金属矿山深部开采热害分析

金属矿山深部开采热害分析程永伟，王敏中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州（221008）E-mail: chengyongwei@摘 要：随着金属矿山开采深度的增加，矿井高温热害问题越来越严重，导致矿井热害产生的主要因素是井下热源。

本文首先分析了金属矿山热害造成的危害及金属矿山热害类型，而后进一步分析了金属矿山深部开采的井下热源，介绍井下热源计算方法，为金属矿山的热害治理提供了理论依据。

关键词：金属矿山；深部开采；热害类型；井下热源中图分类号：TD167我国浅部有色矿床资源已接近枯竭，加快向深部矿床开发已成趋势。

随着开采深度增加，矿井高温热害问题越来越突出，大大超过《地下矿山安全规程》规定的“采掘工作面空气温度不得超过28oC ”的标准[1]，给设备的安全运行、生产效率、工人的身体状况等带来严重影响。

近十几年内，我国加快了对煤矿热害研究，建立了多种热害分析数学模型，为热害治理提供了大量理论依据[2]。

对金属矿山的相关研究还没有深入，由于金属矿山开采深度、开采工艺及井下环境条件与煤矿有着截然不同，所以对金属矿山的热害分析是十分有必要的。

1. 金属矿山热害类型根据当前出现的具有热害的矿井情况，将矿井热害划分为以下几种类型：正常地热增温型；岩温地热异常型；热水地热异常型；硫化矿物氧化热型。

1.1 正常地热增温型这种类型位于地热正常区，也就是热流值或地温梯度值等于或接近于地壳热流或地温梯度平均值的地区，平均热流值为1.4—1.5热流单位，平均地温梯度为1.5-3.02/100o C m 。

这种类型的矿井一般在采掘深度小于500—600m 时，无热害出现，采掘达到600m 以下时，平均岩温达到35o C 以上，矿井热害必然会随之出现。

1.2 岩温地热异常型这种类型热害矿井的特点，除在地区或区域地热异常区的浅部出现外，在地热正常区内部也会出现局部地热异常区。

我国当前出现的这种类型的热害矿井多数是在局部地热异常区。

局部地热异常区形成的原因很多，如地球表层的地质构造、地层岩性、古气候条件及有局部热源等。

如安徽罗河铁矿，矿区恒温带深度为25m ，温度为18.9oC 。

矿区所有测温钻孔，均表明地温偏高，且在同一标高下，矿区东西两端温差为6—7o C ，见表1。

表1 罗河铁矿地温Table1 The iron ore ground temperature of Luo he 标高（m ）东部地温（o C ） 西部地温（oC ） -400-500-600-700 29 31 34 3835 37 40 421.3 热水地热异常型这种类型的矿井热害，主要由深循环地下热水造成的。

处于深循环的热水温度高、流量大，以至于造成地温梯度值大大超过正常的地温梯度值。

如：湖南郴州铀矿的地温梯度为5.1—9.82/100o C m ，巷道内相对湿度为90%—100%。

1.4 硫化矿物氧化热型这种类型的矿井热害主要是由于硫化物矿体和开采过程中被打碎的矿体粉末与空气接触发生氧化放热反应，聚集热量产生高温造成的。

硫化矿物氧化造成的危害主要有：采掘工人作业环境和劳动条件严重恶化；对围岩及围岩锚固系统产生热效应；易产生高温有毒热浪及硫尘爆等严重事故。

这种类型的矿井热害在我国的金属矿山已普遍存在，如：铜陵有色金属公司所属的松树山铜矿、向山硫铁矿、湘潭锰矿、甘肃金川镍矿等，这些矿山的矿石中一般都含有大量的易被氧化的黄铁矿、磁硫铁矿。

2. 金属矿山深部开采热源分析2.1 开采工艺热源金属矿山的采矿法与煤矿采矿有着截然的不同。

煤矿一般采用机械化开采，而金属矿山采用炮采充填法采矿，所以，炮采的炸药散热和充填材料的散热是金属矿山两个重要的热源。

2.1.1 炮采放热炮采时，炸药爆炸产生的能量一部分用来破坏矿岩结构，使岩层发生变形、运动；另一部分以热量的形式向矿内释放。

因此，井下炸药爆炸具有两重放热性：爆破时迅速向空气及围岩放热，形成局部热源；炸药爆炸传向围岩中的能量以围岩放热的形式向矿内释放出来[3]。

①炸药爆力炸药爆炸对周围介质所做机械功的总和称为炸药爆力，又称为炸药做功能力。

假设炸药爆炸产生的气体全部用来膨胀做功，且过程为绝热过程，根据热力学第一定律，炸药爆力为：21(1)bl br T W Q T =− （1） 这部分能量会以围岩放热的形式，在一个较长时期内向矿内释放。

而没有转化成爆力的那部分能量会以热量的型式直接散失到环境中去。

炸药爆炸做功后直接向环境释放的热量为：21bf br T Q Q T =⋅ （2） 式中，br Q ：炸药的爆热/Kj Kg ；2T ：爆炸产物做功后的温度o C ；1T ：炸药的爆温o C ； ②炸药的爆热爆炸过程是一个复杂的化学反应过程，根据盖斯定律，化学反应热效应同进行的途径无关。

