冬瓜山铜矿机械制冷降温技术的应用研究.pdf

I S S N1 6 7 1 2 9 0 0 C N4 3 1 3 4 7 ／T D 采矿技术第1 2 卷第4 期 M i n i n gT e c h n o l o g y ，V o l - 1 2 ，N o ．4 2 0 1 2 年7 月 J u l y2 0 1 2 冬瓜山铜矿机械制冷降温技术的应用研究 姚道春，汪令辉 铜陵有色金属集团股份有限公司冬瓜山铜矿，安徽铜陵市2 4 4 0 3 1 摘要综述了金属矿山高温热害的特点及国内外深井降温技术的研究进展。通过对冬 瓜山井下通风和热环境参数的分析和计算，确定了该矿井通风系统的冷量需求。指出了 机械降温工艺的必要性和可行性，并给出了地面集中降温系统的主要设备布置方案。基 于对冬瓜山采区开拓系统和采掘计划酌垒面调查分析，提出了井下赣冷和散冷的实施工 艺，并时工程设计、施工、使用过程中的环境与安全防范提出了一些建议。 关键词深井矿山；高温热害；机械制冷；降温技术；冬瓜山铜矿 由于开采范围及开采强度的持续由Ⅱ太，浅部资 源日趋枯竭，诸多矿山被迫转入深部开采。我国有 近三分之一的矿山即将进入深部开采，目前深井的 开采深度大多在1 0 0 0m 左右【“。随着矿山开采深 度的逐渐增大，井下热害日益严重* ”。 井下热源主要包括地热、机电设备运转散热、矿 石爆破放热、尾砂胶结充填散热、硫化矿石氧化放 热n 1 等。人在高温高湿的环境中作业时，中枢神经 系统受到抑制，注意力分散，降低了肌肉的工作效 率，从而使劳动生产率大大下降[ 5 _ 6 ] 。据南非多年调 查统计，当矿内作业地点的空气湿球温度达2 8 ．9 C 相当千干球3 0 ℃ 时。开始出现中暑死亡事故。井 下温度升高到一定程度时，还容易引起硫矿粉尘和 可燃性气体发生爆炸ET ] 。因此，开展井下热害治理 技术研究意义重大。 有关矿井高温问题，国外的研究始于1 7 4 0 年法 国开展的地温测定；巴西金矿于1 9 1 5 年首次将地面 空调应用于井下；西德于1 9 2 4 年在煤矿井下9 5 8m 处建立了集中制冷站；自1 9 3 7 ～1 9 4 1 年间，矿井降 温理论和相应的计算方法在南非、西德、苏、日、英等 国家得到进一步研究．19 8 5 年1 1 月南非金矿把冰 输送井下，和用冰的融解热吸热冷却空冷器冷却水， 该制冷系统能力达6 2 8 0 0 0k W [ 8 ] 。我国于1 9 5 0 年 代初开始对矿内热环境开展降温研究；1 9 6 0 年代开 始用小型制冷设备进行矿井降温。于1 9 7 6 年，原煤 炭工业部在中国科学院地质研究所等单位协助下。 分别对合山里兰矿等8 座矿井进行系统观测，并取 得了较好的效果”] 。 l 冬瓜山铜矿概况 冬瓜山铜矿位于安徽省铜陵市，是国内目前已 发现的埋藏最深的特大型高硫铜矿，根据矿体赋存 条件，冬瓜山铜矿主要采用大直径垂直深孔落矿阶 段空场嗣后充填采矿方法．设计年产3 3 0 万t 矿石 量。冬瓜山铜矿床沿走向划分盘区，盘区宽度i 0 0 m ，长度为矿体水平厚度。盘区之间暂留宽为1 8m 的隔离矿柱。采场长度方向沿矿体走向，其中尾砂 充填采场长度为7 8m ，胶结充填采场长度为8 2m ， 宽度均为1 8r f l ，设计采用“隔一采一”的回采顺序， 即先采矿房，回采结束后进行胶结充填，再采矿柱， 回采结束后用尾砂充填。冬瓜山铜矿采用竖井加斜 坡道的开拓方式．