近年來，隨著我國淺部礦產(chǎn)資源逐漸開采耗盡以及開采技術(shù)和開采裝置逐漸增強(qiáng)，礦井開采水平逐漸向深部轉(zhuǎn)移，深部開采將是我國未來資源開發(fā)的重要形式且開發(fā)潛力巨大[1-2]

目前，我國資源勘探深度低于礦業(yè)發(fā)達(dá)國家，向地球深部進(jìn)軍是我國戰(zhàn)略科技需求，5000 m開采深度將是我國金屬礦深部開采中長期戰(zhàn)略研究目標(biāo)[3]

高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓是深部礦井開采的典型賦存環(huán)境，高溫?zé)岷栴}是礦井深部開采面臨的重要難題[4]

據(jù)統(tǒng)計(jì)，未來10到15年我國50%鐵礦、33%的有色金屬礦、53%的煤炭資源將進(jìn)入千米以下深部開采[5]

目前，我國大約已有32座金屬礦山開采深度超過1000 m，超過100多處開采深度超過700 m，其巖溫大都已經(jīng)超過35 ℃，最高溫度接近50 ℃

例如，安徽江泥河鐵礦的巖溫為40.9 ℃，羅河鐵礦西部則達(dá)到42 ℃[6]

目前，采掘工作面風(fēng)流溫度超過30 ℃的礦井已經(jīng)超過140座[7]

礦井熱害不僅會影響工人勞動效率，長期在高溫環(huán)境下作業(yè)將影響人體健康，引發(fā)各種生理疾病，并容易造成安全事故[8]

多年來，為防治礦井熱害確保安全高效生產(chǎn)，各種礦井熱害治理方法先后被提出

通風(fēng)降溫是最早、最常用的熱危害控制方法，但是其降溫效果十分有限[9]

為了提高礦井降溫效果，各種機(jī)械制冷降溫方法相繼被學(xué)者們提出

CHEN等[10]提出以空氣作為制冷介質(zhì)進(jìn)行壓縮制冷

孫?？萚11]、郭平業(yè)等[12]設(shè)計(jì)了以水作為制冷介質(zhì)的制冷系統(tǒng)，通過使用冰水混合物提高制冷系統(tǒng)的制冷量

由于二氧化碳作為制冷介質(zhì)具有顯著優(yōu)勢，ZHAI等[13]提出了二氧化碳循環(huán)降溫制冷系統(tǒng)

這些制冷方法雖然能明顯地改善礦井環(huán)境，但其運(yùn)行成本普遍較高且設(shè)備體積龐大

一些非機(jī)械降溫方法比如熱管降溫除濕提高工人舒適度、井巷巖壁噴灑隔熱材料減少圍巖放熱、個(gè)體防護(hù)服降溫、煤層注水預(yù)降溫、采空區(qū)填充體蓄熱吸附降溫等方法被提出用于礦井熱害治理[14-16]

這些降溫方法成本較低，但降溫效果有限

目前，雖然礦井采取了許多降溫措施來控制井下的空氣溫度和濕度，但目前的降溫裝備和降溫方法對井下的降溫效果仍然不能滿足工人對工作環(huán)境的要求[17]

深部礦井開采時(shí)，傳統(tǒng)的降溫方法將面臨成本高、效率低、冷量損失大、降溫效果差等問題，因此有必要針對深部礦井提出新的降溫方法

深部礦井熱害的治理不僅是我國向深部資源開采的技術(shù)需求，也是促進(jìn)我國深部礦山安全綠色高效開采的重要保障

針對深部礦井開采的特征，本文分析了熱害特征、傳統(tǒng)熱害治理方法，提出建立智能礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)控溫來改善降溫效果，降低熱害治理成本

深部礦井地?zé)犭m然會帶來礦井熱害的問題，但它也是一種寶貴的再生清潔能源

本文提出了礦井熱害治理協(xié)同地?zé)崮荛_采的構(gòu)想，在對深部礦井地?zé)徇M(jìn)行開采利用的同時(shí)，有效治理礦井熱害

1熱害產(chǎn)生原因及危害高溫?zé)岷栴}是深部礦井開采無法回避的難題

地下溫度隨著開采深度的增加而升高，導(dǎo)致深部礦井井下工作環(huán)境惡劣，這不僅會降低設(shè)備工作性能，縮減使用壽命，還會對井下工作人員的工作能力和身體健康造成不良影響，同時(shí)容易引發(fā)生產(chǎn)事故

1.1礦井熱害成因礦井熱害形成的主要原因有[18-19]：1) 井巷圍巖放熱

井下圍巖溫度隨著距地表的深度增加而上升，常溫風(fēng)流與高溫圍巖進(jìn)行熱交換而溫度升高；2) 空氣自壓縮放熱

空氣由地面經(jīng)井筒進(jìn)入地下在自身重力的作用下經(jīng)摩擦轉(zhuǎn)換為熱能使空氣溫度上升，空氣自壓縮升溫速率為9.8 ℃/km；3) 機(jī)電電動設(shè)備放熱；4) 礦物氧化放熱

巖層采動產(chǎn)生裂隙，礦物與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱量；5) 礦井地?zé)崴艧?br />
在大地?zé)崃鲌龅淖饔孟碌乇砩顚拥牡叵滤患訜嵝纬筛邷氐V井熱水，礦井熱水通過直接加熱風(fēng)流或巖體傳熱間接引起井下溫度變化兩種方式引起礦井熱害；6) 其他因素散發(fā)熱量

