秦岭金矿深部探矿中段高温热害治理方案探讨

王伟 冯福康 赵天勇 崔禄波 唐学义 胡兵

摘要：随着深井开采矿山的不断增多，高温热害已然成为制约矿山持续发展的一大难题，尤其在深部开拓和探矿阶段，生产作业必须克服独头巷道内高温高湿的恶劣环境，严重影响工人的身心健康和工程进度。针对秦岭金矿在深部生产探矿过程中遇到的高温热害难题，通过国内外调研、理论分析、方案比选等手段研究确定了高温热害治理推荐方案为完善通风系统，采用罗茨风机进行强制通风。结合深部中段探矿作业地点实际，通过方案设计、阻力计算、风机选型开展了罗茨风机强制通风试验方案研究，以期为秦岭金矿深部探矿及地下开采提供技术支撑。

关键词：深井开采;探矿;高温热害;技术方案;罗茨风机;通风降温

中图分类号：TD724文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2021）03-0025-07doi：10.11792/hj20210305

引言

随着中国采矿业的不断发展，矿井逐渐向地下延深，矿井高温高湿热害问题日益严重。矿井热害不仅影响矿山的生产能力和经济效益，而且对作业人员的身体健康和生命安全造成直接危害[1-3]。其原因主要有：①地热。地球是一个庞大的热库，地温随深度增加而增高，地表以下平均每下降100m，温度就升高3℃[3]。在地热异常区，温度随深度增加得更快。②氧化热和爆破热。一方面矿石氧化时会产生一定的热量，当矿石含硫量达到了自燃的程度时，产生的热量就会更大。另一方面，矿山施工炸药爆炸所产生的热能也会直接散发到矿井空气中。③机电设备散热。矿井内大容量机电设备在利用电能驱动生产机械的同时，还会消耗一部分电能转换为大量的热能，这些热能直接散发到矿井空气中，进一步加剧了矿井环境温度。④其他散热。如人体、充填材料和地下温泉水散热等，都会对矿井内环境产生一定的影响。

针对上述热害问题，矿山往往会有针对性地建立通风网络，对未来矿井涉及的所有作业地点进行全面覆盖，依靠成熟的通风系统，一般能够使矿井内部热环境处于动态平衡，减弱深井热害的影响。但是，在生产系统未完全形成的深部开拓和探矿阶段，由于整体通风系统未能形成完整回路，作业人员仍然长期处于独头巷道的半封闭空间中，传统的局扇通风由于设备能力限制已难以发挥作用，人工制冷降温造价过高而难以实施，导致多数矿山生产作业时必须克服独头巷道内高温高湿的恶劣环境，严重影响工人的身心健康和工程进度。

为此，本研究针对河南秦岭黄金矿业有限责任公司（下称“秦岭金矿”）在深部探矿过程中遇到的高温热害难题，通过国内外调研、理论分析、方案比选，探讨了高温热害通风降温技术方案;结合探矿阶段特殊形势，通过方案设计、阻力计算、风机选型，确定了罗茨风机强制通风现场试验方案，为改善深部中段作业环境提供技术支撑。

1工程概况

秦岭金矿成立于1966年，矿山开采历史悠久，其有金硐岔分矿、杨砦峪分矿、四范沟分矿等3个矿区，后因小秦岭自然保护区划定，将金硐岔分矿和四范沟分矿的大部分划出，仅杨砦峪矿区基本保留。杨砦峪矿区于1985年正式投产，经过30多年的开采，最大开拓深度已达1330m，深部巷道岩爆现象较为频繁，高温热害较为突出，属典型的深井开采矿山。

矿山现有1 #、2 #、3 #三级倒段和4 #盲竖井4条。目前，3 #盲竖井最深中段标高为330m，距离地表1660m平硐已达1330m，由于原岩温度较高、局部通风不畅，独头作业面实测温度达40℃，根据矿井热害防治技术规范的等级划分属三级热害矿井。由于环境温度过高，对井下采掘工程影响较大，施工人员无法长时间持续工作，更迭频繁，除690m中段与758m巷道贯通通风条件相对较好外，其他中段受环境温度所限，探矿、掘进、采矿工程均无法正常实施。

2015年，矿山进行通风治理方案设计，在3 #盲竖井330m、450m中段分别安装2台FD6.3/15型压入式对旋轴流局扇风机，串联直径600mm柔性阻燃风筒延伸至竖井马头门，与挂设在井筒内的490mm刚性风筒串联形成污風通道，最终将井底湿热空气排至距3 #盲竖井860m污风排放口。后因3 #盲竖井风流微弱，将局扇风机挪至3 #盲竖井860m入风口，虽然压入风量有明显提高，但矿山深部高温热害问题仍未得到实质性改善。

