我國礦井人工制冷降溫技術(shù)現(xiàn)狀及存在問題分析

劉　靖, 周山山

(河南理工大學 土木工程學院， 河南 焦作 454003)

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我國礦井人工制冷降溫技術(shù)現(xiàn)狀及存在問題分析

劉靖, 周山山

(河南理工大學 土木工程學院， 河南 焦作 454003)

摘要：對我國礦井人工制冷降溫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢進行了分析，并對各種礦井人工制冷降溫技術(shù)使用條件、技術(shù)特性、經(jīng)濟性及存在問題進行了分析探討。

關(guān)鍵詞：礦井熱害；制冷降溫；冰冷卻技術(shù)；壓縮空氣

隨著煤炭開采的深度增加和數(shù)量增多，我國礦井熱害問題日益嚴重。據(jù)統(tǒng)計，我國煤礦開采深度以每年8～12 m的速度遞增，其中國有重點煤礦平均開采深度年增加9 m，最深礦井深度已達1 000～1 300 m。開采深度的增加和開采機械化程度的提高使我國高溫礦井的數(shù)目顯著增加，作業(yè)環(huán)境日益惡化。礦井熱害嚴重惡化了礦井的安全生產(chǎn)環(huán)境，傳統(tǒng)的通風降溫已不適用于熱害嚴重、開采較深的礦井，礦井人工制冷降溫技術(shù)成為解決礦井熱害的必要手段[1]。

我國礦井降溫工作始于20世紀50年代初期，當時僅是對一些高溫礦井地溫開展觀察。真正采用礦井制冷降溫技術(shù)始于1964年。當時，煤炭科學研究總院撫順分院在淮南九龍崗礦進行井下局部降溫實驗，同時采用表面式和噴淋式兩種類型的空冷器。1984年山東新汶孫村礦在我國第一次采用井下集中空調(diào)系統(tǒng)，但該礦在井深達到800 m水平時冷凝熱排放困難，不得已在1994年改為地面集中空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是我國第一個地面集中制冷空調(diào)系統(tǒng)。1995年，山東礦業(yè)學院提出了用壓氣引射器和制冷機結(jié)合的礦井空調(diào)運行方式。2004年，山東新汶孫村礦冰冷卻低溫輻射降溫技術(shù)工程運作調(diào)試成功，開創(chuàng)了我國冰冷卻降溫系統(tǒng)的先河。

本文分析了我國礦井人工制冷降溫技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，研究了各種礦井人工制冷降溫技術(shù)的技術(shù)特點及存在問題，指出了不同礦井人工制冷降溫的使用條件及適用范圍。

1人工制冷水降溫技術(shù)分析

按制冷機組在井上井下的安裝位置不同，人工制冷水降溫系統(tǒng)可分為地面集中式、井下集中式、井上井下聯(lián)合式、井下局部分散式4種形式[2-4]。

1.1地面集中式

該類系統(tǒng)是將制冷站安設在井上，冷凝熱在地面排放。這種系統(tǒng)有兩種形式：一是集中冷卻礦井進風，由于地面被冷卻的低溫風流沿風流流動路線不斷被熱源加熱，冷風到達用風地點上時往往溫度達不到設計要求，所以僅適用于開采深度淺、風流距離短的高溫礦井。二是井下冷卻風流，該系統(tǒng)通過保溫管道將載冷劑送至需冷地點的空冷器冷卻風流。由于地面到井底的高差大，必須在井下設置高低壓轉(zhuǎn)換裝置來克服載冷劑的靜水壓力，所以這種形式安全性較差。

1.2井下集中式

該系統(tǒng)的制冷機組設置在井下。優(yōu)點是系統(tǒng)簡單，供冷管道短，沒有靜水高壓問題。缺點是必須在井下開鑿大斷面機電硐室，并且要求設備防潮防爆。井下集中式空調(diào)系統(tǒng)最大的問題是冷凝熱的排放。冷凝熱的排放可分為兩種不同的方式：一種是制冷機組的設置及冷凝熱的排放都在井下；另一種是井下制冷機產(chǎn)生的冷凝熱用地面冷卻塔排除。但無論哪種排熱方式，效果都不理想。井下集中式大多適用于需冷量不太大的礦井。

