金屬礦山深部開采水冷集中降溫實(shí)踐

寶海忠 姜 云 居偉偉

(1.招金礦業(yè)股份有限公司夏甸金礦；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

金屬礦山深部開采水冷集中降溫實(shí)踐

寶海忠1姜 云1居偉偉2，3，4

(1.招金礦業(yè)股份有限公司夏甸金礦；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

目前夏甸金礦已回采至-980 m，深部開拓已達(dá)1 250 m，高溫?zé)岷θ找鎳?yán)重，通風(fēng)降溫已無法解決工作面高溫的問題，為此通過熱源分析確定井下總制冷量，選用KM1000型井下集中式制冷機(jī)組，采用井下集中制冷技術(shù)，通過現(xiàn)場應(yīng)用，100 kW空冷器的獨(dú)頭掘進(jìn)工作面溫度由39 ℃下降至27.5 ℃，200 kW空冷器的獨(dú)頭掘進(jìn)工作面溫度由40 ℃下降至27.3 ℃，取得了較好的降溫效果，保證了礦床安全高效回采，為同類深部高溫金屬礦山降溫提供了有益的借鑒和參考。

深部開采 熱源 集中降溫 制冷機(jī)組

金屬礦產(chǎn)資源是人類賴以生存與發(fā)展的基礎(chǔ)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國95%能源與80%工業(yè)原料來源于礦產(chǎn)資源，其中金屬礦產(chǎn)資源占有十分重要的地位。目前大部分金屬礦山回采至800 m左右，部分礦山回采超過1 000 m，通常稱為深井礦山。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在未來10～15 a，我國將有1/3的礦山達(dá)到或超過1 000 m,深部采礦將是國內(nèi)金屬礦山今后的發(fā)展方向。深部采礦中遇到的首要問題就是深部開拓過程中的高溫問題，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)大部分地區(qū)深部巖石自然增溫率在2.0～3.0 ℃,開采深度超過1 000 m 礦山,局部開拓區(qū)域的溫度將超過40 ℃。夏甸金礦現(xiàn)生產(chǎn)能力為4 500 t/d,回采深度為980 m,開拓深度為1 250 m,為有效解決深部開拓過程中的高溫問題,礦方應(yīng)用德國WAT公司井下水冷制冷技術(shù)與設(shè)備,有效解決深部開拓過程中局部高溫問題,為礦床安全高效回采創(chuàng)造良好的條件。

1 冷負(fù)荷計(jì)算

1.1 熱源分析

1.1.1 地 熱

地溫梯度參考緯度與之相近的山東膠東地區(qū)的梯度，取2.2 ℃/hm，據(jù)此計(jì)算夏甸金礦各水平地溫，結(jié)果見表1。

寶海忠(1977—)，男，礦長助理，工程師，265400 山東省招遠(yuǎn)市。

表1 夏甸金礦各水平地溫

由表1可見，夏甸金礦開采到-800 m水平時(shí)地溫已達(dá)35 ℃以上，屬一級熱害區(qū)。

1.1.2 空氣壓縮熱

夏甸金礦7#混合井井口標(biāo)高為163 m，一期井深已達(dá)-652 m水平，井筒內(nèi)空氣柱高達(dá)815 m。經(jīng)計(jì)算，重力導(dǎo)致的空氣壓縮熱為5.412 kJ/kg。

1.1.3 氧化熱

經(jīng)檢測，夏甸金礦開采的礦石中不含有易氧化的物質(zhì)，故井下熱環(huán)境不考慮氧化熱的影響。

1.1.4 機(jī)電設(shè)備散熱

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，全礦井下累計(jì)電機(jī)設(shè)備散熱量為550 kW，而柴油機(jī)設(shè)備散熱量高達(dá)6 242 kW以上?？紤]到設(shè)備不可能同時(shí)運(yùn)行因素，統(tǒng)計(jì)-652 m水平以下最大班同時(shí)運(yùn)行的柴油機(jī)設(shè)備散熱量高達(dá)2 192 kW。由此可見，夏甸金礦井下柴油機(jī)設(shè)備散熱量是井下高溫的重要熱源之一。