2017年，为有效应对井下高温环境造成的施工难题，矿山购置一套中雪ZB10T-R2W（25kg）制冰系统。该系统满负荷运行情况下，每天可生产400块25kg冰块。冰块由地表矿车运送至3 #盲竖井深部作业掌子面，并放置于工人作业点附近对作业环境进行冷却降温，此外也曾尝试将冰块放置于风筒出口处进行通风降温，但其降温效果均不佳。

2高温热害治理技术方案

针对矿山遇到的上述技术难题，通过查阅国内外相关文献，深入研究同类矿山疑难问题的解决思路和技术策略，探索发现可行的技术方案和手段措施，同时对矿山已采取的技术手段失效原因进行深刻剖析，最终制定了研究技术路线，见图1。高温热害治理技术方案有：方案一，完善通风系统实现降温;方案二，深井巷道围岩喷浆隔热;方案三，穿戴个体冷却防护服;方案四，井下制冰-喷淋冷却降温。

2.1完善通风系统实现降温

由于井下采矿工作面或井巷的特定条件，客观上存在着可引起风流热力参数变化的热源（如围岩散热、空气自压缩放热、机电设备运转产热及其他热源）和湿源（如矿（岩）体内的含水、水沟内的流水和生产用水等的水分蒸发）。根据能量守恒及转换定律，当有湿空气流过某条巷道时，在外界加给风流的热量和因高差产生的重力位能作用下，必将引起巷道始、末断面上风流能量的改变[4-5]。

依据焓值方程可用公式（1）表示如下：

式中：h2、h1为巷道始、末断面上风流的比焓（kJ/kg）;∑Qh为该区段中各种热源散热量之和（kW）;G为通过该区段巷道的质量风量（kg/s）;g为重力加速度（m/s 2）;Z1、Z2为始、末断面中心距基准面的高程（m）。

当∑Qh一定时，巷道通过的风量越大，分摊于每单位质量风流的热量就越小，起到了“稀释”热的作用。一方面，在一定的入风温度下，末端气温升值小，达到了降温的目的。另一方面，较高的风速可以提高人体的舒适感，改善人的主观感觉，获得降温或感觉舒适些的效果。因此，在一定条件下增加采掘工作面的风量可以达到降温的目的，即通风降温是可行和有效的。

结合矿山实际，以现阶段探矿成果为基础布置通风天井，从而形成深部中段通风系统回路，实现深部作业面的通风降温。新设计通风天井初步确定在330～450m北沿和330～690m东沿，同时为避免污风来回折返，在730～860m新掘一条通风天井。采用Ventsim通风模拟软件建立的三维模型见图2。其中，新设计通风工程包含330m水平通风平巷975m，1.4m通风天井610m。通过模拟结果可知，在新的通风系统方案下，330m、450m中段作业面干球温度均为27℃～28℃，满足金属非金属矿山安全规程的规定。

与此同时，在330m中段回风天井未开掘、4 #盲竖井西翼中段间未贯通前，3 #、4 #盲竖井中段开拓及探矿都为长距离掘进巷道，若利用现有的局扇通风，由于其风压不足，送风距离短，难以达到通风要求，对矿山生产造成了极大的安全隐患;建议矿山采用矿用罗茨风机（见图3）进行强制通风，新鲜风流在风机作用下进入330m、450m探矿作业面，吹扫工作面后，污风由主运巷道排至3 #盲竖井井筒，最终通过690m回风通道，经730m以上回风通风口排至地表。

2.2深井巷道围岩喷浆隔热

大多数情况下，围岩以热传导的方式放热，故可采用隔热材料喷涂岩壁来阻止围岩热传导。膨胀玻化微珠是一种无机玻璃质矿物材料，经多级碳化硅电加热管式生产工艺加工而成，呈不规则球状体颗粒，内部多孔空腔结构，表面玻化封閉，光泽平滑，理化性能稳定，具有质轻、绝热、防火、耐高低温、抗老化、吸水率小等优异特性，可替代粉煤灰漂珠、玻璃微珠、膨胀珍珠岩、聚苯颗粒等诸多传统轻质骨料在不同制品中的应用，是一种环保型高性能新型无机轻质绝热材料。陶粒是一种在回转窑中经发泡生产的轻骨料，具有球状外形，表面光滑而坚硬，内部呈蜂窝状，密度小、热导率低、强度高。在耐火材料行业中，陶粒主要用作隔热耐火材料的骨料。

