礦井熱源分析及降溫技術(shù)研究和發(fā)展

柴會來 王建學(xué) 王景剛 鮑玲玲

(1.河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.北京礦大節(jié)能科技技術(shù)有限開發(fā)公司，北京 100083)

礦井熱源分析及降溫技術(shù)研究和發(fā)展

柴會來1，2王建學(xué)1，2王景剛1鮑玲玲1

(1.河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.北京礦大節(jié)能科技技術(shù)有限開發(fā)公司，北京 100083)

礦井熱源分析及降溫技術(shù)對深井開采有重要意義。從礦井巷道內(nèi)巖體放熱、礦石氧化放熱、機電設(shè)備放熱、井下熱水放熱及局部熱源放熱5方面分析煤礦熱害來源。將礦井降溫技術(shù)分為傳統(tǒng)降溫技術(shù)和現(xiàn)代降溫技術(shù)2大類型，評述各降溫技術(shù)原理、特點及應(yīng)用現(xiàn)狀。機械制冰降溫仍然存在運冰和融冰技術(shù)難題。機械制冷水降溫技術(shù)應(yīng)用成熟，已經(jīng)成為現(xiàn)行礦井降溫的主要手段；瓦斯發(fā)電制冷降溫技術(shù)有機地結(jié)合了煤礦瓦斯排放和治理井下熱害問題，實現(xiàn)了能源的合理利用；分離式熱管降溫技術(shù)適應(yīng)大型化換熱設(shè)備，冷、熱流體完全分隔開，且系統(tǒng)循環(huán)不需要外加動力。另外，提出了現(xiàn)行礦井降溫技術(shù)的一些改進(jìn)方法及研究趨勢。

礦井熱害 高溫?zé)嵩?降溫技術(shù) 瓦斯發(fā)電 分離式熱管 發(fā)展趨勢

礦井熱害就是井下空氣的溫度、濕度、風(fēng)速達(dá)到一定狀態(tài)后，出現(xiàn)人體散熱散濕困難，感到悶熱，體溫升高、頭暈、虛脫等中暑癥狀，甚至出現(xiàn)死亡的災(zāi)害。伴隨國民經(jīng)濟迅猛發(fā)展，煤炭需求與日俱增，煤礦向縱深開采趨勢毋庸置疑；礦井巷道周圍巖體和空氣溫度隨礦井深度增加而不斷升高，據(jù)我國煤田地溫觀測資料統(tǒng)計，地溫梯度為0.02～0.04 ℃/m[1]，礦井熱害問題是客觀存在的現(xiàn)象。熱害問題嚴(yán)重影響井下工人健康和工作效率，情況嚴(yán)重則可能引發(fā)礦井惡劣事故，造成巨大人身財產(chǎn)損失。為井下營造良好的工作環(huán)境已成為礦井開采亟待解決的問題，煤礦深井降溫技術(shù)研究已然是國內(nèi)外學(xué)者研究的重要領(lǐng)域。

1 井下熱源分析

礦井熱環(huán)境下能夠引起礦井氣溫升高的影響因素統(tǒng)稱為熱源，進(jìn)行礦井熱源分析是礦內(nèi)風(fēng)流熱力狀態(tài)預(yù)測和礦井熱害防治的基礎(chǔ)，是必須要做好的準(zhǔn)備工作[2]。

(1)巷道巖體放熱。礦井開采工程中影響礦井熱環(huán)境的直接因素是井巷地質(zhì)地?zé)釛l件。大量觀測資料顯示，地?zé)崾菍?dǎo)致礦井高溫?zé)岷Φ闹饕蛩?。圍巖放熱是礦井主要熱源之一，礦井地溫梯度主要受巖石導(dǎo)熱系數(shù)與大地?zé)崃髦档挠绊?，溫度梯度與礦井深度決定了巖體具體溫度值。其熱量主要自巖體深處及裂縫水通過熱傳導(dǎo)和對流傳遞給井巷，最終井下空氣與巷道巖體進(jìn)行熱交換后溫度升高。

(2)礦石氧化放熱。硫化礦、煤、煤塵、碎石等發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時會放出熱量，它們是造成礦井內(nèi)氧化放熱的主要熱源，但是在一般情況下，1個回采工作面的氧化放熱量不超過30 kW。

(3)礦井機電設(shè)備放熱?，F(xiàn)代化開采技術(shù)的應(yīng)用使采礦工程化水平不斷提高，機電設(shè)備裝機容量急劇加大，設(shè)備運轉(zhuǎn)的放熱已經(jīng)成為風(fēng)流溫升的一個重要因素，在井下回采工作面熱害影響明顯。