1.3井上井下聯(lián)合式

井上下聯(lián)合式在地面、井下都需安設制冷機組，冷凝熱通過回水在地面集中排放。該系統(tǒng)既減少地面制冷站的冷量損失，又克服了井下制冷機的排熱困難。缺點是系統(tǒng)復雜，投資大，設備布置分散，不利于管理，井下冷水管線復雜等，僅適用于大型礦井降溫系統(tǒng)。

1.4井下局部分散式

井下局部分散式系統(tǒng)的制冷機可以移動，適用于井下降溫點少且點點相隔較遠的高溫礦井。我國應用局部空調(diào)系統(tǒng)比較廣泛，平頂山五礦己二采面曾采用制冷量為300 kW的防爆制冷機組向己15_23071采面供冷，同時利用井下回風排放冷凝熱，平均降溫幅度達4 ℃，降溫效果明顯。井下局部分散式系統(tǒng)的優(yōu)點是設備移動靈活，輸冷距離短，冷損小，初投資及運行費用少。缺點是冷凝熱排放困難，所以僅適用于局部小范圍的礦井降溫。

人工制冷水降溫經(jīng)過幾十年的實踐，已經(jīng)是一種比較成熟的礦井降溫技術(shù)，在國內(nèi)外使用最為廣泛。表1為這4種空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)缺點比較。

表1　4種空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)缺點

2人工制冰降溫技術(shù)分析

人工制冷水降溫在深部礦井中最難以解決的是冷凝熱的排放以及過高的靜水壓力。南非在20世紀80年代初期進行了礦井人工制冰降溫的研究并取得了成功，證明了該技術(shù)的可行性。我國山東新汶孫村礦于2004年首次采用人工制冰降溫技術(shù)獲得成功，并已取得專利技術(shù)向全國市場推廣[5-6]。

圖1為人工制冰降溫系統(tǒng)的簡圖，制冰機制出的冰由螺旋輸冰機輸送至立管井口處，靠自身重力下落至井下融冰池，形成0 ℃左右的水，再由供水管道送至需冷工作面。

圖1　人工制冰礦井降溫空調(diào)系統(tǒng)

人工制冰降溫系統(tǒng)主要利用冰的融化潛熱降溫，輸送同樣冷負荷所需的輸冰量僅為輸水量的1/5～1/4，相應的管路、設備以及水泵的負荷都可減少，大大節(jié)約了能量損耗。冷源設置在井上，解決了井下制冷站內(nèi)新鮮空氣不流通、冷凝熱排放困難和井下設備必須防爆的缺點。井下沒有復雜的設備，機電設備也很少，與人工制冷水系統(tǒng)比較，具有工藝簡單、操作與維修方便的優(yōu)點。

人工制冰降溫系統(tǒng)主要由制冰、輸冰和融冰3個部分組成。

冰的制備可分為靜態(tài)制冰和動態(tài)制冰兩種方法。由于靜態(tài)制冰系統(tǒng)制冷機性能系數(shù)會隨著冰層的增厚而降低，所以靜態(tài)制冰不能適應大冰量的要求。所以礦井冰制冷降溫系統(tǒng)一般采用動態(tài)制冰。動態(tài)制冰根據(jù)冰的形狀可分為粒狀冰和泥狀冰，其中粒狀冰有立方體、錐體、圓柱體、管狀和片狀等幾種。研究表明，冰制冷系統(tǒng)宜采用粒狀冰中的管狀冰和片狀冰以及真空制冰法的泥狀冰。目前，由于國內(nèi)外大型制冰機較成熟，可以制備各種形狀、規(guī)格的冰，所以冰的制備對于人工制冰降溫系統(tǒng)來說不是難點。

人工制冰降溫系統(tǒng)的主要難點在輸冰和融冰環(huán)節(jié)上。根據(jù)不同的冰和不同的輸送位置對冰采用不同的輸送方式。對于粒狀冰，常采用風力輸送，在輸送過程中要適時調(diào)整輸冰速度和壓縮空氣量，防止冰塊堆集，造成管道堵塞或破裂。而泥狀冰只能采用水力輸送，水力輸送需采用高低壓換熱裝置來解決過高的靜水壓力。