基于上述性质，玻化微珠和陶粒的导热系数较小，可将玻化微珠作为细骨料、陶粒作为粗骨料加入到普通混凝土中实现保温阻热的作用[6-7]。玻化微珠和陶粒见图4。

同时，经研究发现，添加新材料后的混凝土支护体在深井岩爆灾害治理方面具有较好的效果，可以实现深井热害与岩爆灾害的综合治理。其材料保温隔热性能见表1。

玻化微珠和陶粒为建筑保温混凝土的一般性建材，矿山可联系附近厂家自行采购。

2.3穿戴个体冷却防护服

在工人分散的井下高温作业地点，不便采取集中降温措施时，可采用个体防护措施，如井下作业人员穿戴冷却服，实行个体保护，尤其针对矿山探矿时期，由于矿体位置并未完全探明，未来生产作业地点不够明确，过早投入井巷工程可能造成资金浪费。而冷却服穿戴便捷，可以防止环境对身体的对流和辐射传热，并且使人体在体力劳动中所产生的热能较易传给冷却服中的冷媒。据统计，个体防护的制冷成本仅为其他制冷成本的20%左右。

国内矿井个体冷却防护服一般为连为一体的上衣和裤子，有可以调节的腰带。防护服整体设计从外向内包括外保温层、制冷层、内保温层3层，上衣的制冷层内部设置有口袋和冰水管路。

该套装备可满足井下工作人员降温的要求，冷量可均匀分布于人体全身，还可以把温度升高的水排出，及时降低冷却服的质量。防护装备主要性能指标如下[8]：

1）在环境温度35℃下，体感温度为18℃～29℃。

2）在环境温度35℃下，正常使用时间为4～5h。

3）单套装备总质量1.2～1.5kg。

4）蓄冷剂相变温度为-4.1℃，相变潜热为258J/g。

5）蓄冷剂相变过程可逆，可重复使用。

6）蓄冷剂化学性质稳定，无毒无腐蚀性、不燃、环保。

冷却防护服的冷媒分为液冷和气冷2种，考虑到干冰制作工艺相对简单，设计采用气冷方式。本地区可加工制作，且降温效果好，可就近联系厂家进行现场试验。

2.4井下制冰-喷淋冷却降温

井下集中式冷水降温系统基本原理是利用井下制冷机组制备冷冻水，将冷冻水直接输送到高温工作面的空冷器实现降温。通过调研发现，矿山已购置中雪ZB10T-R2W（25kg）制冰系统一套，现场调试过程见图5。制成的冰块由地表矿车运送至3 #盲竖井深部作业掌子面，并放置于工人作业点附近对作业环境进行冷却降温。国内某高岩温隧道施工中应用了该项技术[9]，但该技术仅能作为快速降温的一种辅助手段。

结合该套制冰系统的技术性能，同时对矿山前期采取的冰块降温工艺进行分析认为，造成冰块直接降温效果不佳的主要原因是冰块与空气接触面积太小，难以对作业面环境温度产生实质性影响。因此，可以考虑将制冰机组经758m平硐运输至井下距离3 #盲竖井较近的地方进行集中制冷，建造小型盐水池和蓄水池，将制成的冰块搅碎后倒入小型蓄水池形成冰水混合物，经DN20镀锌管道泵送至深部探矿作业面，最终借助自动喷淋系统实现作业环境的冷却降温。

该方案的主要问题一方面是如何提高冰块的管道输送效率，另一方面是如何提高冰块与空气、岩石的接触面积。因此，建议矿山在实施过程中采取以下措施：

1）对于冰块破碎机破碎程度的控制，冰块的块度需小于管道直径的2/3，但同时又不能过于破碎，以免造成冰块过快融化。

2）对于冰水混合物输送泵的选择，既需要考虑流量大小，又要使冰块在输送至掌子面时不至于融化。

3）冰水混合物在输送过程中，一部分直接喷淋在巷道岩石壁面，另一部分可堆置于局扇风管出口辅助通风降温。

此外，自动喷淋系统主管路应低于架线水平20～30cm，避免喷雾与电机车架线过多接触，同时采用塑料水管对局部地段架线进行包裹处理，最大限度减少触电安全事故的发生。

2.5方案对比分析

为了客观反映4种高温热害治理方案的技术优劣，从方案适用性、工艺复杂程度及方案可靠性等方面对各方案进行了综合比较分析（见表2）。

由表2可知：方案一——完善通风系统实现降温为最优方案。将施工通风天井作为长远方案进行规划设计，而将罗茨风机强制通风作为现阶段深部探矿工程的临时方案。一方面可以及时为深部作业面补充新鲜空气，满足人员对作业环境的基本需求;另一方面可以在深部中段通风天井完成前在作业面及巷道中形成一定程度的贯穿风流，从而有效降低作业面的环境温度，提高作业环境的舒适度。

3现场实施方案

3.1试验地点选择

通过分析3 #盲竖井深部330m、450m中段现有生产作业面对高温热害的治理需求和紧迫性，经技术人员商榷后最终将450m中段正在施工的60 #脉西沿脉探矿作业面作为本次深部高温热害治理的试验地点。

