縫，微裂縫會(huì)相互連通，這些連通的結(jié)構(gòu)有助于瓦斯的運(yùn)移，從而使瓦斯逸出量增加[28-32].

圖3 升溫過(guò)程體積分?jǐn)?shù)及累計(jì)氣體量的變化曲線[21]Fig.3 Variation curves of the volume fraction and cumulative gas volume during the heating process[21]

圖4 溫度壓力耦合作用下吸附氣體逸出過(guò)程[23]Fig.4 Escape process of adsorbed gas under the coupling of temperature and pressure[23]

1.2 誘發(fā)支護(hù)結(jié)構(gòu)失效

1.2.1 降低錨桿錨固力

樹(shù)脂錨桿在巷道圍巖支護(hù)中占據(jù)著不可替代的重要地位. 煤礦資源進(jìn)入深部開(kāi)采后，高溫高濕環(huán)境會(huì)嚴(yán)重影響錨固材料的錨固效果，進(jìn)一步導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，誘發(fā)巷道崩塌事故. 胡濱等[33]研究表明，溫度對(duì)樹(shù)脂錨桿錨固性能影響顯著，隨著鉆孔溫度升高，樹(shù)脂錨桿錨固力呈現(xiàn)明顯遞減規(guī)律. 王繼勇等[34]采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的檢驗(yàn)方法，研究了樹(shù)脂材料凝膠時(shí)間的變化，結(jié)果表明，隨著溫度升高，凝膠時(shí)間顯著下降，且溫度每升高10 ℃，樹(shù)脂材料的凝膠時(shí)間降低1/2，甚至2/3以上. 張盛等[35]通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，得到了孔壁溫度升高會(huì)降低樹(shù)脂錨桿錨固力的結(jié)論. 康紅普等[36]研究發(fā)現(xiàn)，樹(shù)脂錨桿錨固力在25 ℃時(shí)最大，而當(dāng)溫度升高至45、65、85 ℃時(shí)，錨桿錨固力分別下降了16%、34.3%、66.3%. 康長(zhǎng)豪[37]應(yīng)用泥巖和水泥確定的混合比例制作錨桿錨固混合試件模型，重點(diǎn)研究了不同溫度對(duì)錨桿錨固性能的影響，結(jié)果表明，在25～60 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，錨固體強(qiáng)度隨溫度升高而衰減的速率約為0.74 MPa?℃-1；當(dāng)溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，錨固體的強(qiáng)度只有25 ℃下的60%左右. 總之，深部高溫高濕環(huán)境會(huì)導(dǎo)致樹(shù)脂錨桿錨固力下降，尤其是在30～40 ℃之后，錨固力下降更為明顯(圖5).

圖5 樹(shù)脂錨桿錨固力隨溫度的變化[35,37-40]Fig.5 Variation in the pullout force of resin anchor with temperature[35,37-40]

1.2.2 導(dǎo)致錨護(hù)材料腐蝕

煤礦巷道主要采用錨桿、錨索、錨網(wǎng)、鋼帶等錨護(hù)材料對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)，這些材料的腐蝕會(huì)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)過(guò)早失效[41-45]，從而誘發(fā)巷道圍巖失穩(wěn)塌方、沖擊地壓、片幫等重大安全事故. 深部支護(hù)結(jié)構(gòu)不僅受地下水侵蝕作用，而且長(zhǎng)期處于密閉潮濕、永久浸泡、干濕交替的復(fù)雜環(huán)境，錨護(hù)材料自身、應(yīng)力水平、空氣環(huán)境(溫度、濕度、氧氣、大氣污染物)、地下水部分(侵蝕介質(zhì)、pH值)、微生物(細(xì)菌、真菌)、圍巖體、灌漿體、防腐材料等都會(huì)對(duì)錨固系統(tǒng)產(chǎn)生腐蝕劣化[43]. 在眾多影響因素中，溫度對(duì)材料的腐蝕起到催化作用. 圖6是不同溫度下的6種錨桿材料(Split set、I-Beam、Williams、Std. Swellex、Swellex Pm 24和Sellex Mn 24)的腐蝕速率，從圖中看出，25 ℃時(shí)各個(gè)錨桿的腐蝕速率無(wú)明顯差異，隨著溫度增加腐蝕速率呈現(xiàn)指數(shù)增加趨勢(shì)[44]. 圖7是不同地下水離子濃度(1倍，10倍，100倍)下溫度對(duì)錨桿腐蝕速率的影響，可以看出，不同離子濃度條件下，錨桿腐蝕速率隨著溫度增加顯著增加，在25～45 ℃溫度時(shí)，腐蝕速率與溫度成正比，當(dāng)溫度超過(guò)65 ℃時(shí)，腐蝕速率逐漸降低[45]. 由此可見(jiàn)，隨著煤礦開(kāi)采深度增加，礦井內(nèi)溫度顯著增加，無(wú)疑將加劇錨護(hù)材料的腐蝕(腐蝕速度、程度).

圖6 不同溫度下的錨桿腐蝕速率[44]Fig.6 Corrosion rates of rock bolts with temperature[44]

圖7 不同地下水離子濃度(1倍，10倍，100倍)下溫度對(duì)錨桿腐蝕速率的影響[45]Fig.7 Effect of temperature on the corrosion rate of bolts under different groundwater ion concentrations (1×, 10×, and 100×) [45]

1.3 導(dǎo)致高溫高濕環(huán)境

1.3.1 對(duì)工人的影響

高溫高濕環(huán)境對(duì)工人的生理(健康)、心理(舒適感)和行為(工作效率)都會(huì)造成影響[46]. 短時(shí)間內(nèi)，工人會(huì)感覺(jué)悶熱、大汗不止、身體疲勞、胸悶等不適感；長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，工人中樞神經(jīng)系統(tǒng)失調(diào)，肌肉活動(dòng)能力降低，同時(shí)產(chǎn)生精神恍惚、頭昏、虛脫、嘔吐等中暑癥狀，嚴(yán)重的直接導(dǎo)致死亡. 此外，長(zhǎng)期在高溫高濕環(huán)境中作業(yè)，工人會(huì)患風(fēng)濕病、皮膚病、皮膚癌、心臟病及泌尿系統(tǒng)和消化系統(tǒng)等疾病，還會(huì)使人產(chǎn)生心緒不寧、心情浮燥、精神萎靡，誘發(fā)工人精神方面的疾病[47-52]. 研究表明，氣溫每增加1 ℃，礦井生產(chǎn)效率則降低6%～8%，當(dāng)溫度超過(guò)30 ℃時(shí)，每增加1 ℃工效成倍降低，溫度達(dá)到35 ℃以上時(shí)，工作效率只有20%[53].