1.1.5 人體散熱

夏甸金礦井下按重體力勞動(dòng)強(qiáng)度考慮，散熱量為0.47 kW/人，按井下最大班60人考慮，人體散熱總量為28.2 kW。人體散熱量對井下熱環(huán)境的影響微乎其微。

1.1.6 地面大氣環(huán)境影響

夏甸金礦地區(qū)夏季室外氣象參數(shù)見表2。

表2顯示本地區(qū)夏季高溫季節(jié)時(shí)，從地面進(jìn)入井下的空氣本底參數(shù)已超過國家規(guī)定的勞動(dòng)安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。因此，夏季地面空氣溫度超過28 ℃時(shí)，也是提升井下風(fēng)流溫度的影響因素之一。

表2 夏季室外氣象參數(shù)

1.2 總需冷量

根據(jù)夏甸金礦-652 m以下水平熱源分析，通過鏟運(yùn)機(jī)和運(yùn)輸卡車總輸出功率計(jì)算，掘進(jìn)工況時(shí)，-652 m以下3個(gè)水平同時(shí)工作總需冷量約為1 000 kW；運(yùn)輸工況時(shí)，-652 m以下3個(gè)水平同時(shí)工作總需冷量約為4 000 kW。

2 井下降溫

2.1 設(shè)計(jì)制冷量

根據(jù)計(jì)算的需冷量，考慮管道及系統(tǒng)冷損后的制冷量，井下集中式降溫設(shè)計(jì)負(fù)荷見表3。

表3 井下集中式降溫負(fù)荷 kW

井下需冷量一級系統(tǒng)管道冷損二級系統(tǒng)泄漏冷損二級循環(huán)泵溫升考慮最大負(fù)荷同時(shí)系數(shù)0.9后的設(shè)計(jì)制冷量考慮機(jī)組系數(shù)(1.1)的制冷量機(jī)組選型制冷量4000218125140404044444500

現(xiàn)場考察后確定井下排水帶走冷凝熱，井下平均涌水量約為120 m3/h，通過計(jì)算得出制冷機(jī)最大制冷能力為1 000 kW,此制冷量僅能滿足一個(gè)水平在運(yùn)輸工況下或3個(gè)水平掘進(jìn)工況下的降溫需求。

2.2 工作面降溫設(shè)備布置

空冷器布置在-740 m水平，南北大巷或-780 m 水平以下斜坡道各布置一臺(tái)200 kW空冷器，4個(gè)穿脈采面各布置一臺(tái)100 kW空冷器。

2.3 井下降溫分析

2.3.1 井下涌水可帶走的熱量

確定集中降低熱害最為嚴(yán)重的-700 m水平以下的井下工作點(diǎn)溫度，在井下-700 m水平新建水倉。通過聯(lián)通-652 m中轉(zhuǎn)水倉和-652 m 535線水倉，-700 m水倉可以提供水溫28 ℃、流量120～130 m3/h的礦井涌水，作為井下制冷機(jī)組冷凝器的二級冷卻水。

根據(jù)德國WAT公司井下制冷機(jī)組參數(shù)，制冷量1 000 kW設(shè)備冷凝溫度為44 ℃，冷卻功率為1 250 kW，冷卻水流量為33.18 kg/s，一級冷卻水進(jìn)水溫度為32 ℃，出水溫度為41 ℃。如采用污水換熱器對設(shè)備進(jìn)行冷卻，按3 ℃溫差計(jì)算，則所需二級冷卻水溫應(yīng)為29 ℃，水量約120 m3/h。因此，利用-700 m冷水倉，聯(lián)通調(diào)度井下其他地點(diǎn)水倉排水，可以滿足一臺(tái)1 000 kW制冷機(jī)的冷卻要求。

2.3.2 降溫能力

通過對井下排水冷卻能力的分析可以看出，在現(xiàn)有條件下井下集中制冷、井下排熱方案的制冷能力能達(dá)到1 000 kW，能滿足-740 m水平采面及其4個(gè)穿脈巷掘進(jìn)工況的降溫。

