一种利用采空区及废旧巷道地温预热矿井进风的方法
阅读：1020发布：2020-06-30
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1.一种利用采空区及废旧巷道地温预热矿井进风的方法，包括统计用于预热的废旧巷道及采空区有效总预热面积，计算采空区及废旧巷道预热空气总量，设计地温预热系统实施方案，其特征在于：
所述统计用于预热的废旧巷道及采空区有效总预热面积，具体包括以下步骤:
矿山用于预热的废旧巷道及采空区有效总预热面积S总为采空区有效预热面积S′和废旧巷道岩壁暴露面积S″之和，即S总＝S′+S″，两部份分别统计；
(1)采空区有效预热面积按下式计算：
S′＝K1K2 S
式中：S′—采空区有效预热面积，m2；
K1—采空区预热面积接触采场间未开采围岩或夹石形成的夹墙对预热的影响系数，K1根据开采围岩或夹石形成的夹墙的面积占地表采坑或塌陷区贯通的没有垮塌的采空区的岩壁面积的比例确定；
K2—各采空区实际进风量与其暴露岩壁预热面积调节不均衡对预热的影响系数，K2根据由各采空区岩壁面积大小按线性关系计算分配的风量与其实际进风量的偏差程度来估算；
S—与地表采坑或塌陷区贯通的没有垮塌的采空区的岩壁面积，m2；
(2)废旧巷道暴露岩壁有效预热面积为S″；
矿山可利用的废旧巷道包括没有垮塌的沿脉巷道和穿脉巷道，废旧巷道暴露岩壁有效预热面积计算为废旧巷道的断面周长乘以巷道长度；
所述计算采空区及废旧巷道预热空气总量，包括原岩温度测定、测定结果分析、预热利用采空区平均原岩温度、空气与岩体热交换分析；
所述原岩温度测定，具体包括以下步骤：
(1)测温探头选择：选用以热电偶作为测温元件的温度记录仪；
(2)测定方法选择：选择深孔测温法在各中段巷道水平布置围岩温度观测点，选取钻孔深度为20～30m，在深孔中安装温度传感器，并将各个传感器并联到相应的数字显示表，以测试不同围岩深度的温度值；
(3)测孔布置方案：为了保证测定结果的可靠性，选取原岩温度测定点应遵循测孔布置方案；
所述测定结果分析，具体包括以下步骤：
矿山原岩温度测定选择4～8个不同标高的同一地点进行，测定结果需要记录测孔地点、测孔深度、原岩温度、测孔地点的空气温度以及地表温度；通过测定和记录结果计算地温梯度、恒温带深度、预热利用采空区平均原岩温度，并进行岩温分布规律分析；
(1)地温梯度的计算；
随着矿井深度的增加，原岩温度不断增加，近似呈线性关系，将测得的数据代入下式计算出升温带地温梯度：
式中，G—地温梯度，即原岩温度随深度的变化率，℃/m；
ti—距离地面垂直深度Zi处的原岩温度，℃；
ti-1—距离地面垂直深度Zi-1处的原岩温度，℃；
Zi—i点处原岩的深度，m；
Zi-1—i-1点处原岩的深度，m；
(2)恒温带深度的计算；
取恒温带原岩温度等于当地年平均气温，则可由下式计算出恒温带深度：
式中：ti—距离地面垂直深度Zi处的原岩温度，℃；
t0—恒温带处的原岩温度，℃；根据矿山当地年平均气温取值；
Z0—恒温带深度，m；
G—地温梯度，即原岩温度随深度的变化率，℃/m；
(3)岩温分布规律分析
若矿山为露天转地下开采，从而导致露天采坑附近的恒温带位置及恒温带标高相应下移，在分析确定矿山变温带深度、恒温带位置和升温带时，地面标高从采坑坑底标高开始计算；
计算预热利用采空区平均原岩温度，具体包括以下步骤：
矿山预热采空区平均原岩温度计算为设计利用的已结束回采中段标高处测定的岩温相加后取平均值，对于受矿山条件限制无法直接测量原岩温度的地点可按下式计算原岩温度：
ti＝t0+(Zi-Z0)G
式中，ti—距离地面垂直深度Zi处的原岩温度，℃；
t0—恒温带处的原岩温度，℃；
Z0—恒温带深度，m；
Zi—i点处原岩的深度，m；
G—地温梯度，即原岩温度随深度的变化率，℃/m；
预热利用采空区平均原岩温度即为 所述空气与岩体热交换分析，
具体包括以下步骤：
(1)热交换系数的确定；
K值可由如下公式计算：
式中，K—空气与岩体的热交换系数，W/m2·℃；
λ—岩体的导热系数，W/m2·℃；
v—预热巷道中平均风速，m/s；
(2)预热单位风量所需岩壁暴露面积：
预热单位风量所需岩壁暴露面积按如下公式计算：
2
式中，A'—预热单位风量所需岩壁暴露面积，m；
K—空气与岩体的热交换系数，W/m2·℃；
tn—预热利用采空区的平均原岩温度，℃；
tm—冷空气进入预热巷道前的温度，℃；设计取矿山冬季最低温度；
tl—空气预热后的温度，℃；取值应高于2℃；
(3)采空区及废旧巷道预热空气总量：
采空区及废旧巷道预热空气总量按下式计算：
式中，Q—废旧巷道及采空区预热空气总量，m3/s；
S总—废旧巷道及采空区有效总预热面积，m2；
A′—预热单位风量所需岩壁暴露面积，m2；
通过以上计算分析，即得到了矿山设计利用的采空区及废旧巷道理论上能够将矿山最低气温时的空气预热到2℃以上预热空气总量，以此为依据，设计地温预热系统实施方案；
所述设计地温预热系统实施方案，包括地温预热系统通风线路的选择、地温预热系统通风机选择、地温预热系统风量调控、地温预热系统效果评价四个步骤；
所述地温预热系统通风线路的选择，具体包括以下步骤：
地温预热系统通风线路为：地表冷空气→露天采坑或地表塌陷区→采空区→穿脉及沿脉巷道→进风井联巷→通风机→主通风系统；
在地温预热系统实施时，把通风机的安装放在最后一步；这样可以检验地温预热系统靠自然风压进风的进风量Q1能否达到设计预热总风量Q，如若能达到设计预热总风量Q，能够将矿山最低气温时的空气预热到2℃以上则可以不架设或不开启风机；如若不能达到设计预热总风量Q，则需架设通风机，并通过计算空气总量Q和自然风压进风的进风量Q1的差值及矿山的环境来选择通风机的型号；在架设通风机时安装通风机变频装置，根据地表气候、自然风压、生产现状以及采空区的变化来控制通风机的运转频率，以降低通风机能耗；
所述地温预热系统风量调控，采用以下方法：
(1)地温预热系统与矿山生产中段的隔离；
为使地温预热系统与生产中段有效隔离，在人员需要通行的地方用风门隔离，其他所有通道可以采取密闭砖墙隔离；
(2)采空区进入风量调节；
对采空区进风量进行调节，根据各采空区进入风量大小，利用通风构筑物在穿脉巷道中对采空区进行风量调节；首先通过ventsim三维通风动态仿真模拟系统软件进行模拟实验确定合适的通风构筑物建筑地点，然后进行现场施工建筑通风构筑物；
所述地温预热系统效果评价，具体方法如下所示：
地温预热系统实施后进行效果评价，需要测量记录以下数据：进入主通风系统的地温预热空气总量、地温预热后的空气温度、粉尘浓度、有毒有害气体含量、以及地表温度，从而判断地温预热系统是否达到矿山设计利用的采空区及废旧巷道理论上能够将矿山最低气温时的空气预热到2℃以上预热空气总量。
2.根据权利要求1所述的一种利用采空区及废旧巷道地温预热矿井进风的方法，其特征在于：
所述地温预热系统通风机选择，具体包括如下步骤：
第一步：根据选择的通风线路计算地温预热系统线路总阻力ht，可按下式计算：