比如采空區(qū)充填體放熱、人體放熱、爆炸放熱、氣候變化等因素不同程度引起礦井溫度上升

隨著礦井開采深度的增加，井巷圍巖放熱、風(fēng)流自壓縮放熱、礦物氧化放熱和礦井地?zé)崴艧岫紩@著增加，使礦井熱害更加嚴(yán)重，熱源控制也更加困難

1.2熱害危害我國《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》規(guī)定“井下作業(yè)點(diǎn)空氣的溫度不得超過28 ℃，超過時(shí)，應(yīng)該采取降溫措施或其他防護(hù)措施”

工作面高溫環(huán)境會給工人的健康、勞動生產(chǎn)率、設(shè)備的安全運(yùn)行、生產(chǎn)效率等帶來嚴(yán)重影響

人體生理方面，人處于高溫環(huán)境下會產(chǎn)生一系列生理功能的改變，人的血液循環(huán)、消化、神經(jīng)等系統(tǒng)會受到顯著的影響

人在正常環(huán)境下可以通過生理代謝調(diào)節(jié)維持各種生理參數(shù)正常，但當(dāng)環(huán)境對人體造成的負(fù)荷超過人體調(diào)節(jié)限度時(shí)，人的肌體和生理組織會受到損傷，身體溫度調(diào)節(jié)發(fā)生障礙，人體大量排汗造成水分丟失，鹽、水代謝現(xiàn)出紊亂，血液粘稠增加，腎臟和心臟的負(fù)擔(dān)增加

高溫環(huán)境下還會造成人的呼吸率和心率加快、血壓增加、疲勞度增加、人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)失調(diào)等一系列后果

在高溫環(huán)境中作業(yè)人員發(fā)病率最高可達(dá)正常環(huán)境工作的3.61倍[20]

人體心理方面，礦工長期處于井下高溫惡劣環(huán)境工作時(shí)，工作要求與工作資源難以相匹配，容易出現(xiàn)逆反心理、惰性心理、從眾心理、冒險(xiǎn)心理等不安全心理，出現(xiàn)情緒壓抑、脾氣暴躁等現(xiàn)象，這些情緒極易引起不安全行為的發(fā)生

有研究表明在礦井環(huán)境下疲勞和煩惱臨界預(yù)防點(diǎn)的綜合溫度和等效溫度分別為26.14 ℃和28.48 ℃[21]

工作效率方面，高溫環(huán)境會使人體的疲勞度增加、記憶力下降、注意力不集中、反應(yīng)略為遲鈍，容易增加事故率[22]

南非金礦的調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料顯示，礦井空氣溫度為28 ℃時(shí)，工作效率最高，當(dāng)溫度升高時(shí)工作效率逐漸降低

此外，高溫環(huán)境也會嚴(yán)重影響機(jī)械的運(yùn)行，降低運(yùn)行效率，縮短工作壽命

在生產(chǎn)安全方面，在高溫高濕礦井中工作的工人，由于神經(jīng)系統(tǒng)受到抑制，對周圍環(huán)境的注意力、判斷力以及反應(yīng)能力逐漸減退，導(dǎo)致安全事故率隨熱害嚴(yán)重程度逐漸上升

根據(jù)國外南非深部礦井統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)作業(yè)面上的溫度超過29 ℃時(shí)，人員傷亡的事故率將增加，見表1[23]

國內(nèi)湖南省湘潭市某煤礦1996~1998年調(diào)查統(tǒng)計(jì)也表明，在礦井工作面溫度由29 ℃上升至32 ℃時(shí)，工傷頻次顯著增加，如表2所示[24]

另外，高溫環(huán)境還會導(dǎo)致機(jī)械事故率上升

以機(jī)電設(shè)備為例，井下機(jī)電設(shè)備的事故率以溫度30 ℃為標(biāo)準(zhǔn)，每超過1 ℃，設(shè)備的故障將增加1倍以上[18]

表1南非礦井中工作環(huán)境溫度與傷亡頻次關(guān)系Table 1Relation between air temperatures and accident rates in South African mineWorking facetemperature/℃Frequency of injuries270290.148310.296330.442表2湖南省湘潭市某煤礦溫度與工傷頻次的關(guān)系Table 2Relationship between accident rate and temperature in coal mineTemperature/℃Frequency of injuries290.155300.231310.320320.4862礦井熱害治理深部礦井開采面臨非常嚴(yán)峻的熱害問題，傳統(tǒng)制冷降溫方法在應(yīng)用于深部礦井熱害治理時(shí)降溫效果顯著降低、運(yùn)行成本也大幅度上升

因此針對深部礦井的熱害治理技術(shù)有待進(jìn)一步的改進(jìn)和發(fā)展

隨著信息技術(shù)時(shí)代的到來，礦山開采逐漸朝著信息化、智能化的方向發(fā)展，礦井熱害治理技術(shù)有望通過利用信息化和智能化技術(shù)得到突破[25]

2.1傳統(tǒng)礦井熱害治理方法目前，礦井熱害治理主要可以分為兩類措施，一類為非機(jī)械制冷降溫方法，包括通風(fēng)降溫、隔熱疏導(dǎo)、控制熱源、個(gè)體防護(hù)等；另一類為機(jī)械制冷方法，為利用不同的制冷介質(zhì)傳遞冷量吸收井下熱量，比如人工制冷水/冰降溫、瓦斯發(fā)電制冷降溫、熱管降溫和壓縮空氣制冷降溫等