2.4 方案設(shè)計(jì)

2.4.1 制冷排熱系統(tǒng)

制冷機(jī)冷凍水系統(tǒng)采用閉式循環(huán)，主要由井下制冷機(jī)組、輸冷管道、冷凍水循環(huán)泵、補(bǔ)水定壓裝置、末端空冷器及相應(yīng)控制閥門儀表等組成。其系統(tǒng)流程：井下制冷機(jī)組→輸冷供水管(約3 ℃)→空冷器→輸冷回水管(約18℃)→過濾器站→冷凍水循環(huán)泵→井下制冷機(jī)組。

制冷機(jī)冷卻水系統(tǒng)采用兩級冷卻，其主要目的是保護(hù)制冷機(jī)冷凝器不被含有泥沙的井下排水所磨損或堵塞，延長其使用壽命。其中一級冷卻水系統(tǒng)采用閉式循環(huán)，二級冷卻水系統(tǒng)(礦井涌水)采用開式循環(huán)。其一級流程為制冷機(jī)組冷卻水回水(41 ℃)→一級冷卻水泵→污水換熱器→冷卻水供水(32 ℃)→制冷機(jī)組，二級流程是-700 m水平水倉取水口(約28 ℃)→二級冷卻供水管→污水換熱器(約29 ℃)→二級冷卻水回水管(約38 ℃)→-740 m 水平熱水倉。水倉內(nèi)約38 ℃的井下涌水通過-740 m水平排水泵排至-652 m水平熱水倉，最后通過井下排水泵排至地面。為了確保整個(gè)降溫系統(tǒng)的良好制冷效果和低制冷能耗，-652 m水平熱水倉不能與其他水倉聯(lián)通。制冷機(jī)制取的3 ℃ 低溫冷水通過輸冷管道送至各采場及其穿脈巷空冷器，將穿脈巷的空氣降溫后，通過保溫風(fēng)筒送至各穿脈巷尾部。井下制冷及排熱系統(tǒng)流程見圖1。

2.4.2 制冷機(jī)組選型

制冷機(jī)組選型本著產(chǎn)品成熟可靠、控制方便、負(fù)荷調(diào)節(jié)方便、盡量避免風(fēng)險(xiǎn)的原則，根據(jù)井下涌水只能滿足制冷量為1 000 kW制冷機(jī)的冷卻要求，本次共考慮了IDV1000型和KM1000型制冷機(jī)組，具體參數(shù)見表4，技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見表5。

由表4、表5可知，KM1000型井下集中式制冷機(jī)組比IDV1000型集成式可移動(dòng)制冷機(jī)組運(yùn)行費(fèi)省，能效比高。根據(jù)制冷降溫系統(tǒng)技術(shù)可靠，機(jī)組選型能效比高及運(yùn)行費(fèi)省的原則，本設(shè)計(jì)制冷主機(jī)選用KM1000型井下集中式制冷機(jī)組。

圖1 井下制冷及排熱系統(tǒng)流程

2.4.3 降溫硐室布置

降溫硐室設(shè)在井下-740 m水平入口處的北面，硐室長約40 m，寬、高均5 m。硐室內(nèi)布置1臺(tái)1 000 kW 制冷機(jī)組、2臺(tái)冷凍水循環(huán)泵(一備一用)、2臺(tái)一級冷卻水循環(huán)泵(一備一用)、過濾器站及補(bǔ)水定壓等配套設(shè)備。冷凍水循環(huán)泵型號(hào)為ISG125-250B，流量為83 t/h，電機(jī)功率為37 kW,電壓為380 V；一級冷卻水循環(huán)泵型號(hào)為ISG125-200B，流量為138 t/h，電機(jī)功率為22 kW,電壓為380 V。系統(tǒng)冷凍水和一級冷卻水補(bǔ)水均采用軟化水，配套1臺(tái)5 m3軟水箱和2臺(tái)補(bǔ)水泵(型號(hào)為ISG32-200，流量為4.5 t/h，電機(jī)功率為3 kW,電壓為380 V)。為了防止水中雜物堵塞制冷機(jī)組蒸發(fā)器，在冷凍水循環(huán)泵吸入口前端設(shè)手動(dòng)反沖洗過濾器。

