煤礦井下和地面廠房堆放冰桶降溫制冷技術(shù)

童漢宏 李 陽

（淮河能源煤業(yè)公司張集煤礦，安徽 淮南 232174）

井工煤礦存在部分高溫工作面，壓入式通風(fēng)的掘進(jìn)開拓工作面和獨(dú)頭巷道高溫非常明顯。據(jù)實(shí)際體驗(yàn)觀測：井下-690 m 底抽巷獨(dú)頭巷道，長1600 m，一路Φ800 mm 風(fēng)筒供風(fēng)，各型鉆機(jī)5 臺(tái)鉆孔施工，7～9 月，地面氣溫26～36 ℃，巷道氣溫維持在36 ℃左右，10 月地面氣溫13～22 ℃，巷道氣溫維持在33 ℃左右。鉆機(jī)操作人員只穿著短褲，通班流汗水直流，還要間歇用水管全身澆水。鉆機(jī)附近靠巷道幫壁使用三塊0.9 m×1.7 m 鋼筋網(wǎng)彎折綁扎作為骨架，頂部和四周覆蓋舊風(fēng)筒布，搭設(shè)一個(gè)臨時(shí)微型避暑站，內(nèi)設(shè)壓風(fēng)控制閥吹壓風(fēng)，并同時(shí)采用2 寸膠管引風(fēng)筒壓風(fēng)吹，人員輪換進(jìn)入緩解一下高溫酷熱。如果是正在巖巷綜掘機(jī)掘進(jìn)的工作面，綜掘機(jī)等機(jī)電設(shè)備散熱，工作面氣溫達(dá)到38～40 ℃。有效快速對高溫工作面制冷降溫，改善高溫工作面工作環(huán)境，對礦井安全、高效生產(chǎn)有重大意義。

1 煤礦井下降溫技術(shù)特點(diǎn)分析

現(xiàn)在煤礦針對井下高溫治理有非人工制冷、人工制冷兩種方式。非人工降溫有通風(fēng)降溫、預(yù)冷進(jìn)風(fēng)流、隔絕熱源、疏干含熱水層、個(gè)體防護(hù)等措施。非人工降溫效果有限，有一些高溫工作面采用非人工降溫，達(dá)不到需要的效果時(shí)，采用人工制冷。人工制冷降溫常用井下集中制冷降溫、地面集中制冷降溫、地面井下二級(jí)聯(lián)合集中制冷降溫、單工作面制冷降溫、工作面堆放冰塊降溫等。集中制冷降溫技術(shù)在已運(yùn)行的礦井深部高地?zé)岬V井運(yùn)行取得較好效果，但是那些無集中制冷的礦井，季節(jié)性和局部的高溫工作面，以及雖然運(yùn)行集中制冷，無法全面覆蓋到的工作面、硐室，還需要更加靈活的降溫方式。集中制冷降溫還存在建設(shè)周期長，建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用過高的問題。有的采用單工作面制冷降溫技術(shù)設(shè)備，但是受巷道空間制約，降溫設(shè)備能力有限，進(jìn)氣源依然是礦井巷道較熱空氣，熱交換過程產(chǎn)生的高熱氣體還在礦井風(fēng)流內(nèi)，其本身機(jī)電設(shè)備額外增加散熱，降溫效果受限。井下不宜使用有毒窒息性制冷劑更限制了降溫效果。有采用大量水霧化降溫的，造成本工作面供水嚴(yán)重不足，生產(chǎn)停滯。采用在工作面堆放冰塊降溫方法，冰塊供應(yīng)量不足，化水量大，存放時(shí)間短，大量運(yùn)輸搬運(yùn)堆放難度大，堆放量受到限制，融化后及時(shí)更換難度大，對工作面降溫作用有限。為了增加一種靈活易行對高溫工作面降溫的技術(shù)方法，研究了井下、井上大量擺放冰桶，冷卻礦井風(fēng)流的人工制冷降溫技術(shù)[1-2]。