其中深部的主要开拓中段有 一6 7 0 ，一7 3 0 ，一7 6 0 ，一7 9 0 ，一8 5 0m 和一8 7 5m 等，目前冬瓜山铜矿床的开拓系统已经形成，包括主 井、副井、辅助井、主斜坡道 一6 7 0 ～- - 8 7 5m 、进 风井、主回风井、主要回风道的部分工程等。 该矿山开采深度接近1 0 0 0m ；矿石平均含硫 1 7 ％．最高达1 9 ％；矿体主要开拓中段原岩温度高 达3 9 ．8 “ C 。井下机电设备故障明显增多；此外，高 温条件对矿工的身心健康、工作效率也产生了恶劣 影响。因此，冬瓜山铜矿井下深部矿床开采过程中 的高温热害治理是当前面临的一个难题。 2 冬瓜山铜矿矿井热源及需冷量计算 2 ．1 矿井热濠 根据南非金矿、美国孤山铜矿及秘鲁铜银矿等 矿井热源分析．冬瓜山铜矿矿井主要热源有地表周 万方数据 她追拳．等t冬瓜山铜矿机械制冷降温技术的应用研究3 7 期性季节变化影响；地热，包括正常的随采深增加而 增大的地温梯度增温，采落矿石及运输过程中的散 热} 机电设备运转散热；涌出热水散热；采空区充填 物及氧化放热；空气压缩热} 人体劳动作业中的散 热等。 2 ．2 矿井需冷■计算 铜矿爨玲量计算难度大。主要表现在大风量多 风机机站．要进行各中段需冷量计算F 计算冷量较 大；每中段间距差较小，因采矿形成的冒落带、天井、 溜井等影响，在通风系统中盘区复杂角联。造成采场 内串漏风严重。 冬瓜山剐并，冬，夏季迸风不稳定，表1 给出了 冬瓜山铜矿井下各测点的风温和风量。可以发现， 一6 7 0m 中段大巷进风温度为2 0 ．4 “ CI 一7 3 0I T I 中 段大巷进风温度为1 9 ，0 “ C ；一7 9 0m 中段大巷进风 温度为1 6 ．5 ℃{ 一8 5 0m 东戮井石f - 】进风温度为 1 7 ．8 ℃} 一8 7 5m 东副井石门进风温度为1 7 ．7 C 。 这与正常矿井随送风距离的增长而升温，随采深增 加而原始岩温增相反。测定结果表明，该矿山的通 风系统申漏风严重。 寰l 冬瓜山铜矿井下各测点的风噩和风■ 地点意瓣，备中弓器著风量 根据煤炭工业矿井设计规范及煤矿井下热 害防治设计规范的要求，需进行采场进出风温预 测，包括地温预测。矿山恒温带深度2 0 士5i n ．温度 1 7 ．5 5 ℃，矿体平均地温梯度0 ．0 2 1 U ／m 。依据地 温预测公式计算得出的结果见表2 。 裹2 地温预测位 地点地繁繁料 地点地呀繁辩 一6 7 0m3 3 ．3无 8 5 0m 3 7 ．1无 一7 3 0m3 4 ．63 4 3 6一8 7 5I l l3 7 ．63 6 ～3 9 7 9 0m 3 5 ．93 5 ～3 7 9 1 0m 3 8 ．43 7 4 0 由表3 可以看出，据恒温带参数预测的地温值 与矿供资料给出的地溢值基本一致，均可采用。实 测统计资料表明．恒温带温度随纬度的增大而降低。 该铜矿位处北纬3 0 。5 4 ’1 1 ”～3 0 。5 4 ’5 6 ”。将恒温带 温度内插在表3 中，比较吻合．故认为恒温带也是正 确的。 由此可以推断，冬瓜山铜矿的地温分布正常。 风量取用4 8 3r l l 3 ／s ，因该风量是“冬瓜山铜矿 冬瓜山矿段矿井降温技术研究方案”中的系统风量 分配数；其中，专用进风井3 7 3r ／1 3 ／s ，主井3 0 群／s ， 冬瓜山副井及团山副井进风量共为8 0i n 3 ／s 。 风温采用历年最热月平均气象参数气温，根据 矿资料，采用地面最高气温4 0 ℃计算。 2 0 1 0 年1 月1 4 日，测定井口相对湿度9 3 ％，并 下5 处平均7 7 ％。