1. 引言
随着矿井开采深度的不断增加，深部地下开采是未来矿产资源开发的必然趋势，深部开采中的“三高一扰动”问题愈显突出，深地矿床开采降温与防尘技术相关研究工作迫在眉睫，也是金属矿山安全高效率开采的重中之重[1] [2]。中国是世界上高温热害矿井较多的国家之一，就金矿而言，已探明储量中，埋深在1000~2000 m以内的金矿储量占总储量的53.2%，非金属矿山也存在相当数量的深井矿山[3]。如此多的热害矿井，如果不研究出成熟、经济、合理的降温技术措施，矿山资源开采将会面临很大的困难，其结果是影响整个国民经济的可持续发展，因此矿井高温热害的治理己成为一个不可忽视且急需解决的问题[4]。
据统计，目前已有的千米深井均已达到一级热害矿井标准。矿井高温环境不仅会影响工作人员身体健康，而且不利于井下设备安全运行以及生产效率提升。随着矿井采深增加，巷道围岩温度随之升高，井下各种热源放热量显著增大，矿井热害治理愈发困难。传统热害治理方法应用于深部矿井时除了面临冷量利用率低、系统维护困难、降温效果不理想等问题之外，还会使得矿井通风与空气调节等环节的能耗显著增加[5]。因此，围绕深部矿井特殊工作环境，进一步变革矿井降温技术是确保矿山安全高效开采的关键。
掌握巷道通风热质传递规律是精准预测巷道风流温度的前提，也是设计科学合理的矿井通风与空气调节措施改善井下热环境的理论基础。风流与巷道围岩之间传热是一个复杂的相互作用、相互影响过程。风流在冷却高温围岩的同时，围岩释放热量加热风流，此过程受到风流流动状态、通风场景、风流和围岩温度等因素的影响[6]-[8]。许多学者在巷道通风传热方面开展了大量研究，其发展脉络包括通风传热经验公式提出、多因数影响通风传热理论研究、通风网络热环境预测、特殊情况通风传热计算、通风系统热环境控制与优化、智能通风调控与节能减排研究多个阶段[9]-[11]。
矿井热害治理一般思路具体来讲：首先开展常规的矿井通风换热和降温分析、井下热源和地质调查，在此基础上对矿井热环境利用Fluent、VentSim等仿真模拟软件进行预测和通风网络优化降温；然后，对井下热环境进行评估，当井下热环境没有满足热舒适标准要求时，则根据矿井自身情况选择合适的降温方式，并对其降温效果和降温成本进行分析；最后对采取降温措施后的矿井通风网络进行优化，并再一次对井下热环境进行评估，当井下热环境满足热舒适性标准后，对矿井热能利用展开研究。目前我国高温矿井热害治理主要采取机械制冷降温方式进行降温，虽然取得了一定的效果，但是该方式一般耗能较大、成本较高、系统维护困难。在深部矿井中，由于井巷围岩放热量大、冷凝热排放困难，机械制冷系统不仅制冷效率降低，而且能耗显著增加[12]-[15]。
传统的高温热害治理思路多侧重于单一技术的应用，如增强通风或实施集中机械制冷，虽能在一定范围内缓解热应力，但在深部开采条件下往往陷入“能耗高、效率低、效果差”的困境[16]。其根本原因在于未能从系统层面协同处理“热量来源、热量输运、热量排除及个体防护”这一完整链条。为此，本文在系统分析深井热源及热交换规律的基础上，创新性地提出“疏、堵、降、保、优”的综合治理框架。该框架并非技术的简单堆砌，而是强调从“源头隔离(堵)、路径调控(疏、优)、末端高效排除(降)和个体安全(保)”进行系统性、多层次的协同干预，旨在打破传统单一技术的局限性，为实现深部矿井热害的绿色、经济、高效治理提供新的理论范式和技术路径。
2. 深井主要高温热源
2.1. 井巷围岩放热
由于围岩持续不断的对井巷内的空气传导热量，在无人为因素的影响下巷道内温度接近于巷道内温度。随着矿井深度的增加，岩体温度大致呈线性上升，深度每增加一百米温度约增加1.9℃~2.2℃左右。随着风流在井巷内运移，高温围岩影响井巷内空气温度逐渐升高，围岩高温是造成矿井高温的主要原因之一[17]-[19]。
2.2. 机电设备放热
随着现代采矿技术的不断进步，机械化水平逐渐提升，井下机械设备不断增多。随着大型采掘设备的使用，诸多机电设备放热量巨大，在狭窄的井巷中已然成为不可忽视的主要热源。放热机电设备源源不断将一部分电能和化学能转化为热能，对井巷内形成源源不断的热源[20] [21]。
