蚕庄金矿深部开采降温技术研究与应用.pdf

分类号 单位代码 学 位 论 文 蚕庄金矿深部开采降温技术研究与应用 张 习 军 申 请学 位级 别 指导教 师姓名 专 业 名称 职称 副教授 山 东 科 技 大 学 二零零七年六月 论文题 目 蚕庄金矿深部开采降温技术研究与应用 作者性名张 习 军 专业名称安全技术及工程 指导教师李 崇 山 入学时间 研究方向 职称 年月 矿井通风与安全 论文提 交 日期 论文答辫 日期 授予学位 日期 R E S E A R C H A N D A P P L IC A J , 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文 , 除了所列参考文献和世所公 认的文献外 , 全部是本人在导师指导下的研究成果 。该论文资料尚没有呈交于 其它任何学术机关作鉴定 。 硕 士 生 签 “祥习 晕 日期卿 必 , , 以, ,双 户 幼 , 脚 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 论文总结和归纳了国内外矿井风流温度的预测理论, 分析了矿内主要热源散热对矿 内空气温度的影响。根据大量的统计资料 , 通过线性回归分析, 得出了井筒风温预测的 经验公式根据围岩的传热机理 , 计算了围岩与风流的不稳定换热系数 , 并根据岩体中 的热传导微分方程 , 得出了围岩与风流的无因次不稳定换热系数 。根据能量守恒原理, 建立了矿内空气流动的能量方程 , 从而推导出了矿井巷道和采场风温的预测公式以压 入式局部通风为例, 通过建立热平衡方程 , 得出了掘进掌子面风温的预测方法 。 论文以蚕庄金矿上庄矿区三期工程为研究对象 , 分析了影响矿井风流温度的主要热 源 , 并提出了一些具体的降温措施和降温方法 。根据矿井三期工程分时段开采的实际情 况 , 设计了三期工程深部开采的分时段综合降温技术方案三期工程初期设计二级机站 通风整体降温和压缩空气局部降温的技术方案三期工程后期采用多级机站通风整体降 温 、 压缩空气局部降温和冰冷却系统对高温工作面进行降温的技术方案 。 论文在研究综合降温技术方案的过程中, 通过对二级机站通风系统矿井的需风量和 矿井总阻力的计算 , 对各需风地点进行了风量的合理分配和各级机站风机的选型根据 热力学理论 , 推导出了压缩空气膨胀吸热量的计算方法 , 并进行了降温效果和降温成本 分析 , 验证了压缩空气降温的可行性和节能性针对冰冷却降温技术 , 给出了采场需冷 量和载冷剂在输冷管道中冷损失的计算公式 , 计算出两者之和就是矿井的需冷量 , 并根 据融冰池换热过程能量平衡原理 , 得出矿井的需冰量 。 在上述理论基础上 , 结合程序设计语言 , 编写了矿井降温计算软件 , 运用软件对蚕庄金矿上庄矿区三期工程降温技术方案的设计过程进行了实例计算。 关键词金矿多级机站压缩空气冰冷却降温需冷量 山东科技大学硕士学位论文 摘要 , , , 砚, ,, 孔 , , ,, 一 ,一 一 一 ,一 , 一, , , , 一, , , , , ,一,,一,, 少 山东科技大学硕士学位论文 目录 绪论 课题的来源及提出 一 国内外矿井降温的研究现状 课题研究的目的及意义 课题研究的主要内容 课题研究的主要方法及技术路线 矿井热源分析及空气温度预测方法 矿井热源分析 矿井空气温度的预测 本章小结 蚕庄金矿热环境分析及降温措施的制定 矿井基本情况 蚕庄金矿深部主要热源分析 矿井降温常用的方法和措施 ” 人工制冷降温技术 , 犯 本章小结 蚕庄金矿深部开采降温技术研究 多级机站通风降温系统应用研究 压缩空气降温应用研究 冰冷却降温系统的设计 本章小结 蚕庄金矿深部开采降温计算软件的编制 软件编制的前提 软件使用说明 , 本章小结 乙 山东科技大学硕士学位论文目 录 结论与展望 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 结论 。 展望 。 