1.3.2 對(duì)機(jī)械設(shè)備的影響

機(jī)械設(shè)備在井下高溫高濕的環(huán)境中運(yùn)行，環(huán)境溫度、濕度超過(guò)規(guī)定的限值，一方面導(dǎo)致設(shè)備自身散熱困難；另一方面，濕度過(guò)高可能導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備腐蝕、電纜漏電等. 從而導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備工作效率下降、故障頻率增加、引發(fā)安全事故，給安全生產(chǎn)帶來(lái)巨大壓力. 資料顯示，機(jī)械設(shè)備在相對(duì)濕度90%以上及溫度在30～34 ℃環(huán)境中工作時(shí)，其事故率比低于30 ℃的環(huán)境高3.6倍.

2 礦井熱害防控技術(shù)

2.1 非人工降溫技術(shù)

目前，應(yīng)用于礦井降溫的非人工制冷技術(shù)有很多，本文對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和分類(lèi)，將其分為熱源控制技術(shù)、熱濕環(huán)境調(diào)控技術(shù)和個(gè)體防護(hù)技術(shù)3類(lèi)（圖8），下面對(duì)這3類(lèi)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹.

圖8 非人工制冷降溫技術(shù)Fig.8 Nonartificial refrigeration cooling technology

2.1.1 熱源控制技術(shù)

通常將引起礦井環(huán)境溫度升高的因素統(tǒng)稱(chēng)為井下熱源，深部礦井熱源包括巷道圍巖、礦石和木材氧化、運(yùn)行中的機(jī)械設(shè)備、井下高溫涌水、炸藥爆炸、空氣自然壓縮、人體及照明設(shè)備、水泥水化等. 因此，可以通過(guò)清除熱源或減少熱源散熱的方法實(shí)現(xiàn)降溫[54-55]，主要的方法有：

(1) 減少氧化放熱：盡量用電驅(qū)動(dòng)力代替井下燃油設(shè)備動(dòng)力；及時(shí)清理井下廢棄的木材和含硫礦石；對(duì)含硫圍巖噴涂隔熱材料進(jìn)行絕氧隔離等.

(2) 減少機(jī)械放熱：將機(jī)械設(shè)備安置在距離掘進(jìn)工作面較遠(yuǎn)的位置；將設(shè)備放置在回風(fēng)巷道；大型機(jī)電硐室散熱量大，需設(shè)置專(zhuān)用回風(fēng)巷道等.

(3) 圍巖隔熱：礦井熱量的40%源于圍巖散熱，因此在開(kāi)挖時(shí)，可以采用隔熱材料噴涂巖壁對(duì)其進(jìn)行隔熱，如硬質(zhì)聚氨酯泡沫、膨脹珍珠巖、?；⒅椤Ⅱ问?、發(fā)泡聚苯乙烯泡沫等[56]. 鄒聲華等[57]報(bào)道了一種掘進(jìn)巷道隔熱分流排熱降溫技術(shù)，該技術(shù)適用于以圍巖散熱為主的高溫礦井，通過(guò)在巷道周壁一定距離設(shè)置隔熱板，將巷道和風(fēng)流一分為二，隔熱板內(nèi)是工人工作場(chǎng)所，隔熱板與圍巖之間為排熱風(fēng)流，其在唐洞煤礦的應(yīng)用中效果顯著.

(4) 熱水防治：礦井高溫涌水不僅會(huì)造成高溫高濕的工作環(huán)境，還會(huì)燙傷工人，增加機(jī)械設(shè)備故障率，加劇支護(hù)結(jié)構(gòu)腐蝕，因此需要及時(shí)對(duì)礦井涌水進(jìn)行封堵和疏排.

(5) 減少壓風(fēng)管道升溫：由于壓風(fēng)管道距離過(guò)長(zhǎng)，風(fēng)流會(huì)在沿程升溫，影響降溫效果，因此需要選擇合適的風(fēng)筒尺寸及材料.

2.1.2 熱濕環(huán)境調(diào)控技術(shù)

通風(fēng)降溫是礦井熱害防治中普遍采用的降溫技術(shù)[58-59]，一般情況下可以降低工作面溫度1～3 ℃，主要的方法有：

(1) 改進(jìn)通風(fēng)方式：對(duì)于煤礦而言，采煤工作面通風(fēng)方式一般有“U”形、“E”形、“W”形、“Y”形，針對(duì)不同礦區(qū)，在礦山設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮熱害情況，對(duì)各類(lèi)通風(fēng)方式的預(yù)期降溫效果進(jìn)行評(píng)估，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性、適用性選擇最優(yōu)的通風(fēng)方式[6].

(2) 避開(kāi)局部熱源：礦井下的礦石氧化放熱、機(jī)械設(shè)備放熱、熱水散熱等均會(huì)給風(fēng)流加熱，影響風(fēng)筒出口溫度，降低降溫效果. 因此需要對(duì)礦井局部熱源進(jìn)行分析，在有針對(duì)性的采取減少熱量排放的同時(shí)，將壓風(fēng)管路盡量避開(kāi)這些熱源.

(3) 增加通風(fēng)風(fēng)量：增加通風(fēng)風(fēng)量是最為簡(jiǎn)單且有效的降溫措施，但是風(fēng)量的增加存在可行的界限，資料顯示，最經(jīng)濟(jì)的通風(fēng)量為巷道空間體積的0.56～0.84倍，井下工作面掘進(jìn)風(fēng)速一般以1～1.5 m·s-1為宜.

