近年來，隨著我國淺部礦產資源逐漸開采耗盡以及開采技術和開采裝置逐漸增強，礦井開采水平逐漸向深部轉移，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)達國家，向地球深部進軍是我國戰(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[3]

高地應力、高地溫、高巖溶水壓是深部礦井開采的典型賦存環(huán)境，高溫熱害問題是礦井深部開采面臨的重要難題[4]

據統(tǒng)計，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 ℃，羅河鐵礦西部則達到42 ℃[6]

目前，采掘工作面風流溫度超過30 ℃的礦井已經超過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，各種礦井熱害治理方法先后被提出

通風降溫是最早、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，各種機械制冷降溫方法相繼被學者們提出

CHEN等[10]提出以空氣作為制冷介質進行壓縮制冷

孫?？萚11]、郭平業(yè)等[12]設計了以水作為制冷介質的制冷系統(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，但其運行成本普遍較高且設備體積龐大

一些非機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、個體防護服降溫、煤層注水預降溫、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，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需求，也是促進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系統(tǒng)進行精準控溫來改善降溫效果，降低熱害治理成本

深部礦井地熱雖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)同地熱能開采的構想，在對深部礦井地熱進行開采利用的同時，有效治理礦井熱害

1熱害產生原因及危害高溫熱害問題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，導致深部礦井井下工作環(huán)境惡劣，這不僅會降低設備工作性能，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，同時容易引發(fā)生產事故

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，常溫風流與高溫圍巖進行熱交換而溫度升高；2) 空氣自壓縮放熱

空氣由地面經井筒進入地下在自身重力的作用下經摩擦轉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) 機電電動設備放熱；4) 礦物氧化放熱

巖層采動產生裂隙，礦物與氧氣發(fā)生氧化反應產生熱量；5) 礦井地熱水放熱

在大地熱流場的作用下地表深層的地下水被加熱形成高溫礦井熱水，礦井熱水通過直接加熱風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、風流自壓縮放熱、礦物氧化放熱和礦井地熱水放熱都會顯著增加，使礦井熱害更加嚴重，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)點空氣的溫度不得超過28 ℃，超過時，應該采取降溫措施或其他防護措施”

工作面高溫環(huán)境會給工人的健康、勞動生產率、設備的安全運行、生產效率等帶來嚴重影響

人體生理方面，人處于高溫環(huán)境下會產生一系列生理功能的改變，人的血液循環(huán)、消化、神經等系統(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節(jié)維持各種生理參數正常，但當環(huán)境對人體造成的負荷超過人體調節(jié)限度時，人的肌體和生理組織會受到損傷，身體溫度調節(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，腎臟和心臟的負擔增加

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、人的中樞神經系統(tǒng)失調等一系列后果

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，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防點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、反應略為遲鈍，容易增加事故率[22]

南非金礦的調查統(tǒng)計資料顯示，礦井空氣溫度為28 ℃時，工作效率最高，當溫度升高時工作效率逐漸降低

此外，高溫環(huán)境也會嚴重影響機械的運行，降低運行效率，縮短工作壽命

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

根據國外南非深部礦井統(tǒng)計數據發(fā)現(xiàn)，當作業(yè)面上的溫度超過29 ℃時，人員傷亡的事故率將增加，見表1[23]

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

另外，高溫環(huán)境還會導致機械事故率上升

以機電設備為例，井下機電設備的事故率以溫度30 ℃為標準，每超過1 ℃，設備的故障將增加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峻的熱害問題，傳統(tǒng)制冷降溫方法在應用于深部礦井熱害治理時降溫效果顯著降低、運行成本也大幅度上升

因此針對深部礦井的熱害治理技術有待進一步的改進和發(fā)展

隨著信息技術時代的到來，礦山開采逐漸朝著信息化、智能化的方向發(fā)展，礦井熱害治理技術有望通過利用信息化和智能化技術得到突破[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，一類為非機械制冷降溫方法，包括通風降溫、隔熱疏導、控制熱源、個體防護等；另一類為機械制冷方法，為利用不同的制冷介質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

非機械降溫屬于主動降溫方法，一般投資和運行成本相比于機械制冷方式在短期內少，但需要進行長期部署

非機械制冷方法主要有：1) 優(yōu)化礦井開拓方式

縮短礦井通風路線，減少風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)化通風系統(tǒng)增大通風量

避開井下高溫區(qū)域，利用低溫巖層預冷通風風流[26]

但是它增加了通風系統(tǒng)復雜程度，調溫巷道不易具備，前期準備工作量大

3) 利用隔熱材料減少圍巖熱量的釋放[27]

