摘要：隨著礦山開拓系統(tǒng)的不斷延伸，國內(nèi)外部分礦山采深已達千米以下，有些礦山在未來幾年采深將超過1 500 m甚至2 000 m。在深部開采過程中，隨著地溫梯度效應(yīng)、大量機械設(shè)備散熱與圍巖散熱、長距離獨頭掘進作業(yè)導(dǎo)致生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境溫度達40 ℃以上，嚴重制約礦山的生產(chǎn)效率，危害作業(yè)人員的身心健康，因此高溫?zé)岷κ巧罹V山所要解決的主要技術(shù)難題之一。通過資料收集、技術(shù)調(diào)研等手段，總結(jié)出深井礦山所面臨的通風(fēng)問題，主要表現(xiàn)在空氣環(huán)境較差、總風(fēng)量不足、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)紊亂、通風(fēng)設(shè)備與通風(fēng)構(gòu)筑物管理不善、成本較高等方面，指出了深井高溫環(huán)境對人體、設(shè)備、圍巖、支護所造成的主要危害，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了常規(guī)的通風(fēng)降溫與制冷降溫具體方式與主要技術(shù)措施建議，研究成果為深井礦山高溫?zé)岷χ卫硖峁┝思夹g(shù)參考。

關(guān)鍵詞：深地開采；高溫?zé)岷?；深部通風(fēng)；制冷降溫；熱害治理

中圖分類號：TD724""""""""""文章編號：1001-1277（2024）08-0028-05

文獻標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240803

引"言

隨著中國金屬礦山向1 000 m甚至1 500 m以上的深井發(fā)展，礦山機械與智能化程度不斷提高，礦山機電設(shè)備向井下空氣散發(fā)的熱量顯著增加。當(dāng)?shù)V體埋藏深度達到1 500 m時，由于地溫梯度效應(yīng)，原巖溫度將達到40 ℃～50 ℃，甚至更高，礦井通風(fēng)工作面臨越來越大的困難。同時，由于風(fēng)流自壓縮，每垂直向下流動100 m，其溫升約為1 ℃。統(tǒng)計顯示，超過適合人體溫度后，溫度每增加1 ℃，工人的勞動生產(chǎn)率將降低7 %～10 %，重則出現(xiàn)中暑，危及生命，同時井下機電設(shè)備故障率增加1倍以上［1］。因熱害而引起安全事故在國內(nèi)外礦山已有發(fā)生，熱害已成為與粉塵、頂板冒落、火災(zāi)、透水同樣嚴重的礦山井下自然災(zāi)害。因此，礦山應(yīng)充分認識到熱害對井下人員身體的危害、工作效率的損害及安全風(fēng)險的提升。本文在日常工作的基礎(chǔ)上，通過資料收集、調(diào)研等手段總結(jié)了深井礦山高溫?zé)岷ΜF(xiàn)狀、通風(fēng)現(xiàn)狀等，指出了深井降溫技術(shù)存在的問題，并展望了未來發(fā)展方向，以期為深井礦山高溫?zé)岷Ψ揽靥峁├碚撝笇?dǎo)。

1"深井礦山通風(fēng)技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)國內(nèi)外深井礦山通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀，目前深井礦山通風(fēng)所面臨的問題主要表現(xiàn)在空氣環(huán)境較差、總風(fēng)量不足、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)紊亂、通風(fēng)設(shè)備與通風(fēng)構(gòu)筑物管理不善、成本較高等方面，具體如表1所示。

2"深井礦山高溫危害

進入深部開采后，不可避免地面臨礦山高溫高濕帶來的諸多問題，深井高溫高濕環(huán)境對人體、設(shè)備、圍巖、支護等均造成一定的危害，主要表現(xiàn)如表2所示。

3"深井開采降溫技術(shù)

針對深部開采高溫?zé)岷λ斐傻奈：Γ鶕?jù)國內(nèi)外通風(fēng)研究現(xiàn)狀，深部開采降溫技術(shù)主要有常規(guī)的通風(fēng)降溫技術(shù)與人工制冷降溫技術(shù)。

3.1"通風(fēng)降溫技術(shù)

結(jié)合國內(nèi)外主要的通風(fēng)降溫技術(shù)現(xiàn)狀，通風(fēng)降溫技術(shù)的具體方式與主要技術(shù)措施或建議如表3所示。