致谢 主要参考文献 ”””” 攻读硕士期间论文发表情况 “ “ ”” ”” 山东科技大学硕士学位论文 目录 ” ” ” ” ” ”” ” ” ” “吨““ ”” 二“ ” ” ” ” ” ” “ ” ” ” 二” ” ” “ ” ”二” ” ” ” 二“ ” ” ” ” ” ” “ ” ” ” ” 二 ” “ ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” “ ” ” ” ” ” ” ” ” “ ” ” ” ” ” ” ” 二” ” 加 ” “ ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” “ “ ” ” ” ” ” ” ” “” ” ” ”” 二” ” ”” ” ” “ ” ”” ” ”” ”” ” ”二””” ””二”””” ”” ” ” ” ” ” ” ” ” “ ” ” ” “ ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” 二” ” ” “ ” “ ” ” ” 一” ” ” ”” ”” ““ 二” ””” ” ”” ” 一 “ “ , , , , ” ” “ ” ” ” ” ” ” ” ” 二 ” , ” ” ” “ ” 盯 ” ” ” ” ” ” ”二“” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” “ ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” “ “ ” ” ” “ ” ” “ ” ” “ “ “ ” ” ” ” ” ” ” “ ” ” “ ” ” ,” ” ” ” ” “ ” ” “ ” ” ” ” “” ” “ “ ” 舀 山东科技大学硕士学位论文 目录 。 。 ”二 二 一 。 。 。 ”” ” ” ” ” ” “ “ “ ” 二” ” ” 二“ “二 ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” 山东科技大学硕士学位论文绪论 绪论 课题的来源及提出 课题的来源 本课题来源于指导老师承担的企业委托科研项目里面的一部分 。主要是结合蚕庄金 矿上庄矿区步入三期工程深部开拓 、 开采后采掘面中出现的高温问题 , 进行技术应用型 的理论与实践研究 。目的在于通过本项子课题的研究 , 努力实现矿井深部采掘面中的安 全与正常生产 , 满足矿井通风系统对复杂工况以及多时段多级通风工作的客观需要, 刁 。 课题提出的背景 高温矿井的出现 目前 , 随着矿井开采深度和范围的逐渐增加 , 各种热源围岩冷却 、 空气压缩 、 氧 化过程 、 机械设备做功等的放热作用 、 扩散过程和其它原因 , 使井下温度越来越高 , 高温矿井数目日 益增多, 而且危害程度也日 趋严重。在矿业发达的国家, 由于矿井深, 高温问题出现得比较早 。如南非 , 最深的金矿已达到左右印度 、 巴西的金属矿 井有的已超过。进入世纪年代以后, 我国许多矿区也相继进入深部开采, 我国矿井的平均采深己经从年代的发展到现在的, 平均每年 约递增左右 , 千米竖井和井深近千米的矿井已 经出现。近年来的统计资料表明, 我国已有余对矿井出现了不同程度的高温问题 , 其中采掘工作面风温超过℃的矿 井己达余对 。 高温热害的形成 矿井热环境是指地下采掘空间中的微气候温度 、 湿度 、 风速和热辐射对人体散 热的综合影响与作用, 人们已经习惯把恶劣的热环境称为热害。可以预测, 随着矿井 开采深度的进一步增加 , 矿井热害问题会更加严重 。这主要表现在以下两个方面一是 在现有生产水平还未出现高温热害的矿井 , 及至下一水平开采就可能出现高温热害问题 二是现有生产水平仅局部出现高温热害现象的矿井 , 及至下一生产水平就可能出现更加 严重的热害问题。因此 , 随着矿井开采 向深部延伸 , 高温热害是必然要面临的重要技 术问题 。 山东科技大学硕士学位论文绪论 。高温矿井的危害 高温是深部开采中必然遇到的技术问题之一,目前世界上己有许多国家和地区的矿 井进入深部开采, 热害问题十分严重, 以南非和印度的金矿最为突出。