礦井降溫技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

(霍州煤電集團(tuán)公司三交河煤礦，山西 臨汾 041000)

0 引 言

目前，世界各主要采煤國(guó)家相繼進(jìn)入深部開采，開采深度的逐步增加，地溫也隨之升高。德國(guó)和俄羅斯的一些礦山開采深度已達(dá)1 400～1 500 m；南非卡里頓維爾金礦開采深度達(dá)3 800 m,豎井井底已達(dá)地表以下4 146 m；加拿大超千米的礦井有30座，美國(guó)有11座[1]。到2005年，我國(guó)煤礦的平均采深達(dá)650 m左右。隨著開采深度的增加，井下氣溫急劇升高，成為影響正常和安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害。

造成礦井氣溫升高的熱源很多，就世界范圍看，礦井高溫?zé)岷Φ闹饕蛩赜械責(zé)?、采掘運(yùn)機(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)放熱，運(yùn)輸中的礦物和矸石放熱，以及風(fēng)流下流時(shí)自壓縮放熱等四大熱源。就個(gè)別礦山而言，礦內(nèi)高溫水涌出、強(qiáng)烈氧化等也可能形成該礦高溫?zé)岷Φ闹饕蛩豙2]。

在高溫環(huán)境中，人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)容易失調(diào)，從而感到精神恍惚、疲勞、周身無力、昏昏沉沉，這種精神狀態(tài)成為事故的原因。在高溫礦井中，一般生產(chǎn)率均較低，有的礦山其相對(duì)勞動(dòng)效率僅為30%～40%[3]?！睹旱V安全規(guī)程》明確規(guī)定：采掘工作面空氣溫度不得超過30 ℃，機(jī)電硐室的空氣溫度不得超過34 ℃，并且，當(dāng)上述兩工作地點(diǎn)的空氣溫度超過30 ℃和34 ℃時(shí)，必須停止作業(yè)。

根據(jù)國(guó)務(wù)院最新規(guī)定，井下作業(yè)地點(diǎn)的空氣溫度不得超過26 ℃。因此,礦井降溫技術(shù)已成為采礦技術(shù)中的一個(gè)重要領(lǐng)域。

1 礦井降溫技術(shù)研究現(xiàn)狀

礦井降溫技術(shù)雖然已有80余年的歷史，但迅速發(fā)展和較廣泛地應(yīng)用僅是近30年的事。1920 年在巴西的莫?jiǎng)凇ぜs理赫金礦建立了世界上第一個(gè)礦井空調(diào)系統(tǒng), 在地面建立了集中制冷站。英國(guó)是世界上最早在井下實(shí)施空調(diào)技術(shù)的國(guó)家, 1923 年英國(guó)的彭德爾頓煤礦第一個(gè)在采區(qū)安設(shè)制冷機(jī), 冷卻采面風(fēng)流。德國(guó)于1924 年在拉德博德( Radlod ) 煤礦的地面安設(shè)一臺(tái)冷凍機(jī), 1953 年在洛伯爾格礦井下安裝大型風(fēng)流冷卻設(shè)備。巴西莫羅維羅( MorroVelno) 礦和南非的魯濱遜深井于20 世紀(jì)30 年代采用集中冷卻井筒入風(fēng)流的方法降溫, 60 年代南非便開始了大型礦井集中式空調(diào)降溫[4]。70 年代蘇聯(lián)、日本等國(guó)礦井開始應(yīng)用制冷降溫。1977年原蘇聯(lián)研制成移動(dòng)式礦用制冷機(jī), 在煤礦和金屬礦的獨(dú)頭掘進(jìn)巷道中應(yīng)用。1985年11月, 南非在世界上首次用冰做載冷劑冷卻空冷器的冷卻水, 該系統(tǒng)的制冷能力達(dá)628 MW。1989年, 南非一金礦建成壓縮空氣制冷空調(diào)系統(tǒng), 將空氣在地面壓縮為液態(tài), 通過管道輸送到井下, 首先膨脹成氣態(tài)后, 再進(jìn)入空氣制冷機(jī), 排出的低溫空氣冷卻工作面的風(fēng)流。同年, 波蘭研制出渦流管式空氣制冷裝置, 在煤礦掘進(jìn)工作面試用, 取得了一定的空調(diào)效果。