融冰關(guān)系到能否獲得穩(wěn)定的低溫水和穩(wěn)定的水流量。喬華等利用圓筒形融冰槽對粒狀冰的融解進行的研究表明，融冰槽冰床高度保持在1 m左右，使用20 ℃左右的回水，即可獲得接近0 ℃的冷水[7]。提高融冰速度、減小融冰槽體積是融冰環(huán)節(jié)需要進一步研究的方向。

通過實際冷卻系統(tǒng)的對比表明：目前3 000 m以下的礦井降溫系統(tǒng)，雖然初期投資較高，綜合考慮運行費用，較為經(jīng)濟的選擇方案仍是冰冷卻系統(tǒng)。所以，人工制冰礦井空調(diào)系統(tǒng)具有很好的發(fā)展前景。

3空氣壓縮制冷降溫技術(shù)分析

空氣壓縮制冷降溫是利用壓縮空氣作為供冷媒質(zhì)，向需冷工作面噴射冷氣制冷。其形式包括變?nèi)菔娇諝庵评?、渦流管式空氣制冷、壓氣引射器制冷和渦輪式空氣制冷。其中渦輪式空氣制冷是空氣制冷空調(diào)最常用的制冷方式[8]。單位質(zhì)量的空氣吸熱量有限，導致空氣壓縮制冷降溫系統(tǒng)的單位質(zhì)量制冷劑的制冷能力及制冷系數(shù)比較小，在制取相同冷量的情況下，相比于水冷卻及冰冷卻降溫系統(tǒng)，所需的制冷設備更大，導致空氣壓縮制冷降溫系統(tǒng)的初投資費用及運行費用更高。因此，一般很少有礦井采用整套空氣壓縮制冷降溫系統(tǒng)進行全礦井降溫，只是在需冷量不大的小型礦井或者局部高溫采面及掘進工作面采用空氣壓縮制冷降溫。

渦輪式空氣制冷利用井下的壓縮空氣在渦輪壓氣機進行增壓升溫，然后壓氣機出口的空氣與水在水冷卻器中進行熱量交換，最后冷卻的空氣在膨脹機的作用下進行絕熱膨脹，從而實現(xiàn)空氣制冷。我國在孟加拉國承建的Barapukuria煤礦(簡稱孟加礦)項目，在建井期間，遇到嚴重熱害的掘進工作面，在采用水冷KKL-101空氣制冷設備進行降溫后熱害問題得到了有效控制[9]。該項技術(shù)的應用證明了空氣壓縮制冷降溫技術(shù)在煤礦掘進工作面降溫的可行性，進一步研究后可推廣到回采工作面降溫，為我國礦井降溫技術(shù)開辟了一條新的途徑。

渦輪式空氣制冷機作為高溫礦井空調(diào)終端設備，相當于冷水機組系統(tǒng)中的空冷器，能有效解決我國礦井集中降溫存在的問題，其優(yōu)點包括[10]：系統(tǒng)簡單，應用靈活，輸冷管道少，承壓小，對管道材質(zhì)要求低；可以保證工作面冷量分布合理，降溫效果好；空氣制冷機無需電力驅(qū)動，解決了井下設備防爆問題；空氣既是制冷劑又是載冷劑，對井下環(huán)境沒有污染。但也有其缺點：該系統(tǒng)要保證礦井通風量足夠大，為空氣制冷機提供充足的壓縮氣源，系統(tǒng)的初投資及運行費用較高?？諝鈮嚎s制冷作為一種新型礦井降溫技術(shù)，由于其應用靈活，系統(tǒng)簡單，在需冷量不大的小型礦井或者礦井局部地點降溫的應用上具有廣闊的市場。

4礦井降溫系統(tǒng)的選擇

礦井降溫首先應考慮一些簡單可行的非人工制冷降溫技術(shù)，在達不到降溫目的時，才考慮人工制冷降溫措施。人工制冷降溫系統(tǒng)的選擇應根據(jù)礦井的實際情況并結(jié)合不同礦井空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)缺點進行綜合考慮：地面集中式降溫系統(tǒng)冷損較大，對于開采較淺的礦井較適用；井下集中式系統(tǒng)冷凝熱排放困難，對于冷量較小的礦井較適用；對于冷負荷大的超深礦井可考慮冰冷卻降溫技術(shù)；壓縮空氣制冷則適用于需冷量小的淺部礦井。此外，礦井降溫系統(tǒng)的選擇要滿足技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理和環(huán)境影響小等3個方面要求。