(4)井下熱水傳熱。礦井熱水主要來自于地下涌水、巷道滲水和淋水，這類熱水活動強烈多為脈狀或裂隙脈狀，當(dāng)與井巷內(nèi)風(fēng)流間進(jìn)行復(fù)雜熱質(zhì)交換后即發(fā)生礦井熱害，介于其中有些熱量參量無法準(zhǔn)確確定，影響礦井熱力計算精度[3]。

(5)局部熱源放熱。①炸藥爆破時放熱，據(jù)資料顯示[4]，井下工作面爆破時常用的2號巖石硝銨炸藥的爆破熱為3 639 kJ/kg，這是相當(dāng)大的一部分熱量；②水泥水化時放熱；③井下工作人員及照明設(shè)備等放熱；④風(fēng)流自壓縮熱。

2 礦井降溫技術(shù)應(yīng)用

2.1 傳統(tǒng)礦井降溫技術(shù)

傳統(tǒng)礦井降溫技術(shù)根據(jù)制冷耗能方式不同可概括為機械制冷和非機械制2類。非機械方式主要有通風(fēng)降溫、控制井下熱源以及個體防護技術(shù)；而機械制冷方式主要有機械制冷水、制冰降溫以及空氣壓縮制冷降溫技術(shù)。目前，在大多數(shù)淺層礦井熱害治理中非機械制冷式降溫措施應(yīng)用較為成熟。

2.1.1 通風(fēng)降溫技術(shù)

通風(fēng)降溫技術(shù)在熱害問題較輕的礦井中應(yīng)用較為普遍，有改進(jìn)通風(fēng)方式、避開局部熱源、加強通風(fēng)、預(yù)冷進(jìn)風(fēng)風(fēng)流等方法。一般情況下采用下行風(fēng)可以降低工作面的風(fēng)溫1～2 ℃[4]；可以采用減少風(fēng)阻、防止漏風(fēng)、加大風(fēng)機能力等方式加強通風(fēng)，但是風(fēng)量的增加不是無限制的，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗，最經(jīng)濟的通風(fēng)量為巷道空間體積的0.56～0.84倍，井下工作面掘進(jìn)風(fēng)速一般以1～1.5 m/s為宜，風(fēng)速過大會引起巖粉飛揚。

2.1.2 控制井下熱源技術(shù)

由于井下空氣的自壓縮而引起的溫升及巷道巖體散熱、機電設(shè)備運轉(zhuǎn)放熱、礦石氧化放熱等被稱為可控?zé)嵩?，帶走井下熱量的唯一手段是通過風(fēng)、水的流動。但是當(dāng)?shù)竭_(dá)工作面的風(fēng)、水溫度升高后，就會影響風(fēng)、水帶走工作面熱量的能力，無法實現(xiàn)預(yù)期的降溫效果，因此，控制這一部分熱源具有重要意義。對于巷道巖體散熱可以采用阻熱降溫技術(shù)，將巷道熱源阻擋在巷道圍巖外部，降低向巷道內(nèi)部放熱，成本較低，施工簡單，該技術(shù)尤為適合高熱巷道，同時可配合人工制冷降溫技術(shù)。經(jīng)巷道工業(yè)性試驗，采用玻璃微珠保溫砂漿作為巷道阻熱層材料，巷道熱量散熱率降低了36%[5]，隔熱效果顯著。

2.1.3 個體防護技術(shù)

鑒于某些礦井巷道內(nèi)氣候條件相對惡劣，不能用風(fēng)流冷卻技術(shù)，需要工作人員穿上冷卻服，實施個體防護。該技術(shù)使用方便，適合井下設(shè)備操作人員及生產(chǎn)管理者，且技術(shù)成本低，較其他制冷方式降低80%左右。目前，各國都在爭相開展冷卻服研制工作，例如，南非加爾德-來特公司研制的干冰冷卻背心、美國ILC公司制造的以液體介質(zhì)和冰水作為制冷介質(zhì)的波羅太空背心、德勒格爾公司的液體介質(zhì)和CO2干冰混合背心等。目前南非、美國等國家在該項技術(shù)方面走在前列[6]。

2.1.4 機械制冷水降溫技術(shù)

機械制冷水降溫技術(shù)在近30 a發(fā)展迅速，現(xiàn)已經(jīng)成為礦井降溫的主要措施，根據(jù)系統(tǒng)制冷站安放位置、載冷劑循環(huán)方式,井下風(fēng)流冷卻點等可將其分為井下集中式、地面集中式、井上下聯(lián)合集中式、井下局部分布式這4種。