2 井下巷道堆放大量冰桶冰窖式降溫

2.1 井下巷道堆放冰桶降溫原理

在高溫工作面巷道堆放較大數(shù)量桶裝冰塊，冰塊融化冷卻氣流，降低高溫工作面風(fēng)流溫度。在地面大量加工制作冰桶，冰桶經(jīng)過冷藏車運(yùn)輸及人力少量攜帶方式到工作面。如圖1，在底板、幫壁長距離堆放，頂板、兩幫懸掛等方式擺放在巷道內(nèi)，堆放大數(shù)量冰桶后的巷道形成冰窖效應(yīng)，冷卻巷道內(nèi)高溫氣體。依據(jù)融冰速度，定期更換融化的冰桶，維持冰窖效應(yīng)。由于冰桶對冰塊的包裝，擺放堆積快速靈活，堆放數(shù)量、擺放地點(diǎn)可以更加適應(yīng)巷道狀況，運(yùn)輸裝卸簡便快速，冰塊融化速度變慢。

圖1 高溫工作面全空間懸掛堆放冰桶降溫布置示意圖

2.2 冰桶加工制作

裝冰的桶采用特制高強(qiáng)度抗靜電阻燃塑料桶或薄鐵皮桶，容積5～25 L，冰桶強(qiáng)度滿足多層堆放，經(jīng)得起井下扔摔（井下盛裝高分子加固化學(xué)材料的專用塑料桶可以復(fù)用制作冰桶）。準(zhǔn)備充足數(shù)量桶后進(jìn)行制冰，桶內(nèi)注入適量水，放入制冰機(jī)進(jìn)行制冷結(jié)冰，結(jié)冰出制冰機(jī)后扭緊桶蓋，冰桶直接裝專用車運(yùn)輸入井或臨時(shí)先存放冰庫等待裝車。根據(jù)條件冰桶可以在地面礦井自己建設(shè)制冷車間制備，也可以從附近冰工廠定制。冰桶經(jīng)保溫冷藏車運(yùn)輸?shù)降V，轉(zhuǎn)運(yùn)入井到高溫工作面擺放。

2.3 冰桶降溫在巷道和工作面堆放形式

冰桶到工作面后，人力卸車堆放在空閑的底板上，多層長距離堆放。巷道兩幫和頂板空閑的空間可以采用吊掛的方式布置冰桶，吊掛時(shí)提前加工直徑6 m 鋼筋箱體式籠子，固定在巷道頂板和兩幫，把10～15 L 小型的冰桶裝入其中。冰桶內(nèi)的冰塊在工作面高溫氣體加熱下，緩慢融化冷卻，形成冰洞效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對工作面降溫。除上述巷道布置冰桶，還可以在工作面巷道內(nèi)堆放冰桶圍成圍墻，形成一個(gè)小的封閉空間，供工作面高溫作業(yè)人員輪番交替進(jìn)入圍墻內(nèi)暫避防中暑。還可以在工作面安裝1 m寬×1.8 m 高×1.5 m 長的木板房或鐵皮房，房內(nèi)擺放冰桶，供工作面高溫作業(yè)人員輪番交替進(jìn)入小冰房內(nèi)暫避防中暑。高溫工作面擺放一定數(shù)量冰桶后，根據(jù)化冰速度，定期根據(jù)冰塊融化情況，對化水的冰桶進(jìn)行置換，新制的冰桶替換融化的，維持巷道未融化冰桶數(shù)量。融化的冰水根據(jù)情況倒入水溝或?yàn)⒃谙锏赖装迳?，空桶上井循環(huán)制作冰桶。為方便更換冰桶，工作面巷道內(nèi)底板一側(cè)可以整礦車或整集裝箱車放置冰桶，整車擺放，整車更換。

