铜矿井下掘进工作面局部降温技术

王军华

（湖南涟邵建设工程（集团）有限责任公司， 湖南 长沙 410001）

近年来，随着我国社会经济的发展，矿产资源需求量不断增加，使得我国资源开采量逐年递增，而且大部分金属矿产的开采已经逐步延深至深部，这就使得井下掘进工作过程中热害问题日益严重[1-4]。热害不仅影响开采掘进工作的效率，而且还会对相关工作者的身体健康与安全造成严重的影响。因此，展开对铜矿井下掘进工作面局部降温技术的研究与分析，对于降低铜矿井下掘进工作热害影响、提高矿山经济效益具有深远的影响与重要的意义[5-6]。

1 铜矿井下掘进工作热害分析

铜矿井下掘进工作中所面临的热害种类繁多，只有确定产生热害的具体原因，才能合理地应用相关的降温技术，有效地解决热害问题，切实地提升工作效率与质量，保证人员的安全。

1.1 地面压入式送风风流余热

送风风流余热是产生热害的重要原因之一。送风风流余热，可以划分为地面风流余热与空气高位势能转化的余热两个部分。如果铜矿采区处于南方地区时，受地理区位影响，井下的进风会受到季节、昼夜交替等外界因素的影响，进而会出现井下热害问题。例如，如果铜矿井下掘进工作过程中地面温度常年保持在28℃以上，而相对湿度保持在80%时，地面风流通过风筒输送至井下就会造成井下的温度、湿度等出现不同程度的增加，产生热害，对井下掘进工作造成极为不利的影响。而如果通过压入式系统进行空气的传输，那么空气在被传输至井下后，随着深度的不断加深，空气势能就会转化为内能，造成空气成分中各类数值急剧升高，进而形成降温冷负荷，最终会产生热害，对铜矿井下掘进工程造成较大的影响，甚至会影响掘进工作的安全开展。

1.2 围岩传热

围岩传热是一种不可避免的热害因素，也是铜矿井下掘进工作中必须要面对的热害问题之一。基于地球内热的影响，铜矿深井中，随着掘进深度的不断加深，岩壁温度也会随之上升，在掘进过程中，干燥的岩壁与风流的温差换热过程就会产生热害。

1.3 井下掘进过程余热

铜矿井下掘进过程中不仅需要使用大量的井下机械设备，而且还需要通过爆破等方式开采。所以，在掘进过程中机械设备长时间运转会产生大量的余热，而这些余热会逐步排至风流中，在风流温差的换热过程中会造成风流温度、湿度等升高，进而产生热害。如果需要进行爆破作业，那么爆破作业之后会产生大量的余热，这些余热需要经历数小时之后才能彻底排除，而在这个过程中也会产生热害。这也是铜矿井下掘进工作中必须要面对与解决的热害问题。

2 井下局部降温系统存在的问题

当前，部分铜矿在井下掘进工作中为了解决热害问题，保证井下掘进工作安全、有序地进行，通过构建井下局部降温系统来解决相关的问题，虽然取得了一定的成效，但是在实际运行过程中受环境等方面的影响，使得井下局部降温系统仍然存在较多的问题，主要体现在以下几方面。

2.1 工作面通风量无法满足要求

铜矿井下掘进工作中为了解决热害问题，虽然按照掘进工作的实际情况合理地设计了相应的降温系统，但是在实际工作过程中往往会出现工作面无法满足设计要求的情况，这种问题会严重影响降温系统的工作效率与质量，令其无法发挥真正的作用与价值。此外，局部降温系统的选材与安装也存在风筒保温厚度较小且漏风率较大的问题，这些问题也会严重影响整个降温系统的正常运转，最终会导致降温系统工作效率低下，无法满足铜矿井下掘进的要求。

2.2 局部降温系统稳定性有待提升

排水系统是铜矿井下掘进工作局部降温系统的重要组成部分，在解决热害问题过程中发挥着至关重要的作用。但是，当前局部降温系统中由于排水系统的水温与水量缺乏良好的稳定性，影响整个降温系统的工作效率与质量，而且还会导致冷水机组冷凝温度逐步升高，进而使得出风的温度也会逐步增高，极大地影响了降温的效果，热害问题无法得到彻底解决。由此可见，局部降温系统稳定性较差是影响整个降温系统的重要问题之一。

2.3 局部降温系统有待完善

虽然局部降温系统在铜矿井下掘进工作中的合理应用使得作业面的温度、湿度有了明显的改善，但是部分局部降温系统在设计与建设过程中忽视了通风网路的合理规划，使得在井下掘进工作区域内会产生大量的尾气残留，进而导致工作区域内的空气质量下降，这既会对工作人员的身体健康造成影响，也会影响铜矿井下掘进工作的效率与质量。所以，当前要提升对局部降温系统中排风系统设计与建设的重视程度，使得机车尾气能够有效地排除，构建良好的工作环境，切实有效地解决井下热害问题。

3 井下掘进工作面局部降温技术分析

3.1 井下掘进工作局部降温方案

结合相关研究文献以及国内外矿山井下降温经验，井下掘进工作局部降温方案主要有3种。

（1）方案一：在铜矿井地面建设制冷站，利用空气交换设备、处理设备等将制冷站的冷风输送至铜矿井下掘进工作面。这种方案的优势在于可以快速、有效地解决井下热害问题。但是也存在较大的劣势，主要是冷风传输过程受多种因素的影响，不仅损失较大，提升地面冷负荷，增加能源的消耗，而且需要投入大量的资金对制冷站进行维护与管理，所以经济性相对较差。