在我国也有很多 大采深矿井 , 高温现象也比较突出。例如 , 冬瓜山铜矿一水平气温达到℃ 湘西金矿中段掘进工作面环境温度达到℃, 都严重超出了国家规定的安全卫生标 准 。 在高温环境下作业 , 人员的身体健康和工作能力将会受到很大的损害 , 这影响到采 掘工作的正常进行 , 使劳动生产率大大降低。而且 , 深部开采条件的恶化 , 使得通风 、 降温和生产成本急剧增加 , 从而抑制了生产能力的提高和矿产资源的充分回收。 本课题的提出 上庄矿是蚕庄金矿的主要黄金生产基地 , 其上部的一 、 二期工程的开采己经结束 , 目前己进入深部的三期工程初期的生产和中后期的开拓阶段 。 目前的开拓掘进中段是 一和一中段 , 其生产阶段主要是一和一中段 , 其工作面温度 , 在一年的 大部分时间里都超过了 矿山安全条例 规定的℃, 严重影响了工作人员的身体健康 和劳动效率 。本课题就是在上述背景和蚕庄金矿上庄矿区三期工程深部开采的高温现状 的基础上提出来的 。 国内外矿井降温的研究现状 国外矿井降温研究现状 在世界采矿文献中, 出现描述矿井深井高温现象的文献最早可追溯到世纪。在 法国,年就根据当时矿井生产的需要 , 就对其金属矿井中的地温问题进行了实时观 测 , 这可能属于最早的对矿井地温所进行的观测记录 。到世纪末 , 英国就系统地开始 了对生产矿井不同深度中的巷道温度进行了技术观测 , 对巷道温度的观测结果表明, 随 着矿井开采深度的增加其地温也逐渐升高。但是 , 降温理论和降温技术的发展一直都很 缓慢 。 进入世纪以来 , 世界各国对矿井岩温的观测和理论上的研究越来越多 , 积累了大 量的技术数据与观测资料 , 取得了令人瞩目的技术成果 , 还涌现了许多行之有效的治理 矿井热害的技术与方法降。世纪初 , 巴西金矿首次把空调器应用于井 山东科技大学硕士学位论文绪论 下西德的在假定巷壁温度为稳定周期性变化的前提下 , 解析了围岩内部 温度场的周期性变化 , 提出了围岩调热等概念一年代 , 南非的连 续发表了四篇题为 “深井风温预测 ” 的论文 , 提出了风温计算的基本思路年代初 , 乌克兰科学院技术物理研究所矿山热能研究室谢尔班 、 克列姆涅夫等人就提出了较完整 的矿内风流热力计算方法年代, 德国埃森矿山研究院矿井通风与空调技术研究所福 斯教授提出了他的一套计算方法 进入年代 , 日本工学博士平松良雄等人也提出了围 岩与风流不稳定传热时的风温近似计算公式到年代 , 从各国发表的文献看 , 侧重于 对关键系数的观测、 统计, 如风流与围岩间的不稳定热交换系数、 热湿比、 当量热导率 以及湿度系数 , 并提出了计算图表 。 这些研究成果奠定了现代经典计算方法的研究基础 。 年代中期 , 南非一些金矿开始采用冰冷却系统进行井下降温 。年 , 南非的东兰德 矿山控股公司 , 首先在梅里普鲁特一号井建成了冷却系统 , 冷却功率为。在深井 降温方面开拓了一条新的途径。 国内矿井降温研究现状, 我国矿井降温工作始于世纪年代初 , 当时有部分高温矿井开展了地温观测工 作 。然而, 由于在当时就全国来看 , 矿井的热害问题并不十分突出, 因此 , 对于生产矿 井中的地温观测并未引起足够的重视 , 直到年代初 , 我国在矿山地热方面的技术研究 还基本属于空白。年 , 当时的中国科学院地质研究所地热组正从事大地热流的测量 工作 , 这无疑属于地热基础理论研究的一部分 。年代初 , 开滦矿务局为了评价开平盆 地深部煤炭资源开发的前景 , 曾邀请地质所地热组帮助观测地温 , 以了解地温对开发深 部资源的影响 , 这是我国矿山正式研究地热问题的开始。到年代后期 , 国内一些研究 人员发表了较多的文章 , 其中较有代表性的主要有 “矿井风温预测的探讨 ”、 “矿井风温 预测的统计研究 ”、 “矿井风流的热交换 ” 等 。 同时相继出版了一些系统专著 , 如 矿井 热环境工程 、 矿山地热与热害治理、 矿井空调技术 和 矿井降温与制冷 。 年 , 平顶山矿务局科研所和原中国航空工业总公司研究所联合研制成矿用 无氟控制制冷机 。