4.1技術(shù)可行性指標

在經(jīng)濟可行的各項指標中，礦井制冷降溫系統(tǒng)方案主要有制冷系統(tǒng)制冷量、系統(tǒng)穩(wěn)定性、散熱方式和設備管道承壓性等4個可選指標。首先是方案的選擇要滿足制冷量的要求，將井下熱環(huán)境控制在規(guī)定范圍內(nèi)。其次系統(tǒng)應運行穩(wěn)定，保證礦井正常生產(chǎn)。冷凝熱的排放和設備管道的承壓性可以根據(jù)具體情況適當放松要求。

4.2經(jīng)濟合理性指標

礦井降溫系統(tǒng)選擇有初期主要設備費用、壽命周期運行成本、冷損量大小及降溫工程費等4個經(jīng)濟合理性指標。這些經(jīng)濟合理性指標可以明確反映降溫系統(tǒng)的合理性，壽命周期運行成本合并考慮了年運行電費、維護費用和使用年限等3種因素。

4.3環(huán)境影響指標

礦井制冷降溫系統(tǒng)環(huán)境影響指標包括對采掘作業(yè)的影響、系統(tǒng)占有空間的影響和噪音的影響等。對采掘作業(yè)的影響是指礦井降溫系統(tǒng)對礦井生產(chǎn)的影響，比如井下輸冷管道的安設、空冷器的安設對采掘、運輸工作的影響。礦井制冷降溫系統(tǒng)必須占用一定的空間，比如采用地面集中式井下占用空間小，采用地下集中式需要開鑿大斷面機電硐室。同時，噪音的產(chǎn)生會惡化工作環(huán)境，降低勞動效率。

5結(jié)語

目前，人工制冷水技術(shù)在礦井降溫技術(shù)最為成熟，在我國空調(diào)降溫系統(tǒng)中處于主導地位，由于制冷機組置于井下存在潛在危險，因此，制冷機組的設置向地表發(fā)展是一種趨勢。

冰冷卻空調(diào)系統(tǒng)在我國礦井空調(diào)中還處在起步階段，還有許多技術(shù)問題亟待解決：如何解決冰在輸送過程中易黏結(jié)成塊堵塞管道問題，從而減小輸冰阻力，提高輸冰效率；如何優(yōu)化融冰池設計、提高融冰速度和降低出水溫度；適用于低溫水及泥狀冰傳熱要求的空冷器的開發(fā)研究等。但是冰冷卻空調(diào)技術(shù)在超深井降溫中具有廣闊的發(fā)展前景。

壓縮空氣制冷技術(shù)應用靈活，系統(tǒng)運行經(jīng)濟、安全、可靠，在礦井局部地點降溫及小型淺部礦井降溫應該大力推廣。

礦井降溫技術(shù)的選擇，應根據(jù)不同礦區(qū)的特點和不同降溫技術(shù)的特點進行效能分析，既要求技術(shù)上可行，環(huán)境影響小，又要使投資及運行費用最低。

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(責任編輯：陸俊杰)

The Present Situation and Existing Problems of Artificial Refrigeration Cooling Technology of Coal Mine in China

LIU Jing， ZHOU Shan-shan

(Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454000， China)

Abstract：Artificial refrigeration cooling technology is an effective measure to solve the mine thermal pollution. This paper analyzes the present situation and trend of development of Mine artificial refrigeration cooling technology in our country, and studies the conditions of use technical characteristics, economy and existing problems of various mine artificial refrigeration cooling technology.

Key words：mine heat harm; refrigeration cooling; ice cooling technology; compressed air

中圖分類號：TD727

文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.01.016

文章編號：1671-6906(2016)01-0066-05

作者簡介：劉靖(1971-)，男，山東萊蕪人，副教授，博士，主要研究方向為建筑環(huán)境與能源應用工程。

收稿日期：2015-11-03