非機(jī)械降溫屬于主動降溫方法，一般投資和運(yùn)行成本相比于機(jī)械制冷方式在短期內(nèi)少，但需要進(jìn)行長期部署

非機(jī)械制冷方法主要有：1) 優(yōu)化礦井開拓方式

縮短礦井通風(fēng)路線，減少風(fēng)流與高溫巖體之間的換熱量，例如分區(qū)域開拓方式

該方法開拓工作量大、投資高、風(fēng)井多、降溫效果有限，適用于開拓量大、埋深淺的礦井

2) 優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)增大通風(fēng)量

避開井下高溫區(qū)域，利用低溫巖層預(yù)冷通風(fēng)風(fēng)流[26]

但是它增加了通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜程度，調(diào)溫巷道不易具備，前期準(zhǔn)備工作量大

3) 利用隔熱材料減少圍巖熱量的釋放[27]

該方法只能在短時(shí)間內(nèi)起到降溫效果，且對材料的防火、防毒等要求較高

4) 使用地下水作為冷源對工作面進(jìn)行噴灑等方式進(jìn)行降溫

但是其降溫效果有限，增加了井下濕度，對礦井水文條件要求較高[28]

5) 使用降溫服對人體直接降溫

降溫服會增加人體負(fù)荷、需要間斷性補(bǔ)充冷源影響工作效率、容易造成局部凍傷等[29]

6) 填充功能性相變材料

通過向采空區(qū)填充具有載/蓄冷介質(zhì)的復(fù)合材料，通過其相變吸熱降低井下熱量

它對添加材料的要求較嚴(yán)格，容易造成井下環(huán)境污染[15]

7) 還有通過抽采或疏導(dǎo)地下熱水的方式減少地下熱水向巷道內(nèi)散熱

機(jī)械制冷方式屬于被動降溫方法，通過持續(xù)向工作面持續(xù)提供冷源降低工作面溫度，需要有固定的制冷機(jī)器與設(shè)備

根據(jù)制冷站的位置可以分為：井下集中制冷系統(tǒng)、地面集中式制冷系統(tǒng)、井上下聯(lián)合制冷系統(tǒng)、可移動式制冷系統(tǒng)[30]

井下制冷方法相比于井上制冷方法優(yōu)點(diǎn)在于輸冷管線較短，輸送壓力小，減少了冷質(zhì)輸送過程中的冷量損失以及管路維護(hù)費(fèi)用，但是井下制冷面臨冷凝熱排放困難的問題

而井上制冷方式優(yōu)點(diǎn)在于主要設(shè)備在地面，便于設(shè)備維護(hù)，但對于深部礦井，其長輸送管線導(dǎo)致冷量損失大、輸送壓力大等問題

井上下聯(lián)合制冷系統(tǒng)雖然解決了井下排熱困難，但其仍需要較長的輸送管路，輸送管線壓力大

可移動式制冷系統(tǒng)則通過減小冷質(zhì)輸送距離減少冷量損失，但是可移動制冷設(shè)備受地下空間的限制，其設(shè)備較小，制冷量有限，同時(shí)也存在冷凝熱排放困難的問題

機(jī)械制冷方法根據(jù)制冷介質(zhì)不同可劃分為空氣壓縮式、人工制冷水、人工制冰、二氧化碳制冷[31-32]

目前，主要制冷降溫系統(tǒng)包括：1) HEMS（High temperature exchange machinery system）降溫系統(tǒng)，通過提取礦井涌水中的冷量制成低溫水，利用其與高溫空氣進(jìn)行換熱，使工作面溫度降低

該系統(tǒng)對礦井涌出水量和溫度要求較高，適用于礦井涌水資源豐富，水質(zhì)較好的礦井[33]

2) 冷水/冰制冷降溫系統(tǒng)，通過集中制取冷水或者冰漿后通過管路輸送至降溫區(qū)域[11]

缺點(diǎn)在于冷水輸送過程中冷量損失大，長期運(yùn)行會后產(chǎn)生水垢造成制冷效率降低，容易發(fā)生管路堵塞

3) 乙二醇制冷系統(tǒng)，通過溴化鋰機(jī)組利用瓦斯發(fā)電的余熱將乙二醇制成低溫溶液，然后通過輸冷管路將低溫乙二醇溶液輸送至井下與井下?lián)Q熱器進(jìn)行換熱[34]

該系統(tǒng)運(yùn)行成本較低，但乙二醇為有毒物質(zhì)，其泄漏容易造成人員傷亡事故

4) 熱管降溫除濕技術(shù)，利用相變介質(zhì)快速傳熱的特點(diǎn)將布置在礦井圍巖蒸發(fā)段的熱量快速傳遞至地表冷凝段，實(shí)現(xiàn)對井下風(fēng)流降溫除濕的作用[15]

但其使用條件受限，成本高，增大了通風(fēng)阻力，降溫幅度有限等

5) 長距離循環(huán)管路制冷系統(tǒng)，利用長距離循環(huán)輸送制冷介質(zhì)對工作面進(jìn)行持續(xù)降溫，在制冷介質(zhì)換熱升溫后輸送至地面對其進(jìn)行熱能提取與回收，實(shí)現(xiàn)制冷介質(zhì)循環(huán)利用[13]