同年z 月6 日测定团山副井 9 5 ％、冬瓜山副井9 7 ％，冬瓜山辅助井及周围附近 两处1 0 0 ％，相对湿度4 处平均值9 8 ％ 刚降完雨 。 4 处平均气温6 ．6 5 ℃，气压平均1 0 1 ．4 7k P a ．考虑 冬瓜山铜矿属亚热带气候，夏季降雨量大．平均 1 3 6 4m m ，最大为2 1 7 3m m ，雨后相对湿度会相应 增大，最终采用湿度1 0 0 ％计算冷量。 据上述参数，可利用含湿量公式 1 和焙值公式 2 求得熔差。 扣0 ．6 6 2 踹 1 i ；1 ．0 0 5 ￡ r 2 5 0 1 1 - 8 5 t d 2 此外，也可以通过查找i d 图表获得相应 敷据。 经计算，4 8 3m 3 ／s 的4 0 ℃高温风降至2 8 ℃需 有效冷量4 5 7 7 1 ．9k W 。再乘以1 ．1 5 的设备冷损备 用系数，所以总需冷量为5 2 6 3 7k W 。在分配冷量 对。取冬瓜山戤并 行入 使风温达到2 6 ℃左右为适 宜．给员工创造良好的行人环境。 3 矿井降温系统的选择 3 ．1 降温方式及特点 选择降温方式有两大难点。一是井下开拓中段 蒜 毒 一 北『 万方数据 采矿技术 较多，高温点分散，热源种类繁多．且不断发生变化。 热量计算困难；二是降温系统布设井下，需冷量大． 又是对角式通风，排放冷凝热困难 经验数值为制冷 量的1 ．1 5 ～】，3 倍 。但随着国内外矿井降温技术 的发展，矿井降温系统由简单 局部分散式 到复杂， 由小冷量到大冷量 集中式 ，见表4 。 衰4 不同降温方式比较 3 ．2 降温系统的选择 针对冬瓜山铜矿生产布局分散．夏季高温点多， 推荐热害综合治理采用通风非人工降温和机械制冷 降温相结合的方式。各个方案降温效果比较见表5 。 裹5 机械制冷降温的方案比较 1 通风技术措旌。建立和完善合理的通风系 统；各中段分配适宜的风量。 2 其它措施。采用某些隔热材料喷涂岩壁， 以减少围岩放热；对局部较少人员实行个体防护．研 究表明，穿冷却服是保护个体免受恶劣气候环境危 害的有效措施。 4 安全与环保措施 1 环保措施。机械制冷系统选用对臭氧层无 破坏作用的环保型制冷剂。 2 安全措施。实际运行过程中应有专人检查 风机和空冷器的运行情况，在遇到极端热天气时，一 旦井下空气冷却器运行出现异常应及时采取相应措 施。根据空气冷却器集灰情况安排清洗检修。严格 按规程、规范及相关法律要求制定安全技术措施及 管理制度，加强工程实施过程中各环节监控和防范。 5 结论 矿井降温技术研究是冬瓜山铜矿基础设置和安 全生产、提高效益的重要组成部分。上述分析表明， 该项目的实施具有必要性和可行性．可以更好地协 调矿山安全和生产的矛盾．给矿山职工创造一个良 好的工作环境。 今后还需要进一步改造与完善通风系统，为各 中段合理配风。按照上述思路，该矿实施了综合性 降温并傲到有针对性降温，需冷量小且降温效果显 著。该矿山的具体降温设计与分期施工，需进一步 论证与确定；还需要进一步分析降温中段通风、各种 热源散热等现状以及需冷配冷情况。 参考文献 [ 1 ] 胡设华．漾热矿井环境控嗣[ M ] ．长沙中南大学出敷杜． 2 0 0 9 ． 下转第4 3 页l 万方数据 程建勇；露天矿空区处理过程中的安奎管理4 3 因，人工逐点监测不能实时掌握矿岩的移动破坏情 况，也影响了空区塌陷预报的准确性。为了解决这 一问题，与武汉环保院合作。利用现有岩体声发射检 测设备，研究开发了无线实时监测系统，变分时段监 测为不间断连续监测，为岩体移动破坏规律的研究、 空区塌陷预报提供了准确数据。