該方法只能在短時間內起到降溫效果，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行噴灑等方式進行降溫

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荷、需要間斷性補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/蓄冷介質的復合材料，通過其相變吸熱降低井下熱量

它對添加材料的要求較嚴格，容易造成井下環(huán)境污染[15]

7) 還有通過抽采或疏導地下熱水的方式減少地下熱水向巷道內散熱

機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器與設備

根據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)點在于輸冷管線較短，輸送壓力小，減少了冷質輸送過程中的冷量損失以及管路維護費用，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)點在于主要設備在地面，便于設備維護，但對于深部礦井，其長輸送管線導致冷量損失大、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)則通過減小冷質輸送距離減少冷量損失，但是可移動制冷設備受地下空間的限制，其設備較小，制冷量有限，同時也存在冷凝熱排放困難的問題

機械制冷方法根據制冷介質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]

缺點在于冷水輸送過程中冷量損失大，長期運行會后產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熱器進行換熱[34]

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

4) 熱管降溫除濕技術，利用相變介質快速傳熱的特點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，實現(xiàn)對井下風流降溫除濕的作用[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)輸送制冷介質對工作面進行持續(xù)降溫，在制冷介質換熱升溫后輸送至地面對其進行熱能提取與回收，實現(xiàn)制冷介質循環(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，管線維護困難，冷量損失大，易發(fā)生管路泄露危險

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

其中，非機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

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

而對于深部高溫礦井熱害治理時，傳統(tǒng)的熱害治理方法應用將面臨成本高、冷量利用率低、維護困難、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，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，由于高溫圍巖、空氣自壓縮、礦井地熱水等不斷地釋放大量熱量，傳統(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，利用被動的機械制冷降溫過程中，由于圍巖放熱量大、風流初始溫度高，冷質在輸送過程中冷量損失大導致井下降溫效率低、降溫效果不佳，此外制冷設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，實施“節(jié)源開流”的治理方針

針對深部礦井熱害特征，主要應從以下幾個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械降溫措施進行熱害治理，則只能起到“治標不治本”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鍵

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

當礦井存在高溫地下水時，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流也是重要的熱源

在這些熱源中，設備放熱和空氣自壓縮放熱是無法避免的

因此，控制深部高溫熱源的重點是降低圍巖溫度、減小地下熱水對風流的加熱加濕作用

圖1深井內各熱源熱量貢獻率



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

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

降低圍巖和地熱水放熱的方法包括：a) 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流與圍巖換熱強度較大的區(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流的加熱加濕作用；b) 利用井筒換熱技術調節(jié)進風井中風流溫度

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

在對圍巖和風流降溫的同時，換取巖石中的熱量；c) 將高溫地下裂隙水引導至蓄熱池，減少地熱水向巷道散熱，同時收集礦井地熱水用于采選礦物；d) 向礦層內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行地熱開采，在提取地熱的同時能有效阻止底部巖層向井巷圍巖導熱

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) 改進機械制冷系統(tǒng)

高性能的機械制冷系統(tǒng)是深部高溫礦井熱害治理的關鍵

機械制冷是深部礦井熱害治理時不可缺少的降溫方式，尤其對于初始巖溫較高的掘進巷道

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

因此深井高溫熱害治理需尋找更加理想的制冷介質提高制冷量

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

制冷設備體積龐大，散熱量高，占據井下大量的空間

同時隨著開采過程中采區(qū)的變動，井下輸送冷量管路需經常進行調整

因此，縮小制冷設備的體積，形成可移動式小型制冷設備，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) 使用個體防護服

在高熱、高濕的惡劣礦井環(huán)境下，使用個體降溫防護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初期以及制冷系統(tǒng)尚未建成時

因此，個體防護服是深部高溫礦井熱害治理的重要保障

目前的個體降溫防護服主要包括氣冷式、液冷式和相變材料三種

但是目前的這些個體防護服存在衣服笨重、臃腫、續(xù)航能力差等不同的缺陷，導致使用者活動不便、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和強迫通風的方式帶走身體的熱量，雖然其質量輕，但是降溫效率低、溫度調節(jié)范圍小

液冷式主要是利用水等介質在降溫服內布置的管路中流動降低服裝內的溫度，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

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吸熱降溫，其較為便捷，但是存在降溫時間短、舒適性差等問題

此外，現(xiàn)有防護服均無法精確的調節(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、制冷能力高、舒適的新型個體防護服亟待研發(fā)