該方法雖然能夠持續(xù)為井下輸送大量冷量并獲得一定的熱能，但是該系統(tǒng)前期投資大，管線維護(hù)困難，冷量損失大，易發(fā)生管路泄露危險(xiǎn)

以上幾種傳統(tǒng)降溫方法各自具備優(yōu)缺點(diǎn)，受到使用條件的限制

其中，非機(jī)械制冷方法往往需要長期部署，前期投入大，但是能起到長期的熱害防治作用

而機(jī)械制冷方法則能快速降溫，但是長期而言，機(jī)械制冷降溫方法治理成本高于非機(jī)械制冷方法

而對于深部高溫礦井熱害治理時(shí)，傳統(tǒng)的熱害治理方法應(yīng)用將面臨成本高、冷量利用率低、維護(hù)困難、降溫效果不理想等一系列的問題

因此，針對深部高溫礦井的特點(diǎn)，新的熱害治理策略和降溫方法有待提出

2.2深部礦井熱害綜合治理深部礦井開采時(shí)，由于高溫圍巖、空氣自壓縮、礦井地?zé)崴炔粩嗟蒯尫糯罅繜崃浚瑐鹘y(tǒng)單一的熱害治理方法將出現(xiàn)降溫效果不理想、成本高等問題而不再適用

例如，利用被動的機(jī)械制冷降溫過程中，由于圍巖放熱量大、風(fēng)流初始溫度高，冷質(zhì)在輸送過程中冷量損失大導(dǎo)致井下降溫效率低、降溫效果不佳，此外制冷設(shè)備還存在冷凝熱排熱困難等問題

因此深井熱害治理過程中需綜合采取多種熱害治理方法，實(shí)施“節(jié)源開流”的治理方針

針對深部礦井熱害特征，主要應(yīng)從以下幾個(gè)方面改善礦井熱害治理效果

1) 控制熱源

淺部礦井熱害往往是多種熱源因素綜合作用的結(jié)果，各熱源釋放較小，因此礦井熱源的控制往往被忽視

但深部礦井中，若只是采取被動的機(jī)械降溫措施進(jìn)行熱害治理，則只能起到“治標(biāo)不治本”的作用，且制冷效率低、成本昂貴

因此，控制熱源是深部礦井熱害治理的關(guān)鍵

WEI等[35]測量了夏甸金礦內(nèi)主要熱源貢獻(xiàn)率，發(fā)現(xiàn)深部高溫礦井內(nèi)圍巖放熱是主要的礦井熱源，其次是設(shè)備放熱，另外空氣自壓縮放熱也占很大的放熱比重，如圖1所示

當(dāng)?shù)V井存在高溫地下水時(shí)，高溫地下水由圍巖裂隙通過水蒸氣的方式將潛熱和顯熱傳給井下風(fēng)流也是重要的熱源

在這些熱源中，設(shè)備放熱和空氣自壓縮放熱是無法避免的

因此，控制深部高溫?zé)嵩吹闹攸c(diǎn)是降低圍巖溫度、減小地下熱水對風(fēng)流的加熱加濕作用

圖1深井內(nèi)各熱源熱量貢獻(xiàn)率



Fig. 1Thermal contribution rate of each heat source in deep巷道圍巖溫度控制是深部高溫礦井熱害治理的基礎(chǔ)

在控制巷道圍巖溫度后，新鮮風(fēng)流從地面輸送至井下過程中升溫幅度減小，巷道內(nèi)整體溫度將下降，尤其是礦井主巷內(nèi)

降低圍巖和地?zé)崴艧岬姆椒òǎ篴) 有針對性的對巖壁噴涂礦用隔熱防水材料

對主要巷道或局部風(fēng)流與圍巖換熱強(qiáng)度較大的區(qū)域噴涂隔熱防水材料，減少圍巖的散熱以及地下熱水對風(fēng)流的加熱加濕作用；b) 利用井筒換熱技術(shù)調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)井中風(fēng)流溫度

在井筒與巖壁之間注入水或空氣等介質(zhì)對井筒壁進(jìn)行降溫，或在風(fēng)流換熱強(qiáng)度較大的局部高溫圍巖處布置換熱管路，如圖2所示

在對圍巖和風(fēng)流降溫的同時(shí)，換取巖石中的熱量；c) 將高溫地下裂隙水引導(dǎo)至蓄熱池，減少地?zé)崴蛳锏郎幔瑫r(shí)收集礦井地?zé)崴糜?a href="http://wb33377.com/meet_show-243.html" target="_blank">采選礦物；d) 向礦層內(nèi)或巷道圍巖注入冷水降低圍巖的溫度，或在巷道下方高溫巖層進(jìn)行地?zé)衢_采，在提取地?zé)岬耐瑫r(shí)能有效阻止底部巖層向井巷圍巖導(dǎo)熱

圖2井筒壁面隔熱和巷道圍巖換熱降溫方法



Fig. 2Methods for heat insulation and heat extraction in wellbore and surrounding rock of roadway2) 改進(jìn)機(jī)械制冷系統(tǒng)

高性能的機(jī)械制冷系統(tǒng)是深部高溫礦井熱害治理的關(guān)鍵

機(jī)械制冷是深部礦井熱害治理時(shí)不可缺少的降溫方式，尤其對于初始巖溫較高的掘進(jìn)巷道

傳統(tǒng)礦井機(jī)械制冷方法中，水和空氣往往作為制冷介質(zhì)，盡管這兩種制冷介質(zhì)廉價(jià)、易獲取，但由于空氣的熱容小、水的降溫程度有限等特點(diǎn)，使這些制冷方法制冷量較小

