高溫礦井通風(fēng)降溫技術(shù)措施研究

劉 嶺

（山東魯泰煤業(yè)有限公司太平煤礦， 山東濟(jì)寧市 273517）

高溫礦井通風(fēng)降溫技術(shù)措施研究

劉 嶺

（山東魯泰煤業(yè)有限公司太平煤礦， 山東濟(jì)寧市 273517）

根據(jù)國(guó)內(nèi)煤礦生產(chǎn)通風(fēng)現(xiàn)狀，分析了井下出現(xiàn)高溫狀況的原因。為改善井下作業(yè)環(huán)境，利用空調(diào)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工作區(qū)降溫的主要技術(shù)措施。提出了井下集中空調(diào)系統(tǒng)的可行方案，并簡(jiǎn)述了實(shí)現(xiàn)井下空調(diào)需要解決的幾個(gè)問(wèn)題。

集中空調(diào)；礦井通風(fēng)；降溫；煤礦制冷循環(huán)

1 概 述

礦井通風(fēng)是礦井產(chǎn)生系統(tǒng)的重要組成部分，是礦井安全生產(chǎn)的前提和保證。目前，國(guó)內(nèi)礦井通風(fēng)系統(tǒng)形式多樣，往往著重于控制瓦斯?jié)舛?，達(dá)到防火防爆的要求，在一定程度上控制了井下粉塵及其它有害氣體的濃度，卻沒(méi)有充分考慮（或無(wú)法實(shí)現(xiàn)）降溫降濕的要求。隨著開(kāi)采深度的增加，生產(chǎn)能力的擴(kuò)大及機(jī)械化程度的提高，井下地?zé)岷蜋C(jī)械設(shè)備散熱量顯著增加。送風(fēng)氣流在被送到工作面的過(guò)程中，不斷地與圍巖進(jìn)行熱濕交換，并吸收煤、巖及生產(chǎn)工藝過(guò)程的散熱量，再加上自身的絕熱升溫，氣流到達(dá)工作面時(shí)溫度有可能接近甚至超過(guò)規(guī)范所規(guī)定的環(huán)境參數(shù)要求，起不到降溫降濕的目的。井下熱濕問(wèn)題已成為煤礦生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一。煤礦工人在通風(fēng)不良、高溫、高濕的環(huán)境下長(zhǎng)期工作，不僅影響生產(chǎn)效率，危害工人的身心健康，而且存在著由于惡劣環(huán)境造成的精力不集中而產(chǎn)生操作失誤引發(fā)重大事故的隱患。另外，溫度過(guò)高也為可燃物的自燃創(chuàng)造了條件，既產(chǎn)生有害物質(zhì)又產(chǎn)生氧化生成熱，使井下溫度進(jìn)一步提高，而威脅礦井安全。

為降低井下，特別是工作區(qū)的溫、濕度，來(lái)自井下高溫圍巖、煤及生產(chǎn)過(guò)程的余熱、余濕最終必須通過(guò)介質(zhì)（空氣、水）帶到地面上來(lái)?？諝庾鳛槟芰枯d體是一經(jīng)濟(jì)有效手段。經(jīng)驗(yàn)表明，傳統(tǒng)的通風(fēng)方式（未設(shè)制冷設(shè)備）在巖溫較低，氣溫不高的地區(qū)或季節(jié)，可以將工作區(qū)的溫度降低到較為滿意的水平。但是，在炎熱季節(jié)，當(dāng)?shù)V井較深，巖溫較高時(shí)，該通風(fēng)方式將難以控制工作區(qū)的溫、濕度。圖1為國(guó)內(nèi)一調(diào)研結(jié)果，可以看出，當(dāng)巖石溫度為44℃時(shí)，要想控制工作區(qū)的溫度低于30℃，其送風(fēng)量很大，采區(qū)斷面風(fēng)速達(dá)5m／s以上。實(shí)際上這也是不可能的，且不說(shuō)送風(fēng)費(fèi)用問(wèn)題，過(guò)大的風(fēng)速對(duì)控制粉塵極為不利，并且對(duì)生產(chǎn)工人的身體健康也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。解決的方法是利用礦井排水排出熱量，因?yàn)閹缀跛械牡V井都連續(xù)或間歇地排除地下涌水，當(dāng)涌水溫度不太高（例如低于32℃），可以利用涌水作為機(jī)械制冷的冷卻水，將部分或大部分余熱帶出礦井。若利用涌水作為冷卻水，必須對(duì)其進(jìn)行處理以滿足冷卻水質(zhì)的要求。