年 , 山东科技大学陈平教授等提 出用压气引射器和制冷机结合进 行矿井空调 。这些研究成果的形成均不同程度的丰富和发展了我国矿井降温的科学理论 体系 。 我国从世纪年代开始采用空调制冷降温年代 , 在淮南九龙岗矿设计了我 国第一个矿井局部制冷降温系统年代 , 在新汉矿务局孙村矿建立了我国第一个井下 集中制冷空调系统年代 , 新汉矿务局又建立了我国第一个地面集中制冷降温系统 山东科技大学硕士学位论文绪论 年月, 又是新汉矿业集团孙村矿 , 冰冷低温辐射降温技术工程运转调试成功, 这 是我国冰冷却降温系统的首例 。 近年来 , 仍有不少技术人员在进行科研立项或研究生在作学位论文时选择以矿井热 害防治或矿井降温技术研究为课题进行研究与攻关 , 但其研究内容与研究重点均与本文 有所不同 。例如 , 文献【 中胡华军以孙村煤矿的高温深井热害问题为研究对象 , 重点 就煤巷风温预测 、 井巷风流热湿交换及工作面配风量计算等问题进行了技术研究文献 【 中苏昭桂则根据巷道围岩与风流之间的热湿交换量 , 经过反演算来计算确定井巷围 岩与风流间的散热 、 导热等系数和基本参数张灿在文献【 中详细阐述了冰制冷降温 的理论过程 , 对冰制冷降温系统的整个工艺流程进行研究 , 并进行了计算机模拟 , 为冰 冷却降温的普及提供了研究范例徐州矿务局与煤科院西安分院地质所合作共同完成了 “徐州矿务局三河尖煤矿地温异常形成机理研究及深部地温预测 ”科研项目。该项目从 热传导的角度, 对其井田 地温异常机理予以总结, 用有限单元法对煤层底板温度、延 深 水平岩石温度进行预测 , 弥补了井田地温资料的不足 , 节约了大量勘探费用 , 预测精度 较高 , 经验证其误差仅为℃, 为全局矿井进行热害治理提供了技术途径和依据 , 该成果达到国内同类课题的先进水平国家 “九五” 重点科技公关项目 湘西深井通风 系统优化及降温技术研究 中采用深井子域通风方式 , 该通风方式是继统一通风和分区 通风之后的又一新型通风方式, 为国内外首创 , 其研究成果具有国际先进水平 。 课题研究的目的及意义 深矿井高温热害已经成为制约矿井安全开采的重大技术问题之一 。有专家认为 , 未 来矿山的极限开采深度将取决于矿井降温技术和装备的发展水平网。我国有多数矿井大 约以每年左右的速度向下延伸 , 使得近年来我国高温矿井的数目逐渐增多 , 而且热 害程度越来越严重 。因此 , 高温矿井降温技术领域研究中的当务之急, 应当是在总结已 有经验的基础上 , 应用一切先进的技术 、 管理手段和仪器设备来降低矿井内的温度 , 这 对提高井下工作人员的工作效率 、 保护工作人员的安全和健康 、 营造一个舒适的井下工 作环境具有十分迫切的现实意义 。 本文研究的主要 目的是针对蚕庄金矿上庄矿区三期工程初期的高温现状 , 以及三 期工程中后期可能出现的更加恶劣的高温环境 , 从通风整体降温 、 局部降温和采取人工 山东科技大学硕士学位论文绪论 制冷降温等方面来考虑 , 设计一个分时段的综合降温系统 , 营造一个舒适的井下作业环 境 、 保障工人的身体健康 、 提高劳动生产率 , 并希望能为各种金属矿山和非金属矿山深 部开采的高温问题的解决提供一种基本的技术方法和途径 。 课题研究的主要内容 本文的研究内容主要有以下几个方面 分析矿井热环境状况 。 分析造成蚕庄金矿深部区域采掘面温度升高的主要热源 及其散热形式 , 以利于合理地选择和制定防治高温的技术和措施。 矿内空气温度、 湿度 、 风速和热辐射是表征井下微气候条件的主要参数 , 其中最重 要的参数是风流温度 。导致井下风流温度升高的原因有很多, 如巷道围岩放热、 氧化放 热 、 机电设备散热、 空气压缩放热 、 地温 、 热水涌出等 。 对于不同的生产矿井 , 造成井下气温升高的热源大致相同 , 只是各热源所占比例略 有不同 。因此 , 分析矿井井下的主要热源 , 然后制定相应的技术措施 , 减少这些热源对 矿井空气温度的影响, 能够起到抑制井下风流温度升高的作用 。 矿井气候参数的测定及计算 。