式中，1.1～1.15—局部阻力系统；
α—井巷摩擦阻力系数，N·s2/m4；
l—通风线路的长度，m；
u—井巷净断面周边长，m；
S—井巷净断面积，m2；
Q—分配给各井巷的风量，m3/s；
第二步：根据通风机安装巷道设计分配的进风量计算通风机的风量，计算时需考虑通风机备用风量；
第三步：根据地温预热系统线路总阻力、反向自然风压、通风机装置阻力计算通风机的风压Hs，可按下式计算：
Hs＝ht+Hn+hr
式中，ht—地温预热系统线路总阻力，Pa；
Hn—自然风压，Pa；
hr—通风机装置阻力，Pa；
第四步：根据以上计算得到所需通风机的风量、风压选择通风机型号，同时计算所需电动机的功率，可按下式计算：
式中：N电—电动机功率，KW；
K—电动机容量备用系数，轴流通风机取1.1～1.2；
η电—电动机效率，η电＝0.9～0.95；
η传—传动效率，直联传动η传＝1；
最后：校核所选通风机的电动机功率是否满足要求。
3.根据权利要求1所述的一种利用采空区及废旧巷道地温预热矿井进风的方法，其特征在于：所述测孔布置方案，具体包括以下几点：
有效利用原有的探矿孔，不宜钻凿新孔，以减少原岩温度测孔的钻凿工程量；
测温孔位置避开水文地质复杂地段，选择在无渗水或渗水量极小的位置；
选择在同一勘探线附近50m内布置测温孔；
测温孔选择远离风流较大的巷道、硐室、采场或者采空区；
测温孔孔深大于该处围岩冷却带的厚度，不小于20m，钻孔水平稍向上倾斜10°以上，孔口距巷道底板高度1.0m；
测温孔孔壁保持完整、平整，便于进行孔内清理。
一种利用采空区及废旧巷道地温预热矿井进风的方法
技术领域
背景技术
[0002] 北方地区冬季严寒，地表冷空气如不经预热而直接进入矿井内，势必会导致进风井筒发生冰冻现象，对提升、运输、安全生产等各方面都是不利的。而采用锅炉预热或电预热的方式，每年都会消耗大量的能源、资金和人力。地温预热是利用地层的调温作用，加热矿井入风风流的技术措施。
[0003] 地温预热原理是随着开采深度的增加，由于越靠近地心，岩石温度会越高。温度随深度的升高用地温梯度进行表述，即深度每增加1m所升高的温度(单位：℃/m)，计算通常从不受任何影响保持温度不变的恒温带开始。若空气与岩体间存在着温度差，便会发生热交换。当空气温度高于岩体温度时，空气向岩体散热，岩体吸收热量使空气温度降低；当空气温度低于岩体温度时，岩体便向空气散热，空气获得热量又使岩体的温度降低。
[0004] 在有大量废旧井巷和采空区的矿山，可充分利用岩体的吸热和散热作用，若能充分合理地利用这些自然资源为矿井通风服务，尤其是对于深部冻害矿井，不仅可以改善井下通风效果、提升通风技术水平，而且可大大地降低通风能耗，是绿色采矿、节能减排的重要内容。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种利用采空区及废旧巷道地温预热矿井进风的方法，该技术充分了利用采空区及废旧巷道中的高温围岩对进风风流进行自然升温，达到了改善深部通风效果，节能降耗的目的；解决了北方冬季进风井筒发生冰冻的问题，对提升、运输、安全生产等各方面具有很好的作用。
[0006] 本发明通过下面的技术方案加以实现：
[0007] 一种利用采空区及废旧巷道地温预热矿井进风的方法，包括统计用于预热的废旧巷道及采空区有效总预热面积，计算采空区及废旧巷道预热空气总量，设计地温预热系统实施方案，其特征在于：
[0008] 所述统计用于预热的废旧巷道及采空区有效总预热面积，具体包括以下步骤:
[0009] 矿山用于预热的废旧巷道及采空区有效总预热面积S总为采空区有效预热面积S′和废旧巷道岩壁暴露面积S″之和，即S总＝S′+S″，两部份分别统计；
[0010] (1)采空区有效预热面积按下式计算：
[0011] S′＝K1K2S
[0012] 式中：S′—采空区有效预热面积，m2；
[0013] K1—采空区预热面积接触采场间未开采围岩或夹石形成的夹墙对预热的影响系数，K1根据开采围岩或夹石形成的夹墙的面积占地表采坑或塌陷区贯通的没有垮塌的采空区的岩壁面积的比例确定；
[0014] K2—各采空区实际进风量与其暴露岩壁预热面积调节不均衡对预热的影响系数，K2根据由各采空区岩壁面积大小按线性关系计算分配的风量与其实际进风量(此处风量值为系统实施前所测)的偏差程度来估算；
[0015] S—与地表采坑或塌陷区贯通的没有垮塌的采空区的岩壁面积，m2；
[0016] (2)废旧巷道暴露岩壁有效预热面积为S″；
[0017] 矿山可利用的废旧巷道包括没有垮塌的沿脉巷道和穿脉巷道，废旧巷道暴露岩壁有效预热面积计算为废旧巷道的断面周长乘以巷道长度；
[0018] 所述计算采空区及废旧巷道预热空气总量，包括原岩温度测定、测定结果分析、预热利用采空区平均原岩温度、空气与岩体热交换分析；
[0019] 所述原岩温度测定，具体包括以下步骤：
[0021] (2)测定方法选择：选择深孔测温法在各中段巷道水平布置围岩温度观测点，选取钻孔深度为20～30m，在深孔中安装温度传感器，并将各个传感器并联到相应的数字显示表，以测试不同围岩深度的温度值；
[0022] (3)测孔布置方案：为了保证测定结果的可靠性，选取原岩温度测定点应遵循测孔布置方案；
[0023] 所述测定结果分析，具体包括以下步骤：
[0024] 矿山原岩温度测定选择4～8个不同标高的同一地点进行，测定结果需要记录测孔地点、测孔深度、原岩温度、测孔地点的空气温度以及地表温度；通过测定和记录结果计算地温梯度、恒温带深度、预热利用采空区平均原岩温度，并进行岩温分布规律分析；
[0025] (1)地温梯度的计算；
[0026] 随着矿井深度的增加，原岩温度不断增加，近似呈线性关系，将测得的数据代入下式计算出升温带地温梯度：
[0027]
[0028] 式中，G—地温梯度，即原岩温度随深度的变化率，℃/m；
[0029] ti—距离地面垂直深度Zi处的原岩温度，℃；
[0030] ti-1—距离地面垂直深度Zi-1处的原岩温度，℃；
[0031] Zi—i点处原岩的深度，m；
[0032] Zi-1—i-1点处原岩的深度，m；
[0033] (2)恒温带深度的计算；
[0034] 由于恒温带的原岩温度近似等于当地年平均气温，取恒温带原岩温度等于当地年平均气温，则可由下式计算出恒温带深度：
[0035]
[0036] 式中：ti—距离地面垂直深度Zi处的原岩温度，℃；
[0037] t0—恒温带处的原岩温度，℃；根据矿山当地年平均气温取值；
[0038] Z0—恒温带深度，m；
[0039] G—地温梯度，即原岩温度随深度的变化率，℃/m；
[0040] (3)岩温分布规律分析
[0041] 若矿山为露天转地下开采，从而导致露天采坑附近的恒温带位置及恒温带标高相应下移，在分析确定矿山变温带深度、恒温带位置和升温带时，地面标高应从采坑坑底标高开始计算；
[0042] 计算预热利用采空区平均原岩温度，具体包括以下步骤：