(4) 預(yù)冷風(fēng)流：在風(fēng)流作用于礦井熱環(huán)境前，讓其經(jīng)過(guò)一段有水噴霧的巷道，將其進(jìn)一步冷卻，可以達(dá)到良好降溫效果的同時(shí)，起到除塵作用，但是其同時(shí)也導(dǎo)致環(huán)境濕度升高. 20世紀(jì)70年代，東北大學(xué)提出了一種應(yīng)用低巖溫巷道冷卻風(fēng)流的降溫技術(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，風(fēng)流通過(guò)低溫巖層預(yù)冷后溫度下降3～5 ℃.

此外，在工作范圍較小、工作人員較少、需冷量小的掘進(jìn)工作面，可以通過(guò)噴灑水霧實(shí)現(xiàn)降溫；對(duì)于濕度較高的高溫巷道，可以應(yīng)用NaCl溶液、LiBr溶液、CaCl2溶液對(duì)環(huán)境空氣進(jìn)行除濕[55].

2.1.3 個(gè)體防護(hù)技術(shù)

在一些開(kāi)采環(huán)境惡劣的礦井，受技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件限制，熱源控制技術(shù)和熱濕環(huán)境控制技術(shù)無(wú)法應(yīng)用或應(yīng)用不便時(shí)，需要為工作人員提供冷卻服. 目前，冷卻服的制冷介質(zhì)有液體、氣體和固體，其制冷成本約為其他制冷方式的20%左右. 例如澳大利亞研制的水冷式、空冷式高溫防護(hù)服；南非礦業(yè)工會(huì)設(shè)計(jì)的內(nèi)層為水袋背心、外層為絕熱夾克的冷卻衣；美國(guó)ILc公司制造的以液體介質(zhì)和冰水作為制冷介質(zhì)的波羅太空背心；南非加爾德-來(lái)特公司研制的干冰背心；德勒格爾公司的液體介質(zhì)和CO2干冰混合背心等在生產(chǎn)實(shí)踐中均取得了不錯(cuò)的效果[55,59].

2.2 人工制冷降溫技術(shù)

當(dāng)?shù)V山進(jìn)入深部開(kāi)采后，熱害逐漸嚴(yán)重，非人工制冷降溫技術(shù)無(wú)法滿足降溫要求，需要采用人工降溫技術(shù)進(jìn)行制冷降溫. 人工制冷降溫系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了一個(gè)世紀(jì)之久，1920年巴西莫?jiǎng)诩s理赫(Morro.Velho)金礦(采深2000 m，原巖溫度50 ℃)建立了世界上第一個(gè)礦井空調(diào)系統(tǒng)；60年代南非開(kāi)始在大型礦井中采用集中式空調(diào)降溫，1985年11月首次采用冰作為載冷劑，該系統(tǒng)的制冷能力達(dá)628 MW；1989年建成了壓縮空氣制冷空調(diào)系統(tǒng). 針對(duì)煤礦熱害治理，1923年，英國(guó)彭德?tīng)栴D煤礦第一次在采區(qū)安設(shè)制冷機(jī)對(duì)工作面進(jìn)行降溫；1924年，德國(guó)拉德博德(Radlod)煤礦(采深968 m，原巖溫度44 ℃)建立了世界首個(gè)煤礦空調(diào)系統(tǒng)；1977年，蘇聯(lián)采用分布式制冷機(jī)，對(duì)高溫煤礦工作面進(jìn)行降溫. 1989年，波蘭研發(fā)了應(yīng)用于煤礦工作面的渦流管式制冷機(jī). 相比之下，直到1964年，我國(guó)首次在淮南九龍崗礦安裝了礦井局部制冷降溫系統(tǒng)[60-64]；1976年，平煤一礦戊十采區(qū)的一個(gè)采煤工作面進(jìn)行了首次機(jī)械制冷降溫工作；1984年，山東新汶礦務(wù)局孫村礦建立了我國(guó)第一套井下集中式制冷降溫系統(tǒng)；1994年，新汶孫村礦建成了我國(guó)第一個(gè)地面集中式制冷系統(tǒng)；1995年，平煤五礦建立了井下集中式降溫系統(tǒng). 到了21世紀(jì)，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，多種礦井降溫技術(shù)被用于熱害治理，例如：山東新汶孫村礦于2004年首次成功采用人工制冰降溫技術(shù)，并推廣至全國(guó)；2006年，平煤六礦建成了地面制冷降溫系統(tǒng)；2006—2009年，平煤四礦和平煤十一礦先后建成了熱–電–乙二醇礦井降溫系統(tǒng)；2007—2008年，趙樓礦安裝完成井下集中永久降溫系統(tǒng).

人工制冷降溫系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)能量搬運(yùn)系統(tǒng)，即將工作面的熱量通過(guò)各種方式搬運(yùn)到地表進(jìn)行利用或排放. 因此，人工制冷降溫系統(tǒng)主要包括排熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、輸冷系統(tǒng)和降溫系統(tǒng)4部分(圖9)，排熱系統(tǒng)的功能是將制冷系統(tǒng)的冷凝熱排放至外部環(huán)境，制冷系統(tǒng)的功能是借助外力通過(guò)制冷循環(huán)將從冷源獲得的低品位冷能轉(zhuǎn)為高品位冷能，輸冷系統(tǒng)的功能是通過(guò)工質(zhì)將冷能輸送至各個(gè)采掘工作面，降溫系統(tǒng)的功能是在需要降溫的地點(diǎn)利用各種手段冷卻降溫點(diǎn)的空氣溫度從而達(dá)到降溫效果.