井下集中式(見圖1)是將制冷機安裝在礦井下，通過輸水管道給各用冷工作面集中供冷，技術(shù)實施簡單；地面集中式(見圖2)可分為地面冷卻風(fēng)流系統(tǒng)和井下冷卻風(fēng)流系統(tǒng)，前者制冷設(shè)備均位于地面，后者僅制冷機位于地面，空冷器位于采掘工作面；井上下聯(lián)合集中式相當(dāng)于礦井上下制冷系統(tǒng)的混合應(yīng)用，集中了兩者的優(yōu)點，但是操作較為復(fù)雜；井下局部分布式(見圖3)制冷機可以靈活移動，輸冷距離短，應(yīng)用方便。德國實踐表明[7]：井下局部分布式適合負(fù)荷小于2 MW的礦井，而負(fù)荷大于2 MW的礦井適合采用集中式；目前，在集中式系統(tǒng)應(yīng)用中，國外研制的一種新型水能回收高低壓轉(zhuǎn)化器，其溫度躍升可以從4～6 ℃降到0.2 ℃。

2.1.5 機械制冰降溫技術(shù)

機械制冰降溫技術(shù)(見圖4)主要是利用冰的溶解熱來制取冷卻水，然后通過管道把冷卻水送到井下各用冷工作面，系統(tǒng)包括制冰、運冰、融冰以及排熱4部分。實驗研究表明[8]，一般通過管道運冰，相同冷負(fù)荷下運冰量只占輸冷凍水量的1/4～1/5，所以管徑要小很多，將大大減少占用巷道內(nèi)空間。融冰過程是該系統(tǒng)的一個非常重要的環(huán)節(jié)，它關(guān)系到能否獲得穩(wěn)定的低溫水及水流量。機械制冰降溫技術(shù)尚未成熟，如何提高融冰速度、減少融冰槽體積、運輸中管道堵塞、冷量損失等問題尚需進(jìn)一步改進(jìn)。

圖1 井下集中式系統(tǒng)流程Fig.1 Schematic diagram of the underground centralized system

圖2 地面集中式系統(tǒng)流程Fig.2 Schematic diagram of the ground centralized system

圖3 局部分布式系統(tǒng)流程Fig.3 Schematic diagram of the partly distributed system

圖4 機械制冰系統(tǒng)流程Fig.4 Schematic diagram of the ice manufacturing systems

2.1.6 空氣壓縮制冷降溫技術(shù)

空氣壓縮制冷降溫技術(shù)是將空氣作為冷媒質(zhì)，直接向井下工作面噴射制冷。該系統(tǒng)為逆卡諾循環(huán)系統(tǒng)，可分為定壓循環(huán)、定容循環(huán)和回?zé)嵫h(huán)3種方式。系統(tǒng)相對簡單，施工技術(shù)難度也較低，沒有高低壓轉(zhuǎn)化器和空冷器，輸冷管道數(shù)量相對較少，但是制冷設(shè)備較龐大，且需要礦井具有充足的壓縮氣源，投資和運行費用也相對較高，所以該技術(shù)應(yīng)用較少，鑒于該技術(shù)采用空氣作為制冷劑和載冷劑，不會帶來環(huán)境污染問題，其在高溫、高瓦斯礦井中應(yīng)具有較廣闊前景。

2.2 現(xiàn)代降溫技術(shù)

現(xiàn)代科技飛速發(fā)展，對能源合理利用和環(huán)境要求的提高，礦井降溫技術(shù)也不斷得到改進(jìn)和完善，一些現(xiàn)代礦井降溫技術(shù)應(yīng)運而生。

2.2.1 瓦斯發(fā)電制冷降溫技術(shù)

2.2 放射診斷科醫(yī)生建議 通過X光顯影，明確了導(dǎo)管線和電極線的位置及走向，導(dǎo)管末端位于上腔靜脈第7后肋，在右心耳外側(cè)，電極導(dǎo)線放置在右心房。當(dāng)患者體位發(fā)生較大變化時，導(dǎo)管尖端會向右心房端前進(jìn)2～3 cm，為安全起見，建議拔出PICC導(dǎo)管2 cm，讓導(dǎo)管尖端位置遠(yuǎn)離右心房，避免兩者相互影響。

該技術(shù)首先需要對礦井抽采瓦斯進(jìn)行除塵過濾、過濾等預(yù)處理后，經(jīng)內(nèi)燃機發(fā)電，然后余熱用來進(jìn)行井下降溫，電能并網(wǎng)，從而實現(xiàn)煤礦瓦斯能源綜合利用。在取得瓦斯發(fā)電效益的同時，利用余熱解決了礦井熱害治理難題。資料表明[9-11]，淮南礦區(qū)瓦斯發(fā)電余熱吸收制冷(熱電冷聯(lián)供)礦井降溫技術(shù)以得到廣泛應(yīng)用，最低余熱利用溫度已近80 ℃。

2.2.2 分離式熱管降溫技術(shù)