设1、2、3分别表示在标准状态下的元素、炸药和爆炸产物，根据盖斯定律，从状态1到状态3，与从状态1经过状态2到状态3的热效应相等，即：131223Q Q Q −−−=+ （3）式中，13Q −：爆炸产物生成热/Kj Kg ；12Q −：炸药生成热/Kj Kg ； 23Q −：炸药爆热/Kj Kg ；若已知炸药成份，查表得各种成份的生成热，可按下式计算炸药的生成热：121ni i i Q m q −==⋅∑ （4）式中，i m ：第i 种炸药成份的摩尔数/mol Kg ； i q ：第i 种炸药成份的生成热/Kj mol ；若已知爆炸产物的成份，查表得各种成份的生成热，可按下式计算爆炸产物的生成热；''131ni i i Q m q −==⋅∑ （5）式中，'i m ：第i 种生成物的摩尔数/mol Kg ； 'i q ：第i 种生成物的生成热/Kj mol ；将式(4)、(5)代入式(3)，得炸药的爆热23Q −。

③炸药的爆温炸药的爆温即炸药爆炸时的温度，计算常用卡斯特法：br v jv j Q c t t c n −==∑ （6）其中，jv j j c a b t =+，爆炸产物的j a 、j b 值见表2。

式中， t ：炸药的爆温o C ； v c −：爆炸产物的平均比热容3/Kj m K ⋅； jv c 、j n ：爆炸产物的定容热容和摩尔数表2 爆炸产物的j a 、j b 值Table2 The j a 、j b of blast production 爆炸产物 j a 310j b ×双原子气体20.1 1.88三原子气体 41.0 2.43四原子气体 41.8 1.88五原子气体 50.2 1.88水蒸汽16.7 9.0令j j n a A =∑、j j n b B =∑，则：t = （7） 因此，根据炸药种类及炸药量可计算出爆热及爆温，则可以计算出炸药爆炸过程的爆力和向环境直接散失的热量。

金属矿山多用2号岩石炸药，炸药配比为：43NH NO 85%、TNT 11%、52211C H O 4%，经计算，2号炸药的爆热为3676.24/kj kg 、爆温为2510o C 。

2.1.2 充填凝固放热国内矿山常用充填材料有：废石或专门开采的块石；选矿尾砂或自热堆积的细岩；戈壁积料和破碎加工的山岩；各种工业废料及各种胶结充填材料。

在上述充填材料中，除胶结充填材料外其他充填材料的放热可以忽略。

目前，我国的金属矿山一般都采用胶结充填开采[4]，胶结充填材料的放热主要为水泥的凝固放热，充填放热可用下式计算：ct ct sh Q m q =⋅ （8）式中：ct Q ：充填凝固放热量KW ； ct m ：充填过程所需要的水泥量/Kg s ；sh q ：单位质量水泥水化最终放热量/Kj Kg ；2.2 普遍热源2.2.1 地质条件及大气环境井下风流自地表流入，采区所处地理位置的地质条件及地表大气环境必然要影响风流状态。

但随着开采深度增加及井下调热圈作用，地表大气环境对井下风流的影响就不太明显了。

一般来讲，地表空气温度对浅部开采的矿井影响较大，对深部开采的矿井影响相对弱一些。

2.2.2 围岩散热围岩与井巷风流换热是复杂的不稳定换热过程，其主要方式为导热与对流换热。

一般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下式计算 ：2(r a Q Ak t t =− （9） 式中，A ：巷道断面积3m ； k ：围岩的热导率/Kj m K ⋅； r t ：围岩的原始岩温o C ；a t ：巷道内某点空气的温度o C ； a ：围岩的热扩散系数；t ：巷道通风时间；2.2.3 空气自压缩温升地面空气经井筒进入矿井，受到井筒空气柱的压力被压缩，到达井筒底部时，其具有的势能转化为热能。

根据能量守恒定律，风流在压缩过程中焓增与前后状态的高差成正比，即：2112()i i g z z −=− （10）式中，2i 、1i ：分别为风流在始点与终点时的焓值/Kj Kg ； g ：重力加速度；1z 、2z ：风流在始点与终点状态下的标高m ；对于理想气体：i p d c dt =，即：2121()p i i c t t −=−故，21120.00976()t t z z −=− （11）式中，p c ：空气定压比热容/Kj Kg K ⋅；2t 、1t ：分别为风流在始点及终点时干球温度oC ； 从上述理论分析可以看出，空气压缩所引起温升只与两点标高有关，即：风流在自压缩状态下温升为0.976/100o C m 。

但实际上，风流在自压缩过程中与风筒岩壁及渗出水发生热湿交换，实际温升没有理论值那么大，试验研究表明：气流温升约0.4～0.5o C /100m 。

2.2.4 矿物氧化放热在含硫量很高的金属矿山中，由于矿石含有大量硫化物，在开采过程中与空气接触发生氧化放热反应，聚集热量，产生高温。

当矿石中含有黄铁矿、磁硫铁矿等易被氧化的硫化物矿物时，易造成矿物氧化热害。

根据测定，黄铁矿氧化时，每吸收13cm 的氧，会产生14.65—18j 热量。

磁矿石的氧化生成热是一个相当复杂的问题，据谢尔班研究： /3600o B P t q s G C =⋅⋅⋅氧化 （12）式中，t 氧化：由于矿石氧化导致的空气温升o C ； s ：矿石暴露面积2m ； o q ：单位暴露面积矿石氧化时放出的热量KW ； B G ：流经设备的风量3/m s ； P C ：空气的定压比热容/Kj Kg K ⋅；2.2.5 矿物运输放热运输中矿物放热，实际上是围岩散热的另一种形式，矿物运输放热量可依下式进行计算： Q mc t =∆ （13）式中，Q ：运输中矿物的放热量KW ； m ：矿物的运输量/Kg s ；c ：运输矿物的比热容/Kj Kg K ⋅； t ∆：运输始、终点矿物的平均温差o C ；2.3 其他热源除了上述热源外，在井下生产过程中，提升机械、机电设备、采掘机械、运输设备、通风设备、排水设备等运行时，会将部分电能或机械能转化为热能使井下空气温度升高。