圖9 人工制冷降溫系統(tǒng)的構(gòu)成 (Tcond: 冷凝溫度; Tevap: 蒸發(fā)溫度;Wref: 制冷機(jī)功率; Wpump: 水泵功率; Wair: 空冷器功率; ΔE: 沿程損失冷量; Qeff : 有效制冷量)Fig.9 Composition of artificial refrigeration cooling system (Tcond:condensate temperature; Tevap: evaporation temperature; Wref :refrigerator power; Wpump: pump power; Wair: power of air cooler; ΔE:cooling loss; Qeff : effective refrigerating capacity)

何滿潮與郭平業(yè)[65]根據(jù)礦井降溫系統(tǒng)冷量輸運(yùn)方式(即制冷工質(zhì))不同將人工制冷降溫系統(tǒng)分成氣冷式、冰冷式和水冷式3類(lèi)，包括壓縮空氣制冷降溫、冰制冷降溫、地面集中制冷降溫、地面排熱井下集中降溫、回風(fēng)排熱井下集中降溫、地面熱電聯(lián)產(chǎn)制冷降溫和熱害資源化利用等制冷系統(tǒng)，下面對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹.

2.2.1 氣冷式制冷降溫系統(tǒng)

壓縮空氣制冷降溫系統(tǒng)制冷原理如圖10所示，首先在地表將空氣進(jìn)行絕熱壓縮后變成高溫高壓的液態(tài)，然后進(jìn)入冷卻器對(duì)高溫高壓的液態(tài)空氣進(jìn)行冷卻后變成常溫高壓的液態(tài)空氣，接著將常溫高壓的液態(tài)空氣輸送至井下，在井下進(jìn)入膨脹機(jī)對(duì)常溫高壓的液態(tài)空氣進(jìn)行絕熱膨脹后變?yōu)榈蜏乜諝?，最后低溫空氣換熱后將冷量送至工作面進(jìn)行降溫[66-67]. 該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)有系統(tǒng)簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活，輸冷管道少，承壓小，對(duì)管道材質(zhì)要求低；可以保證工作面冷量分布合理，降溫效果好；空氣制冷機(jī)無(wú)需電力驅(qū)動(dòng)，解決了井下設(shè)備防爆問(wèn)題；同時(shí)空氣既是制冷劑又是載冷劑，對(duì)井下環(huán)境無(wú)污染. 其缺點(diǎn)是空氣壓縮制冷降溫系統(tǒng)的制冷量有限，在獲得相同制冷量的情況下，需要擴(kuò)大設(shè)備規(guī)模，從而導(dǎo)致初投資和運(yùn)行費(fèi)用增加；同時(shí)如果輸冷距離太長(zhǎng)，不可避免造成冷量損失ΔE增加. 因此，很少有全礦井采用壓縮空氣制冷降溫系統(tǒng)，如果能充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，在需冷量不大的小型礦井或需要局部地點(diǎn)降溫的礦井具有良好的應(yīng)用前景.

圖10 壓縮空氣制冷降溫系統(tǒng)制冷原理Fig.10 Principles of the compressed air refrigeration cooling system

2.2.2 冰冷式制冷降溫系統(tǒng)

冰制冷降溫系統(tǒng)原理如圖11所示，首先在井上利用制冰機(jī)制取顆粒狀冰或泥狀冰水混合物，通過(guò)風(fēng)力或水力輸送至井下的融冰池，在融冰池通過(guò)相變將冰中的所有以潛熱形勢(shì)存在的冷量釋放出來(lái)制成低溫水，然后將低溫冷水輸送至工作面，再利用空冷器或噴霧形式對(duì)采掘工作面進(jìn)行降溫[68-72]. 冰的蓄冷量高于水，單位體積的制冷量是水的4～5倍，這使得其具有顯著的降溫效果，而且冷源裝置設(shè)置在地面，克服了冷凝熱排放困難的缺點(diǎn)，井下系統(tǒng)設(shè)置簡(jiǎn)單，操作與維修方便.該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是輸冰過(guò)程中冰塊容易堆集造成管道堵塞或破裂，對(duì)輸冰管道產(chǎn)生過(guò)高的靜水壓力，因此對(duì)于不同冰的形狀和輸送方式，在輸送過(guò)程中要適時(shí)調(diào)整輸冰速度、壓縮空氣量及水壓力；輸冰過(guò)程中的冷損ΔE較大，影響有效制冷量Qeff；該系統(tǒng)制冷機(jī)組蒸發(fā)側(cè)需要提供較低的溫度Tevap，從而需要增加制冷機(jī)組功率Wref，導(dǎo)致冷凝溫度Tcond增加；該系統(tǒng)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生大量廢水，對(duì)水排放系統(tǒng)的要求較高. 盡管如此，目前對(duì)于3000 m以下的礦井降溫系統(tǒng)，綜合考慮制冷效果和運(yùn)行費(fèi)用，即使冰制冷系統(tǒng)初投資較高，但其仍是較為經(jīng)濟(jì)的選擇方案. 因此，隨著礦產(chǎn)資源的開(kāi)采深度不斷增加，對(duì)于熱害嚴(yán)重，需冷量大的礦井，冰制冷降溫系統(tǒng)具有良好的發(fā)展前景.

圖11 冰制冷降溫系統(tǒng)原理Fig.11 Principles of the ice-cooling system

2.2.3 水冷式制冷降溫系統(tǒng)

(1) 地面集中制冷降溫系統(tǒng).

地面集中制冷降溫系統(tǒng)原理如圖12所示，首先在井上利用制冷機(jī)組制出低溫冷水，輸送至井下，然后通過(guò)高低壓換熱器將高壓水體中的冷量通過(guò)對(duì)流方式傳給低壓水體，最后將低溫低壓的水體輸送至采掘工作面，再利用空冷器進(jìn)行降溫[73-76]. 該制冷系統(tǒng)的制冷機(jī)組布置在地面，不需要采取防爆措施；可以忽略冷卻水端的冷量損失ΔE，且避免了冷凝熱排放困難. 應(yīng)用于淺層礦產(chǎn)資源開(kāi)采時(shí)，制冷機(jī)組與熱交換器之間的距離短，輸冷管道較短，從而冷凍水沿程冷損ΔE較小，且水頭壓力小，能夠達(dá)到不錯(cuò)的制冷效果；但是對(duì)于埋深較大的礦井，制冷機(jī)組與熱交換器之間的距離顯著增加，導(dǎo)致ΔE相應(yīng)增加，Qeff隨之降低，制冷效果不佳，而且水頭壓力過(guò)大對(duì)承壓管道和設(shè)備的要求增加.