分離式熱管[12]的工作原理是依靠重力回流形成熱虹吸，熱管冷凝端在上，蒸發(fā)端位于底部并有液池，熱量輸入時液池內(nèi)工質(zhì)受熱形成蒸汽，通過絕熱段流向冷凝段，蒸汽在冷凝段釋放潛熱冷凝，最后依靠重力流回蒸發(fā)段，屬于無吸液芯熱管。見圖5。

圖5 分離式熱管原理Fig.5 Schematic diagram of the separate heat pipe

該技術(shù)用于礦井降溫的主要優(yōu)點有：

(1)適應(yīng)大型化換熱裝置。

(2)可以實現(xiàn)冷、熱兩流體遠(yuǎn)程換熱。

(3)可以實現(xiàn)冷、熱流體完全隔離，徹底杜絕滲漏現(xiàn)象。

(5) 可以通過設(shè)計合理的氣體流速使其具有自吹灰的能力，適于產(chǎn)塵量大的礦井。

(6)循環(huán)不需要輔助動力。

但是，不凝結(jié)性氣體、蒸發(fā)段脈沖振蕩、兩相流不穩(wěn)定性、充液率以及腐蝕等不利因素影響需要進(jìn)行深入定量研究[13]，尤其分離式熱管用于礦井環(huán)境的特性有待研究。此外，熱管的運行還受到各種毛細(xì)限、沸騰限及干涸的限制。

2.2.3 深井HEMS降溫系統(tǒng)

深井HEMS降溫系統(tǒng)是針對深井開采高溫?zé)岷栴}的降溫系統(tǒng)，其工作原理是利用礦井各水平現(xiàn)有涌水，通過HEMS系統(tǒng)從中提取冷量，然后將提取的冷量與井下工作面的高溫空氣進(jìn)行熱交換，降低工作面環(huán)境溫濕度，同時置換出的熱量為地面采暖及洗浴提供熱源。

3 礦井降溫技術(shù)發(fā)展趨勢與展望

(1)目前，我國礦井降溫措施中對于加強通風(fēng)、遇冷進(jìn)風(fēng)風(fēng)流技術(shù)應(yīng)用較為成熟，井下高溫巖體、個體防護技術(shù)也有一定的研究。

(2)機械制冰降溫技術(shù)仍需進(jìn)一步完善，應(yīng)加大融冰和輸冰技術(shù)研究力度，使冰冷卻技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。

(3)深井HEMS技術(shù)也只是處于起步階段，HEMS降溫以礦井涌水作為冷源，因此，該項技術(shù)主要適用于礦井涌水水源充足的礦井，但其獨特的優(yōu)勢在我國深井熱害治理研究中也將擁有良好的應(yīng)用前景。

(4)瓦斯發(fā)電制冷降溫技術(shù)雖在一些礦區(qū)取得了較好的應(yīng)用成果，但多數(shù)礦井為低濃度瓦斯，可利用率低，需加大對于低濃度瓦斯資源利用技術(shù)的研究，使瓦斯資源得到充分利用。

(5)分離式熱管用于礦井降溫的嘗試是可行的，有其獨特的優(yōu)勢，但是輸冷管道長、井下電動設(shè)備需要防爆，以對分離式熱管除進(jìn)行常規(guī)的熱力設(shè)計外，必須對干涸傳熱極限和沸騰傳熱極限等進(jìn)行校核，研發(fā)適用于井下特殊環(huán)境的分離式熱管。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

The Heat Source Analysis and the Research and Development on Air-cooling in Deep Mines

Chai Huilai1，2Wang Jianxue1，2Wang Jinggang1Bao Lingling1

(1.SchoolofUrbanConstruction，HebeiUniversityofEngineering，Handan056038，China;2.CUMTEnergy-ConservationTechnologyCo.，Ltd.，Beijing100083，China)

Mine heat sources analysis and cooling techniques are important for deep mining.Heat hazards in mines were analyzed from five aspects of heat releases from mine tunnel rocks，ore oxidation，the electrical and mechanical equipment，underground heat water and local heat sources.And the air-cooling techniques were classified into traditional cooling technology and modern cooling technology，and their principle，characteristics and application status were discussed respectively.There exists ice transportation and melting issues in cooling technique of ice manufacturing.But，the technique of cooling water is so mature that it has become the main cooling mean.The cooling techniques of gas power generation could eliminate the gas emission and heat hazard in the mine，and realize the utilization of resources in a more intelligent way.The cooling techniques of separate type heat pipe which is suitable for the large-scale heat-exchange equipments completely separated cooled water from warmed fluid without external power.Besides，the development and trend on the current cooling techniques in underground mines were proposed.

Mine heat hazard，High temperature heat source，Cooling technique，Gas power generation，Separate type heat pipe，Development trend

2014-03-02

柴會來(1986—)，男，碩士研究生。

TD724

A

1001-1250(2014)-05-151-04