2.3智能礦井通風礦井通風是最普遍、經濟的降溫方法，也是井下必備的生產需要

在深部礦井中，長通風路線、高圍巖溫度，使得風量調節(jié)與分配對礦井熱害的影響更為密切，另外通風系統(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系統(tǒng)控制礦井熱害

智能礦井通風系統(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

智能礦井通風系統(tǒng)監(jiān)測獲取礦井人員、設備和環(huán)境信息后，按需分配風量進行通風網絡解算，優(yōu)化通風網絡，并采取自動風窗調節(jié)和風機調控等措施進行快速、精準和有針對性的風量調節(jié)，從而改善井下工作環(huán)境、提高人員舒適度

智能礦井通風系統(tǒng)在通風網絡優(yōu)化過程中將風流與井巷的動態(tài)熱交換考慮在內，盡量減小井巷與風流之間的換熱，選擇最佳通風線路來減少風流輸送過程中的升溫，增強工作面通風降溫效果

智能通風系統(tǒng)根據人員、環(huán)境等信息自動調節(jié)通風系統(tǒng)，在檢測到工作區(qū)人員或設備溫度過高時，系統(tǒng)自動調節(jié)通風量控制工作區(qū)溫度

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

圖3溫度調節(jié)智能礦井通風系統(tǒng)



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

為改善降溫效果、提高冷量利用率，智能礦井通風系統(tǒng)的溫控調節(jié)將不以整體工作區(qū)域溫度為控制目標，而是對某個具體目標物(人或設備)進行精準控溫，從而縮小降溫空間

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

另外，智能礦井通風系統(tǒng)根據采集到的目標物體溫度等信息實時調節(jié)通風風量、制冷功率、風流溫度等系統(tǒng)參數，使目標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

精準控溫能有效減少制冷量，降低熱害治理成本，解決井下降溫費用昂貴等問題

3礦產與地熱能協(xié)同共采3.1礦產地熱能協(xié)同開采的價值地熱雖然會引起礦井開采過程中的熱害問題，但它也是礦產開采過程中的伴生資源

在礦井熱害治理時，若對熱能加以利用則將是“變害為利、變廢為寶”的重要舉措

礦產地熱能協(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”建設生產要求，同時能創(chuàng)造經濟價值[8]

地熱資源根據溫度可以分為五個等級，如表3所示

礦井地熱資源屬于水熱型地熱能，屬于低品位能源

礦井地熱能可用于洗浴、農業(yè)、采暖等多個方面，還可以通過熱泵技術進一步轉化為高品位熱能進行利用

國家《地熱能開發(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》均提出了推進礦井熱能利用項目的建設

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《關于加快淺層地熱能開發(fā)利用促進北方采暖地區(qū)燃煤減量替代的通知》，要求對地熱資源因地制宜開發(fā)利用

國家大力支持和發(fā)展地熱供暖，相關政策建議的出臺為地熱供暖的規(guī)模化開發(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向來看，礦井地熱發(fā)展空間巨大

表3地熱資源溫度分級表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，地熱資源作為綠色和可再生能源被各國政府所青睞，地熱資源的開發(fā)已逐漸成為國內外研究的熱點

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、風險大、技術難度大等一系列難題

而礦井地熱開采具有顯著的技術、資本優(yōu)勢

礦井開采已對礦田地質進行了詳細的勘察、可直接為地熱開采提供地質參考

此外，礦山現(xiàn)有的井巷措施、鉆探設備、開采技術為礦井地熱開采做好了先決條件

礦床開采所開拓的井巷為地熱開采節(jié)省了大量的地熱鉆探成本，礦井具備完善的電力、給水、運輸系統(tǒng)，完善的機械動力設施，為礦井地熱開發(fā)的探測、掘進、管路鋪設等提供完備的保障

礦井地熱不僅可以作為礦產伴生資源進行開采，也可以作為廢棄礦井繼續(xù)運營的生產方式

礦產地熱能協(xié)同開采具有十分可觀的經濟價值，它不僅可以開采大量地熱能用于生活、生產，還能緩解礦井熱害，降低礦井熱害治理成本

以淮南礦區(qū)地熱地質特征為例，吳基文等[36]根據勘探發(fā)現(xiàn)淮南礦區(qū)地溫梯度為10.0~40.0 ℃/km，平均地溫梯度達到28 ℃/km；-2000 m水平時最高地溫達到82.36 ℃，平均大地熱流值為65.50 MW/m2

經計算，淮南礦區(qū)熱儲層資源總量為2.32×1016 kJ，按采收率25%計算，可采熱能儲量為2.64×1015 kJ，折合成標準煤約0.9億t

礦井地熱開采所提取的熱能可根據各種用途對供熱品位需求不同對礦井地熱能進行分級梯度利用，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，或經過水質處理后用于洗浴