因此深井高溫?zé)岷χ卫硇鑼ふ腋永硐氲闹评浣橘|(zhì)提高制冷量

傳統(tǒng)集中式制冷方式不可避免地會造成輸送管線較長，冷量輸送過程中冷量損失大，造成制冷效率低

制冷設(shè)備體積龐大，散熱量高，占據(jù)井下大量的空間

同時(shí)隨著開采過程中采區(qū)的變動，井下輸送冷量管路需經(jīng)常進(jìn)行調(diào)整

因此，縮小制冷設(shè)備的體積，形成可移動式小型制冷設(shè)備，是減少制冷量在輸送過程中的冷量損耗、提高降溫效果的重要方式

此外，縮小降溫空間是提高冷量利用率、改善降溫效果、降低熱害治理成本的重要途徑

3) 使用個(gè)體防護(hù)服

在高熱、高濕的惡劣礦井環(huán)境下，使用個(gè)體降溫防護(hù)服是一種必不可少且十分有效的熱害治理方法，尤其在深部礦井建設(shè)初期以及制冷系統(tǒng)尚未建成時(shí)

因此，個(gè)體防護(hù)服是深部高溫礦井熱害治理的重要保障

目前的個(gè)體降溫防護(hù)服主要包括氣冷式、液冷式和相變材料三種

但是目前的這些個(gè)體防護(hù)服存在衣服笨重、臃腫、續(xù)航能力差等不同的缺陷，導(dǎo)致使用者活動不便、工作效率低而難以被接受使用

例如，氣冷式降溫服是采用自然通風(fēng)和強(qiáng)迫通風(fēng)的方式帶走身體的熱量，雖然其質(zhì)量輕，但是降溫效率低、溫度調(diào)節(jié)范圍小

液冷式主要是利用水等介質(zhì)在降溫服內(nèi)布置的管路中流動降低服裝內(nèi)的溫度，其降溫效率較高，但是它存在裝置繁重、冷卻液容易泄漏、成本高等缺點(diǎn)

相變式降溫服則利用相變材料包、微膠囊等物品放置在服裝內(nèi)吸熱降溫，其較為便捷，但是存在降溫時(shí)間短、舒適性差等問題

此外，現(xiàn)有防護(hù)服均無法精確的調(diào)節(jié)制冷量，容易發(fā)生過熱或過冷的現(xiàn)象

針對深部高溫礦井環(huán)境下，工作者需要長時(shí)間大范圍的勞作的情況下，這些降溫服并不能滿足目前的需求，更加輕便、續(xù)航能力強(qiáng)、制冷能力高、舒適的新型個(gè)體防護(hù)服亟待研發(fā)

2.3智能礦井通風(fēng)礦井通風(fēng)是最普遍、經(jīng)濟(jì)的降溫方法，也是井下必備的生產(chǎn)需要

在深部礦井中，長通風(fēng)路線、高圍巖溫度，使得風(fēng)量調(diào)節(jié)與分配對礦井熱害的影響更為密切，另外通風(fēng)系統(tǒng)是各種制冷降溫方法中重要的組成部分

因此，深部礦井有必要建成智能礦井通風(fēng)系統(tǒng)控制礦井熱害

智能礦井通風(fēng)系統(tǒng)集成顯示系統(tǒng)、井下檢測監(jiān)控系統(tǒng)、信息分析處理系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等一體，如圖3所示

智能礦井通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測獲取礦井人員、設(shè)備和環(huán)境信息后，按需分配風(fēng)量進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算，優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，并采取自動風(fēng)窗調(diào)節(jié)和風(fēng)機(jī)調(diào)控等措施進(jìn)行快速、精準(zhǔn)和有針對性的風(fēng)量調(diào)節(jié)，從而改善井下工作環(huán)境、提高人員舒適度

智能礦井通風(fēng)系統(tǒng)在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中將風(fēng)流與井巷的動態(tài)熱交換考慮在內(nèi)，盡量減小井巷與風(fēng)流之間的換熱，選擇最佳通風(fēng)線路來減少風(fēng)流輸送過程中的升溫，增強(qiáng)工作面通風(fēng)降溫效果

智能通風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)人員、環(huán)境等信息自動調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)，在檢測到工作區(qū)人員或設(shè)備溫度過高時(shí)，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)通風(fēng)量控制工作區(qū)溫度

當(dāng)工作區(qū)溫度超過一定閾值后，系統(tǒng)自動啟動局部降溫設(shè)備為工作區(qū)提供適量冷量增強(qiáng)降溫

圖3溫度調(diào)節(jié)智能礦井通風(fēng)系統(tǒng)



Fig. 3Intelligent mine ventilation system for temperature regulation在以往熱害治理工作中，在對掘進(jìn)巷道等工作區(qū)段進(jìn)行降溫時(shí)，往往是以整個(gè)工作區(qū)段為目標(biāo)進(jìn)行降溫，這導(dǎo)致制冷系統(tǒng)需要提供大量的冷量降溫整個(gè)工作區(qū)域，同時(shí)冷空氣并未充分利用即流出工作面，導(dǎo)致冷量浪費(fèi)、降溫效率低

為改善降溫效果、提高冷量利用率，智能礦井通風(fēng)系統(tǒng)的溫控調(diào)節(jié)將不以整體工作區(qū)域溫度為控制目標(biāo)，而是對某個(gè)具體目標(biāo)物(人或設(shè)備)進(jìn)行精準(zhǔn)控溫，從而縮小降溫空間