气候参数的测定 、围岩的散热机理 、井下主要地 点空气温度的预测等都是矿井降温的理论基础 。 研究认为, 矿井空气参数的测定必须在各巷道的起点和终点区域首先选择具有代表 性的测站 , 在测站断面上再选择若干均布的测点, 或根据经验选择最接近平均温度的点 作为测点。测定数据之前应将需要用到的参数列出几个表格 , 以便在测的过程中将测 得的数据填入相应的表格之中,测定完成后再根据各参数之间的关系求出其它参数的值 , 并一并填入表中, 为后续研究工作打好基础 。 围岩放热对井下风流温度的影响很大 ,只有充分认识围岩与风流热交换的传热机理 , 才能更好的了解巷道围岩散热的基本规律 , 从而才能有针对性的采取抑制围岩热量传入 风流中的措施了解围岩与风流热交换的计算方法 , 则能定量的计算出围岩散热的多少 。 对井下主要地点风筒 、 主要巷道 、 采掘工作面风温的预测 , 能给矿井降温方法 的选择和降温方案的设计提供依据 。 矿井降温措施 、 技术及方法的选择一〕 。矿井降温的措施 、技术和方法多种多 样 , 在全面介绍 、 分析各种降温措施 、 技术和方法的基础上 , 按照经济可行的原则 , 因 山东科技大学硕士学位论文绪论 地制宜地选择和制定符合矿井实际情况的降温措施 、 技术和方法 。 矿井高温状况一部分是由井下各种热源的散热引起的 , 针对各种热源 , 制定相应的 抑制措施 , 能在一定程度上降低井下空气温度 , 减轻通风降温或采取人工制冷降温技术 的负荷 , 尽量减少不必要的损失。 可行的降温技术和方法主要分为非人工制冷降温和人工制冷降温两大类 。非人工制 冷降温主要是通风降温 , 通风的形式有多种如利用 自 然风压通风 、 利用循环风通风和 利用多级机站通风等, 具体的矿井通风系统方案设计要视矿井的实际情况来确定人工 制冷降温又分为制冷水降温 、 制冰降温和压缩空气降温等 。当通风不能满足矿井的降温 要求时, 应考虑采取人工制冷降温的技术和方法 。 矿井降温技术经过几十年的发展和完善 , 已经初步形成体系 。近年来关于矿井降温 方面的科研项目和科研课题逐渐增多 , 掀起了矿井降温研究的热潮 。毫无疑问, 随着科 学技术的发展 , 矿井降温技术研究还有很大的空间, 但是就本文来说要研究出一项新的 技术来是很困难的。本文的主要任务是如何运用已有的降温理论和降温技术方法, 来解 决蚕庄金矿生产实际中可能遇到的矿井高温问题 。 矿井综合降温技术方案的制定 。 针对蚕庄金矿上庄矿区三期工程深部开采的高 温现状 , 制定一个集通风整体降温 、 高温地点局部降温和人工制冷降温于一体的综合降 温技术方案 。 矿井深部开采通风降温技术方案的拟订是根据三期工程初期的实际情况 , 即设计一 种不完全多级机站二级机站矿井通风降温系统 。由于三期工程初期为一和一 水平 , 通过对矿井总风量及一和一水平配风量的计算 , 设计二级机站通风系统 是符合降温要求的。 通过矿井空调降温方法的经济比较 , 人工制冰降温在经济上是比较合理的, 这也是 本文在三期工程中后期 , 当通风改善矿井工作环境有困难时, 设计采取的降温方法 。采 用人工制冷降温需要计算矿井的需冷量, 而制冰降温需要计算需冰量 , 以便能够选择合 适的制冰设备和确定制冰速度 。 压缩空气降温主要配合凿岩机和装岩机等机械作业工序而使用的技术方法 , 它是联 合通风降温和人工制冷降温技术综合使用的, 是一种能够承上启下的降温技术 。 矿井降温计算软件的编制 。矿井降温的热力计算 , 如井下风温的预测 , 矿井需 冷量的计算等非常复杂 , 编制计算机软件可以提高计算速度和计算的准确性 。同时 , 准 确地对矿井各巷道风流参数的预测 , 也能给降温技术方案的设计提供依据 。 山东科技大学硕士学位论文 绪论 课题的主要研究方法及技术路线 主要研究方法 现场调研 , 了解现场的实际情况 理论研究 , 总结已有的矿井降温经验和方法 , 运用已有的研究成果 实际应用 , 设计矿井降温方案 计算机编程, 实现人机对话 , 提高计算速度 。 技术路线 本文的写作主要分为三个阶段前期、 中期和后期 。 前期的工作主要是现场