[0043] 矿山预热采空区平均原岩温度计算为设计利用的已结束回采中段标高处测定的岩温相加后取平均值，对于受矿山条件限制无法直接测量原岩温度的地点可按下式计算原岩温度：
[0044] ti＝t0+(Zi-Z0)G
[0045] 式中，ti—距离地面垂直深度Zi处的原岩温度，℃；
[0046] t0—恒温带处的原岩温度，℃；
[0047] Z0—恒温带深度，m；
[0048] Zi—i点处原岩的深度，m；
[0049] G—地温梯度，即原岩温度随深度的变化率，℃/m；
[0050] 预热利用采空区平均原岩温度即为
[0051] 所述空气与岩体热交换分析，具体包括以下步骤：
[0052] (1)热交换系数的确定；
[0053] 岩体与空气热交换系数K反映了岩体内热传导和岩壁散热两个综合过程，从预热入风流的应用角度来看，可把冬季最冷时刻的热交换系数做为预热巷道设计计算的基础，即以冬季地表气温最低时，使冷空气通过采空区及废旧巷道预热后达到2℃以上的巷道暴露面积来计算热交换系数K，K值可由如下公式计算：
[0054]
[0055] 式中，K—空气与岩体的热交换系数，W/m2·℃；
[0056] λ—岩体的导热系数，W/m2·℃；
[0057] v—预热巷道中平均风速，m/s；
[0058] (2)预热单位风量所需岩壁暴露面积：
[0059] 预热单位风量所需岩壁暴露面积按如下公式计算：
[0060]
[0061] 式中，A'—预热单位风量所需岩壁暴露面积，m2；
[0062] K—空气与岩体的热交换系数，W/m2·℃；
[0063] tn—预热利用采空区的平均原岩温度，℃；
[0064] tm—冷空气进入预热巷道前的温度，℃；设计取矿山冬季最低温度；
[0065] tl—空气预热后的温度，℃；取值应高于2℃，(《金属非金属矿山安全规程》要求，进风巷的空气温度应高于2℃)
[0066] (3)采空区及废旧巷道预热空气总量：
[0067] 矿山设计利用的采空区及废旧巷道预热空气总量按下式计算：
[0068]
[0069] 式中，Q—废旧巷道及采空区预热空气总量，m3/s；
[0070] S总—废旧巷道及采空区有效总预热面积，m2；
[0071] A′—预热单位风量所需岩壁暴露面积，m2；
[0072] 通过以上计算分析，即得到了矿山设计利用的采空区及废旧巷道理论上能够将矿山最低气温时的空气预热到2℃以上预热空气总量，以此为依据，设计地温预热系统实施方案；
[0073] 设计所述地温预热系统实施方案，包括地温预热系统通风线路的选择、地温预热系统通风机选择、地温预热系统风量调控、地温预热系统效果评价四个步骤；
[0074] 所述地温预热系统通风线路的选择，具体包括以下步骤：
[0075] 地温预热系统通风线路为：地表冷空气→露天采坑或地表塌陷区→采空区→穿脉及沿脉巷道→进风井联巷→通风机→主通风系统；
[0076] 在地温预热系统实施时，把通风机的安装放在最后一步；这样可以检验地温预热系统靠自然风压进风的进风量Q1能否达到设计预热总风量Q，如若能达到设计预热总风量Q，能够将矿山最低气温时的空气预热到2℃以上则可以不架设或不开启通风机；如若不能达到设计预热总风量Q，则需架设通风机，并通过计算空气总量Q和自然风压进风的进风量Q1的差值及矿山的环境来选择通风机的型号；在架设通风机时可安装通风机变频装置，根据地表气候、自然风压、生产现状以及采空区的变化来控制通风机的运转频率，以降低通风机能耗；
[0077] 所述地温预热系统风量调控，采用以下方法：
[0078] (1)地温预热系统与矿山生产中段的隔离；
[0079] 为使地温预热系统与生产中段有效隔离，在人员需要通行的地方用风门隔离，其他所有通道可以采取密闭砖墙隔离；
[0080] (2)采空区进入风量调节；
[0081] 对采空区进风量进行调节，根据各采空区进入风量大小，利用通风构筑物在穿脉巷道中对采空区进行风量调节；首先通过ventsim三维通风动态仿真模拟系统软件(该软件购买于金码软件(北京)有限公司，版本号3.2.1.6，该软件作为在通风领域最为先进的软件系统，所提供的功能包括：三维通风设计、风网解算、通风机选型和通风过程动态模拟，提供通风经济性分析工具，在三维可视化的环境中对通风方法的合理性和经济性进行模拟，在保证通风安全的前提下节约通风成本)进行模拟实验确定合适的通风构筑物建筑地点，然后进行现场施工建筑通风构筑物；
[0082] 所述地温预热系统效果评价，具体方法如下所示：
[0083] 地温预热系统实施后进行效果评价，需要测量记录以下数据：进入主通风系统的地温预热空气总量、地温预热后的空气温度、粉尘浓度、有毒有害气体含量、以及地表温度，从而判断地温预热系统是否达到矿山设计利用的采空区及废旧巷道理论上能够将矿山最低气温时的空气预热到2℃以上预热空气总量。
[0084] 而且，所述地温预热系统通风线路的选择时，需要遵循以下方案：
[0085] 充分利用原有采空区及废旧巷道，不宜新掘预热巷道，以减少地温预热系统井巷工程费用；
[0086] 应尽可能囊括所有可利用的采空区及废旧巷道，最大限度增加地温预热系统的总进风量；
[0087] 规划在通风线路中的巷道围岩应尽可能完好，局部片帮坍塌处必须进行支护，巷道中的落石、杂物等必须清理疏通；
[0088] 通风机的放置地点应尽可能便于工作人员安装、检查、维护。
[0089] 而且，所述地温预热系统通风机选择，具体包括如下步骤：
[0090] 第一步：根据选择的通风线路计算地温预热系统线路总阻力ht，可按下式计算：
[0091]
[0092] 式中，1.1～1.15—局部阻力系统；
[0093] α—井巷摩擦阻力系数，N·s2/m4；
[0094] l—通风线路的长度，m；
[0095] u—井巷净断面周边长，m；
[0096] S—井巷净断面积，m2；
[0097] Q—分配给各井巷的风量，m3/s；
[0098] 第二步：根据通风机安装巷道设计分配的进风量计算通风机的风量，计算时需考虑通风机备用风量；
[0099] 第三步：根据地温预热系统线路总阻力、反向自然风压、通风机装置阻力计算通风机的风压Hs，可按下式计算：
[0100] Hs＝ht+Hn+hr
[0101] 式中，ht—地温预热系统线路总阻力，Pa；
[0102] Hn—自然风压，Pa；
[0103] hr—通风机装置阻力，Pa；
[0104] 第四步：根据以上计算得到所需通风机的风量、风压选择通风机型号，同时计算所需电动机的功率，可按下式计算：
[0105]
[0106] 式中：N电—电动机功率，KW；
[0107] K—电动机容量备用系数，轴流通风机取1.1～1.2；
[0108] η电—电动机效率，η电＝0.9～0.95；
[0109] η传—传动效率，直联传动η传＝1。
[0110] 最后：校核所选通风机的电动机功率是否满足要求。
[0111] 而且，所述测孔布置方案，具体包括以下几点：
[0112] 有效利用原有的探矿孔，不宜钻凿新孔，以减少原岩温度测孔的钻凿工程量；
[0113] 测温孔位置应尽量避开水文地质复杂地段，选择在无渗水或渗水量极小的位置；