早在20世紀(jì)70年代, 我國(guó)曾研制過壓氣引射器和渦流管制冷裝置。1993年7月, 平頂山礦務(wù)局科研所和原中國(guó)航空工業(yè)總公司第609研究所聯(lián)合研制成KKL101礦用無氟空氣制冷機(jī)。1995年, 山東礦業(yè)學(xué)院陳平等提出用壓氣引射器和制冷機(jī)結(jié)合進(jìn)行礦井空調(diào)。在此之前, 我國(guó)采用的制冷設(shè)備主要是以氟里昂和氨為制冷劑的冷水機(jī)組[5]。

近幾年內(nèi)，我國(guó)礦井降溫技術(shù)的研究發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于全國(guó)各個(gè)大型煤礦。具有代表性的一些技術(shù)列舉如下：

2003年，張朝昌等人[6]針對(duì)高溫礦井獨(dú)頭掘進(jìn)工作面的高溫?zé)岷栴}，首次提出利用井下作業(yè)所用高壓空氣作為制冷工質(zhì),通過透平膨脹機(jī)等熵膨脹降溫,來達(dá)到降溫除濕的目的。

2004年，金學(xué)玉[7]針對(duì)淮南礦區(qū)井下局部熱害嚴(yán)重，恒溫水源充沛的特定條件，提出利用恒溫水源進(jìn)行礦井降溫的設(shè)想；并從理論上進(jìn)行了可行性分析計(jì)算；對(duì)依靠自然動(dòng)力運(yùn)行進(jìn)行校核后,初步構(gòu)思了恒溫水源進(jìn)行礦井降溫系統(tǒng)。

2004年，陳平[8]提出采用壓縮空氣供冷的新型礦井空調(diào)系統(tǒng)能夠沿采煤工作面均勻供冷，工作面內(nèi)的溫差小，能有效地解決當(dāng)前我國(guó)礦井集中空調(diào)中存在的實(shí)際問題。而且系統(tǒng)簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活，可應(yīng)用于需冷量不太大的小型礦井降溫系統(tǒng)。

2005年，王德銀等人[9]針對(duì)平頂山煤業(yè)集團(tuán)公司五礦井下高溫?zé)岷?yán)重等特點(diǎn),通過近8年的應(yīng)用和不斷完善，成功研制出了性能優(yōu)良的礦用防爆螺桿冷水機(jī)組及控制設(shè)備系列降溫設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了礦井降溫設(shè)備國(guó)產(chǎn)化、實(shí)用化。

2006年，何滿朝等人提出運(yùn)用地層儲(chǔ)冷井下降溫技術(shù), 把低焓地?zé)崮芎惋L(fēng)能結(jié)合起來, 將冬季空氣的冷能儲(chǔ)存在淺部地層中, 輔以井上及井下?lián)Q能系統(tǒng), 解決井下熱害問題[10]，并以?shī)A河礦為例進(jìn)行了可行性分析，從理論上證明了利用此技術(shù)進(jìn)行深部礦井熱害治理是一條行之有效的途徑。一年后，他們又發(fā)明了一種礦井涌水為冷源的深井降溫系統(tǒng)[11]，該系統(tǒng)通過對(duì)礦井涌水的自用，充分利用了地層能，保證了資源的可持續(xù)利用和發(fā)展，整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)行閉路循環(huán)，無污染，最大程度地減少了廢氣廢物的排放，有效地保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

2007年，張亞平等人[12]針對(duì)目前礦井降溫措施的缺點(diǎn), 在分析分離熱管原理的基礎(chǔ)上, 提出了分離式熱管用于礦井降溫的構(gòu)思，并進(jìn)行了理論上的可行性分析。