3.2通风管线布置

结合3 #盲竖井井口及车场的现场实际情况，将罗茨风机安装在860m车场靠近2 #盲竖井一侧（见图6）。风管与罗茨风机出口串联后，经与竖井管道串联延伸至450m中段水平，然后用风管在水平巷道串联延伸至探矿作业面，风管末端应距离探矿掌子面15m以上。现场安装时，风管之间采用法兰或热熔连接，每10m采用圆钢托架固定在巷道侧帮。对于局部巷道断面偏小，安装后可能影响中段运输的地段应提前进行扩帮处理。

3.3通风阻力计算

根据450m中段平面图，860m中段罗茨风机安装地点距离3 #盲竖井约100m，450m中段探矿掌子面距离3 #盲竖井马头门的实际距离达1100m，3 #盲竖井井筒中安装有2根内径490mmPE刚性阻燃风管。

本次试验通风管路设计时竖井段410m仍延用已有490mmPE刚性阻燃风管，而在860m、450m中段平巷内为使管路敷设不影响中段生产运输，则选择内径300mm的PE风管，风管长度约1200m。通风管路和井巷工程展开分析得到的通风阻力分布情况见图7。

3）综上所述，本次试验的通风总阻力计算结果为57.665kPa。

3.4试验设备及材料

1）通过查阅罗茨风机性能表，300系列罗茨风机可满足本次现场试验风量2m 3/s（120m 3/min）的通风要求;以JGR300H系列罗茨风机不同升压要求下的风机性能和价格进行分析比较，同时考虑一定的风压备用系数，最终确定升压80.0kPa的罗茨风机最为合适。罗茨风机性能参数见表3。

2）根据450m中段巷道内和860m车场的管路布置情况，需购置内径300mm的风管1200m;以每节风管长6m计算，则需购置200节，同时需配备2节内径300～490mmPE变径风管和一定数量的金属管道托架;此外，还应根据450m中段巷道内管线测量放线情况，对局部拐弯巷道进行片帮处理，同时与厂家定制一定数量同等管道规格的PE管道弯头。根据目前确定的60 #脉450m中段西沿脉探矿作业面情况，初步估算为5处弯头，2处片帮巷道。

3）为提高690m中段回风巷道的通风效率，将860m车场压入式轴流风机安装至690m中段马头门附近，从而将竖井内排出的炮烟及时抽送至回风巷道，提高通风效率，避免炮烟排入860m车场。

3.5工程费用

为最大限度节约工程成本，对国内多个生产阻燃PVC、PE管材的厂家进行询价调研，最终将DN315×12.1mmPE风管作为现场试验用风管，据此计算现场试验所用设备材料费用为20.0536万元，安装工程费用取设备材料费总价的20%，则现场实施所需费用共计240643.2元，其计算过程见表4。

4结论

1）在国内外文献调研基础上，结合矿井深部高温热害致灾机理制定本研究技术路线，针对技术措施对热环境构成要求的有效性研究，提出了通风降温、围岩喷浆、个体防护和制冰冷却等4种有效方案，并对其实施可行性进行了分析论述。

2）根据高温热害治理技术方案特点，分别从方案适用性、工艺复杂程度及方案可靠性等方面对4种方案的技术优劣性进行综合比较分析，研究确定了符合矿山生产实际的高温热害治理技术方案，并将罗茨风机通风降温作为现阶段通风降温方案。

3）结合深部高温热害治理试验地点实际，在通风阻力计算、设备材料选型及工程费用计算基础上开展罗茨风机通风降温技术方案研究，确定了采用升压80.0kPa的JGR300H罗茨风机、PE风管进行通风降温的现场实施方案。

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Abstract：Withtheincreasingnumberofdeepminingoperations，hightemperatureandheatdamagehasbecomeamajorproblemrestrictingthesustainabledevelopmentofmines.Especiallyinthedeepdevelopmentandexplorationstage，theproductionmustovercometheadverseenvironmentofhightemperatureandhighhumidityinthesingleheadtunnel，whichseriouslyaffectsthephysicalandmentalhealthofworkersandtheprojectprogress.InviewofthehightemperatureandheatdamagechallengeencounteredintheproductionandexplorationdeepinQinlingGoldMine，therecommendedheatdamagetreatmentschemetodealwithhightemperatureandheatdamagewasdeterminedbymeansofdomesticandforeignresearch，theoreticalanalysisandschemecomparison.Theschemeturnsouttobeventilationsystemoptimization，withRootsblowerusedforforcedventilation.Basedonthepracticeinthelevelsofdeepexploration，thetestonforcedventilationschemewithRootsblowerwasstudiedthroughschemedesign，resistancecalculationandfanselection，inhopethatitcanprovidetechnicalsupportfordeepexplorationandundergroundmininginQinlingGoldMine.

Keywords：deepundergroundmining;exploration;hightemperatureandheatdamage;technicalscheme;Rootsblower;ventilationandcooling