3.2"人工制冷降溫技術(shù)

國內(nèi)外經(jīng)驗表明，當(dāng)采用常規(guī)的優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)、控制熱源等通風(fēng)降溫措施難以控制井下高溫?zé)岷r，可考慮采取人工制冷降溫技術(shù)?，F(xiàn)有的人工制冷降溫技術(shù)主要有：水制冷空調(diào)技術(shù)［15］、人工制冰空調(diào)技術(shù)［16］、空氣壓縮式制冷技術(shù)［17］、液態(tài)氣體相變制冷［18-19］、直膨式熱泵降溫技術(shù)［20］、動力型熱管降溫技術(shù)［21-22］、渦流管制冷結(jié)合微氣候礦井降溫技術(shù)［23］、熱電冷聯(lián)產(chǎn)空調(diào)降溫技術(shù)［24］、深井HEMS降

溫系統(tǒng)［25］、分離式熱管降溫技術(shù)［26］、熱-電-乙二醇降溫冷卻技術(shù)［27］等。

以上的降溫方法各有優(yōu)缺點［17，28］，均有各自的適用條件。在設(shè)計深部礦井熱害治理方案時，有必要首先開展井下熱源調(diào)查與現(xiàn)場工程調(diào)研，再根據(jù)其熱害特征與技術(shù)條件等選擇合適的降溫方法。

3.3"其他深井降溫技術(shù)

其他深井降溫方法主要包括預(yù)冷進風(fēng)風(fēng)流［29-30］、隔熱分流排熱降溫技術(shù)［31］、載/蓄冷功能性充填降溫方法［32-34］、水噴霧降溫技術(shù)［35］、溶液除濕降溫［36-37］等，以上深井降溫技術(shù)實際應(yīng)用較少，目前主要停留在理論分析與設(shè)計層面。

4"深井降溫技術(shù)存在的主要問題

綜合國內(nèi)外已有的通風(fēng)制冷降溫技術(shù)，其存在的共性技術(shù)問題如下：

1）常規(guī)的通風(fēng)降溫技術(shù)已無法控制深部高溫?zé)岷栴}。由于深部地溫梯度效應(yīng)，千米以深礦山巷道圍巖溫度已達38 ℃以上，同時隨著大規(guī)模機械設(shè)備的投入使用，向空氣環(huán)境散發(fā)出大量熱量，進一步增加作業(yè)面的溫度。而常規(guī)的通風(fēng)降溫技術(shù)無法降低風(fēng)源溫度，導(dǎo)致降溫效果有限，同時增加風(fēng)量等措施僅能保證風(fēng)速滿足要求，大部分作業(yè)區(qū)域環(huán)境溫度依舊在30 ℃以上，作業(yè)環(huán)境高溫高濕現(xiàn)象依然存在。

2）制冷降溫面臨投資較大，技術(shù)復(fù)雜，后期維修與管理等問題。一套完整的制冷降溫系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組合而成，各子系統(tǒng)之間相互作用導(dǎo)致設(shè)備相對較多，系統(tǒng)鋪設(shè)困難，初期投資較大。同時，由于各子系統(tǒng)之間處于協(xié)同工作狀態(tài)，系統(tǒng)較為復(fù)雜，往往一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題將導(dǎo)致整套制冷系統(tǒng)無法正常運行，因此后期需要投入大量人力進行維修保養(yǎng)，并需做好系統(tǒng)設(shè)備的現(xiàn)場管理。從國內(nèi)外已有井下制冷降溫系統(tǒng)來看，往往制冷降溫初期運行較為正常，制冷效果較好，但隨著時間的推移，受限于井下高溫高濕高腐蝕環(huán)境，系統(tǒng)故障率較高，維修不及時，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作，長時間處于廢棄狀態(tài)。

3）深井礦山未考慮地?zé)豳Y源回收利用?，F(xiàn)有的研究表明，廢熱中有80 %的熱量可以回收利用，但礦山在遇到熱害問題時，往往以防護為主，忽視了熱害的資源屬性。目前，不管是通風(fēng)降溫還是人工制冷降溫，均未考慮地?zé)豳Y源的回收利用，大部分熱量以廢熱的形式被排放到空氣中而被浪費掉。因此，積極推動深部“礦-熱共采”技術(shù)及深部熱害資源化利用技術(shù)是未來礦山需要考慮的技術(shù)發(fā)展之一。例如：中國張雙樓煤礦使用熱泵技術(shù)將熱害資源利用后，工作面溫度降低了7 ℃，同時每年可節(jié)省燃煤11 790 t［38］；德國Castle Freudenstein 地?zé)犴椖坷卯?dāng)?shù)氐V井水的地?zé)崮苓M行供暖和制冷［39］。此類礦山地?zé)豳Y源利用案例為深井礦山地?zé)豳Y源的利用提供了借鑒作用［40-41］。