2008年，何滿朝等人[13]針對(duì)國(guó)內(nèi)外礦井降溫技術(shù)存在的問題，提出了以礦井涌水作為冷源的深井開采高溫?zé)岷刂艸EMS 技術(shù)，運(yùn)用提取出的冷量與工作面高溫空氣進(jìn)行換熱作用，降低工作面的環(huán)境溫度及濕度。并將該技術(shù)與夾河礦深井降溫工程相結(jié)合，建成了國(guó)內(nèi)第一個(gè)控制深井熱害的深部科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室(DUSEL)。

2008年，楊麗等人[14]提出了一種井下降溫的新技術(shù)，此法是將人工制冷水降溫法和制冰技術(shù)結(jié)合起來的，把輸往井下的冷水改成冰，把水在井下的循環(huán)改成冰的循環(huán)，把制好的冰集中運(yùn)輸?shù)骄氯缓笤佥斔偷礁鱾€(gè)工作間進(jìn)行制冷的方法—冰直接降溫系統(tǒng)。

2008年，褚召祥等人提出壓氣結(jié)合蒸發(fā)冷卻技術(shù)進(jìn)行礦井降溫的思路[15]，并分析了蒸發(fā)冷卻對(duì)于提高降溫效果的作用，經(jīng)過理論分析，對(duì)于礦井某些局部熱害(如高溫掘進(jìn)工作面)采用壓氣系統(tǒng)降溫, 理論上完全可以達(dá)到降溫目的；結(jié)合蒸發(fā)冷卻能夠更好的改善其降溫效果，較好的解決集中式空調(diào)降溫方式所存在的一些余角、死角問題, 作為礦井人工制冷降溫的一種輔助方式, 提高礦井的整體降溫效果。四年后，他們又提出一種礦井高溫回采工作面內(nèi)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間均勻供冷的系統(tǒng)和方法[16]，可以避免在采取降溫措施后工作面產(chǎn)生冷熱分布不均的問題，并且最大程度地降低降溫工作對(duì)工作面正常生產(chǎn)的影響。

2009年，李勇等人[17]針對(duì)高溫礦井熱害降溫系統(tǒng)引入了集中控制加強(qiáng)系統(tǒng)的管理和監(jiān)控，提高運(yùn)行效率，減少了設(shè)備運(yùn)行中的故障延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

2009年，劉鵬[18]初步構(gòu)思了采用天然冷源(恒溫水)及冷水機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行的方式進(jìn)行礦井降溫。該系統(tǒng)是將天然冷源(恒溫水)降溫系統(tǒng)與機(jī)械制冷水降溫空調(diào)系統(tǒng)中的地面集中式空調(diào)系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合，其特點(diǎn)是可以彌補(bǔ)恒溫水源不足，對(duì)于地下恒溫水源儲(chǔ)量不夠充沛的地區(qū)，可以在非高溫季節(jié)采用地表水或地下水直接提供到水塔而在高溫季節(jié)采用冷水機(jī)組進(jìn)行深冷的方法，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行輔助供冷以滿足負(fù)荷要求。

2009年，衛(wèi)修君等人[19]利用瓦斯發(fā)電后的煙氣余熱作為礦井降溫制冷動(dòng)力,首次提出了采用熱—電—乙二醇低溫制冷解決井下高溫問題的模式及理論。

通過在平煤四礦應(yīng)用，取得了國(guó)內(nèi)最好的降溫效果，并在運(yùn)行成本、可靠性上取得重大突破。

2010年，趙雄飛[20]通過對(duì)辰州礦業(yè)沃溪坑口井下排熱降溫的問題進(jìn)行分析，根據(jù)國(guó)內(nèi)外高溫礦井熱害治理經(jīng)驗(yàn)和新的通風(fēng)理念、礦山現(xiàn)有情況, 提出利用風(fēng)、水排熱的構(gòu)想和綜合治理方案。

2011年，董凱軍等人[21]針對(duì)井下熱負(fù)荷很大而空間位置狹小的問題，在前期研究的基礎(chǔ)上提出一種冰漿潛熱輸送礦井空調(diào)，利用冰漿的可流動(dòng)性、潛熱大的特點(diǎn)，可以大大提高冷量的輸送密度，減小管道和換熱器的尺寸，節(jié)省空間，同時(shí)可根據(jù)不同的工作條件在三種工況下自由切換。該系統(tǒng)在初投資及運(yùn)行費(fèi)用上都比傳統(tǒng)的礦井空調(diào)大幅下降，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