[0114] 尽量选择在同一勘探线附近50m内布置测温孔；
[0115] 测温孔应尽量选择远离风流较大的巷道、硐室、采场或者采空区；
[0117] 测温孔孔壁应保持完整、平整，便于进行孔内清理。
[0118] 本发明的积极效果是：
[0119] 1、本发明充分利用浅部采空区和废旧巷道，不需要新掘预热巷道，投资费用少，施工简便，易于管理，并解决了北方冬季进风井筒发生冰冻的问题，对提升、运输、安全生产等各方面具有很好的作用。
[0120] 2、本发明可以减少预热锅炉的运行时间和台数，降低能量消耗和大气污染物排放。
[0121] 3、本发明增多了通风系统的进风线路，有效降低了通风系统的通风阻力，减少主扇电能消耗，具有节能降耗的作用。
[0122] 4、采用本发明地温预热后的空气完全符合《金属非金属矿山安全规程》中关于风源和工作面风质量的规定。
[0123] 5、本发明在安装通风机时可安装通风机变频装置，可根据地表气候、自然风压、生产现状以及采空区的变化来控制通风机的运转频率，降低通风机能耗。
[0124] 6、本发明提供了进行围岩温度测定的方法，通过测得的数据分析出井下岩温的分布规律，得出矿山围岩变温带、恒温带、升温带的位置及其地温梯度，并计算出矿山利用的采空区及废旧巷道理论上能够将矿山最低气温时的空气预热到2℃以上的预热总风量；据此为矿山废旧巷道及采空区地温预热设计提供可靠的基础数据和依据，然后设计地温预热系统实施方案(包括地温预热系统通风线路的选择、地温预热系统通风机选择、地温预热系统风量调控、地温预热系统效果评价)，方法科学合理。
[0125] 7、本发明充分利用矿井自然资源，降低系统能耗。通过调节深部采区进风风路，利用浅部采空区及废旧巷道具有的地温对输向深部采区的低温进风源进行自然升温，与目前矿山普遍采用的依靠锅炉预热、电预热的方式、加大风量提高通风机装机容量的通风升温技术矿井空调升温技术相比，可降低通风机装机容量，大量减少矿井空调升温技术中的制热装备、加热设备负荷，节约通风能耗、热量能耗等。
[0126] 8、本发明具有提高地温预热系统的安全性、稳定性，维持和巩固预热效果的作用。本发明采用自然风压及通风机送风的合作模式来保证入风流的预热效果，而且在各中段风流进行了粉尘及有毒有害气体的浓度测定，保证进风流风源风质，提高地热升温系统的安全性、稳定性、优化升级传统的通风系统管理模式。
附图说明
附图说明
[0127] 图1为获各琦铜矿地温预热系统示意图，图中：1—CuⅤ及Pb-1东采空区；2—勘探线；3—2#副井(井口已封闭)；4—1875平硐；5—1750中段通1810中段盲斜井；6—穿脉巷道；7—密闭墙；8—调节风门。
具体实施方式
[0128] 下面结合实施例，对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
[0129] 下述实施实例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
[0130] 实施例1
[0131] 一种利用采空区及废旧巷道地温预热矿井进风的方法，包括统计用于预热的废旧巷道及采空区有效总预热面积，计算采空区及废旧巷道预热空气总量，设计地温预热系统实施方案，其特征在于：
[0132] 所述统计用于预热的废旧巷道及采空区有效总预热面积，具体包括以下步骤:
[0133] 矿山用于预热的废旧巷道及采空区有效总预热面积S总为采空区有效预热面积S′和废旧巷道岩壁暴露面积S″之和，即S总＝S′+S″，两部份分别统计；
[0134] (1)采空区有效预热面积按下式计算：
[0135] S′＝K1K2S
[0136] 式中：S′—采空区有效预热面积，m2；
[0137] K1—采空区预热面积接触采场间未开采围岩或夹石形成的夹墙对预热的影响系数，K1根据开采围岩或夹石形成的夹墙的面积占地表采坑或塌陷区贯通的没有垮塌的采空区的岩壁面积的比例确定；
[0138] K2—各采空区实际进风量与其暴露岩壁预热面积调节不均衡对预热的影响系数，K2根据由各采空区岩壁面积大小按线性关系计算分配的风量与其实际进风量(此处风量值为系统实施前所测)的偏差程度来估算；
[0139] S—与地表采坑或塌陷区贯通的没有垮塌的采空区的岩壁面积，m2；
[0140] (2)废旧巷道暴露岩壁有效预热面积为S″；
[0141] 矿山可利用的废旧巷道包括没有垮塌的沿脉巷道和穿脉巷道，废旧巷道暴露岩壁有效预热面积计算为废旧巷道的断面周长乘以巷道长度；
[0142] 所述计算采空区及废旧巷道预热空气总量，包括原岩温度测定、测定结果分析、预热利用采空区平均原岩温度、空气与岩体热交换分析；
[0143] 所述原岩温度测定，具体包括以下步骤：
[0144] (1)测温探头选择：选用以热电偶作为测温元件的温度记录仪；
[0145] (2)测定方法选择：选择深孔测温法在各中段巷道水平布置围岩温度观测点，选取钻孔深度为20～30m，在深孔中安装温度传感器，并将各个传感器并联到相应的数字显示表，以测试不同围岩深度的温度值；
[0146] (3)测孔布置方案：为了保证测定结果的可靠性，选取原岩温度测定点应遵循测孔布置方案；
[0147] 所述测定结果分析，具体包括以下步骤：
[0148] 矿山原岩温度测定选择4～8个不同标高的同一地点进行，测定结果需要记录测孔地点、测孔深度、原岩温度、测孔地点的空气温度以及地表温度；通过测定和记录结果计算地温梯度、恒温带深度、预热利用采空区平均原岩温度，并进行岩温分布规律分析；
[0149] (1)地温梯度的计算；
[0150] 随着矿井深度的增加，原岩温度不断增加，近似呈线性关系，将测得的数据代入下式计算出升温带地温梯度：
[0151]
[0152] 式中，G—地温梯度，即原岩温度随深度的变化率，℃/m；
[0153] ti—距离地面垂直深度Zi处的原岩温度，℃；
[0154] ti-1—距离地面垂直深度Zi-1处的原岩温度，℃；
[0155] Zi—i点处原岩的深度，m；
[0156] Zi-1—i-1点处原岩的深度，m；
[0157] (2)恒温带深度的计算；
[0158] 由于恒温带的原岩温度近似等于当地年平均气温，取恒温带原岩温度等于当地年平均气温，则可由下式计算出恒温带深度：
[0159]
[0160] 式中：ti—距离地面垂直深度Zi处的原岩温度，℃；
[0161] t0—恒温带处的原岩温度，℃；根据矿山当地年平均气温取值；
[0162] Z0—恒温带深度，m；
[0163] G—地温梯度，即原岩温度随深度的变化率，℃/m；
[0164] (3)岩温分布规律分析
[0165] 若矿山为露天转地下开采，从而导致露天采坑附近的恒温带位置及恒温带标高相应下移，在分析确定矿山变温带深度、恒温带位置和升温带时，地面标高应从采坑坑底标高开始计算；
[0166] 计算预热利用采空区平均原岩温度，具体包括以下步骤：
[0167] 矿山预热采空区平均原岩温度计算为设计利用的已结束回采中段标高处测定的岩温相加后取平均值，对于受矿山条件限制无法直接测量原岩温度的地点可按下式计算原岩温度：