當這些熱能被初次利用后還具有較高的熱能時，可繼續(xù)用于溫室種植、水產養(yǎng)殖、畜牧、家禽養(yǎng)殖等產業(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熱開采

此外，高地溫礦井的高地熱還有助于礦物的采選，在高地溫環(huán)境下可對礦物進行原地溶浸，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)境井下溶浸可實現(xiàn)礦井固體資源綠色流態(tài)化開采

圖4礦井地熱能分級梯度利用



Fig. 4Gradient utilized of mine geothermal energy3.2礦產地熱能協(xié)同開采方法礦井地熱可以通過開采層蓄熱采熱、巖層采熱以及余熱回收三個方面進行礦產地熱能協(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熱能，還能起到治理礦井熱害的作用

圖5礦產地熱能協(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)進行充填過程時，向充填區(qū)域埋設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，通過熱傳導的方式將熱量傳遞給采熱管使采熱管內的載熱介質溫度上升

當采熱管內的載熱介質溫度達到預設的蓄熱溫度后，將載熱介質輸送至采熱設備進行熱能提取與利用

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，以開采層為基礎向巖層下方探測熱流密度大的聚熱區(qū)域

在探明高溫地熱儲存區(qū)域后，以采礦地層巷道為基礎向開采層較近的高溫地熱區(qū)首先掘進直徑較小的換熱通道

通過向換熱巷道內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熱水

當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，開采層巷道內的熱害能夠得到有效的緩解

當換熱通道附近巖石溫度下降導致?lián)Q熱通道內的熱量提取過低時，可繼續(xù)向巖層下方掘進新的換熱通道獲取更高的熱源，增加采熱強度

3) 余熱提取

礦井內主要的余熱有回風余熱以及機械余熱

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

尤其高溫礦井回風井中風流溫度較高，可通過在回風井內安裝回風余熱利用裝置提取乏風中的熱量

此外，井下各種采掘機械釋放的熱量以及井下制冷降溫后制冷介質內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值模型，模型中左側為直徑5 m的進風豎井，新鮮風流經由進風豎井輸送至井下-900 m水平的1#和2#水平巷道，巷道截面積均為7.5 m2，然后風流經右側直徑為5 m的回風豎井返回至地面

模型中礦井通風量為4710 m3/min，風流初始溫度為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，巖石導熱系數為4 W/(m·K)，質量熱容為1300 J/(kg·K)，密度為2600 kg/m3

換熱管道內持續(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所示為礦井生產第8年時巖層地溫分布，從圖7(a)可以看出進風井中由于新鮮風流溫度低于井筒圍巖初始溫度，井筒圍巖熱量被新鮮風流帶走，井筒圍巖溫度顯著降低

而回風井頂端處回風風流溫度高于井筒圍巖溫度，在回風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，同時阻止了深部高溫巖體向巷道圍巖傳熱

圖7礦井生產8年后巖層地溫分布



Fig. 7Temperature distribution of geothermal reservoir after heat production for 8 a礦井巷道內的風流溫度隨礦井生產年限變化如圖8所示

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

礦井生產第2年時，2#巷道回風側風流溫度比進風側高6.4 ℃

隨著通風時間的增加，巷道圍巖溫度逐漸降低，巷道內風流升溫幅度逐漸減小，在第5年時回風側與進風側風流溫差減小至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時間降溫更快，因此1#巷道內風流溫度明顯低于2#巷道

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

圖8巷道內風流溫度變化特征



Fig . 8Airflow temperature distribution along roadway4結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

礦井地熱雖然會造成熱害，但它也是一種寶貴的熱能

礦產地熱能協(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、礦井地熱水放熱、風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峻的高溫熱害問題

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

礦井熱害的關注不僅是深部開采的技術需要，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上，聯(lián)合機械制冷方式進行局部降溫

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)一體的礦井通風系統(tǒng)來智能調控礦井通風，通過快速調節(jié)局部風流，提高冷量利用率，緩解礦井熱害

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

3) 論文提出礦產地熱能協(xié)同開采的設想，礦井地熱開采不僅能帶來巨大的經濟效益，同時也起到治理礦井熱害的作用

礦產地熱能協(xié)同開采可從開采層蓄熱采熱、巖層采熱和余熱提取三個方面進行地熱能開采

獲取的地熱能可分梯度用于洗浴、建筑物供暖、溫室種植、水產養(yǎng)殖等多個方面

通過數值模擬表明，巷道圍巖采熱使巷道內風流溫度快速降低，能夠有效治理礦井熱害

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