2011年，時(shí)繼虎等人[22]借鑒國(guó)內(nèi)外天然制冰的相關(guān)資料, 提出了用于礦井降溫制冷的天然制冰降溫技術(shù)。通過建立冰池噴淋制冰和蓄冰模型，從理論上分析了天然制冰技術(shù)的可行性。

2011年，袁君[23]發(fā)明了一種礦井散熱回收降溫系統(tǒng)，包括閉式冷卻塔、熱能回收裝置、熱能回收裝置循環(huán)水泵、壓力交換器、壓力交換器循環(huán)水泵、制冷降溫裝置、風(fēng)機(jī)和井下降溫機(jī)組循環(huán)水泵，全部采用模塊化設(shè)計(jì)，集合了集中制冷和分散制冷的優(yōu)點(diǎn)，可以達(dá)到良好的井下降溫效果。同時(shí)采用熱能回收技術(shù)，將制冷機(jī)產(chǎn)生的熱量全部回收利用，回收的熱量可以為地面提供洗澡用熱水及冬季辦公區(qū)采暖，可以完全省去鍋爐。

2012年，張和平等人為了解決現(xiàn)有制冷空調(diào)不能滿足深井、高溫、大型礦降溫的需求等問題，發(fā)明了一種礦用大溫差乙二醇空調(diào)裝置[24]，該裝置的特點(diǎn)是采用乙二醇載冷劑以及大溫差乙二醇制冷機(jī)組，配套高效換熱器、空氣冷卻器，地面冷源提供大溫差(16℃)的乙二醇載冷劑。系統(tǒng)具有制冷量大，空調(diào)效果好，節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。同年，他們還發(fā)明了一種礦用冬季降溫自然冷卻空調(diào)裝置[25]，通過利用冬季自然環(huán)境的低溫，不開制冷機(jī)組便能獲得冷源，滿足高溫礦井的降溫需求。

對(duì)上述研究進(jìn)展進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的分析：

到目前為止，國(guó)內(nèi)外有關(guān)礦井降溫的技術(shù)主要可以分為兩大類：

(1)采用非機(jī)械的制冷降溫措施，包括選擇合理的礦井通風(fēng)系統(tǒng)和通風(fēng)方式，增大采掘工作面的風(fēng)量，減少采空區(qū)漏風(fēng)，隔絕熱源，減少巷道中的濕源，煤層預(yù)冷，冰塊降溫，個(gè)體防護(hù)等。

(2)采用機(jī)械制冷降溫措施，即對(duì)井下工作環(huán)境進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)[17]。非人工制冷措施雖然經(jīng)濟(jì)實(shí)用,但受到諸多因素的制約,其效果有限,一般只能降低2 ℃左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了采掘工作面的降溫需求。根據(jù)目前應(yīng)用實(shí)踐,礦井降溫最有效的方法還是人工制冷降溫[26]。

人工制冷降溫的方法主要有機(jī)械制取冷水降溫技術(shù)、機(jī)械制冰降溫技術(shù)、空氣壓縮式制冷技術(shù)、天然冷源(恒溫水)空調(diào)系統(tǒng)、熱管降溫技術(shù)、深井HEMS降溫系統(tǒng)以及熱—電—乙二醇降溫冷卻技術(shù)。