利用人體感應(yīng)、紅外成像等技術(shù)，識別控溫目標(biāo)并圈定降溫區(qū)域，通過移動空氣幕等方法對降溫區(qū)域進(jìn)行隔離降溫，減少冷量的散失

另外，智能礦井通風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)采集到的目標(biāo)物體溫度等信息實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)通風(fēng)風(fēng)量、制冷功率、風(fēng)流溫度等系統(tǒng)參數(shù)，使目標(biāo)物體溫度維持在最佳狀態(tài)，從而提高人體的舒適度，減少冷量的浪費(fèi)

精準(zhǔn)控溫能有效減少制冷量，降低熱害治理成本，解決井下降溫費(fèi)用昂貴等問題

3礦產(chǎn)與地?zé)崮軈f(xié)同共采3.1礦產(chǎn)地?zé)崮軈f(xié)同開采的價(jià)值地?zé)犭m然會引起礦井開采過程中的熱害問題，但它也是礦產(chǎn)開采過程中的伴生資源

在礦井熱害治理時(shí)，若對熱能加以利用則將是“變害為利、變廢為寶”的重要舉措

礦產(chǎn)地?zé)崮軈f(xié)同開采不僅是治理礦井熱害控制熱源的有效方法，符合“綠色生態(tài)礦山”建設(shè)生產(chǎn)要求，同時(shí)能創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值[8]

地?zé)豳Y源根據(jù)溫度可以分為五個(gè)等級，如表3所示

礦井地?zé)豳Y源屬于水熱型地?zé)崮埽瑢儆?a href="http://wb33377.com/meet_show-255.html" target="_blank">低品位能源

礦井地?zé)崮芸捎糜谙丛?、農(nóng)業(yè)、采暖等多個(gè)方面，還可以通過熱泵技術(shù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為高品位熱能進(jìn)行利用

國家《地?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》以及《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》均提出了推進(jìn)礦井熱能利用項(xiàng)目的建設(shè)

2018年，國家發(fā)展改革委、國土資源部、國家能源局等多部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用促進(jìn)北方采暖地區(qū)燃煤減量替代的通知》，要求對地?zé)豳Y源因地制宜開發(fā)利用

國家大力支持和發(fā)展地?zé)峁┡?，相關(guān)政策建議的出臺為地?zé)峁┡囊?guī)?；_發(fā)利用及發(fā)展提供政策指引

無論是從資源稟賦還是政策導(dǎo)向來看，礦井地?zé)岚l(fā)展空間巨大

表3地?zé)豳Y源溫度分級表Table 3Temperature classification table of geothermal resourcesTemperature classt/℃Main applicationLow temperature geothermal resources: warm water25-40Bath, breeding, greenhouse planting, preheat wellheadLow temperature geothermal resources: low-temperature hot water40-60Bath, heating, breeding, thermal springsLow temperature geothermal resources: hot water60-90Bath, heating, physical therapy, hot springsMedium temperature geothermal resources90-150Heating, drying, power generationHigh temperature geothermal resources＞150Heating, power generation隨著不可再生能源資源量的減少，地?zé)豳Y源作為綠色和可再生能源被各國政府所青睞，地?zé)豳Y源的開發(fā)已逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)

其中備受矚目的干熱巖開發(fā)就是其中一種

干熱巖的開發(fā)一般埋深較大，一般存在于2000~6000 m之間

但目前干熱巖的開采面臨勘查鉆探成本高、前期投入大、風(fēng)險(xiǎn)大、技術(shù)難度大等一系列難題

而礦井地?zé)衢_采具有顯著的技術(shù)、資本優(yōu)勢

礦井開采已對礦田地質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的勘察、可直接為地?zé)衢_采提供地質(zhì)參考

此外，礦山現(xiàn)有的井巷措施、鉆探設(shè)備、開采技術(shù)為礦井地?zé)衢_采做好了先決條件

礦床開采所開拓的井巷為地?zé)衢_采節(jié)省了大量的地?zé)徙@探成本，礦井具備完善的電力、給水、運(yùn)輸系統(tǒng)，完善的機(jī)械動力設(shè)施，為礦井地?zé)衢_發(fā)的探測、掘進(jìn)、管路鋪設(shè)等提供完備的保障

礦井地?zé)岵粌H可以作為礦產(chǎn)伴生資源進(jìn)行開采，也可以作為廢棄礦井繼續(xù)運(yùn)營的生產(chǎn)方式

礦產(chǎn)地?zé)崮軈f(xié)同開采具有十分可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，它不僅可以開采大量地?zé)崮苡糜谏?、生產(chǎn)，還能緩解礦井熱害，降低礦井熱害治理成本

以淮南礦區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)特征為例，吳基文等[36]根據(jù)勘探發(fā)現(xiàn)淮南礦區(qū)地溫梯度為10.0~40.0 ℃/km，平均地溫梯度達(dá)到28 ℃/km；-2000 m水平時(shí)最高地溫達(dá)到82.36 ℃，平均大地?zé)崃髦禐?5.50 MW/m2

經(jīng)計(jì)算，淮南礦區(qū)熱儲層資源總量為2.32×1016 kJ，按采收率25%計(jì)算，可采熱能儲量為2.64×1015 kJ，折合成標(biāo)準(zhǔn)煤約0.9億t