[0168] ti＝t0+(Zi-Z0)G
[0169] 式中，ti—距离地面垂直深度Zi处的原岩温度，℃；
[0170] t0—恒温带处的原岩温度，℃；
[0171] Z0—恒温带深度，m；
[0172] Zi—i点处原岩的深度，m；
[0173] G—地温梯度，即原岩温度随深度的变化率，℃/m；
[0174] 预热利用采空区平均原岩温度即为
[0175] 所述空气与岩体热交换分析，具体包括以下步骤：
[0176] (1)热交换系数的确定；
[0177] 岩体与空气热交换系数K反映了岩体内热传导和岩壁散热两个综合过程，从预热入风流的应用角度来看，可把冬季最冷时刻的热交换系数做为预热巷道设计计算的基础，即以冬季地表气温最低时，使冷空气通过采空区及废旧巷道预热后达到2℃以上的巷道暴露面积来计算热交换系数K，K值可由如下公式计算：
[0178]
[0179] 式中，K—空气与岩体的热交换系数，W/m2·℃；
[0180] λ—岩体的导热系数，W/m2·℃；
[0181] v—预热巷道中平均风速，m/s；
[0182] (2)预热单位风量所需岩壁暴露面积：
[0183] 预热单位风量所需岩壁暴露面积按如下公式计算：
[0184]
[0185] 式中，A'—预热单位风量所需岩壁暴露面积，m2；
[0186] K—空气与岩体的热交换系数，W/m2·℃；
[0187] tn—预热利用采空区的平均原岩温度，℃；
[0188] tm—冷空气进入预热巷道前的温度，℃；设计取矿山冬季最低温度；
[0189] tl—空气预热后的温度，℃；取值应高于2℃，(《金属非金属矿山安全规程》要求，进风巷的空气温度应高于2℃)
[0190] (3)采空区及废旧巷道预热空气总量：
[0191] 矿山设计利用的采空区及废旧巷道预热空气总量按下式计算：
[0192]
[0193] 式中，Q—废旧巷道及采空区预热空气总量，m3/s；
[0194] S总—废旧巷道及采空区有效总预热面积，m2；
[0195] A′—预热单位风量所需岩壁暴露面积，m2；
[0196] 通过以上计算分析，即得到了矿山设计利用的采空区及废旧巷道理论上能够将矿山最低气温时的空气预热到2℃以上预热空气总量，以此为依据，设计地温预热系统实施方案；
[0197] 所述设计地温预热系统实施方案，包括地温预热系统通风线路的选择、地温预热系统通风机选择、地温预热系统风量调控、地温预热系统效果评价四个步骤；
[0198] 所述地温预热系统通风线路的选择，具体包括以下步骤：
[0199] 地温预热系统通风线路为：地表冷空气→露天采坑或地表塌陷区→采空区→穿脉及沿脉巷道→进风井联巷→通风机→主通风系统；
[0200] 在地温预热系统实施时，把通风机的安装放在最后一步；这样可以检验地温预热系统靠自然风压进风的进风量Q1能否达到设计预热总风量Q，如若能达到设计预热总风量Q，能够将矿山最低气温时的空气预热到2℃以上则可以不架设或不开启通风机；如若不能达到设计预热总风量Q，则需架设通风机，并通过计算空气总量Q和自然风压进风的进风量Q1的差值及矿山的环境来选择通风机的型号；在架设通风机时可安装通风机变频装置，根据地表气候、自然风压、生产现状以及采空区的变化来控制通风机的运转频率，以降低通风机能耗；
[0201] 所述地温预热系统风量调控，采用以下方法：
[0202] (1)地温预热系统与矿山生产中段的隔离；
[0203] 为使地温预热系统与生产中段有效隔离，在人员需要通行的地方用风门隔离，其他所有通道可以采取密闭砖墙隔离；
[0204] (2)采空区进入风量调节；
[0205] 对采空区进风量进行调节，根据各采空区进入风量大小，利用通风构筑物在穿脉巷道中对采空区进行风量调节；首先通过ventsim三维通风动态仿真模拟系统软件(该软件购买于金码软件(北京)有限公司，版本号3.2.1.6，该软件作为在通风领域最为先进的软件系统，所提供的功能包括：三维通风设计、风网解算、通风机选型和通风过程动态模拟，提供通风经济性分析工具，在三维可视化的环境中对通风方法的合理性和经济性进行模拟，在保证通风安全的前提下节约通风成本)进行模拟实验确定合适的通风构筑物建筑地点，然后进行现场施工建筑通风构筑物；
[0206] 所述地温预热系统效果评价，具体方法如下所示：
[0207] 地温预热系统实施后进行效果评价，需要测量记录以下数据：进入主通风系统的地温预热空气总量、地温预热后的空气温度、粉尘浓度、有毒有害气体含量、以及地表温度，从而判断地温预热系统是否达到矿山设计利用的采空区及废旧巷道理论上能够将矿山最低气温时的空气预热到2℃以上预热空气总量。
[0208] 本实施例中，所述地温预热系统通风线路的选择时，需要遵循以下方案：
[0209] 充分利用原有采空区及废旧巷道，不宜新掘预热巷道，以减少地温预热系统井巷工程费用；
[0210] 应尽可能囊括所有可利用的采空区及废旧巷道，最大限度增加地温预热系统的总进风量；
[0211] 规划在通风线路中的巷道围岩应尽可能完好，局部片帮坍塌处必须进行支护，巷道中的落石、杂物等必须清理疏通；
[0212] 通风机的放置地点应尽可能便于工作人员安装、检查、维护。
[0213] 本实施例中，所述地温预热系统通风机选择，具体包括如下步骤：
[0214] 第一步：根据选择的通风线路计算地温预热系统线路总阻力ht，可按下式计算：
[0215]
[0216] 式中，1.1～1.15—局部阻力系统；
[0217] α—井巷摩擦阻力系数，N·s2/m4；
[0218] l—通风线路的长度，m；
[0219] u—井巷净断面周边长，m；
[0220] S—井巷净断面积，m2；
[0221] Q—分配给各井巷的风量，m3/s；
[0222] 第二步：根据通风机安装巷道设计分配的进风量计算通风机的风量，计算时需考虑通风机备用风量；
[0223] 第三步：根据地温预热系统线路总阻力、反向自然风压、通风机装置阻力计算通风机的风压Hs，可按下式计算：
[0224] Hs＝ht+Hn+hr
[0225] 式中，ht—地温预热系统线路总阻力，Pa；
[0226] Hn—自然风压，Pa；
[0227] hr—通风机装置阻力，Pa；
[0228] 第四步：根据以上计算得到所需通风机的风量、风压选择通风机型号，同时计算所需电动机的功率，可按下式计算：
[0229]
[0230] 式中：N电—电动机功率，KW；
[0231] K—电动机容量备用系数，轴流通风机取1.1～1.2；
[0232] η电—电动机效率，η电＝0.9～0.95；
[0233] η传—传动效率，直联传动η传＝1。
[0234] 最后：校核所选通风机的电动机功率是否满足要求。
[0235] 本实施例中，所述测孔布置方案，具体包括以下几点：
[0236] 有效利用原有的探矿孔，不宜钻凿新孔，以减少原岩温度测孔的钻凿工程量；
[0237] 测温孔位置应尽量避开水文地质复杂地段，选择在无渗水或渗水量极小的位置；
