夏甸金礦深部開采制冷機(jī)組應(yīng)用實(shí)踐

寶海忠 姜 云 居偉偉 趙武鹍(.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)

夏甸金礦深部開采制冷機(jī)組應(yīng)用實(shí)踐

寶海忠1姜 云1居偉偉2，3，4趙武鹍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)

夏甸金礦開采延伸至-652 m水平以下，通風(fēng)系統(tǒng)已無法滿足通風(fēng)降溫的需要，井下高溫?zé)岷θ找鎳?yán)重。為此，在深部高溫開采工作面采用空氣制冷和水制冷降低工作面溫度，改善工作面環(huán)境，取得了較好的效果，為深部高溫礦山降溫提供了有益的借鑒。

深井礦山 高溫?zé)岷?制冷

山東招遠(yuǎn)夏甸金礦位于招遠(yuǎn)市南20 km處，是招金集團(tuán)的主要礦井，2013年礦石開采量達(dá)160萬t，黃金產(chǎn)量達(dá)4 t。由于該礦-652 m水平以上礦脈資源即將枯竭，目前正在-720 m水平開拓。開拓中受到井下高溫干擾，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)測，-700 m水平和-740 m水平掘進(jìn)風(fēng)筒出口處溫度已達(dá)33.8 ℃，回風(fēng)豎井掘進(jìn)頭溫度已達(dá)32.8 ℃，相對濕度均達(dá)到100%，超過國家(GBl 6423—2006)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》 26～28 ℃的采掘作業(yè)地點(diǎn)氣象條件規(guī)定,存在高溫?zé)岷栴}。

巖溫是深井礦山作業(yè)面氣溫升高、工作面作業(yè)條件惡化的主要原因之一。井下高溫對工人勞動效率和人身健康有極大影響，環(huán)境溫度升高，工人生產(chǎn)效率明顯下降。據(jù)前蘇聯(lián)調(diào)查資料，以井下氣溫26 ℃ 為基準(zhǔn)，氣溫每升高1 ℃，勞動生產(chǎn)率下降6%～8%；南非高溫金礦，當(dāng)井下氣溫高于30 ℃，相對濕度大于90%時(shí)，作業(yè)人員中開始出現(xiàn)中暑現(xiàn)象；原西德高溫礦井，在氣溫高于28 ℃，相對濕度大于90%的高溫高濕環(huán)境中，作業(yè)人員的心情煩躁不安，注意力不集中，反應(yīng)能力差，事故發(fā)生率增加約20%。因此深井高溫礦井降溫是提高勞動生產(chǎn)率、安全生產(chǎn)的必然選擇。

1 熱源分析

1.1 地 熱

參考緯度與之相近的山東東營地區(qū)恒溫帶溫度深度,地溫梯度參考緯度與之相近的山東淄博奎山地區(qū)的梯度，取0.02 ℃/m,計(jì)算夏甸礦各水平地溫,見表1。

表1 夏甸礦各水平地溫值

由表1可見，夏甸礦開采到-700 m水平時(shí)地溫已達(dá)到33 ℃以上，根據(jù)煤炭系統(tǒng)熱害等級劃分原則，夏甸礦井下高溫屬一級熱害區(qū)[1]。

1.2 機(jī)電設(shè)備散熱

本礦區(qū)井下采、掘、運(yùn)等各生產(chǎn)環(huán)節(jié)機(jī)械化程度較高，根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)際測量, 電氣設(shè)備在運(yùn)行中有20%的能量將轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)到空氣中，柴油機(jī)散發(fā)到空氣中的熱能更是達(dá)到其輸出機(jī)械能的200%[1]。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，柴油機(jī)設(shè)備散熱量6 242 kW以上。考慮到設(shè)備不可能同時(shí)運(yùn)行的因素，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，井下柴油機(jī)設(shè)備散熱量是井下高溫的重要熱源之一。

2 井下制冷方案

目前礦井降溫技術(shù)主要分為非人工制冷降溫技術(shù)、空調(diào)制冷降溫技術(shù)兩類。理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，當(dāng)圍巖溫度達(dá)到一定高度，風(fēng)量增加到一定程度后，非人工制冷降溫技術(shù)降溫幅度受到限制，無法解決熱害問題[2]。夏甸金礦井下熱害降溫應(yīng)主要采用礦井空調(diào)制冷降溫技術(shù)。

礦井空調(diào)制冷降溫系統(tǒng)根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同可以分為風(fēng)冷式降溫和水冷式降溫以及制冰降溫；根據(jù)降溫區(qū)域劃分，可分為井下局部降溫和整體降溫；根據(jù)制冷設(shè)備的擺放位置又可分為井上集中式、井下集中式和井下移動式[3]。

井下移動式方案，制冷機(jī)采用分散式局部制冷降溫，布置靈活，可根據(jù)負(fù)荷需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，無需引入水管。