（2）方案二：矿井地面建设制冷站，利用冷水降温。这种方案需要通过水管将冷水输送至井下，达到降温供风的目的（如图1所示）。这种方案虽然可以有效地解决井下热害问题，但在实际实施过程中不仅需要铺设大量的管道，还需要增设高低压转换设备才能满足降温需求，这种方案不仅造价较高，而且也需要耗费大量的工期进行降温系统的建设。

图1 人工冷水降温原理

（3）方案三：局部制冷系统进行制冷。这种方案是在铜矿井下掘进工作面附近建设制冷系统，通过空气处理设备达到降温的目的。这种方案的优势在于制冷系统无需建设在地面，根据掘进工作进度随时可以变换制冷系统的位置，进而有效地降低制冷系统的负荷，并且减少了管道安装的工作量，有效提升降温系统工作效率的同时也降低了降温系统的造价。

以上3种矿井掘进工作面降温方案是目前比较常见的降温技术，这就需要不同矿井的采矿工作者根据自身的实际情况进行合理的选择，进而有效地解决热害问题，为井下掘进工作安全、稳定、有序的开展提供重要的基础保障。

3.2 井下掘进工作局部降温系统设计

铜矿井下掘进工作面局部降温系统主要是由矿井水冷却系统、制冷站、空冷器、送风系统组成，不同的系统在降温系统中发挥着不同的作用，局部降温系统工艺流程如图2所示。

图2 局部降温系统工艺流程

（1）矿井水冷却系统。在矿井掘进过程中会产生大量的地下水，这些地下水温度较低，可以有效地满足降温需求，所以矿井水完全可以作为降温系统的散热冷源。需要注意的是矿井水一般具有较强的腐蚀性，所以相关的设备必须要选用不锈钢板等防腐蚀的材料。同时，要根据铜矿井下掘进工作面热害问题的实际情况合理地选择冷水机组的功率，进而在保证系统稳定运行的同时有效地将降温系统中制冷排出的热量全部排至地面，有效达到井下降温的目的。此外，降温系统如果在实际运行过程中出现排水量不足的情况，可以及时采取旁通部分回水或者供水混合措施来解决相关的问题，保证降温系统能够正常的散热。

（2）制冷站。制冷站作为整个降温系统的中枢，在系统的设计过程中需要根据矿井的实际情况合理地选择制冷机的型号，才能满足实际需求。同时，由于矿井内部水流量以及存在较多的不稳定因素，对制冷剂的选择也要结合矿井内部的实际情况，尽量选择冷凝温度较高的制冷剂，才能保证制冷站的制冷效果。

（3）空冷器。空冷器是整个降温系统中的重要组成部分，在实际降温过程中，一方面要考虑经济性，另一方面要考虑输送冷损失，所以空冷器一般要设置在冷水机附近，这样既可以节省管道的铺设，也可以减少冷的损失。此外，空冷器宜选择串联两级冷却，唯此才能有效地降低风流温度，满足降温需求。

（4）风筒送冷风系统。风筒送冷风系统的设计必须要满足最小送风量为260 m3/min，并且采取必要的保温处理措施，保证漏风率低于 3%，这样才能保证风筒送冷风系统满足降温系统的实际需求，更好地达到降温目的。

3.3 降温效果

为验证局部降温工作效果，以大红山铜矿为例，将局部降温系统应用于大红山铜矿 285中段（285～400 m）持续开采工程。大红山铜矿位于云南省新平县，矿区属侵蚀山地地形，切割深，起伏大，海拔高800～1840 m，平均气温为23.5℃，（最高气温为 45℃、最低气温为 1℃），影响了铜矿井下掘进工作。

大红山铜矿将局部降温技术应用到了风井-800 m水平巷道的掘进工作面，并且完成调试正常运行，通过连续运行至副井与风井，井下通风网路贯通两个月，保证了井下掘进工作的有效开展。该系统矿井供水温度为（28～30）℃，经过冷水机组降温后的冷却水进入空冷器，空冷器运行参数进/出水温度为 （18～24）℃/32.6℃，经过换热冷却水进/出空冷器温度差保持在了14.6℃/8.6℃。而风流经过降温系统之后会得到充分的冷却，可以有效地降低气温12.5℃，同时湿度还可以达到91%，完全符合设计要求，满足井下掘进的实际需求。

4 结语

（1）对铜矿井下热害进行了归纳分析，为合理应用相关降温技术提供了理论依据。经分析可知，铜矿井下热害成因主要包括3个方面：地面压入式送风风流余热、围岩传热以及井下掘进工作过程余热。

（2）对已有降温系统所存在的不足进行了研究，目前铜矿井下工作面局部降温系统稳定性有待提高，且工作面通风量尚未满足施工要求，降温系统性能有待改进。

（3）基于局部降温系统不足，在此基础上提出了相应的改进方案，并将改进后的降温系统应用于大红山铜矿工程。实际应用表明，改进后局部降温系统降温效果有较大提升，可满足实际工程要求，切实有效地提升了井下掘进工作效率与质量，同时提升了经济效益。