[0238] 尽量选择在同一勘探线附近50m内布置测温孔；
[0239] 测温孔应尽量选择远离风流较大的巷道、硐室、采场或者采空区；
[0240] 测温孔孔深应大于该处围岩冷却带的厚度，不小于20m，钻孔水平应稍向上倾斜10°以上，便于渗出水的流出，孔口距巷道底板高度1.0m，以方便安装测温设备；
[0241] 测温孔孔壁应保持完整、平整，便于进行孔内清理。
[0242] 实施例2
[0243] 采用本发明方法，在获各琦铜矿进行应用，获各琦铜矿位于内蒙古自治区巴彦淖尔市境内狼山山脉中段北麓，行政区划属内蒙古自治区巴彦淖尔市乌拉特后旗管辖，地理坐标：东经106°39′15″～106°41′15″，北纬41°15′57″～41°17′45″。矿区距赛乌素镇35km，距临河市135km，有公路相同，其中临河到赛乌素镇为柏油路面，赛乌素镇到矿区为水泥路面，交通方便。矿区范围属内蒙古高原地带，地势平缓，海拔高度在1900～2100m，一般高差为30～70m。矿区及附近属干旱地区，年降雨量平均为190mm，年蒸发量为2700mm，附近无河流及其他地表水体。
[0244] 获各琦铜矿是一个以铜为主的特大型矿山，矿床采用主、副竖井与斜坡道联合开拓，矿山采用中央多路进风，东、西两翼风井回风的两翼对角抽出式通风系统，新鲜风流分别由3#进风井、各副井、斜井及斜坡道进入，由于获各琦铜矿地处阴山北麓，冬季严寒漫长，封冻期为十月到来年五月，冬季最低气温可达–39℃。在主扇和自然风压的作用下，冬季大量冷空气由进风井及各副井进入井下，全矿合计12条井筒，且井筒存在滴水，因此各井筒防冻成为冬季安全生产的一项重要工作。为解决进风井冬季防冻问题，矿山设计了锅炉预热系统，每年预热运行费用约为860万元，预热成本高，由于现有预热锅炉能力偏小，预热供风量满足不了冬季极冷条件下生产的需要，为了防止冬季进风井结冰导致井下风、水管路结冻，矿山通常采用控制进风井筒进风量的措施，存在井下供风量不足的风险。
[0245] 获各琦铜矿生产中段已经进入到1750m以下，1750m以上中段已结束回采，并且1810m、1750m两个中段采用浅孔留矿采矿法回采，回采结束后存在大量的采空区及废旧巷道，且采空区与地表露天采坑相连通，同时这两个中段的通风网络都与3#进风井或2#副井贯通，具备利用采空区及废旧巷道进行预热的条件，具体应用过程如下：
[0246] 1、统计用于预热的废旧巷道及采空区有效总预热面积
[0247] 获各琦铜矿冬季进风空气预热可利用的废旧巷道及采空区主要位于1810m和1750m两个中段。采空区预热面积接触原岩部分约占总数的40％，大量的采空区预热面积接触采场间未开采围岩或夹石形成的夹墙；同时，由于各采空区风路风阻不均衡，且难以对采空区进行风量调节，可能使采空区中风流出现分配不均。因此，在充分考虑以上两个对采空区预热效果影响因素的基础上，采空区有效预热面积可按下式计算：
[0248] S′＝K1K2S
[0249] 式中：S′—采空区有效预热面积，m2；
[0250] K1—采空区预热面积接触采场间未开采围岩或夹石形成的夹墙对预热的影响系数，取K1＝0.6；(取K1＝0.6的原因：根据实际测量计算获各琦铜矿已开采围岩或夹石形成的夹墙的面积占地表采坑或塌陷区贯通的没有垮塌的采空区的岩壁面积约为40％，因此，取K1＝0.6)
[0251] K2—各采空区实际进风量与其暴露岩壁预热面积调节不均衡对预热的影响系数；K2根据由各采空区岩壁面积大小按线性关系计算分配的风量与其实际进风量(此处风量值为系统实施前所测)的偏差程度来估算；其估算过程见表1，取偏差比例的均值为0.2，则K2＝1–0.2＝0.8；其中，分配风量按下式计算： 偏差比例为
[0252] S—与地表采坑或塌陷区贯通的没有垮塌的采空区的岩壁面积，m2；统计结果见表2；
[0253] 则采空区有效预热面积S′＝K1K2S＝0.6×0.8×66100＝31728m2。
[0254] 表1采空区进风量调节不均衡对预热的影响系数K2的计算
[0255]
[0256]
[0257] 表2可利用预热采空区面积统计表
[0258]
[0259] 1810m、1750m中段可利用预热废旧巷道暴露面积S″统计情况见表3。
[0260] 总有效预热面积S总为废旧巷道有效预热面积S″与采空区有效预热面积S′之和，即矿山废旧巷道及采空区总有效预热面积为31728+9939＝41667m2。
[0261] 表3可利用预热废旧巷道暴露面积统计表
[0262]
[0263] 2、计算采空区及废旧巷道预热空气总量
[0264] 所述计算采空区及废旧巷道预热空气总量，包括原岩温度测定、测定结果分析、预热利用采空区平均原岩温度、空气与岩体热交换分析；
[0265] 对围岩温度测定的目的是通过测得的数据分析出井下岩温的分布规律，得出矿山围岩变温带、恒温带、升温带的位置及其地温梯度，为矿山废旧巷道及采空区预热设计提供可靠的基础数据和依据，为此需对矿山进行围岩温度测定；
[0266] 所述原岩温度测定，具体包括以下步骤：
[0267] (1)测温探头选择：选用以热电偶作为测温元件的温度记录仪；
[0268] 温度的测量方法可分为接触式测量和非接触式测量两大类，常用的是接触式测量，它是把测温敏感元件和被测介质直接接触，使测温元件与被测介质之间进行充分的热交换达到传热平衡。按照测温元件的不同，接触式测温又可分为：膨胀式温度计、压力式温度计、电阻式温度计和热电偶。膨胀式温度计虽然具有结构简单、读数直观、灵敏度和精度较高、价格便宜及测量范围广等优点，但是容易破碎，对井下地温测量来说，不便于埋在钻孔中，也不便于远距离测量；压力式温度计和电阻式温度计虽然也有很多优点，但成本都较高，且探头不易保护；而热电偶是由两种不同材质的金属丝(如铜和镍铜合金)两端用石墨电极焊接形成的，价格相对便宜且精度较高，且可以深埋于钻孔中。因此，经技术分析，本次围岩温度测定选用热电偶作为测温元件。
[0269] 本次围岩温度测试，使用青岛佳奇电子设备有限公司生产的温度记录仪，温度传感器型号为JQS-1002，记录仪型号为JQA-1069NG，其主要技术参数如表4。温度传感器价格相对便宜且精度较高，可以深埋于钻孔中进行远距离测量。并且在温度传感器探头位置安装保护套，保证测试过程中探头不受损坏。温度传感器长度可长达40～60m，能满足围岩温度现场测定要求。
[0270] 表4温度记录仪参数
[0271]
[0272] (2)测定方法选择：选择深孔测温法在各中段巷道水平布置围岩温度观测点，选取钻孔深度为20～30m，在深孔中安装温度传感器，并将各个传感器并联到相应的数字显示表，以测试不同围岩深度的温度值；
[0273] 围岩温度测试方法分为深孔测温法和浅孔测温法，深孔测温法需要凿钻深孔，施工难度较大，热电阻的保护、送入和封孔较困难，但测试可靠性高，数值准确度高。浅孔测温施工简单，操作简便，但适用于掘进作业面，在新建矿井或新开拓水平使用较多。针对矿山预热地点为老采空区，巷道开掘及采矿后，围岩中的地温场会受到矿井排水、通风等因素的影响，从而在围岩中形成调热圈，调热圈的半径随巷道通风时间的延长而加大。针对矿山实际情况，选择深孔测温法在各中段巷道水平布置围岩温度观测点，选取钻孔深度为20～30m，在深孔中安装温度传感器，并将各个传感器并联到相应的数字显示表中，以测定测温孔中围岩的温度值。