礦井地?zé)衢_采所提取的熱能可根據(jù)各種用途對供熱品位需求不同對礦井地?zé)崮苓M(jìn)行分級梯度利用，如圖4所示

對于熱能較高的部分可直接用于建筑區(qū)供暖，或經(jīng)過水質(zhì)處理后用于洗浴

當(dāng)這些熱能被初次利用后還具有較高的熱能時(shí)，可繼續(xù)用于溫室種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖、畜牧、家禽養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)

對于冬季存在凍井現(xiàn)象的礦井還可用于井口防凍

礦井水熱能被提取后形成的低溫水可直接用于熱害治理，之后回灌地層用于地?zé)衢_采

此外，高地溫礦井的高地?zé)徇€有助于礦物的采選，在高地溫環(huán)境下可對礦物進(jìn)行原地溶浸，加速礦物與溶浸液間的相互作用，有利于貴重金屬或貧礦資源進(jìn)行原地破碎溶浸采礦、提高礦物溶浸和萃取效果

利用高地溫環(huán)境井下溶浸可實(shí)現(xiàn)礦井固體資源綠色流態(tài)化開采

圖4礦井地?zé)崮芊旨壧荻壤?br />


Fig. 4Gradient utilized of mine geothermal energy3.2礦產(chǎn)地?zé)崮軈f(xié)同開采方法礦井地?zé)峥梢酝ㄟ^開采層蓄熱采熱、巖層采熱以及余熱回收三個(gè)方面進(jìn)行礦產(chǎn)地?zé)崮軈f(xié)同開采，如圖5所示

開采層蓄熱采熱與巖層采熱不僅可以獲取地?zé)崮?，還能起到治理礦井熱害的作用

圖5礦產(chǎn)地?zé)崮軈f(xié)同開采示意圖



Fig. 5Schematic diagram of synergetic mining for mine geothermal energy1) 開采層蓄熱采熱

礦井對采空區(qū)進(jìn)行充填過程時(shí)，向充填區(qū)域埋設(shè)多層采熱管路形成蓄熱池

充填區(qū)從高溫巖體吸收熱量后，通過熱傳導(dǎo)的方式將熱量傳遞給采熱管使采熱管內(nèi)的載熱介質(zhì)溫度上升

當(dāng)采熱管內(nèi)的載熱介質(zhì)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)的蓄熱溫度后，將載熱介質(zhì)輸送至采熱設(shè)備進(jìn)行熱能提取與利用

為保障采熱管輸送穩(wěn)定的熱量，各蓄熱池進(jìn)行輪流熱輸出，保障采熱管能充分吸收足夠的熱量

2) 巖層采熱

為獲取高熱量的熱源，以開采層為基礎(chǔ)向巖層下方探測熱流密度大的聚熱區(qū)域

在探明高溫地?zé)醿Υ鎱^(qū)域后，以采礦地層巷道為基礎(chǔ)向開采層較近的高溫地?zé)釁^(qū)首先掘進(jìn)直徑較小的換熱通道

通過向換熱巷道內(nèi)注入礦井水與高溫巖石發(fā)生熱交換提取巖層熱量獲得高溫?zé)崴?br />
當(dāng)開采層下方巖體的熱量被換熱通道不斷的提取后，開采層下方以及開采層巖體溫度將逐漸降低，開采層巷道內(nèi)的熱害能夠得到有效的緩解

當(dāng)換熱通道附近巖石溫度下降導(dǎo)致?lián)Q熱通道內(nèi)的熱量提取過低時(shí)，可繼續(xù)向巖層下方掘進(jìn)新的換熱通道獲取更高的熱源，增加采熱強(qiáng)度

3) 余熱提取

礦井內(nèi)主要的余熱有回風(fēng)余熱以及機(jī)械余熱

空氣由井筒進(jìn)入地下之后，由于沿程圍巖散熱、高溫水源放熱、機(jī)械設(shè)備散熱、礦物氧化放熱等原因，通過對流換熱和輻射換熱等作用，風(fēng)流溫度逐漸升高

尤其高溫礦井回風(fēng)井中風(fēng)流溫度較高，可通過在回風(fēng)井內(nèi)安裝回風(fēng)余熱利用裝置提取乏風(fēng)中的熱量

此外，井下各種采掘機(jī)械釋放的熱量以及井下制冷降溫后制冷介質(zhì)內(nèi)所包含的熱量也可利用換熱裝置對其余熱加以利用

3.3巖層采熱治理礦井熱害為分析礦井巖層采熱對礦井熱害的影響，本文建立了礦井巖層采熱數(shù)值模型，模型中左側(cè)為直徑5 m的進(jìn)風(fēng)豎井，新鮮風(fēng)流經(jīng)由進(jìn)風(fēng)豎井輸送至井下-900 m水平的1#和2#水平巷道，巷道截面積均為7.5 m2，然后風(fēng)流經(jīng)右側(cè)直徑為5 m的回風(fēng)豎井返回至地面

模型中礦井通風(fēng)量為4710 m3/min，風(fēng)流初始溫度為25 ℃

在1#巷道下方10 m處布置一條直徑為0.4 m的圓形換熱管道，如圖6所示

模型中地層地溫梯度為40 ℃/km，巖石導(dǎo)熱系數(shù)為4 W/(m·K)，質(zhì)量熱容為1300 J/(kg·K)，密度為2600 kg/m3