機(jī)械制取冷水降溫技術(shù)按制冷站的位置可分為四種：井下集中式、地面集中式、井上井下聯(lián)合集中式、分布式[27]。井下集中式系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，供水冷管道短，沒有高低壓換熱器，僅有冷水循環(huán)管路。但必須在井下開鑿大斷面峒室，并且電機(jī)和控制設(shè)備都需防爆，難度大，造價(jià)高，冷凝熱排放也困難。這種布置形式只適用于需冷量不太大的礦井。地面集中式系統(tǒng)比較于井下集中式空調(diào)系統(tǒng)，制冷機(jī)不需要采取防爆措施，排熱方便，冷損失小，水頭壓力小，易安裝，便于運(yùn)行管理。但此系統(tǒng)形式年運(yùn)行時(shí)間不短、供冷距離短、要求水量大、凍水溫差小, 這些缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了其在深井的應(yīng)用。井上井下聯(lián)合集中式系統(tǒng)設(shè)備布置分散，冷媒循環(huán)管路復(fù)雜，操作管理不便。但是它可提高一次載冷劑回水溫度，減少冷損；可利用一次載冷劑將井下制冷機(jī)的冷凝熱帶到地面排放，這樣就決定了此系統(tǒng)能承擔(dān)大負(fù)荷, 這些是井下集中式和地面集中式所缺少的品質(zhì)。當(dāng)實(shí)際礦井工程中某幾個(gè)單獨(dú)的工作面需要降溫，這時(shí)分布式空調(diào)系統(tǒng)是一種高效經(jīng)濟(jì)的降溫措施[28]。分布式空調(diào)在我國(guó)應(yīng)用比較廣泛，如在平煤十礦[29-30]、淮南潘三煤礦[31-32]、新汶礦業(yè)集團(tuán)華豐煤礦[33]、徐州三尖河煤礦[34]的實(shí)踐應(yīng)用中，都達(dá)到了良好的降溫效果。

機(jī)械制冰降溫技術(shù)就是利用將制冰機(jī)制取的粒狀冰或泥狀冰, 通過風(fēng)力或水力輸送至融冰裝置，在融冰裝置內(nèi)，冰與井下空調(diào)回水直接換熱，使空調(diào)回水的溫度降低。冰冷卻空調(diào)系統(tǒng)一般采用地面集中式，按照冰的形態(tài)可分為兩種：一種是以固態(tài)冰形式輸送；一種是以流態(tài)的冰漿形式輸送。近幾年機(jī)械制冰降溫技術(shù)的研究主要有2005年郎慶田等人設(shè)計(jì)的礦井冰冷降溫系統(tǒng)中的井下融冰池[35]和礦井冰冷低溫輻射降溫系統(tǒng)[36]，2008年胡春勝等人設(shè)計(jì)的礦用冰冷降溫系統(tǒng)，2009年董凱軍等人設(shè)計(jì)的礦井降溫系統(tǒng)及降溫方法[37]，以及2011年馮自平設(shè)計(jì)的冰漿礦井空調(diào)井上井下聯(lián)合降溫系統(tǒng)[38]。

空氣壓縮式制冷空調(diào)有渦輪式空氣制冷、變?nèi)菔娇諝庵评?、渦流管式空氣制冷和壓氣引射器制冷等形式；由于后三種形式使用的局限性, 使得渦輪式空氣制冷是目前最常用的礦井空調(diào)系統(tǒng)。由于空氣壓縮制冷循環(huán)的制冷系數(shù)、單位質(zhì)量。

制冷工質(zhì)的制冷能力均小于蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)，在產(chǎn)生相同制冷量的情況下，空氣壓縮式制冷系統(tǒng)需要較龐大的裝置，并且單位制冷量的投資和年運(yùn)行費(fèi)用均高于蒸汽壓縮式系統(tǒng)，因此，全礦井采用空氣壓縮式制冷系統(tǒng)降溫的礦井是屈指可數(shù)的。

天然冷源(恒溫水)空調(diào)系統(tǒng)是利用恒溫的地下水, 作為空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)的冷源對(duì)礦井進(jìn)行降溫的方法。如2011年劉增輝等人設(shè)計(jì)的利用恒溫含水地層進(jìn)行礦井降溫的系統(tǒng)[39]。

熱管降溫技術(shù)作為分離氨系統(tǒng)的一種變形，其實(shí)質(zhì)是：中央制冷站設(shè)在地表，熱管的冷凝熱由中央制冷機(jī)排除，而熱管的蒸發(fā)器設(shè)于井下，用于制取井下降溫用的冷媒水。其特點(diǎn)是制冷站設(shè)在地表，維護(hù)管理方便；冷媒水井下循環(huán)利用。