圖1 煤產(chǎn)量為1000t／工作面（3點(diǎn)）干球溫度和有效溫度隨風(fēng)量和巖溫變化曲線

礦井空調(diào)與地上建筑物空調(diào)相比有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：工作區(qū)小而分散，并且隨生產(chǎn)的進(jìn)行而移動(dòng)，采區(qū)工作面相對(duì)于井下空間很小，而且相距較遠(yuǎn)，可達(dá)幾千米；熱濕負(fù)荷分散，潛熱量大。與送風(fēng)流所接觸的所有熱表面、物料、機(jī)械設(shè)備等都是熱濕負(fù)荷的來(lái)源，潮濕的圍巖表面和巖縫滲水與送風(fēng)流濕交換的結(jié)果使?jié)褙?fù)荷很大。井下空調(diào)應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件，合理設(shè)置系統(tǒng)，組織氣流，盡量降低工作區(qū)的熱濕負(fù)荷，以減少系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費(fèi)用。

2 煤礦通風(fēng)、排水系統(tǒng)的除熱、除濕能力

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)的除熱、除濕能力

當(dāng)井下空調(diào)系統(tǒng)采用風(fēng)冷冷卻時(shí)，其制冷量和除濕量可按下式估算：

式中，Qa為通風(fēng)系統(tǒng)的載熱能力，即制冷冷卻系統(tǒng)的排熱量，kW；ρa(bǔ)為送風(fēng)流的密度，kg／m3；V為送風(fēng)量，m3／s；h1、h2為通風(fēng)經(jīng)過(guò)冷凝器時(shí)進(jìn)出口的焓，kJ／kg.干；W為除濕量，kg／h；d1、d2為空氣進(jìn)、出口的含濕量，g／kg.干；Q0為制冷量，kW；COP為制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)。

表1為某礦送風(fēng)情況。假設(shè)采用螺桿壓縮機(jī)機(jī)械制冷裝置（COP＝3.6），取焓差為25kJ／kg.干，含濕量差為8g／kg.干，按2009年的送風(fēng)計(jì)算，其制冷量可達(dá)2370kW，除濕量可達(dá)2300h。當(dāng)然，上面的計(jì)算是假設(shè)通風(fēng)量全部經(jīng)過(guò)空氣冷卻器和冷凝器，并且沒(méi)有考慮粉塵對(duì)換熱器性能的影響而導(dǎo)致冷量的下降，因此，上述計(jì)算值與實(shí)際運(yùn)行情況有出入，特別是除濕能力，當(dāng)采用部分回風(fēng)時(shí)會(huì)有很大的差距。就含塵量對(duì)制冷量的影響而言，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)空氣的含塵量為93mg／m3時(shí)，連續(xù)工作24h，制冷量下降16%。但上述計(jì)算結(jié)果作為通風(fēng)系統(tǒng)除熱除濕是正確的。

表1 某煤礦送風(fēng)情況

2.2 排水系統(tǒng)的載熱能力

當(dāng)制冷系統(tǒng)利用排水冷卻時(shí)，排水系統(tǒng)的載熱能力可用下式計(jì)算：

式中，QW為排熱量，kJ；m為排水量，kg；Cw為水的比熱，kJ／kg.℃；為進(jìn)出冷凝器的溫差，℃。取溫差為5℃，則每噸水的載熱量為20934kJ，可實(shí)現(xiàn)制冷量15400kJ。當(dāng)井下滲水較多，排水量較大時(shí)，利用排水可實(shí)現(xiàn)的制冷量是相當(dāng)大的。

3 礦井集中空調(diào)系統(tǒng)