冰桶法降溫還可以在礦井主要進(jìn)風(fēng)大巷進(jìn)行大批量整車擺放，定期更換維護(hù)，從而部分降低礦井巷道進(jìn)風(fēng)溫度，更有利于高溫工作面降溫。

2.4 個(gè)體小冰桶和冰背心降溫方法

制作5～15 L 的小冰桶還可以采用人力攜帶的方式到工作面，更加靈活簡便。每班入井時(shí)，每人攜帶一桶冰，到工作面集中擺放，或存放在小空間封閉的特制木板房里，班中作業(yè)人員間隔一定時(shí)間，進(jìn)入相對低溫的木板房里休息一段時(shí)間，防止中暑。還可以為下井人員準(zhǔn)備一些降溫冰背心，裝入碎冰或冰水，穿在身上進(jìn)行降溫防暑，冰背心交替循環(huán)裝冰使用。上井時(shí)，帶空桶去循環(huán)制冰。

3 礦井進(jìn)風(fēng)井地面廠房堆積冰桶降溫技術(shù)

利用冰桶法堆放冰塊靈活快速，數(shù)量不受制約，更換簡便，同時(shí)在地面進(jìn)風(fēng)井廠房車間內(nèi)，采用多排多架多層堆放大批量冰桶。將礦井整體進(jìn)風(fēng)溫度降低，實(shí)現(xiàn)地面井下聯(lián)合的方式進(jìn)行礦井集中制冷。地面進(jìn)風(fēng)井車間廠房堆積冰桶冷卻進(jìn)風(fēng)氣流，要對氣流進(jìn)行人為調(diào)控，使得風(fēng)流接觸冰桶面積和距離適當(dāng)加大，或建設(shè)專用冷卻降溫進(jìn)風(fēng)通道擺放冰桶，以增強(qiáng)降溫效果。地面廠房內(nèi)，擺放更換冰桶可以采用機(jī)械化作業(yè)，堆放量和更換周期優(yōu)于井下堆積，無需井筒提升，井下巷道運(yùn)輸。地面廠房堆放冰桶冷卻全礦井進(jìn)風(fēng)氣流，對于夏季全礦井制冷降溫效果更佳。

4 冰塊吸熱計(jì)算

每千克0 ℃的冰，溫度升高到20 ℃向環(huán)境吸熱q吸：

式中：T0為0 ℃；T20為20 ℃；C水為水的比熱容，4.2 kJ/kg；C冰熔為0 ℃冰融化比熱容，336 kJ/ kg。

常壓下，C空氣為空氣的比熱容，1.003 kJ/kg；空氣的密度ρ=1.29 kg/m3。

根據(jù)熱量公式Q=cm△t可得，1 m3空氣降溫1 ℃需要釋放的熱量：Q=1.003×1.29×1=1.293 87 kJ/ m3。

如果每立方空氣溫度由35 ℃降到25 ℃，Q放=Q×（35-25）=12.938 7 kJ/m3。

每千克0 ℃的冰，溫度升到20 ℃變成水，可以將V立方35 ℃空氣冷卻到25 ℃。

V=q吸/Q放=420 kJ/12.938 7 kJ/m3=32.46 m3

設(shè)風(fēng)流量為800 m3/min，則日消耗冰為：

（800×60×24）/32.46=35 489.83 kg。

5 結(jié)論

冰桶堆放降溫法，熱交換充分，熱交換效率高，對高溫工作面降溫效果明顯。冰桶降溫法適用于零散高溫工作面，適用于不宜建設(shè)或未建設(shè)集中制冷的礦井，能達(dá)到采煤、掘進(jìn)、開拓工作面、各類巷道、硐室全過程全覆蓋。冰桶法降溫，建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用低廉，無需井下另建硐室，無需安裝大量管路，不增加額外散熱的機(jī)電設(shè)備，無需增加操作設(shè)備，檢修維護(hù)方便。井下冰桶法對高溫工作面降溫，簡易快速靈活，降溫能力和效果大于普通放置冰塊法降溫。