換熱管道內(nèi)持續(xù)注入溫度為25 ℃，流量為226.08 m3/h的冷水

圖6礦井巖層采熱物理模型



Fig. 6Geometry model of geothermal exploitation in mines圖7所示為礦井生產(chǎn)第8年時(shí)巖層地溫分布，從圖7(a)可以看出進(jìn)風(fēng)井中由于新鮮風(fēng)流溫度低于井筒圍巖初始溫度，井筒圍巖熱量被新鮮風(fēng)流帶走，井筒圍巖溫度顯著降低

而回風(fēng)井頂端處回風(fēng)風(fēng)流溫度高于井筒圍巖溫度，在回風(fēng)流加熱作用下井筒圍巖溫度明顯上升

對比圖7(b)與7(c)可看出，在換熱管道的作用下，1#巷道與換熱管道之間的巖體區(qū)域溫度發(fā)生了明顯的下降，而2#巷道圍巖僅靠冷風(fēng)流與圍巖換熱而降溫，因此2#巷道附近的圍巖降溫幅度和降溫范圍都明顯小于1#巷道圍巖

可見通過換熱管道加快了圍巖冷卻速度，同時(shí)阻止了深部高溫巖體向巷道圍巖傳熱

圖7礦井生產(chǎn)8年后巖層地溫分布



Fig. 7Temperature distribution of geothermal reservoir after heat production for 8 a礦井巷道內(nèi)的風(fēng)流溫度隨礦井生產(chǎn)年限變化如圖8所示

從圖中可以看出，由于新鮮風(fēng)流在巷道內(nèi)流動過程中與巷道圍巖進(jìn)行熱交換，因此風(fēng)流溫度隨通風(fēng)距離延長而逐漸升高

礦井生產(chǎn)第2年時(shí)，2#巷道回風(fēng)側(cè)風(fēng)流溫度比進(jìn)風(fēng)側(cè)高6.4 ℃

隨著通風(fēng)時(shí)間的增加，巷道圍巖溫度逐漸降低，巷道內(nèi)風(fēng)流升溫幅度逐漸減小，在第5年時(shí)回風(fēng)側(cè)與進(jìn)風(fēng)側(cè)風(fēng)流溫差減小至5.5 ℃

由于1#巷道下方巖層中布置有換熱管道，巷道圍巖中的熱量被換熱管道中的冷水吸收，巷道圍巖溫度隨生產(chǎn)時(shí)間降溫更快，因此1#巷道內(nèi)風(fēng)流溫度明顯低于2#巷道

在礦井生產(chǎn)的第8年，2#巷道末端風(fēng)流溫度為33.0 ℃，而1#巷道末端風(fēng)流溫度僅為31.2 ℃，可見換熱管道有效降低了巷道內(nèi)風(fēng)流溫度，起到了熱害治理的效果

圖8巷道內(nèi)風(fēng)流溫度變化特征



Fig . 8Airflow temperature distribution along roadway4結(jié)論隨著我國淺部資源的開采殆盡，深部開采將成為常態(tài)

礦井熱害是限制深部礦井開采的一個(gè)重要瓶頸，其治理過程中面臨著成本高、治理效果不明顯等一系列難題

礦井地?zé)犭m然會造成熱害，但它也是一種寶貴的熱能

礦產(chǎn)地?zé)崮軈f(xié)同開采是一種“變害為利，變廢為寶”的重要途徑，也是一種探索綠色新能源開采的重要舉措

1) 礦井熱害是井巷圍巖放熱、礦井地?zé)崴艧?、風(fēng)流壓縮放熱等多因素綜合造成的

在深部礦井中這些熱源放熱量更大、更難控制，因此，深部高溫礦井面臨嚴(yán)峻的高溫?zé)岷栴}

長期在高溫環(huán)境下工作對人體生理、心理、工作效率以及生產(chǎn)安全等多個(gè)方面產(chǎn)生負(fù)面影響

礦井熱害的關(guān)注不僅是深部開采的技術(shù)需要，也是對廣大礦工勞動者的重視

2) 深部礦井熱害治理過程中需采取“節(jié)源開流”的綜合治理方針，在綜合控制熱源的基礎(chǔ)上，聯(lián)合機(jī)械制冷方式進(jìn)行局部降溫

礦井可通過建立集顯示系統(tǒng)、井下檢測監(jiān)控系統(tǒng)、信息分析處理系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)一體的礦井通風(fēng)系統(tǒng)來智能調(diào)控礦井通風(fēng)，通過快速調(diào)節(jié)局部風(fēng)流，提高冷量利用率，緩解礦井熱害

利用人體識別與感應(yīng)技術(shù)對具體目標(biāo)體進(jìn)行精準(zhǔn)控溫，聯(lián)合移動空氣幕等措施對降溫區(qū)域進(jìn)行隔離降溫，提高局部降溫效果，減少冷量損失

3) 論文提出礦產(chǎn)地?zé)崮軈f(xié)同開采的設(shè)想，礦井地?zé)衢_采不僅能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也起到治理礦井熱害的作用

礦產(chǎn)地?zé)崮軈f(xié)同開采可從開采層蓄熱采熱、巖層采熱和余熱提取三個(gè)方面進(jìn)行地?zé)崮荛_采

獲取的地?zé)崮芸煞痔荻扔糜谙丛?、建筑物供暖、溫室種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖等多個(gè)方面

通過數(shù)值模擬表明，巷道圍巖采熱使巷道內(nèi)風(fēng)流溫度快速降低，能夠有效治理礦井熱害

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