井口进风温度对矿井安全的影响分析与研究

张 朋，李浩然

（山东鼎安检测技术有限公司，山东 济南 250032）

中国现阶段对能源矿产及金属非金属资源需求较大，随之建设的煤矿、金属非金属矿山数量众多，结合矿种的不同、埋藏深度及地质条件等成矿因素，形成了平硐开拓、竖井开拓、斜井开拓等开拓方式，为满足不同开拓方式严寒季节进风温度的预热要求，本文重点对矿井的井口空气预热方法及方式进行探讨研究，旨在为改善矿井严寒季节的通风安全提供借鉴。

1 入井空气的预热方式

进入井下的空气一般采取加热器配合其辅助设施将室外低于2 ℃的冷空气在进入井前进行预热，根据进风井口房的布置情况，主要空气预热方式有以下3 种。

1.1 半封闭式井口房空气预热方式

当进风井为提升井，物料提升较为频繁时，井口房大部分为半封闭的状态，井口进风得不到有效预热直接进入井下，大部分矿井采用加热器预热空气，加热后的空气在主要通风机的作用下吸入或压入井筒、井口房用来提高进风温度。该方式按冷、热空气混合的不同位置可分为以下3 种。

1.1.1 在井筒内进行冷、热空气混合

该暖风方式为采用空气加热器将低于2 ℃的冷空气进行预热后，通过专用局部通风机配合专用暖风道或保温后的硬质风筒等延伸至井口以下2 m左右排出，在井筒内进行冷、热空气混合。

1.1.2 冷、热空气在井口混合

冷、热空气在井口混合是将加热器加热后的热空气直接排至井口处，在井口房内进行冷、热空气混合，预热后的暖风在矿井主通风机的负（正）压作用下进入矿井[3-4]。

1.1.3 冷、热空气在井口和井简内同时混合

冷、热空气在井口和井简内同时混合是前两种方式的结合。

相比之下，第一种方式优于后两种，热量损失最小，热能可被最大化利用，但井口上部井架、罐道及各附属构件冻冰危险仍无法得到有效解决；第二种方式井口上部井架、罐道及各附属构件冻冰危险可有效解决，但热空气损失大，预热效果远不如第一种；第三种方式集前两者优点，规避了其缺点，暖风效果最佳，但运行管理难度较大，维护成本较高。

1.2 封闭式井口房的空气预热方式

当进风井口房较为封闭时，热空气可直接通过主通风机的负（正）压作用而进入井下。这种空气预热方式大多是在井口房或在连接井口的长廊内直接设置空气加热器，直接对冷空气进行预热后进入井下，但进风量较大的矿井实际运用时效果不佳。

1.3 斜井口空气预热方式

当开拓方式为斜井或斜坡道时，可在井筒内沿巷道壁布置空气加热器，井口外部冷空气进入井筒后由加热器热对流、辐射和热传导方式将进入井下的空气进行加热。该方法在井口无提升情况下较为实用，若为提升井，则要留够物料提升过程中与空气加热器的安全间隙。

2 入井空气的加热方法

2.1 敞开式井口空气加热法

对于井口房为相对敞开的进风井空气加热，目前方法大多为采取矿用空气加热器加热法、地表空气压缩机余热回收等方式。

2.1.1 矿用空气加热器加热法

该方法具体做法为将选型后的空气加热器布置在井口架或在井口周边设置专用加热器存放点（以不影响人员、物料进出为原则），加热后的热空气由空气加热器直接排放至井口与冷空气混合或通过专用暖风道进入井口以下2 m 左右处，与冷空气混合进入井下，如图1 所示。

图1 矿用空气加热器布置图

2.1.2 地表空气压缩机余热回收

根据多地区、多矿井实际调研，一般螺杆空气压缩机运行时会散热温度可达60～80 ℃，这就为冷空气的预热提供了免费的高效能热源。压缩机热量回收装置布置方式是将空气压缩机处上部安设热量集中回收罩，回收罩通过风筒连接通风机，由通风机将回收的热空气排至井口或井口以下2 m 左右处的出风口与冷空气混合，空气压缩机的热量回收台数可视本地区气候环境通过计算选定，如图2 所示。

图2 空气压缩机余热回收布置图

2.2 封闭式竖井口空气加热方法

通过对多处矿井的调查，除在井口房安设空气加热器加热方法外，在有条件的情况下可在通往井口的文化长廊安设多组采暖暖气片进行配合，来实现冷空气的预热效果最佳，具体方法为在井口安设暖风机制热，然后关闭进、出车侧井口通道（车辆运行时可打开），让矿井进风最大限度地经由文化长廊通过，来实现冷空气预热，如图3 所示。

图3 封闭式竖井口空气加热方法

2.3 斜井井口空气加热方法

在井筒内沿巷道壁布置空气加热器或以水为介质的暖气片，布置长度与组数可视进风量大小及升温效果而定（暖气片布置应以不影响行人及物料提升为准则，当断面无法满足时，应进行扩帮增大巷道断面，扩帮长度应留有可增加暖气片的余量）。为确保空气加热效果，可对空气加热器最末端井筒以里10 m 左右处安装温度计或温度传感器进行温度观测，确保加热后的温度在2 ℃以上[5]，如图4 所示。

图4 斜井井口空气加热方式布置图

3 空气加热量的计算

3.1 总加热量计算

井口空气加热量包括加热量及热损失量。加热量包括加热冷空气所需热量；热损失包括井口房结构热损失及暖风道保温热损失等，在井口房及暖风道采取保温效果后可不另行计算，通过总加热量乘以系数进行求得。井口空气加热量可按以下公式进行计算：

式（1）中：Q为井口空气加热量；a为热量损失系数，敞开式井口房取1.05～1.10，封闭式井口房及斜井口取1.10～1.15；M为井筒进风量，kg/s；Cp为空气定压比热容，Cp=1.01 kJ/（kg·K）；th为冷、热空气混合后的温度，根据相关法规要求取2 ℃；t1为井口房外冷空气温度，℃。

3.2 空气加热器的选择计算

3.2.1 通过加热器的风量

通过加热器的风量可按以下公式进行计算：

式（2）中：M1为通过空气加热器的风量，kg/s；th0为进行空气预热后加热器出口的热风温度，℃，取表1。

表1 加热器出口的热风温度

3.2.2 空气加热器能够供给的热量

空气加热器能够供给的热量计算公式为：

式（3）中：Q′为加热器所能提供的热量，kW；k为空气加热器的传热系数，kW/（m2·K）；S为空气加热器的散热面积，m2；Δtp为热媒与空气间的平均温度差，℃。

当热媒介质为热蒸汽时：

当热媒介质为热水时：

式（4）（5）中：t为饱和蒸汽温度，℃；tw1、tw2分别为热水供水及回水的温度，℃。

4 结论

通过不同开拓方式的矿井进行实际调查分析与研究，得出以下结论：采用本文中论述的井口房封闭型、半封闭型、斜坡道（斜井）的暖风布置方式正常运行情况下，在冬季可将入井空气加热至2 ℃以上。