圖12 地面集中制冷降溫系統(tǒng)原理Fig.12 Principles of the ground centralized refrigeration cooling system

地面熱電聯(lián)產(chǎn)制冷降溫系統(tǒng)屬于地面排熱井下集中降溫系統(tǒng)的一種，其運(yùn)行過(guò)程中冷量的損失與地面排熱井下集中降溫系統(tǒng)一致(圖13)，其特點(diǎn)在于將電廠廢棄余熱輸送到溴化鋰制冷機(jī)里進(jìn)行一級(jí)制冷，再進(jìn)入乙二醇螺桿制冷機(jī)里進(jìn)行二級(jí)制冷，制取-5～-3.4 ℃的乙二醇溶液，冷卻的乙二醇溶液通過(guò)供冷管道送入井下?lián)Q冷供應(yīng)室冷卻水，被冷卻的水經(jīng)空冷器產(chǎn)生冷風(fēng)，送入高溫工作面進(jìn)行降溫. 該系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程實(shí)現(xiàn)了“變廢為寶，綠色環(huán)?！?，符合我國(guó)節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境、發(fā)展資源節(jié)約型和環(huán)境友好型經(jīng)濟(jì)的方針，適用于高瓦斯、高地?zé)岬V井，是我國(guó)今后礦井熱害治理的重要發(fā)展方向之一[76-77].

圖13 地面熱電聯(lián)產(chǎn)制冷降溫系統(tǒng)原理Fig.13 Principles of the ground cogeneration refrigeration cooling system

(2) 回風(fēng)排熱井下集中降溫系統(tǒng).

回風(fēng)排熱井下集中降溫系統(tǒng)原理如圖14所示，該系統(tǒng)是將地面集中制冷模式引用到礦井井下，機(jī)組冷卻水出水通過(guò)噴淋設(shè)施在井下回風(fēng)中進(jìn)行冷卻，有時(shí)需要局部通風(fēng)機(jī)，利用風(fēng)流與水的換熱作用加強(qiáng)冷卻效果[78-80]. 與地面集中制冷降溫系統(tǒng)一樣，該系統(tǒng)可以忽略冷卻水端的冷量損失ΔE，不同的是該系統(tǒng)制冷機(jī)組與空冷器之間的距離縮短，輸水管路相應(yīng)變短，冷量損失ΔE減小，還避免了靜水高壓?jiǎn)栴}. 但是其依靠礦井回風(fēng)帶走的冷凝熱有限，導(dǎo)致冷凝熱排放困難，影響其制冷效果. 此外，該降溫系統(tǒng)的運(yùn)行需要滿足冷卻水的回水溫度大于或等于回風(fēng)風(fēng)流的初始溫度這一條件，因此其適用于回風(fēng)溫度較低或需要局部制冷降溫的采掘工作面.

圖14 回風(fēng)排熱井下集中降溫系統(tǒng)原理Fig.14 Principles of the return air exhaust heating underground centralized refrigeration cooling system

(3) 地面排熱井下集中降溫系統(tǒng).

地面排熱井下集中降溫系統(tǒng)原理如圖15所示，該系統(tǒng)同樣是將制冷機(jī)組放置在井下，不同的是制冷機(jī)組將冷量輸送至工作面，同時(shí)將吸收的冷凝熱返回地面冷卻塔，并通過(guò)地面冷卻塔進(jìn)行冷凝熱的排放[81-82]. 因此，該系統(tǒng)除了具有回風(fēng)排熱井下集中降溫系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)外，對(duì)冷凝熱的排放效果相對(duì)較好，應(yīng)用于淺部開(kāi)采時(shí)具有良好的制冷效果. 但是其在應(yīng)用于深部礦井時(shí)，冷卻塔與制冷機(jī)組之間的距離會(huì)顯著增加，冷卻水端的冷量損失ΔE增加；制冷機(jī)組的回水溫度較低時(shí)，在輸送至冷卻塔沿途中會(huì)出現(xiàn)明顯的溫升，進(jìn)一步造成冷量損失. 因此，地面排熱井下集中降溫系統(tǒng)通常適用于需冷量不大或開(kāi)采深度不大的熱害礦井.

圖15 地面排熱井下集中降溫系統(tǒng)原理Fig.15 Principles of surface heat dissipation and the underground centralized refrigeration cooling system

(4) 深井熱害資源化利用系統(tǒng).

針對(duì)已有降溫系統(tǒng)存在的問(wèn)題，結(jié)合煤礦生產(chǎn)工藝系統(tǒng)特點(diǎn)，何滿潮提出了深井熱害治理與礦井熱能綜合利用系統(tǒng)(High temperature exchange machinery system, HEMS). 圖16是HEMS降溫系統(tǒng)技術(shù)原理圖，利用礦井各水平現(xiàn)有涌水，通過(guò)能量提取系統(tǒng)從中提取冷量，然后運(yùn)用提取出的冷量與工作面高溫空氣進(jìn)行換熱作用，降低工作面環(huán)境溫度及濕度，并且以礦井涌水為介質(zhì)將工作面熱害轉(zhuǎn)換為熱能輸送到井上代替燃煤鍋爐進(jìn)行供熱. 如圖16所示，整個(gè)工藝系統(tǒng)分井上和井下兩部分，井下部分由HEMS-T換熱工作站、HEMS-Ⅰ制冷工作站及HEMS-Ⅱ降溫工作站組成；井上部分由HEMS-T換熱工作站、HEMS-Ⅲ熱能利用工作站、洗浴供熱及井口HEMS-Ⅱ-Shaft防凍工作站組成[83-87]. 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了井下熱害資源化、變廢為寶，在有效改善井下熱環(huán)境的同時(shí)，提取井下熱能代替井上燃煤鍋爐供熱，解決了深部礦區(qū)面臨的熱害和環(huán)境污染兩個(gè)問(wèn)題，在礦井涌水充足的深部高溫礦井，具有良好的應(yīng)用前景.