[0274] 深孔测温法就是在井巷中，利用钻机向围岩内打水平测温孔(其深度应大于巷道调热圈的半径)，再将标定好的测温热电偶探头送入孔底，封孔完成后，等待24小时，传热稳定后，测得稳定的温度值即为原岩温度。利用深孔测温时，必须要设法消除或减少矿井排水和通风的影响，合理选择钻孔位置和钻孔深度。钻孔位置应避开地质构造和水文地质复杂地段，选择在岩性较好，不渗水或渗水小的地点，钻孔深度应大于该处围岩调热圈的厚度。
[0275] (3)测孔布置方案：为了便于获取围岩温度纵向变化规律，预测不同深度的地温变化趋势，测点位置选择应尽可能选在同一勘探线位置，同时用部分水平测点作横向对比分析。
[0276] 根据矿山实际情况，1690m中段以上回采已结束，已形成采空区，经过长期的通风，围岩温度已发生较大改变，因此，选择1690m以下各中段进行围岩温度测定。由于矿山探矿钻凿了大量的探矿孔，围岩温度测定时可进行利用，以减少原岩温度测孔的钻凿工程量。为了保证测温结果的可靠性，选取原岩温度测定点应遵循以下方案:
[0277] 1)尽可能利用原有的探矿孔，不宜钻凿新孔，以减少原岩温度测孔的钻凿工程量；
[0278] 2)测温孔应选择无渗水或渗水量极小的探矿孔；
[0279] 3)尽可能选择在同一勘探线附近50m内布置测温孔；
[0280] 4)测温孔应尽量选择远离风流较大的巷道、硐室、采场或者采空区；
[0281] 5)测温孔孔深大于20m，孔径大小根据钻具而定，钻孔水平应稍向上倾斜10°以上，以便于测温孔渗水的流出，孔口距巷道底板高度1.0m，以方便安装测温设备。
[0282] 6)测温孔应保持完整、平整，便于进行孔内清理。
[0283] 矿山1690m中段以上回采已结束，形成的采空区经过长期的通风，围岩温度已发生较大改变，因此选择对1690m、1630m、1570m、1520m、1450m、1390、1330m中段进行原岩温度测定，各中段测孔原岩温度测定结果见表5。
[0284] 表5原岩温度的测定结果统计表
[0285]
[0286]
[0287] 通过测定和记录结果计算地温梯度、恒温带深度、预热利用采空区平均原岩温度；并进行岩温分布规律分析；
[0288] (1)地温梯度的计算；
[0289] 由表5可以看出，随着矿井深度的增加，原岩温度不断增加，近似呈线性关系，可由下式计算出升温带地温梯度：
[0290]
[0291] 式中，G—地温梯度，即原岩温度随深度的变化率，℃/m；
[0292] ti—距离地面垂直深度Zi处的原岩温度，℃；
[0293] ti-1—距离地面垂直深度Zi-1处的原岩温度，℃；
[0294] Zi—i点处原岩的深度，m；
[0295] Zi-1—i-1点处原岩的深度，m。
[0296] 代入数据即可计算得矿山地温梯度为0.0228℃/m。
[0297] (2)恒温带深度的计算：
[0298] 由于恒温带的原岩温度近似等于当地年平均气温，取恒温带原岩温度等于当地年平均气温，则可由下式计算出恒温带深度：
[0299]
[0300] 式中：ti—距离地面垂直深度Zi处的原岩温度，℃；
[0301] t0—恒温带处的原岩温度，℃；取t0＝6.7℃；
[0302] Z0—恒温带深度，m；
[0303] G—地温梯度，即原岩温度随深度的变化率，℃/m；
[0304] 即恒温带深度为
[0305] (3)岩温分布规律分析
[0306] 矿山露天采坑的标高为+1896m，从而导致露天采坑附近的恒温带位置及恒温带标高也相应发生了下移。通过以上分析，可知矿山变温带深度大约为地表往下57m左右，标高即为+1839m以上，恒温带的位置大约在55～60m之间，标高即为+1841m～+1836m之间，恒温带原岩温度约为6.7℃左右，从57m(标高为+1839m)以下为升温带，即已结束回采的两个中段位于地热升温带。
[0307] 所述预热利用采空区平均原岩温度的计算，具体包括以下步骤：
[0308] 采空区原岩温度按下式计算
[0309] ti＝t0+(Zi-Z0)G
[0310] 式中，ti—距离地面垂直深度Zi处的原岩温度，℃；
[0311] t0—恒温带处的原岩温度，℃；取t0＝6.7℃；
[0312] Z0—恒温带深度，m；
[0313] Zi—i点处原岩的深度，m；
[0314] G—地温梯度，即原岩温度随深度的变化率，℃/m；
[0315] 1750m标高原岩温度ti＝t0+(Zi-Z0)G＝6.7+(146-57)×0.0228＝8.73℃；
[0316] 1810m标高原岩温度ti＝t0+(Zi-Z0)G＝6.7+(86-57)×0.0228＝7.36℃；
[0317] 即可计算1750m中段采空区平均原岩温度为(8.73+7.36)÷2＝8.04℃。
[0318] 所述空气与岩体热交换分析，具体包括以下步骤：
[0319] (1)热交换系数的确定：
[0320] 岩体与空气热交换系数按下式计算：
[0321]
[0322] 式中，K—空气与岩体的热交换系数，W/m2·℃；
[0324] v—巷道风速，m/s；风流通过巷道的风速约6m/s。
[0325] 则，岩体与空气热交换系数
[0326] (2)预热单位风量所需岩壁暴露面积
[0327] 根据相关矿山实践，预热单位风量所需岩壁暴露面积按下式计算：
[0328]
[0329] 式中，A'—预热单位风量所需岩壁暴露面积，m2；
[0330] K—空气与岩体的热交换系数，W/m2·℃；
[0331] tn—预热处原岩温度，℃；tn＝8.04℃；
[0332] tm—冷空气进入预热巷道前的温度，℃；取矿山冬季最低温度–39℃；
[0333] tl—空气预热后的温度，℃；取tl＝3℃；(根据《金属非金属矿山安全规程》要求，进风巷的空气温度应高于2℃，本工程取3℃，高于《金属非金属矿山安全规程》的要求)[0334] 则将–39℃的单位风量预热至3℃，所需岩壁暴露面积为
[0335]
[0336] (3)采空区及废旧巷道预热空气总量
[0337] 采空区及废旧巷道预热空气总量按下式计算：
[0338]
[0339] 式中，Q—废旧巷道及采空区预热空气总量，m3/s；
[0340] S—废旧巷道及采空区有效总预热面积，m2；
[0341] A′—预热单位体积冷空气所需岩壁暴露面积，m2。
[0342] 则可计算出矿山利用1810m、1750m中段采空区及废旧巷道将冷空气预热至3℃以上的预热空气总量
[0343] 3、设计地温预热系统实施方案
[0344] 所述设计地温预热系统实施方案，包括地温预热系统通风线路的选择、地温预热系统通风机选择、地温预热系统风量调控、地温预热系统效果评价四个步骤；
[0345] 3.1所述地温预热系统通风线路的选择，具体包括以下步骤：
