某铀矿井下作业中段热源分析与降温措施研究

陈 刚，干雨杭，李先杰

(1.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149；2.中国地质大学(北京)，北京 100083)

受发展核电和国家战略需求影响，对铀矿石的需求量逐年增加[1-2]。但经过近50多年的开采，中国浅层铀矿资源越来越少，唯一在生产的硬岩铀矿井，其下一步三期的开采深度预计超过700 m。铀矿逐步进入深部开采，面临地热对作业环境的恶化影响。

某铀矿井正处于二期与三期开采的过渡阶段，随着矿井生产作业中段向深部延展，矿井内部环境高温高湿的特点逐步显现，部分独头掘进面和作业面的环境温度超过了国家规定的28 ℃限值[3]。高温高湿环境不仅给井下工人的身体健康带来巨大的影响，还大大降低了采矿效率。因此，急需对矿井内热源进行调查分析，并针对性地提出降低矿井内环境温度的对策。本研究对生产作业中段的热源进行了梳理分析，并针对-150 m中段不同的散热源提出相应解决措施。

1 生产作业中段热源分析

棉花坑矿井二期开采已接近尾声，下一步进行的三期开采深度将至-400 m(海拔)以下。在棉花坑矿向深处开采的过程中，各热源对矿井的加热现象逐步显现。在夏季，棉花坑井地表入风温度为25 ℃，当到达-50 m中段时温度升高至26 ℃，当到达-150 m中段时温度已达27.8 ℃，再经过空气压缩机房、热水和岩壁的加热，导致部分独头掘进面温度最高达35 ℃。

在常规矿山井下开采中，能够影响作业环境温度的主要因素有围岩、矿井运输机械、矿用机电设备、矿井水等[4-7]。为了分析矿山井下温度变化，找出影响井下作业环境温度的主要因素，以-150 m中段为研究对象，对井下热源进行监测，分析各热源对井下温度升高的影响程度。

1.1 矿井内部热源监测及分析

一个高温热源会同时通过多种散热方式散热，以岩壁散热为例，存在岩壁与空气接触时发生的传导散热方式，也存在因空气流动而产生的对流散热方式。实际中，很难弄清楚几种不同散热方式所占的比例，目前也没有可以比较精确计算总散热量的公式。在矿井中，由于内部空间较小，而且空气的流速、温度、湿度等各参数可通过相应的仪器测量[8-9]；所以不同热源的散热量可以利用空气经过热源前后的比焓变化来间接推导得出。

矿井中的空气在通过热源后的吸热量计算公式为

Q=Q2-Q1=ma×(h2-h1)=Vaρa×(h2-h1)，

(1)

式中：Q1—空气通过热源前具有的热量，kJ；Q2—空气通过热源加热后具有的热量，kJ；ma—空气的质量，kg；Va—空气的体积，m3；ρa—空气的密度，kg/m3；h1—通过热源前的空气比焓，kJ/kg；h2—通过热源后的空气比焓，kJ/kg。

基于式(1)，结合某矿生产状况，围绕上述几类主要热源(无轨设备除外)，对铀矿井下热源及矿井空气温度、湿度进行监测，监测设备及监测计划见表1。

表1 矿井热源监测设备及监测计划

1.2 主要热源散热量计算

1.2.1 岩壁散热量Q壁

选取-150 m中段长度为100 m的长直主巷(无其他支巷)进行研究，岩壁温度为25 ℃。测量该主巷的空气温度、湿度、风量以及岩壁温度等数据，结果见表2。

表2 岩壁散热量计算依据

将表2数据代入式(1)，可计算得到选取的100 m岩壁的散热量Q壁=10.6 kJ/s。忽略矿井中其他物体吸收的热量，最终可估算出-150 m中段南部总长度为500 m的长直主巷岩壁散热量为53 kJ/s。

1.2.2 空压机散热量Q机

根据矿井热源监测中对空压机的监测方案，对计算空压机散热量所需的数据进行测量，结果见表3。将表3数据代入式(1)，可计算得到空压机的散热量Q机=195 kJ/s。

表3 空压机散热量计算依据

1.2.3 涌水散热量Q水

矿井中的散热媒介为地下涌水，计算时忽略热量在传递过程中的损失，用涌水的吸热量确定散热量。涌水数据见表4。

表4 涌水散热量计算依据

利用表4数据，根据公式计算得到涌水散热量Q水=V水×ρ水×C×ΔT=70.8×1 000×4.2×5÷3 600=413 kJ/s。

1.2.4 无轨设备散热量Q机电

一般无轨设备散热量普遍采用当班设备装机容量乘以转换系数得出，具体计算公式为

Q机电=k×Ne，

(2)

