深部矿井采场热环境保障理论及方法

摘要：人工制冷降温技术是目前深井热害治理的最有效的方法之一，然而，现有的热环境控制方法普遍存在矿工舒适体验差、制冷设备负荷高、能耗巨大等诸多问题，与国家绿色矿山发展战略相悖离。且随着采矿技术升级，智能化少人采矿模式在未来的矿业生产中将占据主导作用，现有的深井采场热环境保障理论及方法不适应未来矿业发展的需求。因此，深部矿井采场热环境控制标准需以安全、健康、舒适、节能等为目标，结合采矿方法的升级进行修订；深井采场热环境控制技术的低碳化、健康化以及高效化是未来深井降温技术发展的关键目标。

关键词：深部矿井，智能化开采，热环境控制，高效精准降温

随着矿产资源开采深度的不断增加，矿井巷道环境高温热害愈加严重，已经成为了制约矿产资源安全高效开采的重要因素之一。国家卫健委等17部门联合印发的《国家职业病防治规划（2021~2025年）》已明确提出加强职业病危害治理工作是全面建成小康社会的重要任务和必然要求。

人工制冷降温技术是目前矿井热害治理的最有效的方法之一，结合矿井空调对长大巷道内的高温、高湿环境进行治理，取得了明显的降温效果，然而经过大量的现场实践发现[1-5]，现有降温方式存在矿工舒适体验差、制冷设备负荷高、能耗巨大等诸多问题，与国家绿色矿山发展战略相悖离。因此，亟需发展低碳节能且满足矿井特殊环境下舒适性要求的降温方法。

1、深部矿井采场热环境控制标准需结合采矿方法的升级修订

营造适宜的巷道内热湿环境关系到矿工的安全、健康，并且牵涉矿井降温能耗，是影响矿山生产绿色、安全的大问题。矿井采场环境人体适应性热舒适研究的目标就是为了在矿工的安全、舒适、健康需求与矿井空调用能之间实现平衡。各国针对矿井的环控标准展开了大量研究，以生产安全、工作强度以及职业健康等为目标，提出了一系列环控标准及政策。如我国的《煤矿安全规程》规定，“采掘面环境温度超过30℃，必须停产”；美国规定“环控标准与矿工劳动强度结合，如中等劳动强度作业场所环境湿球温度不得超过28℃”；德国规定“环控标准与持续工作时长相关，如ET温度介于29~30℃间高于2.5h/天，则矿工持续劳动时长不得超过5h”；作者团队既往的研究[1]表明“巷道内湿球温度控制在26℃以下（即保持采矿工作面环境温度30℃的情况下可降低环境相对湿度到75%以下），可满足矿工的适应性热舒适需求”。

近年来，我国大力推进煤炭行业向自动化、智能化方向发展，减少井下高危场所作业人员数量，促进煤炭资源实现安全、高效、绿色开采[6-7]。2020年3月，由八大部委联合出台了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，将我国煤矿智能化发展大致划分为三个发展阶段，加快了我国煤矿智能化建设的发展。2021年6月，国家能源局、国家矿山安全监察局等部门印发了《煤矿智能化建设指南（2021年版）》，提出了不同类型、不同模式的煤矿智能化建设方案。在有关部门大力推动下，我国煤矿智能化建设得到了飞速发展，如图1所示。现阶段智能采矿模式基本初步实现了减人、增安、提效的目标。然而由于综采设备智能化水平和煤矿地质条件复杂的限制，智能少人采矿模式在未来的矿业生产中将占据主导作用。

智能采矿模式具有的显著特征：（1）井下作业人员数量大幅减少，部分煤矿采矿工作面经过智能化改造后，井下作业人数精简均超过50%以上，如黄陵1号煤矿1001工作面作业人数精简超过70%，仅需3名作业人员即可完成采煤过程，工作效率明显提升。（2）作业人员劳动强度大幅降低，智能采矿模式下，高劳动强度工种（清煤工、液压支架工、采煤工）将被取消，井下工作人员以低劳动强度工作为主，如：巡检工、监控工以及电工等。

图1 全国智能化采掘工作面数量

矿井热环境控制标准需结合矿工生理习服、心理期望以及人—环间相互作用等加以诠释。随着国民经济及科学技术的快速发展，采矿技术升级，矿井采掘深度不断增大，矿井采场热环境特性不断发生变化，主要体现在如下几个方面。

（1）采深增大导致围岩温度升高，人—环境间传热机制由对流换热占比大逐渐变为辐射换热为主；

（2）矿工对环境舒适的期望值增大，对职业健康的重视程度增强，热环境的控制需考虑工人的个性化需求；

（3）采矿技术不断升级，采场作业机械化、智能化等不断完善，矿井热环境控制应考虑从整体到局部、机械化到智能化的转变；

（4）智能化少人模式→无人采矿是未来采矿发展的趋势，矿井热环境控制标准也应与采矿技术的发展结合。

2、节能、健康、高效精准降温技术是深部采矿热环境保障的重要举措

矿井降温技术主要包含通风降温、巷道隔热以及人工制冷降温。对于深部矿井，人工制冷降温技术是目前最有效的降温措施，主要以以水、冰浆或压缩空气等作为冷媒，将制冷机组制得的冷量以管道形式输送至降温工作面空调末端。现有矿井降温系统的制冷量以整个矿井采场的最大冷负荷为依据进行设计[8-9]，采用全工作面降温的整体式降温方法，存在矿工舒适体验差[1,3]、制冷设备负荷高、能耗巨大[2-4]等诸多问题。与此同时，深部高温矿井由于埋深大，开采系统路线长、热流边界特别复杂，造成系统长距离冷能输送过程中冷量损失大、能耗高，作者在徐州夹河矿、张双楼矿等深部煤矿降温实践中发现，输冷系统造成的冷损高达40%-60%[5]。

习近平总书记强调：“实现碳达峰碳中和，是贯彻新发展理念、构建新发展格局、推动高质量发展的内在要求。”近年来，在“双碳目标”的指引下，国内外的专家学者展开了一系列研究，如充分利用自然冷源[10-11]、矿-热共采[12]、CO2相变储冷降温[13]、局部式空冷技术[14]、矿井降温系统节能优化[15]、个体降温等等。智能化采矿阶段，采场需冷区域将表现为非连续、局部化、间歇性用冷等特性，因此，深井降温技术的发展需强化分区域个性化控制、跟随式工位环境控制、制冷系统模块化、空调-通风-隔热多种措施联合应用等。

3、结论

深井采场热环境控制技术的低碳化、健康化以及高效化是深井热环境保障的重要举措，是未来深井降温技术发展的关键目标。深部矿井采场热环境控制标准需以安全、健康、舒适、节能等为目标，结合采矿方法的升级进行修订；亟需发展节能、健康、高效精准降温方法，实现深井热环境控制智能化、个性化、健康化发展。

参考文献

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