2 0 0 5 年5 月7 日． 在1 4 7 4 采场公路口监测到地压活动的频度及强度 超出了安全预定值，经研究判断．5 月1 1 日发出撤 离警报。5 月1 6 日该地空区塌陷。塌陷面积约6 万m 2 。 4 建立健全空区处理组织机构和规章制度 1 成立专门的空区处理管理机构。公司专门 成立了空区处理领导小组，公司主要领导任组长．全 面协调地压检测、空区探测、空区处理工作。把空区 处理工作纳入安全序列，由安全地压科负责空区的 探测、监测工作，并协助技术科对空区进行处理。根 据生产进度，编制月、季、年度空区处理计划。 2 空区处理设计保障。根据空区的危险程 度，将空区划分为A 、B 、C 、D 、E5 个级别，明确设计 审核权限．在进行施工设计的同时，设计安全施工专 篇，实行安全一票否决。从源头封堵安全漏洞。 5 空区处理施工组织保障措施 施工组织是空区安全处理的重要环节。在进行 空区处理施工时，因大部分是在空区上部施工．存在 较大的安全风险，所以施工组织是安全管理的关键。 1 划定明确的安全境界。根据施工设计，在 地表明确标定空区范围，根据危险程度将施工区域 划分为安全区、警戒区和危险区，使施工人员对施工 区域内的安全环境一目了然。 2 编制实施严格的施工顺序、控制施工时间。 由于空区的破坏与时间有关，所以必须严格控制在 空区上部的施工时间，在施工设计的同时，对箍工周 期进行计算，使人员、设备在危险区域上部的施工时 间最短。合理安排施工顺序，是安全施工的关键，经 过长期实践，总结出了先难后易、先里后外的施工顺 序，这样就有效降低了施工过程中岩体破坏给安全 施工带来的影响。 3 标定警戒范围、控制施工人数。施工开始 前，在施工区域用警戒带标定警戒范围，划定安全区 域。根据施工需要严格控制施工人数，对进人警戒 范围的人员实行签到制，把事故的危害控制到最小。 4 加强地压活动监测．制定安全撤离预案。 在施工区域建立地压监测网络，根据空区大小、岩石 结构标定预警参数。制定安全撤离预案，明确安全 擞离信号，对施工人员进行安全交底，熟悉安全撤离 线路。为空区处理施工组织提供了可靠的安全保障。 由于措施得力、技术可靠、预报准确，自3 0 0 0 0 t ／d 露天基建开始以来的近1 0a ，三道庄露天矿共 处理空区2 4 5 次．面积6 8 ．7 万m 2 ，体积约8 8 0 万 m 3 ，未发生一起重大伤亡事故。 参考文献 E 1 3 宋嘉株，王坚．地下采空区硬板矿体露天开采工艺[ J ] ．有色 金属，2 0 0 0 5 1 1 4 1 8 ． [ 2 ] c 采矿手册，绸辑委员会．采矿手册[ M ] ．北京；冶金工业出版 社，1 9 9 1 2 7 0 2 7 5 ． I s ] 仪琳．程建勇．溶钼集团露天矿重大安全事故砸防的探索 口] ．经济策论 上 ，2 0 1 l 。1 8 2 0 ． 收稿日期2 0 1 2 0 4 2 7 锋者筒介；枉建勇 1 9 5 9 一 ，男，河南洛阳人，采矿工租蜂。 主要从事于矿山安叁管理及采空区处理，E m a i l ；6 】7 1 9 6 4 1 1 q q ．c o m 。 I 上接第3 8 页l [ 2 ] 韩建伟．深热综采工作面制冷降温技术的研究与实施[ J ] ．矿 业安全与环保．2 0 0 6 ．3 3 1 。3 9 3 9 ． [ 3 ] 王勇．深井热害肪清探讨[ J ] ．煤矿安全。2 0 0 3 ．3 4 1 0 t3 8 - 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