表4 制冷機(jī)組具體參數(shù)

表5 制冷機(jī)組技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

2.4.4 冷卻設(shè)備布置

污水換熱器安裝在-740 m水平聯(lián)絡(luò)巷南邊換熱硐室內(nèi)。本工程制冷機(jī)冷卻水通過污水換熱器采用礦井涌水冷卻，礦井排水來自-700 m冷水倉，為了保證冷卻水量穩(wěn)定，設(shè)計(jì)同時(shí)貫通原-652 m中轉(zhuǎn)水倉和-652 m 535線水倉。二級冷卻水供水通過-700與-740 m水平換熱硐室間的高差自流進(jìn)手動(dòng)反沖過濾器后進(jìn)入污水換熱器，換熱后的冷卻水回水進(jìn)入換熱硐室旁的熱水倉，約38 ℃熱水通過換熱硐室內(nèi)的排水泵排到-652 m井下熱水倉，最終通過礦井排水泵排至地面。污水換熱器參數(shù)：交換功率為1200 kW；一級冷卻水水溫為32～41 ℃，流量為115 t/h；二級冷卻水(礦井涌水)水溫為29～38 ℃，流量為120 t/h。

2.4.5 輸冷管及冷卻水管道布置

冷媒水由冷凍水循環(huán)泵經(jīng)輸冷管送至深部各掘進(jìn)工作面空冷器處，斜坡道輸冷管主管直徑為140 mm，長1 400 m;至各水平沿脈巷輸冷管支管直徑為114 mm,長1 900 m。輸冷管采用預(yù)制聚氨酯保溫管。一級冷卻水進(jìn)口溫度為32 ℃，冷卻水出口溫度為41 ℃，制冷機(jī)冷卻水設(shè)計(jì)流量為33.3 kg/s，冷卻水管道為φ168 mm無縫鋼管,接至污水換熱器，經(jīng)冷卻后回到制冷機(jī)內(nèi)。由于冷卻水管道內(nèi)水溫接近環(huán)境溫度，因此無需保溫。

2.4.6 末端設(shè)備布置

井下降溫的末端設(shè)備主要由空冷器、過濾器、儀表閥門等組成,共配置6臺(tái)200 kW空冷器。由于制冷量遠(yuǎn)小于末端空冷器換熱量，需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，調(diào)配冷凍水分配方向，以集中力量解決某一局部降溫問題。

3 應(yīng)用效果

夏甸金礦自2014年10月集中在-740 m水平與-780 m下向斜坡道應(yīng)用此降溫技術(shù)與設(shè)施，采用100 kW空冷器的獨(dú)頭掘進(jìn)工作面溫度由原來的39 ℃下降至27.5 ℃，采用200 kW空冷器的獨(dú)頭掘進(jìn)工作面溫度由原為的40℃下降至27.3 ℃,取得了較好的降溫效果,保證了深部礦床安全高效回采。

4 結(jié) 論

(1)金屬礦山深部礦床回采過程中巖層高溫問題已成為影響礦山持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的瓶頸，合理地應(yīng)用井下水冷制冷技術(shù)能夠創(chuàng)造一個(gè)安全舒適的作業(yè)環(huán)境，保證礦產(chǎn)資源的安全高效回采，產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

(2)井下制冷降溫技術(shù)需要與礦井通風(fēng)系統(tǒng)合理銜接與優(yōu)化，局部開拓工程施工結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)建設(shè)或優(yōu)化礦井的通風(fēng)系統(tǒng)，以通風(fēng)系統(tǒng)的良好運(yùn)行促進(jìn)降溫系統(tǒng)的良好運(yùn)轉(zhuǎn)。

2014-12-10)