深井HEMS降溫系統(tǒng)是針對(duì)深井開采高溫?zé)岷刂扑邪l(fā)的一套工藝系統(tǒng),上文提到的何滿朝在2008年提出了以礦井涌水作為冷源的深井開采高溫?zé)岷刂萍夹g(shù)，運(yùn)用提取出的冷量與工作面高溫空氣進(jìn)行換熱作用，降低工作面的環(huán)境溫度及濕度。

熱—電—乙二醇降溫冷卻技術(shù)，就是利用矸石電廠的蒸汽余熱,通過溴化鋰吸收式冷水機(jī)組一級(jí)制出5. 2 ℃的乙二醇低溫水。溴化鋰機(jī)組制出的低溫冷媒水再進(jìn)入螺桿式乙二醇機(jī)組二級(jí)制出-3. 4 ℃的乙二醇高壓冷媒水,冷水通過保溫管道輸送到井下?lián)Q冷硐室,乙二醇冷媒水在換冷硐室內(nèi)通過高低壓換冷器,把冷量置換給低壓側(cè)的普通水冷媒介質(zhì)后,通過回水管路重新進(jìn)入溴化鋰機(jī)組循環(huán)使用,形成高壓冷媒回路。冷媒水經(jīng)高低壓換冷器換冷后通過進(jìn)水管道到達(dá)采掘工作面空冷器,進(jìn)行能量交換[40]。

2 發(fā)展及應(yīng)用前景

隨著高溫礦井?dāng)?shù)量的不斷增多，礦井制冷降溫技術(shù)在礦井中的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。

(1)人工制冷水降溫技術(shù)經(jīng)過幾十年的實(shí)踐，已經(jīng)發(fā)展成為一種比較成熟的礦井降溫技術(shù)，不論是過去還是將來，都將是礦井降溫技術(shù)的主流。井下系統(tǒng)的冷凝熱排放問題和地面系統(tǒng)高低壓轉(zhuǎn)換的溫度躍升問題還需各國(guó)研究機(jī)構(gòu)不斷努力。

(2)冰冷卻降溫系統(tǒng)由制冰、輸冰和融冰3個(gè)環(huán)節(jié)組成。正是由于這3個(gè)環(huán)節(jié)還處在研究探討過程中，使得冰冷卻降溫系統(tǒng)還沒能得到廣泛應(yīng)用。從冰的融化到礦井降溫系統(tǒng)能否獲得穩(wěn)定的低水溫和穩(wěn)定的水流量，如何提高融冰速度、減小融冰槽體積需要研究; 適合不同冰制備方式的制冰設(shè)備的開發(fā)和研制也有待提高。

(3)今后，礦井降溫應(yīng)更多的從系統(tǒng)工程、經(jīng)濟(jì)性和新技術(shù)的角度來考慮。盡量做到節(jié)能、節(jié)電和綠色環(huán)保。如在非人工制冷措施不能滿足礦井降溫需求時(shí)，再考慮利用機(jī)械制冷降溫的措施。

3 結(jié)束語

隨著礦井開采深度的不斷增加，礦井機(jī)械化程度會(huì)越來越高，礦井熱害的問題也會(huì)更加突出，采取降溫措施勢(shì)在必行。從一定角度來說，礦井降溫技術(shù)的發(fā)展決定了礦井開采能力未來的發(fā)展。礦井高溫、高塵、高濕度的環(huán)境以及狹小的井下空間，都為礦井降溫增加了一定的困難，它要求礦井在降溫的同時(shí)需綜合考慮各種問題，以求提供給工人舒適的工作環(huán)境。此外，每一種高溫礦井的降溫方法都有它獨(dú)有的適用條件，在實(shí)際應(yīng)用應(yīng)考察各個(gè)礦井的實(shí)際狀況，充分利用礦區(qū)的特點(diǎn)和有利條件，在實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，找出合適的、行之有效的礦井降溫方法。

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