深部矿床开采地热成因及降温技术研究

摘要

本文通过对高温矿床高温的成因及降温方法进行研究，分析认为高温是由原矿岩放热、地下水放热、矿石氧化放热、空气自压缩生热、采出矿岩放热、充填体放热及坑内设备放热产生的，并以此建立了热交换的数学模型，计算了井下总热量，并选择井下主要线路进行热交换计算，通过实际现场测定，分析了温度的变化与实测数据的符合性。对降温措施进行了分析，并根据冬瓜山铜矿的井下条件，对采用采空区预冷空气方法进行采场降温的可行性进行分析，通过加大通风风量，部分进风风流预冷，矿井多级机站通风优化，合理分配风量等措施，达到降温的目的。主要研究成果:
　　(1)矿区的热害是多种热源共同作用的结果，依照热量的大小，主要热源有:原岩放热、热水放热、机械放热、氧化放热、空气自压缩生热、充填体放热以及采下的岩、矿石放热。依据产生热源的大小采取必要的控制措施。
　　(2)矿区垂直方向的地温分布受地下水和岩性的影响，浅部（200m以上）因地下水的循环，地热梯度较低，巷道内空气温度较低，这也给利用地表热空气通过浅部空间预冷，与深部高温空气进行热交换提供便利条件。通过冬瓜山铜矿上部废旧巷道通风预冷，达到较好的降温效果，现场实际与理论计算有较好的符合性。
　　(3)建立了高温矿井的热交换理论方程式，对井筒、硐室、运输巷、掘进工作面等的热力学方程式进行了计算，通过试验对巷道的热力学方程进行分析。
　　(4)建立了高温矿床通风降温网络数学模型，并根据取得的资料进行科学的分析、处理，建立了冬瓜山多级机站通风计算机解算网络，把矿井气流的温度影响纳入通风网络中，对主要巷道、中段的风量优化分配，使之满足通风和降温的要求，计算结论通过现场实际测定进行验证。
　　(5)通过采取综合措施，在复杂难采千米深井高温大型(开采规模300万t/a即10000t/d)铜矿床通过加大系统通风量(600m3/s)和采空区风流预冷，采用多级机站通风技术并对其进行适宜改进（考虑降温要求），即系统Ⅰ级机站控制系统进风量，并克服进风段通风阻力，Ⅱ、Ⅲ级机站采用风机两两串并联形式控制系统总风量，并克服采区及回风段通风阻力，使主要作业采区温度降低了5～8℃，解决了深井高温矿床通风降温与节能、多级机站通风技术推广应用中存在各级机站风机压力的不合理分配以及进风段和需风段存在大量漏风和污风循环的问题。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究意义

1．1．1 矿井地热的危害

1．1．2 矿井地热研究意义

1．2 矿井地热研究的现状

1．2．1 矿井地热研究现状综述

1．2．2 矿井地热产生的原因综述

1．3 论文研究内容及主要技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 主要技术路线

第2章 高温矿井热害产生(量)及机理分析

2．1 深井热害成因及机理分析

2．1．1 地表大气状态变化的影响

2．1．2 井巷围岩放热

2．1．3 机电设备放热

2．1．4 矿物及其他有机物氧化放热

2．1．5 矿井水放热

2．1．6 人员放热

2．1．7 矿井空气压缩产生热量

2．1．8 采出矿岩放热

2．1．9 充填体水化放热

2．2 冬瓜山矿地热产生与分析计算

2．2．1 原矿岩放热量

2．2．2 地下水放热

2．2．3 矿石氧化放热

2．2．4 空气压缩产生热量

2．2．5 采出矿岩放热

2．2．6 坑内设备放热

2．2．7 人员放热

2．2．8 充填体放热

2．3 本章小结

第3章 高温矿井通风降温热交换及理论研究

3．1 风流通过井巷热交换的基本规律

3．2 风流通过巷道的热力学计算模型

3．2．1 通风时间小于一年的巷道的热交换

3．2．2 通风时间大于一年的巷道的热交换

3．3 风流通过井筒的热力学计算模型

3．3．1 风流通过井筒的热力过程

3．3．2 井筒中热源分析

3．3．3 风流通过井筒的加湿压缩过程

3．4 风流通过回采工作面的热交换计算模型

3．5 风流通过机电硐室的热交换计算模型

3．6 井巷高温风流的计算机模拟

3．7 本章小结

第4章 基于高温矿井降温的通风系统

4．1 井巷热交换对风流参数影响

4．2 基于热力学分析的通风网络解算

4．2．1 巷道串联

4．2．2 巷道并联

4．2．3 复杂通风网路

4．2．4 井巷热交换对风量分配影响

4．2．5 通风系统网络解算(斯考德—亨斯雷法)

4．3 冬瓜山铜矿高温矿床通风网络解算

4．3．1 通风系统风量分配优化计算

4．4 本章小结

第5章 冬瓜山铜矿矿井热力学计算及通风降温实践

5．1 矿山开采概况

5．1．1 矿区水文地质、气候状况

5．1．2 采矿方法

5．1．3 开拓系统

5．1．4 通风系统

5．2 冬瓜山铜矿矿井热力学计算

5．2．1 矿井进风预冷(平硐进风)

5．2．2 矿井热力学计算

5．2．3 回采工作面的热计算

5．2．4 风流通过机电硐室的热交换计算

5．3 冬瓜山矿通风降温效果分析验证

5．3．1 测定方法

5．3．2 测定结果及分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 论文创新点

6．3 值得进一步研究的问题

参考文献

致谢

博士期间参加的科研项目及获得成果

附录