圖16 HEMS降溫系統(tǒng)技術(shù)原理圖[83-87]Fig.16 Principles of the high temperature exchange machinery cooling system

3 礦山地?zé)崂?/h2>

在“碳中和，碳達(dá)峰”的時(shí)代背景下，近年來(lái)礦山地?zé)嶙鳛橐环N可再生、綠色的淺層–中層地?zé)豳Y源而受到廣泛關(guān)注. 目前，關(guān)于礦山地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用的研究可根據(jù)礦井是否關(guān)停分成2類(lèi)，即關(guān)停/廢棄礦井地?zé)豳Y源利用[88-89]和開(kāi)采中的礦井地?zé)崂?，本文重點(diǎn)對(duì)后者進(jìn)行介紹. 并將開(kāi)采中的礦井地?zé)崂梅殖?種：礦井水熱能利用、礦井回風(fēng)熱能利用和圍巖熱能直接利用.

3.1 礦井水熱能利用

煤礦開(kāi)采過(guò)程中，礦井水通常會(huì)被作為廢水排出，然而實(shí)際上礦井水通過(guò)在地層裂隙中流動(dòng)，長(zhǎng)期與巖體進(jìn)行對(duì)流換熱，使其蘊(yùn)含著豐富的低品位熱能，而且隨著礦井開(kāi)采深度增加、開(kāi)采規(guī)模擴(kuò)大，礦井水量和溫度均會(huì)增加. 因此，礦井水可以作為穩(wěn)定的冷熱源，具有很高的開(kāi)采價(jià)值. 圖17是一種礦井水熱能利用系統(tǒng)的原理圖，應(yīng)用水源熱泵提取礦井水中的熱量用于建筑物供暖、洗浴供暖和井口防凍等. 該系統(tǒng)工作時(shí)，首先從取水井提取礦井水至地表蓄水池，經(jīng)過(guò)濾處理后流經(jīng)換熱器，換熱器將礦井水中的熱量送往蒸發(fā)器，然后蒸發(fā)器內(nèi)的低溫低壓制冷劑吸收熱量變成低壓蒸汽，被壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓氣體，并在冷凝器內(nèi)被液化，釋放的熱量用于熱用戶(hù)，最后被液化的制冷劑又被膨脹閥處理成低溫低壓的液體，進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行下一次熱力循環(huán). 而在換熱器內(nèi)被提取熱量的礦井水被進(jìn)一步過(guò)濾處理，可作為礦區(qū)工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活用水.

圖17 礦井水熱能利用原理圖Fig.17 Principles of the thermal energy utilization of mine water

多年來(lái)，學(xué)者們從理論研究、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐等方面對(duì)礦井水熱能利用方法與技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究，取得了豐碩成果[90-94]. 例如：田偉等[95]針對(duì)龍固礦井高溫(45 ℃)高鹽度(900 mg·L-1)的礦井水，探討了礦井水余熱資源的利用方式，并提出了礦井水的處理凈化方法；趙志釗等[96]以山東省濟(jì)寧梁寶寺煤礦為例，給出了礦井回風(fēng)、礦井水、洗浴廢水、冷卻水(風(fēng))廢熱回收量的計(jì)算方法；李科燃[97]針對(duì)唐家會(huì)礦廠區(qū)原有供熱系統(tǒng)能力不足的問(wèn)題，提出了一種礦井水熱源利用方法；劉家柱[98]針對(duì)潘二礦現(xiàn)有礦井水處理利用與供暖方式存在的問(wèn)題，論證了礦井水熱能替代燃煤鍋爐供暖和礦井生產(chǎn)的可行性；He等[99]在研究張雙樓煤礦熱害問(wèn)題時(shí)，將井下熱害變廢為寶，將其作為熱能資源進(jìn)行利用，針對(duì)礦井水的水質(zhì)問(wèn)題發(fā)明了HEMS三防換熱器(防污、防堵、防腐)，利用HEMS-Ⅲ機(jī)組建立了地面熱能利用系統(tǒng)(圖16)，解決了礦區(qū)21.56×104m2的建筑供熱，年節(jié)約燃煤1.197萬(wàn)噸；徐坤等[100]針對(duì)劉店煤礦在生產(chǎn)中需要供熱、同時(shí)排放大量低品位余廢熱量的情況，提出了適合于該礦的綜合熱泵供熱方案. 畢世科等[101]提出了一種利用礦井原有井巷工程進(jìn)行礦井地?zé)崴_(kāi)采的模型，根據(jù)礦區(qū)多種余熱資源的賦存情況，提出了礦山地?zé)豳Y源綜合利用方案，結(jié)果表明唐口礦山地?zé)豳Y源可服務(wù)于礦山和周邊14×104m2的住宅供暖.

3.2 礦井回風(fēng)熱能利用

煤炭開(kāi)采過(guò)程中，需要不斷的向巷道及工作面提供新鮮空氣，新鮮冷風(fēng)會(huì)與巷道圍巖進(jìn)行熱交換，同時(shí)井下設(shè)備運(yùn)行也會(huì)將熱量釋放到空氣中，使得礦井回風(fēng)中蘊(yùn)含著一定可利用的熱能[102-103].礦井回風(fēng)熱能利用技術(shù)在我國(guó)煤礦應(yīng)用廣泛，針對(duì)礦井環(huán)境、回風(fēng)量、回風(fēng)溫度等的不同，礦井回風(fēng)熱能利用技術(shù)類(lèi)型多種多樣，提取的熱量可以用于井筒防凍、建筑采暖等[104-105]. 向艷蕾等[106]對(duì)目前礦井回風(fēng)熱能利用技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)，包括礦井回風(fēng)利用方式、利用技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn). 接下來(lái)，本文對(duì)目前最主要的熱管式換熱技術(shù)和熱泵取熱技術(shù)(直蒸式淺焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)、直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)和噴淋式表焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù))進(jìn)行詳細(xì)介紹.