式中：Ne—每班机械设备的总装机容量，kW；k—综合转化系数，一般取0.3。当前，矿井生产中段单班工作矿用无轨卡车2台，单台功率为110 kW；铲运机2台，单台功率为60 kW。根据式(2)计算得出Q机电=102 kJ/s。

1.3 热源散热量计算结果分析

通过对-150 m中段热源的计算，得出各热源散热量占比，如图1所示。

图1 -150 m中段各热源占比

从图1可看出：在-150 m中段，导致矿井内作业环境温度升高的主要因素为涌水，其散热量占总散热量的53.78%；空压机运行时贡献的散热量占总散热量的26.04%；无轨设备散热量占总散热量的13.28%。在试验测量时，虽然深部开采岩石温度有所提升；但岩壁对作业环境空气的加热现象并不显著，其贡献的散热量仅占总散热量的6.90%，其原因是在-150 m中段巷道周围形成了调热圈。

2 矿井热害治理

对矿井热源调查分析发现，矿井热源主要有工作的空压机、地下涌水、无轨设备和岩壁；其中地下涌水和空压机贡献的散热量约占总散热量的80%。因此解决矿井热害问题的重点集中在降低涌水和空压机的散热上。

2.1 矿井水源分析

2.1.1 大气降水

矿区内年降水量为970～2 244.6 mm。依水文观测结果来看，不同季节矿坑的充水强度有明显的差异，丰水期矿山采掘坑道排水量是枯水期的2倍多，说明大气降水是井下充水的主要来源。

2.1.2 地表水

矿床内没有主要的地表水体，地表水来源主要是河流，流量为17.05～434.6 L/s，在雨季流量还会增大。

矿床内分布有花岗岩中的裂隙潜水；但由于裂隙较小而且裂隙随深度增加而减少，因此地表水进入到矿床深部的水量较小。

含矿构造带的上部岩石主要为碎裂岩和晚期石英脉，岩石的渗水性能差，地表水沿构造带流入矿井深部的水量较小；而含矿构造带的下部水量出现局部增大现象，说明深部可能赋存规模较大构造裂隙水[10]。

利用已统计的生产中段涌水量、开采面积以及矿床勘探时取得的水文地质资料，对-150 m中段及其以下中段的矿坑涌水量进行了预测，结果见表5。

表5 矿坑涌水量预测结果

从地质勘探资料和涌水量预测分析，矿井深部可能赋存规模较大的构造裂隙水，且受地表补给影响明显。该水源在岩温作用下形成热水，是井下作业环境温度升高的重要贡献者。

2.2 热害治理对策

2.2.1 采用管道排放涌水

把-150 m中段南部涌水作为采用管道排放涌水的试验对象，制定热水管道排放试验方案：采用聚氯乙烯(PVC)管将水引至水仓，将温度较高的地下涌水与矿井巷道隔离，从而降低了涌水对巷道南部空气的热量传递。采用管道排放涌水后，仍有部分热量通过管道壁面传递。在这种情况下，可利用管道入口和出口水温差来计算散热量，结果见表6。

表6 涌水散热量计算测量数据

2.2.2 空压机地表运行

停用-150 m中段的空压机，并改造通风系统。将空压机移至矿井地表，通过管路对-150 m中段送风，从而杜绝了空压机运行产生的热量向南部通风系统的传递。

2.2.3 调整通风系统

通过设置风门、密闭采空区废弃巷道等措施对矿井的通风系统进行调整。加大-150 m中段的进风量，使得-150 m中段进风量从原来的10 m3/s增加到19 m3/s；同时加快热量的排出，让岩层快速形成调热圈。

2.3 热源治理结果

采取上述降温措施后，利用原来的热源监测方案对-150 m中段作业面温度进行了监测，治理效果见表7，治理前后的散热量对比如图2所示。可以看出，与治理前相比，治理后-150 m中段南部作业面温度平均下降了3.3 ℃，散热量下降了55%，治理后涌水的散热量明显下降，空压机运行产生的热量不再向南部通风系统传递，热源得到有效控制。

表7 -150 m中段南部治理前后温度对比

图2 治理前后热源散热量对比

3 结论

地下涌水、空压机、无轨设备、岩壁对井下空气温度升高的贡献率分别为53.78%，26.04%，13.28%和6.90%。从采用管道排放涌水，停用入风端空压机和调整局部通风路线方面入手，提出了热害治理对策。经过治理后，矿井-150 m中段南部采掘工作面的温度低于28 ℃，满足了国家标准限值要求。

井下涌水量受地表补给影响明显，地表水经岩体加热后涌入作业空间，导致环境温度升高。岩体散热仍然是矿井温度升高的主要影响因素，研究深部岩温变化规律是进行下一步开采热害治理的前提。