[0346] 矿山2#副井目前处于停用状态，地表井口已封闭，并且2#副井与井下各生产中段相# #通，因此可将2副井作为预热后风流进入主通风系统的通道。因1750m中段2 副井井筒处于砌筑状态，无法打通进风通道，最终确定地温预热系统实施方案为地表冷空气经1810m、
1750m采空区及废旧巷道预热，预热后的风流经1810m中段2#副井石门进入主通风系统。
1750m采空区及废旧巷道预热，预热后的风流经1810m中段2#副井石门进入主通风系统。
[0347] 如图1所示，通风线路为：
[0348] ①地表冷空气→露天采坑塌陷区及1875平硐→1810m中段CuⅤ及Pb-1东采空区→1810m中段穿脉及沿脉巷→1810m中段2#副井石门→主通风系统；
[0349] ②1750m中段风流线路为：1750m中段CuⅤ及Pb-1东采空区→1750m中段穿脉及沿脉巷→1750m中段14线通1810m中段盲斜井→1810中段2#副井绕道→1810m中段2#副井石门→主通风系统。
[0350] 3.2所述地温预热系统风量调控，采用以下方法：
[0351] (1)地温预热系统与矿山生产中段的隔离：
[0352] 地温预热系统如不能与矿山生产中段进行有效隔离，将与生产中段产生的污风及主通风系统产生循环风流，污染预热风流。为了使地温预热系统与生产中段及主通风系统进行有效隔离，首先，在1810m和1750m两个中段巷道与矿山斜坡道之间用风门隔离；其次，在1750m至1690m之间所有通道采取密闭措施，有效隔离上下中段的连通，从而使预热区与下部生产中段隔离。
[0353] (2)采空区进入风量调节：
[0354] 由于矿山1810m和1750m两个中段可利用的采空区并联且各采空区风路风阻不均衡，如不采取风流调控措施，风量分配必然不均，从而影响空区预热效果。为了对采空区风量进行调节，根据各采空区进入风量大小，分别在1810m、1750m中段穿脉巷道对采空区进入风量进行风量调节，实现采空区进入风量均匀分配，以提高采空区预热效果。首先通过ventsim三维通风动态仿真模拟系统软件(金码软件(北京)有限公司，版本号3.2.1.6，该软件作为在通风领域最为先进的软件系统，所提供的功能包括：三维通风设计、风网解算、通风机选型和通风过程动态模拟，提供通风经济性分析工具，在三维可视化的环境中对通风方法的合理性和经济性进行模拟，在保证通风安全的前提下节约通风成本，由于该软件可以直接从金码软件(北京)有限公司购买到，安装到电脑上可直接输入矿山的条件参数，即可模拟并计算出通风构筑物建筑地点，在此就不再赘述)进行模拟实验确定合适的通风构筑物建筑地点，然后进行现场通风构筑物的施工：在1810m中段10线砌筑密闭墙，控制10线以西的进风量，在13线穿脉巷道内砌筑密闭墙控制漏风，拆除11线、14线和15线穿脉巷道内的密闭墙控制进风；在1750m中段7线砌筑密闭墙，控制7线以西的进风量，在16线穿脉巷道内砌筑密闭墙控制漏风，拆除15线穿脉巷道内的密闭墙控制进风。
[0355] 3.3实施后效果评价
[0356] 预热系统实施后，不需要通风动力，仅通过自然风压进风，地表温度为–26℃时，测定实际预热空气总量为62.89m3/s，地表温度为–39℃时，测定实际预热空气总量为57.33m3/s，地温预热后风流进入各生产中段风量测定结果见表6和表7，即达到设计预期，节省了通风设备及运行费用。同时减少了3#进风井冷风进风量，地温预热系统实施前，地表3#进风井冷风进风量为120～140m3/s；实施完成后，冷风进风量为75～90m3/s，即减少了地表3#进风井冷风量约45～50m3/s。并且减少了矿井通风阻力，降低了主扇运行风压，实施后主扇风压测定结果见表8。
[0357] 表6预热后风流进入各中段风量测定结果
[0358]
[0359] 表7预热后风流进入各中段风量测定结果
[0360]
[0361]
[0362] 表8地温预热系统实施后主扇运行风压测定结果
[0363]
[0364] 4、经济效益分析
[0365] 利用地温预热与锅炉预热技术经济指标比较见表9。
[0366] 矿山目前使用的一台20吨的锅炉预热系统，基建费用为1190万元，预热锅炉运行年承包费用为860万元，折算成预热63m3/s风量的运行费用为860×63÷240＝225.75万元；建设地温预热系统基建费用仅为15.3万元，且没有运行费用。由此可知，地温预热系统每年可以节省运行费用约为225.75万元。
[0367] 表9地温预热与锅炉预热经济效益比较
[0368]
[0369]
[0370] 5、结论
[0371] (1)实施后结果表明，本发明地温预热系统在未安装辅助通风机的状态下，可将62.89m3/s的–26℃冷空气预热到8.2～9℃，将57.33m3/s的–39℃冷空气预热到3.6～4.4℃，说明该地温预热系统的预热能力仍具有很大潜力。
[0372] (2)充分利用浅部采空区和废旧巷道，不需要新掘预热巷道，投资费用少，施工简便，易于管理。
[0373] (3)减少预热锅炉的运行时间和台数，降低能量消耗和大气污染物排放。
[0374] (4)通风系统的进风线路增多，有效降低了通风系统的通风阻力，减少主扇电能消耗，具有节能降耗的作用。
[0375] (5)预热后的空气完全符合《金属非金属矿山安全规程》中关于风源和工作面风质量的规定。
[0377] 6、讨论
[0378] 获各琦铜矿测试结果表明利用本地温预热系统实施后，地温预热系统在未安装辅助通风机的状态下，可将62.89m3/s的–26℃冷空气预热到8.2～9℃，将57.33m3/s的–39℃(极端低温天气并不会频繁出现)冷空气预热到3.6～4.4℃，说明该地温预热系统的预热能力仍具有很大潜力。
[0379] 对于获各琦铜矿来说，目前的矿山条件利用自然风压完全可以达到预热矿井通风的目的，因此暂时不需要架设通风机；但是由于每个矿山的环境条件不同，采空区及废旧巷道预热空气总量不同，当通过自然风压不能满足预热矿井通风要求时(将当地最低温度预热到2℃以上)，就要通过架设通风机(通风机按照实施例1的方法选择)来提高采空区的进风量，完全发挥地温预热系统的预热能力；当完全发挥地温预热系统的预热能力后仍不能满足要求时(将当地最低温度预热到2℃以上)，可通过减少采空区的进风量或附加锅炉预热设备来解决。本发明可以充分的利用地温预热系统的预热能力，减少能源消耗，降低生产成本。
[0380] 利用地温预热的建议事项：
[0381] (1)经采空区预热后的空气必须符合《金属非金属矿山安全规程》中关于风源和工作面风质的规定；
[0382] (2)地温预热系统巷道中的风流速度不宜过高，否则易引起扬尘污染风流；
[0383] (3)存在多条通道可用于预热后风流进入主通风系统的矿山，宜选择多条预热线路相并联的方式，以降低风流速度和矿井通风阻力，使冷空气能与岩体有充足的时间进行热交换，并且能够降低通风机能耗。
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