2.3. 井下涌水放热
部分矿井井下存在热水带，热水带可以通过涌水、淋水以及围岩热传导等方式与井巷内部形成热交换。在热水带区域温度远远高于正常工作温度，常见的解决方法可采用隔离、通风降温、利用冷源进行冷热交换等方法。
2.4. 矿井空气压缩热量
矿井风流的压缩热是风流从地表运移至井下深处时，空气受到重力的压缩程度变大。当空气被压缩时，根据热力学第一定律，输入空气系统的能量如果没有以对外做功的形式释放，则会转化为空气的内能，从而导致空气温度升高，往往在矿井深度跨幅较大区域才有较为明显的温度影响。
2.5. 地表空气
在人为干预的情况下，需要将地表空气在风机作用下运移至矿井深处，因而地表大气温度、湿度的变化随之影响到井下温度。气温的季节性的变化也是周期性的，我国最热的时间一般在7~8月份，此时由地表流入井巷内时将携带大量热量。在温度较低的矿区冬季的通风甚至反而需要一定程度的加热[22] [23]。
3. 热交换
掌握热交换机制是有效治理矿井热害的理论基础。井下风流与热源之间的热交换主要通过三种形式进行：热辐射、热传导和对流传热。在矿井通风环境中，这三种形式往往同时存在，相互耦合[24]。
3.1. 热辐射
热辐射是指物体因自身温度而以电磁波形式向外发射能量的过程。在矿井中，高温岩壁、机电设备表面等都会持续向周围环境辐射热量。
特点：热辐射不需要介质，可以在真空中传递。其在总热交换量中的占比随岩壁表面温度与风流温度的差值增大而显著增加。
影响因素：辐射换热量主要取决于物体表面的发射率、绝对温度以及相对几何位置。井下岩壁粗糙，发射率较高，具有较强的辐射能力[25]。
3.2. 热传导
热传导是热量通过物体内部或直接接触的物体之间，由高温区域向低温区域传递的过程。在矿井中，这是围岩向风流传热的核心环节。
过程分析：围岩深处的热量通过岩石本身的热传导作用，源源不断地传递至巷道壁面。这个过程遵循傅里叶定律，其传热量与岩石的热导率、岩温梯度以及传热面积成正比。
3.3. 对流传热
对流传热是流体(矿井风流)与固体壁面(巷道围岩)之间由于存在温度差而发生的热交换现象，它是热传导和流体运动的综合结果。
主要形式：在矿井通风中，风流通常处于湍流状态，其对流传热是热交换的主要形式。高温壁面通过热传导将热量传递给紧贴壁面的空气层，流动的风流通过掺混和扰动将这部分热量带走，从而实现持续冷却壁面并加热风流的过程。
影响因素：对流传热系数是衡量换热强度的关键参数，它取决于风流的流速、密度、粘度、热容以及巷道的几何形状和壁面粗糙度[26] [27]。
4. 解决措施
基于上述热源和热交换分析，黄金矿山深部矿井热害治理需采取“疏、堵、降、保、优”的综合降温策略，如图1所示。“疏”一般为利用风流将蓄积的热量进行排疏，在黄金矿山通风系统形成后简单高效。“堵”一般针对有热水带的矿区，对异常高温岩壁增设隔热材料，将热量堵在巷道工作区外。“降”可使用冰块、冷水等冷源对高温区域进行冷热交换以达到降温目的。“保”一般在局部高温或个体单点作业时，为作业人员配备冷却服、冰背心等个体防护装备，具有快速、高效的优势。“优”是指随着黄金矿山的开采，热源问题不断变化，相应的解决措施也应该不断优化改进，才能始终保证良好的工作环境。
针对某典型矿山进行深井开采中高温热害问题，在采取以“疏、堵、降、保、优”为框架的综合降温方案后，通过VentSim进行仿真模拟，如图2所示。在相同的风机能耗下，矿井最深处温度降低4.6℃，极大改善了高温作业环境。
Figure 1. Solution measures of high temperature heat damage
图1. 高温热害解决措施
Figure 2. VentSim simulation diagram
图2. VentSim仿真模拟图
4.1. 通风降温
目前，通风降温仍是黄金矿山经济、首选的降温手段，通风降温可占目前矿井降温方法的70%以上，其核心是利用风流快速大量携带热量运移。