3.2.1 熱管式換熱技術(shù)

熱管式換熱裝置的原理如圖18所示，該裝置以熱管作為主要元件，相變熱管具有高效的傳熱性能和等溫特性，主要依靠相變潛熱實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移[107-108]. 將蒸發(fā)端與礦井回風(fēng)管道連接，冷凝端與井口進(jìn)風(fēng)管道連接，當(dāng)?shù)V井回風(fēng)經(jīng)過(guò)蒸發(fā)端，熱管內(nèi)的液態(tài)低溫工質(zhì)吸收礦井回風(fēng)中熱量迅速汽化并流向冷凝端，然后在冷凝端被礦井新風(fēng)冷卻成液態(tài)，重新流回蒸發(fā)端，而吸收熱量的礦井新風(fēng)將熱量沿著進(jìn)風(fēng)管道用于井口防凍. 該技術(shù)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，初投資和運(yùn)行費(fèi)用較低，但是回收熱量較少，通常只能用于井口防凍[106].

圖18 熱管換熱裝置原理圖Fig.18 Principles of heat pipe heat exchange device

3.2.2 熱泵取熱技術(shù)

(1) 直蒸式淺焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù).

直蒸式礦井乏風(fēng)熱泵技術(shù)的原理如圖19所示，該技術(shù)是在礦井排風(fēng)口處建設(shè)回風(fēng)換熱室，并在換熱室側(cè)邊布置乏風(fēng)換熱器，該換熱器充當(dāng)熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器. 當(dāng)?shù)V井回風(fēng)經(jīng)過(guò)乏風(fēng)換熱器，首先完成低溫低壓制冷工質(zhì)吸熱汽化過(guò)程，然后被壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓氣體，再經(jīng)過(guò)冷凝器放熱變成高壓液體，放出的熱量供給熱用戶(hù)，最后高壓液體經(jīng)過(guò)膨脹閥后回到乏風(fēng)換熱器，進(jìn)入下一次熱力循環(huán). 該技術(shù)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，運(yùn)行過(guò)程中能量損失較低，取熱效果顯著，滿足礦井防凍用熱的同時(shí)，可以用于建筑物和洗浴供暖. 但是，如果礦井回風(fēng)量較大或取熱量大時(shí)，需要增加機(jī)組數(shù)量，可能會(huì)受到礦區(qū)場(chǎng)地限制. 此外，即使有足夠的場(chǎng)地，換熱器數(shù)量的增多和換熱面積的增加會(huì)增大回風(fēng)阻力，對(duì)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行造成不利影響的同時(shí)，無(wú)形中也增加了運(yùn)行和維護(hù)成本[106-107].

圖19 直蒸式熱泵技術(shù)原理Fig.19 Technical principles of the direct steam heat pump

(2) 直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù).

直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)是在直蒸式淺焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)上的改進(jìn)，其工作原理如圖20所示. 在礦井排風(fēng)口處建設(shè)回風(fēng)換熱室，并在換熱室側(cè)邊布置乏風(fēng)換熱器，將其通過(guò)防凍液管路與直冷式乏風(fēng)熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器連接，防凍液提取回風(fēng)中的熱量流經(jīng)蒸發(fā)器，蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑吸收熱量被氣化流向壓縮機(jī)，而降溫后的防凍液重新回到乏風(fēng)換熱器. 熱泵機(jī)組內(nèi)，氣化的制冷劑被壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓氣體，再經(jīng)過(guò)冷凝器放熱變成高壓液體，放出的熱量供給熱用戶(hù)，而高壓液體經(jīng)過(guò)膨脹閥后回到蒸發(fā)器，進(jìn)入下一次熱力循環(huán). 該技術(shù)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，取熱效率高，乏風(fēng)取熱后溫度可低至-15 ℃，相對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)取熱量提高2倍以上[106-107].

圖20 直冷式熱泵技術(shù)原理Fig.20 Technical principles of the direct cooling heat pump

(3) 噴淋式表焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù).

噴淋式表焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)原理如圖21所示. 該技術(shù)將淋水換熱器布置在回風(fēng)井口處，礦井回風(fēng)在回風(fēng)擴(kuò)散塔內(nèi)變?yōu)榈退佟⒎€(wěn)定的風(fēng)流，實(shí)現(xiàn)水滴與風(fēng)流的充分接觸，從而使風(fēng)流中的熱量傳遞給水. 換熱后的水進(jìn)入集水池，經(jīng)過(guò)處理后送往熱泵機(jī)組，而降溫后的礦井回風(fēng)排至大氣. 熱泵機(jī)組的運(yùn)行原理與上述一致，通過(guò)壓縮機(jī)做功，制冷劑在直冷式乏風(fēng)熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器與冷凝器之間進(jìn)行熱量的傳遞，最終將熱量供給熱用戶(hù)，并進(jìn)入下一次熱力循環(huán). 該技術(shù)在提取熱量的同時(shí)對(duì)礦井通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行起到降噪作用，并且對(duì)礦井回風(fēng)進(jìn)行除塵，一定程度上避免了大氣環(huán)境污染. 但是該技術(shù)系統(tǒng)投資成本較高，換熱效率較低，且回風(fēng)低于12 ℃時(shí)，在嚴(yán)寒地區(qū)設(shè)備穩(wěn)定性較差. 此外，循環(huán)水體雜質(zhì)過(guò)多，影響系統(tǒng)設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行[106-107].

