深部采矿的热害防治及治理现状.doc

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2014年9月19日

引言
随着矿产资源的不断开发，我国的浅表矿床及开采技术条件相对简单的矿床储量不断消耗，迫使大多数矿山转入深部或复杂矿床的开采。目前，许多硬岩矿床已进入或接近深部开采的范畴，据统计，我国有三分之一的矿山即将进入深部开采。深部矿床开采的技术难点主要集中在三个方面:即深部地压(岩爆)预测与控制技术、井下热害控制技术以及强化开采技术集成。在深部矿床开采技术领域内，国内的研究工作起步较晚，没有成熟的技术和经验可借鉴。在“九五”期间，虽然开展了部分前期研究工作，但现有的采矿技术不能有效地解决深部矿床开采的问题。目前，急需研究开发适应于深部矿床开采的新工艺新技术，同时对现有的技术进行集成与提升，以满足我国不断涌现的深部矿床开采的需要。
由此可以看出，井下热害控制技术在我国深井开采技术中占有很重要的地位[1]。
1井下热源分析
井下气温升高，是由于各种热源散热的缘故。井下热源包括地热、地下水蒸发热、空气压缩热和机械设备放热以及爆热、氧化反应热、人体代谢生成热等。实践证明，地热、空气压缩热、爆热和氧化反应热是主要的井下热源。
1.1地热
地热是最重要的深井通风热源，据研究，深井岩层放热占井下热量的48%［2］。地热是以围岩传热形式散热，地面以下岩层温度变化规律是：自上而下，岩层划分为变温带、恒温带和增温带，其中，恒温带以下的岩石温度随深度增加而增加，当采掘作业将岩石暴露出来以后，地热便从岩石中释放出来。原岩放热是深井矿山的主要热源之一，当井下空气流经围岩时，两者发生热交换，从而使井下空气温度升高。因受地热增温的影响，岩石温度随深度的增加而升高。围岩与井巷空气热交换的主要形式是传导和对流，即借热传导自岩体深处向井巷传热，或经裂隙水借对流将热传给井巷。在大多数情况下，围岩主要以热传导方式将热传给岩壁，并通过岩壁传给井下空气。
岩石温度随深度而增高的程度决定于岩石成分和岩石的导热性能、水文地质特征和其他一些因素，一般用地热增温率来表征岩石的增温程度［2］：

式中：th为深度h处的岩石温度（oC）；t0为该地区地表空气的年平均温度（C）；Gt为地热梯度（oC/m）；h为所测定岩石温度之点距地表的深度（m）；h0为恒温带的深度（m）。
由于围岩与井巷空气热交换是一个复杂的非稳定过程，计算也非常繁琐。为计算方便，视此类问题为沿巷道轴向进行的一维非稳态热传导问题处理，并设岩石内温度高于井下空气温度，岩石传给井下空气的热量可按（2）式计算［3］：

式中：Q为岩石传给井下空气的热量（J）；A为巷道断面积（m2）；t为巷道通风时间（S）；Tw为围岩的原始岩温（K）；Ti为巷道内某点空气的温度（K）；k为围岩的热导率［W/（m·K）］；ɑ为围岩的热扩散系数（m2/S）。

1.2空气压缩热
地面空气经井筒进入矿井内，由于受到井筒空气柱的压力而被压缩，空气到达井筒底部时，其所具有的势能转化为热能。试验研究结果表明：空气每下降100m，气流温度升高约0.4C~0.5C，空气压缩放热占井下热量的20%［2］。
当空气沿着井巷向下流动时，在重力场作用下，由于其势能转换为焓，其压力与温度都有所上升。根据能量守恒定律，风流在压缩过程中的焓增与风流前后状态的高差成正比，即：

式中：i1、i2为风流在始点与终点时的焓值（J/kg）；h1、h2为风流在始点与终点状态下的标高（m）；g为重力加速度（m/S2）。
对于理想气体：di=cpdt，即：

式中：cp为空气的定压比热容，cp=1005J/（kg·K）；T1、T2分别为风流在始点及终点时的干球温度（K）。故：T2-T1=0.00976（h1-h2）。
从上述结论可以看出，空气压缩所引起的焓增同风量无关，只与两点标高有关，而且随着开采深度的增加而相应增大。空气沿井筒下降，由于空气沿井筒往下流经100m垂深距离时，热量约增加0.979J/kg。

2深部采矿的热害防治及治理现状
2.1国外矿井热害理论研究现状和水平
国外对矿井降温理论的研究始于1740年法国在Belfort矿山附近进行的地温测定[4]。真正在矿井降温理论研究上的发展起步于20世纪20年代。国外在矿井降温理论的发展大致可分为三个时期，即雏形期、发展期和形成完整的学科理论期。
雏形期：20世纪20年代至50年代，这一时期由于世界各国煤矿的开采规模都比较小，矿山热害问题并不是十分严重，所以矿井降温理论研究的发展比较缓慢。研究成果散见于各种文献中，仅限于个别的研究成果。其中比较有代表性的是：1923年西德HeistDrekopt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，提出了围岩调热圈等概念，尽管其基本假定不尽合理，但这是研究矿井