深井降温将地热变害为宝

  随着开采深度的不断加大，我国大部分煤矿已进入深部开采状态。深部高温热害不仅影响围岩力学性质，还严重威胁矿井安全生产，高温环境也容易使井下作业人员产生高温中暑，并诱发其他疾病。同时，正如“瓦斯杀手”亦是宝贵的资源一样，矿井地热也能变废为宝。

  那么，怎样对高温矿井进行热害治理?矿井地热能否实现科学利用?为此，本报记者采访了中国科学院院士、中国矿业大学(北京)深部国家重点实验室主任何满潮教授。

  深井热害猛于虎

  深部高温热害，是深部矿井普遍面临的灾害。20世纪50-60年代，国内外一些深部矿井己显现出较严重的热害问题，到了20世纪70年代，矿井热害更加突出，有从局部现象发展成普遍现象的趋势。

  何满潮院士向记者介绍，随着开采深度的不断增加，原岩温度不断升高，开采与掘进工作面的高温热害日益严重，工作面温度达34-36℃，相对湿度也达95%以上。矿井下这种高温高湿化境不仅影响围岩力学性质，造成支护困难，还使井下作业人员体能下降，易高温中暑，并使其伴生皮肤病，甚至诱发神经中枢系统失调，会大大降低矿工的防护能力。同时，深部高温环境还会进一步诱发岩体高温软化和吸附瓦斯溢出，严重影响深部煤矿的生产安全。

  记者也从多个矿区了解到，矿工因中暑热晕时有发生，更有甚者会因抢救无效而失去生命。

  我国《煤矿安全规程》规定：生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26℃，机电设备硐室的空气温度不得超过30℃;采掘工作面的空气温度超过30℃、机电设备硐室的空气温度超过34℃时，必须停止作业。因此，深井热害也严重影响我国深部能源开采。

  何满潮院士长期常和矿工打交道，不少矿工所处的工作环境非常恶劣，深知矿工的不易，从那时起，何满潮院士就开始对深井降温技术进行思考。2006年，何满潮院士带领课题组开始对山东、江苏、河南和安徽部分煤矿进行热害调研，发现有40个煤矿工作面高温热害问题很普遍。

  改善矿工工作环境，治理深井热害非常必要。

  切合本土实际的降温系统

  我国早在20世纪50年代初，开始进行矿井降温系统研究，但一直以来基本上是引进德国和南非等国外制冷机组，价格高，能耗大，运行费用也很高。

  一般而言，矿井降温技术可分为非人工降温和人工制冷降温技术两大类。非人工降温技术中应用较多的是加大通风量起到降温效果，但降温能力小;人工制冷降温分为水冷却和冰冷却，水冷却也就是空调系统的使用，但置换出的热量无法排出，能耗高且降温效果不明显，冰冷却也存在输并管道机械设计和管道堵塞问题，且不能有效除湿。

  因此，治理深井热害，要结合目前我国的实际情况进行研究。何满潮院士原创性地提出以矿井水为冷源进行深井降温构想，利用已有的排水系统，通过提取矿井涌水中的冷能，把工作面空气中的热量置换出来，再通过泵站排出地表，用全风模式来提高降温和除湿效果。

  经过多次试验和不断研究，何满潮院士带领的团队提出的“深部煤矿高温热害治理技术及其装备系统”，在数个采煤掘进工作面和地面热能利用工程中取得很好的应用效果。

  记者进一步从徐矿集团夹河矿了解到，结合夹河矿深井降温工程，何满潮院士带领的团队与徐矿集团共同建立了国内第一个控制深井热害的深部科学与工程实验室，模拟深部复杂的工程条件。经过多年系统运行结果表明，工作面温度降低了4~6℃，最高温度成功控制在28~29℃以内，相对湿度也降低了5%-10%，保障了井下煤矿工人身体健康的同时，大大提高了工作面安全生产效率，经济和社会效益显着。

  此外，该技术单个工作面投资只需2000万元，低于现有降温技术投资，特别是运行成本远远低于现有降温技术。国际岩石力学学会原副主席Luis Sousa教授与加拿大岩石力学学会原主席Ferri Hassani教授在对徐州矿区深部降温工程考察后，称赞“该项目技术具有原创性和独特性，经济实用”。

  用天然能量治天然危害

  与从国外的降温技术用第三方资源作为冷源不同，深部煤矿高温热害治理技术则是就地取材，用矿井涌水作为冷源。

  矿井水是一种在矿井开挖过程中从岩层中涌出的地下水，本来是作为废水排掉的。何满潮院士则是用“天然的能量治理天然的危害”，在矿井涌水排出地表之前，就经过能量提取体系将冷量提出，与工作面高温空气进行换热，从而降低工作面环境温度。

  为使天然的能量更好地治理天然的危害，何满潮院士带领的团队针对实际问题进行一一攻克。制冷工作站与可移动降温工作站常常布置在不同深度，两个水平高差形成的高压，一方面，使设备处于高压危险状态，另一方面，也存在设备材料造价高、冷能耗损和运行困难等问题。该团队通过在两者之间设置压力转换站，以及采用斜巷分段布置和分段循环设计的方法，巧妙地解决了这两个难题。

  此外，煤矿生产工作面经常搬迁，降温设备笨重无法搬迁，会造成巨大浪费，这又怎么办?何满潮院士带领团队进一步研发了深井模块化-可组装-可移动空冷器技术和设备，通过降温模块的组装来控制其所提供的冷量，更有效地满足了现场条件。

  “深部煤矿高温热害治理技术及其装备系统”同时还将提取的热量在井上利用，代替工业厂区的燃煤锅炉，进行建筑货物供暖、洗浴、井口防冻等，热害资源化，真正实现了环保节能。

  为能科学利用地热，进一步实现资源化利用，何满潮院士指出，希望成立“高温矿井热害治理及热能开发利用专业委员会”，以便统一协调和组织全国深井高温热害治理以及资源化利用的学术和技术交流工作。