圖21 噴淋式熱泵技術(shù)原理Fig.21 Technical principles of the spray heat pump

3.3 圍巖熱能利用

由上述可知，礦井水和礦井回風(fēng)熱能的利用實(shí)際上屬于礦山地?zé)岬拈g接利用. 相比于礦井水和礦井回風(fēng)，巷道圍巖內(nèi)蘊(yùn)含著更為豐富的熱能，如果能對(duì)其熱能直接提取，一方面可以實(shí)現(xiàn)深部礦產(chǎn)資源和清潔地?zé)崮苜Y源的協(xié)同開(kāi)發(fā)利用，另一方面圍巖熱能被不斷提取，可以直接降低巷道圍巖的散熱量，達(dá)到對(duì)井巷降溫的目的，這既是當(dāng)前礦山地?zé)崂玫难芯繜狳c(diǎn)，也是未來(lái)的研究方向之一.

近年來(lái)，已經(jīng)有學(xué)者對(duì)圍巖熱能直接利用進(jìn)行研究，李孜軍等[109]提出了一種礦井巖層地?zé)崮軈f(xié)同開(kāi)采多物理場(chǎng)耦合模型，該技術(shù)在提取巖層熱后能降低巷道圍巖和礦床溫度，從而起到治理礦井熱害的作用. 此外，近年來(lái)在地表淺層地?zé)崮艿拈_(kāi)采中，各種形式的地埋管換熱器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用[110-111]，如圖22是一種應(yīng)用地埋管換熱器提取圍巖熱能的系統(tǒng)圖，通過(guò)在煤礦巷道圍巖內(nèi)鉆孔，將地埋管換熱器布置在巷道圍巖內(nèi)，并采用水或者有機(jī)質(zhì)作為換熱工質(zhì)，將蘊(yùn)藏在圍巖中的熱能提取至熱泵機(jī)組，熱泵機(jī)組提取高溫工質(zhì)中的熱量用于熱用戶(hù)，并將降溫后的低溫工質(zhì)重新送回地埋管換熱器，繼續(xù)提取圍巖熱能. 該方法能夠直接高效的提取圍巖熱能，實(shí)現(xiàn)礦井巷道空間的有效利用，同時(shí)不影響煤炭資源的正常開(kāi)采，提取的熱量可以用于井口防凍、礦區(qū)洗浴供暖和建筑物供暖，有效減少一次性能源的消耗，有助于煤炭資源的綠色開(kāi)采和可持續(xù)發(fā)展，一舉多得. 基于此，一些研究將充填采礦與地?zé)豳Y源開(kāi)采相結(jié)合，利用蓄熱/儲(chǔ)能功能性充填體提取地?zé)岬姆椒?，通過(guò)在采空區(qū)充填體內(nèi)布置地埋管換熱器，提取圍巖熱能[112-115]，該方法既豐富了充填材料的功能屬性，又拓展了礦井降溫的新方法. Ghoreishi-Madiseh等[116]開(kāi)展了回填礦場(chǎng)布置熱交換管提取圍壓熱能的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究，證明該方法不僅可以在采礦工作期間使用，還可以在礦山關(guān)閉后繼續(xù)運(yùn)行.

圖22 圍巖熱能提取系統(tǒng)圖Fig.22 System of thermal energy extraction from surrounding rock

在此基礎(chǔ)上，對(duì)于采光條件優(yōu)良或風(fēng)能充足的礦區(qū)，還可以考慮多種清潔能源協(xié)同利用，以實(shí)現(xiàn)礦區(qū)多源耦合供熱模式. 例如圖23是一種多種清潔能源協(xié)同利用系統(tǒng)圖，通過(guò)地源熱泵技術(shù)從礦井圍巖中提取熱能，并將熱能用于熱用戶(hù)，采用風(fēng)能發(fā)電和光伏發(fā)電/集熱，生產(chǎn)的電能可以直接用于用戶(hù)，也可以為水泵、熱泵機(jī)組等供電，生產(chǎn)的熱能則可以作為圍巖熱能的有效補(bǔ)充，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)一次性能源的零排放，有助于煤炭資源綠色開(kāi)采和可持續(xù)發(fā)展.

圖23 多種清潔能源協(xié)同利用系統(tǒng)圖Fig.23 System of coordinated utilization of various clean energy sources

4 結(jié)論

本文從礦山地?zé)岬闹聻?zāi)形式、熱害防控技術(shù)和熱能利用方法3個(gè)方面，對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了歸納總結(jié). 主要結(jié)論如下：

(1) 礦山地?zé)岬闹聻?zāi)形式有加劇煤巖體性質(zhì)劣化、誘發(fā)支護(hù)結(jié)構(gòu)失效和導(dǎo)致高溫高濕環(huán)境3類(lèi)，具體包括加劇圍巖變形破壞、誘發(fā)吸附瓦斯溢出、降低錨桿錨固強(qiáng)度、加劇錨護(hù)材料腐蝕、損害工人身心健康、降低工人工作效率和增加機(jī)械設(shè)備故障率七方面.

(2) 熱害控制技術(shù)有非人工降溫技術(shù)和人工降溫技術(shù)兩種，其中非人工降溫技術(shù)分為熱源控制技術(shù)、熱濕環(huán)境調(diào)控技術(shù)和個(gè)體防護(hù)技術(shù)3類(lèi)；根據(jù)制冷工質(zhì)不同，可以將熱工制冷降溫系統(tǒng)分成氣冷式、冰冷式和水冷式3大類(lèi)，包括壓縮空氣制冷降溫、冰制冷降溫、地面集中制冷降溫、地面排熱井下集中降溫、回風(fēng)排熱井下集中降溫、地面熱電聯(lián)產(chǎn)制冷降溫和熱害資源化利用等制冷系統(tǒng).

(3) 目前礦山地?zé)崂弥饕绞绞峭ㄟ^(guò)提取礦井涌水和礦井回風(fēng)中的熱能用于井口防凍、洗浴供熱和建筑物供暖，容易受到礦井條件等的限制.而通過(guò)地埋管等不同形式的換熱器，直接提取井下巷道圍巖中的熱能，結(jié)合井上的風(fēng)、光等清潔能源，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)多源耦合供熱模式是未來(lái)礦山地?zé)崂冒l(fā)展的方向之一.