礦井集中空調(diào)系統(tǒng)可以設(shè)置在地上，也可設(shè)置在地下。地上空調(diào)系統(tǒng)是將制冷、冷卻系統(tǒng)放在地面上，因而便于運(yùn)行、維護(hù)，排除了井下粉塵對(duì)冷卻設(shè)備的影響。但冷卻水要遠(yuǎn)距離輸送到工作面上，這存在兩方面的問(wèn)題：輸送距離遠(yuǎn)，阻力損失、熱損失大，運(yùn)行費(fèi)用高；靜壓力太大，對(duì)井下冷卻設(shè)備的承載能力要求很高。如果中間采用減壓設(shè)備或閉式換熱設(shè)備，無(wú)疑又增加了設(shè)備費(fèi)用和循環(huán)水泵的能耗，同時(shí)帶來(lái)許多管理方面的問(wèn)題。將空調(diào)系統(tǒng)全部設(shè)在地下，可以解決上述問(wèn)題，同時(shí)又能充分發(fā)揮通風(fēng)系統(tǒng)的潛力。但地下空間、生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜，空調(diào)系統(tǒng)的布置困難，對(duì)設(shè)備的防爆要求很高，地下空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行管理也比較麻煩。國(guó)外將空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置在地上、地下及地上地下并聯(lián)運(yùn)行的情況均有，取得了滿意的效果。國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)過(guò)設(shè)置在地上的集中空調(diào)系統(tǒng)，但由于多方面的原因，實(shí)際上并沒(méi)有按預(yù)期設(shè)計(jì)條件運(yùn)行，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

3.1 井下集中空調(diào)系統(tǒng)工作原理

圖2為井下利用回風(fēng)流冷卻的空調(diào)系統(tǒng)示意圖。其工作原理是制冷劑循環(huán)。低溫低壓的氣態(tài)制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入風(fēng)冷式冷凝器，在冷凝器內(nèi)被礦井通風(fēng)系統(tǒng)的回風(fēng)流冷卻為高壓低溫的液態(tài)制冷劑，液態(tài)制冷劑經(jīng)減壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)與冷凍水回水進(jìn)行熱交換，吸收熱量變?yōu)榈蜏氐蛪簹鈶B(tài)制冷劑，再進(jìn)入壓縮機(jī)，完成制冷循環(huán)；冷凍水循環(huán)，在蒸發(fā)器內(nèi)放出熱量變?yōu)榈蜏氐睦鋬鏊凰椭粮鞴ぷ髅妫诠ぷ髅嫔系目諝饫鋮s器中與空氣進(jìn)行熱交換，吸收空氣的熱量，溫度升高，再進(jìn)入蒸發(fā)器降溫；送風(fēng)氣流，礦井通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)流全部或部分進(jìn)入空氣冷卻器，與低溫的冷凍水進(jìn)行熱交換，空氣被降溫降濕后送至工作面，吸收工作面的熱量和濕量，達(dá)到降溫降濕的目的。吸收熱、濕量的空氣全部或部分被回風(fēng)流帶走。

3.2 風(fēng)冷式集中空調(diào)系統(tǒng)在井下應(yīng)用實(shí)例

如圖3所示，制冷裝置設(shè)置在回風(fēng)井附近，利用回風(fēng)流將熱量、濕量通過(guò)回風(fēng)井直接排到地面上。制冷裝置所生產(chǎn)的冷凍水（6℃）被送至設(shè)置在工作面的空氣冷卻器，與工作面上的空氣進(jìn)行熱交換，達(dá)到降溫降濕的目的。系統(tǒng)設(shè)置前，工作區(qū)的干球溫度為34℃，有效溫度為28℃。系統(tǒng)設(shè)置后，其制冷量為640kW，設(shè)備運(yùn)行期間干球溫度和有效溫度均降低了6℃，取得了滿意的效果。

3.3 水冷卻空調(diào)系統(tǒng)