优化通风系统：采用分区通风，避免新鲜风流污染和串联加热；构建多级机站通风，克服深部通风阻力，保证足够的风量到达作业面。
革新通风方式：在极度高温工作面，可采用局部通风机配合冷水空气冷却器的方式，先对送入工作面的风流进行预冷，再送入工作面，形成“移动式空调”。
合理增加风量：在条件允许下，适当提高工作面的风量，可有效降低风温，改善体感温度。但需注意，风量增加会增大通风能耗，且效果有极限[28]。
4.2. 隔热材料
隔热是从源头上减少热源散热的有效方法，属于“堵”的策略。通常隔热材料的隔热系数在0.01~0.2 W(m·k)之间，能够大大降低热源的扩散。
应用位置：主要用于隔离高温围岩和高温涌水。可在高温巷道段在其壁面增设隔热材料，能够有效降低。或在热水涌出点采用隔热管道将热水直接引至水仓，避免热水与风流直接接触换热[29]。
效益：虽然初期有投资，但能长期有效地减少围岩放热，降低后续通风和制冷负荷，从全生命周期看具有经济性。
4.3. 冷水降温
当通风无法满足降温需求时，机械制冷冷水降温系统成为主要手段。
系统组成：主要包括制冷机(地面或井下集中设置)、高低压换热器、输冷管路、空冷器等[30]。
对不同降温方案(如地面集中制冷、井下集中制冷、冰冷却等)进行多维度比较，如表1所示，(其中：分数：1~5分，1最差，5最好；加权分 = 权重 × 分数)。
4.4. 个体防护
个体防护：对于无法彻底消除的局部高温点，为作业人员配备冷却服、冰背心等个体防护装备，是保障人员健康最直接、最灵活的措施。
Table 1. Comparative analysis of different refrigeration schemes
表1. 不同制冷方案对比分析
评估准则 |
权重 |
地面制冷 |
井下制冷 |
冰冷却 |
冷却能力 |
30% |
5 (150) |
4 (120) |
3 (90) |
系统可靠性 |
25% |
5 (125) |
3 (75) |
4 (100) |
安装复杂性 |
20% |
3 (60) |
2 (40) |
1 (20) |
对生产的影响 |
15% |
4 (60) |
5 (75) |
2 (30) |
安全性 |
10% |
5 (50) |
3 (30) |
4 (40) |
加权总分 |
100% |
445 |
340 |
280 |
4.5. 改进及热能利用
针对热源问题不断变化问题，不断优化改进相应的解决措施。同时，热能综合利用(废热回收)：转变思路，将矿井热害视为一种资源。可以研究利用热泵技术，从回风流、涌水中提取低品位热能，用于井口防冻、洗浴热水加热、工房供暖等，变“废”为宝，实现节能降耗，是未来深井降温的重要发展方向。
5. 结语
深部矿井高温热害问题是我国矿产资源向地球深部进军所面临的核心挑战之一。本文系统地分析了深井主要高温热源，阐述了巷道内热交换的基本规律，并探讨了综合性的治理措施。
研究表明，深部热害是多种热源共同作用、多种换热方式耦合的复杂结果，其中井巷围岩放热是根本性热源，随采深增加其主导地位愈发凸显。传统的单一通风或地面集中制冷方式在应对深部热害时面临能耗剧增、效率下降的瓶颈。
未来深部矿井热害治理的出路在于：必须摒弃单一技术思路，构建包含“源头隔热(围岩、热水)–高效通风(输冷)–精准降温(局部制冷)–个体防护(最后屏障)–热能利用(变废为宝)”的综合降温技术体系。依托数值模拟和井下监测系统，实现对矿井热环境的精准预测与智能调控，动态优化通风与制冷系统运行。大力发展冷凝热井下排放技术和矿井低温热能综合利用技术，大幅降低降温系统能耗，推动矿井向绿色、低碳、可持续方向发展。
本文提出的“疏、堵、降、保、优”综合治理框架，不仅是一种技术方案的集成，更对未来制定深部矿井热害治理的技术政策与行业规范具有重要启示。它倡导从规划设计阶段就引入系统性的热环境管理思维，推动从单一的温度限值控制，向涵盖系统能效、热资源回收率及职业健康保障的综合评价体系转变。这一框架的实践与推广，将为我国矿产资源深部安全高效开采提供坚实的理论支撑和技术保障，具有显著的经济、社会和环境效益。