5"展"望

1）未來深井礦山熱害防控技術(shù)應(yīng)改變以往采用單一方式降溫的模式，可考慮通風(fēng)降溫與局部制冷降溫相結(jié)合的方法進行。從風(fēng)源管控、通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)、作業(yè)區(qū)域熱源控制（如熱水排放控制、設(shè)備等熱源管理）、區(qū)域制冷方式、作業(yè)管理等多維度推行全流程管理的熱害防控技術(shù)，從而減少深部熱害所帶來的生產(chǎn)壓力。

2）隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種新材料的不斷研發(fā)，適用于深井巷道隔熱降溫的材料在近些年有了突破性進展。為此，礦山應(yīng)與各高?？蒲性核献?，研究導(dǎo)熱系數(shù)低并具有一定強度的噴漿隔熱材料。這不僅能起到隔熱降溫效果，而且也能起到增強深井高溫圍巖穩(wěn)定性的作用。

3）在制冷降溫技術(shù)方面，亟須研制更加合理的礦井空調(diào)設(shè)備和材料，從而提高制冷運行效率，在此基礎(chǔ)上設(shè)計合理的深井礦山空調(diào)制冷降溫技術(shù)方案，并借助數(shù)值模擬手段提前優(yōu)化制冷參數(shù)，從而確定最優(yōu)的制冷降溫技術(shù)參數(shù)，達到最優(yōu)的經(jīng)濟效益。與此同時要更加注重人力的投入，安排專人每天進行巡檢，確保系統(tǒng)的正常運行。

4）地?zé)嶂卫砑夹g(shù)是未來井下礦山深部的剛性需求，且隨著深度增加，熱害問題愈加嚴峻，其需求愈加迫切。研究換熱效率高、速度快，冷量傳輸更遠、耗散低的新技術(shù)是深部熱害防控的技術(shù)熱點。與此同時，井下高溫所產(chǎn)生的低品位熱源通過大功率高效熱泵技術(shù)對其進行富集和綜合利用，為礦山熱害治理與綠色發(fā)展提供了方向。

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Status quo of high-temperature heat hazard control and prevention technology in deep mines

Zhao Hongkai1，Qu Xingjun2，Cheng Li3，4，Shi Yanchao2

（1.Sanshandao Gold Mine，Shandong Gold Mining （Laizhou） Co.，Ltd.;

2.Jiaojia Gold Mine，Shandong Gold Mining （Laizhou） Co.，Ltd.;

3.Deep Mining Laboratory of Shandong Gold Group Co.，Ltd.;

4.Shandong Key Laboratory of Deep-sea and Deep-earth Metallic Mineral Intelligent Mining）

Abstract：With the continuous extension of mining development systems，the mining depth of some mines domestically and abroad has reached below 1 000 m，and in a couple of years，some mines will exceed depths of 1 500 m or even 2 000 m.In the process of deep mining，due to the effects of geothermal gradient，heat release from large amounts of mechanical equipment and surrounding rock，and long-distance single-heading excavation operations，the operation environment temperature can reach above 40 ℃.This severely restricts mining efficiency and jeopardizes the physical and mental health of workers.Therefore，high-temperature heat hazards are one of the main technical challenges that need to be addressed in deep mines.Through data collection and technical survey，it is summarized that deep mines at home and abroad face ventilation problems mainly in terms of poor air environment，insufficient total air volume，dis-ordered ventilation networks，poor management of ventilation equipment and structures，and high costs.The main hazards caused by high-temperature environments to humans，equipment，surrounding rock，and support are identified.Based on this，conventional ventilation cooling and refrigeration cooling methods and proposals for key technical measures are summarized.The research findings provide technical references for controlling high-temperature heat hazards in deep mines.

Keywords：deep mining;high-temperature heat hazard;deep mine ventilation;refrigeration and cooling;heat hazard control