將圖3中的風(fēng)冷式冷凝器改為水冷式冷凝器，就可以實(shí)現(xiàn)水冷卻空調(diào)系統(tǒng)。

圖2 煤礦制冷循環(huán)示意

圖3 某煤礦井下風(fēng)冷式集中空調(diào)系統(tǒng)布置

4 實(shí)現(xiàn)井下集中空調(diào)的技術(shù)問(wèn)題

（1）工作區(qū)熱濕負(fù)荷、空氣參數(shù)及地面空氣參數(shù)的確定。工作區(qū)的熱濕負(fù)荷是決定空調(diào)系統(tǒng)及運(yùn)行費(fèi)用的主要因素，由于地下條件復(fù)雜，影響因素較多，在這方面的研究也不夠，至今沒(méi)有完整可信的理論依據(jù)。工作區(qū)空氣參數(shù)應(yīng)滿足工人身心健康的需要，同時(shí)要考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)上的易實(shí)現(xiàn)性和可靠性。設(shè)計(jì)參數(shù)要求過(guò)高，技術(shù)上無(wú)法實(shí)現(xiàn)或不可靠，經(jīng)濟(jì)上不合理時(shí)也會(huì)失去意義。地上空氣設(shè)計(jì)參數(shù)與傳統(tǒng)的通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)是不同的，與地上建筑物空調(diào)系統(tǒng)的室外設(shè)計(jì)參數(shù)也有區(qū)別。這些問(wèn)題有待于研究確定并規(guī)范化，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行提供依據(jù)。

（2）地下空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的開(kāi)發(fā)研究。由于地上地下環(huán)境條件相差甚遠(yuǎn)，地上空調(diào)設(shè)備一般不能用于地下。開(kāi)發(fā)滿足地下防爆要求的設(shè)備，并優(yōu)化高溫、高濕、高含塵濃度條件下設(shè)備的設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)是實(shí)現(xiàn)井下空調(diào)的前提。

（3）地下空調(diào)系統(tǒng)形式的選擇。礦井空調(diào)系統(tǒng)可以采用地上、地下或地上地下并聯(lián)設(shè)置形式，可以采用風(fēng)冷、水冷或聯(lián)合冷卻方式。各種形式的系統(tǒng)投資和運(yùn)行費(fèi)用相差甚大，必須根據(jù)當(dāng)?shù)厮牡乩須庀髼l件和生產(chǎn)工藝情況，經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較確定，盡量減少不必要的損失，提高空調(diào)系統(tǒng)的效益。

（4）空調(diào)系統(tǒng)的布置。井下生產(chǎn)、運(yùn)輸、電力、通風(fēng)、排水等系統(tǒng)縱橫交錯(cuò)，十分復(fù)雜。如果采用地下空調(diào)系統(tǒng)，如何同其它系統(tǒng)配合設(shè)置，在不影響正常生產(chǎn)的條件下，合理布置空調(diào)系統(tǒng)是一重要的問(wèn)題。

（5）通風(fēng)系統(tǒng)的氣流組織問(wèn)題。傳統(tǒng)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)的氣流組織方式多種多樣，但設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)后，為充分發(fā)揮空調(diào)系統(tǒng)的潛力，減少系統(tǒng)的熱濕負(fù)荷，將潔凈的低溫干空氣直接送入工作區(qū)，各區(qū)域特別是工作區(qū)的氣流組織方式有可能不盡合理，需要重新對(duì)通風(fēng)氣流進(jìn)行優(yōu)化組織。

5 結(jié) 論

為改善煤礦工人的工作條件，提高生產(chǎn)效率，對(duì)高溫礦井設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工作區(qū)降溫的主要技術(shù)措施。如果解決好井下集中空調(diào)幾個(gè)方面的問(wèn)題，并與傳統(tǒng)通風(fēng)方式有機(jī)配合，實(shí)現(xiàn)井下空調(diào)在技術(shù)上是可靠的，經(jīng)濟(jì)上也是合理的。

［1］楊大明.煤礦通風(fēng)與安全技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1989.

［2］白銘聲.礦井通風(fēng)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行與組合設(shè)計(jì)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1987.

［3］Genhard Muke and Erwin Glodek.煤礦使用空氣冷卻器的技術(shù)［A］.第二界國(guó)際礦山通風(fēng)會(huì)議論文集譯文集［C］.1985.

［4］王省身.礦井災(zāi)害防治理論與技術(shù)［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1986.

2011－1－20）

劉 嶺（1968－），男，山東微山人，工程師，從事工業(yè)通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)、煤礦開(kāi)采等研究，Email：yxf0621＠126.com。