2.1 -652 m水平以下環(huán)境現(xiàn)狀

根據(jù)估算，-652 m巖溫為31.99 ℃，對井下的熱環(huán)境影響較小,-652～-720 m水平巖溫逐步升至33.5 ℃，對采掘工作面的影響開始顯現(xiàn)。

現(xiàn)場實(shí)測，地面溫度29 ℃，混合井-652 m水平新風(fēng)溫度為28.4 ℃，說明淺層較低的地溫消除了井筒中空氣壓縮熱的影響，與估計(jì)的該地區(qū)地溫梯度基本吻合。

根據(jù)夏甸金礦提供的資料，-652 m以下水平的主要熱源為生產(chǎn)運(yùn)輸設(shè)備。統(tǒng)計(jì)資料表明-652 m 以下各水平共有鏟運(yùn)機(jī)4臺，輸出功率為58～95 kW，最大班同時(shí)工作的鏟運(yùn)機(jī)有3臺；-652 m 以下各水平共有運(yùn)輸卡車7臺，輸出功率為90～176 kW，最大班同時(shí)工作的運(yùn)輸卡車有6臺。經(jīng)計(jì)算，最大班工作時(shí)僅柴油機(jī)車的發(fā)熱量達(dá)到2 372 kW。-652 m以下水平最大班生產(chǎn)人員達(dá)到12人，人體散熱量約5.64 kW。

井下-652 m水平以下有掘進(jìn)和運(yùn)輸。其中掘進(jìn)主要受地?zé)嵊绊?，運(yùn)輸主要受地?zé)岷筒裼蜋C(jī)散熱雙重影響。

當(dāng)入井風(fēng)溫為31.1 ℃、相對濕度為75%運(yùn)輸工況時(shí)，井下-662～-700 m水平以下環(huán)境溫度達(dá)到36.6～39.5 ℃，相對濕度約98%，因此井下-652 m 水平以下必須采取降溫措施。

2.2 機(jī)組安裝位置

根據(jù)工作原理的不同，風(fēng)冷機(jī)組必須距離回風(fēng)井較近，水冷機(jī)組必須距離水倉較近。經(jīng)考察,選擇將風(fēng)冷機(jī)組放置在-740 m水平55102線處，水冷機(jī)組放置在-652 m水平551線處。風(fēng)冷機(jī)組使用φ400 mm的風(fēng)筒輸送冷風(fēng)至552線天井聯(lián)巷，使用φ600 mm的風(fēng)筒輸送熱風(fēng)至542回風(fēng)井；水冷機(jī)組使用φ400 mm的風(fēng)筒輸送冷風(fēng)至55101線進(jìn)路， -652 m 水平538水倉取水至機(jī)組，換熱后的水排至538水倉。

2.3 制冷機(jī)組技術(shù)數(shù)據(jù)

(1)風(fēng)冷機(jī)組。①配置2臺壓縮機(jī)，制冷量75.2 kW，風(fēng)機(jī)輸入功率9.6 kW/臺，合計(jì)19.2 kW；②制冷排熱量30 000 m3/h，內(nèi)部風(fēng)阻35 Pa，熱風(fēng)進(jìn)風(fēng)溫度32 ℃，出風(fēng)溫度44 ℃；③制冷機(jī)制冷量5 400 m3/h，內(nèi)部風(fēng)阻10 Pa，冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)溫度32 ℃(相對濕度95%)，出風(fēng)溫度21.5 ℃；④冷風(fēng)采用JK58-1No4/5.5 kW局部通風(fēng)機(jī)和φ400 mm的風(fēng)筒輸送，熱風(fēng)采用2臺FDNo6.3/2×30 kW局部通風(fēng)機(jī)和φ600 mm的風(fēng)筒輸送。

(2)水冷機(jī)組。①配置2臺壓縮機(jī)，制冷量75.2 kW，壓機(jī)輸入功率6.6 kW/臺，合計(jì)13.2 kW；②制冷機(jī)冷卻水流量15.5 m3/h，冷卻進(jìn)水30 ℃、出水35 ℃；③制冷機(jī)冷風(fēng)量5 400 m3/h，內(nèi)部風(fēng)阻10 Pa，冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)溫度32 ℃(相對濕度95%)、出風(fēng)溫度21.5 ℃；④采用JK58-1№4/5.5 kW局部通風(fēng)機(jī)和φ400 mm的風(fēng)筒輸送冷風(fēng)。

3 機(jī)組應(yīng)用

2014年5月份，夏甸金礦完成了現(xiàn)場安裝調(diào)試，開展了為時(shí)10 d的井下小型可移動式風(fēng)(水)制冷機(jī)組井下應(yīng)用試驗(yàn)。

3.1 風(fēng)冷機(jī)組測溫?cái)?shù)據(jù)

風(fēng)冷機(jī)組測溫?cái)?shù)據(jù)見表2、表3。

表2 2014年6月19日-740 m水平測溫記錄 ℃

地點(diǎn)基礎(chǔ)溫度(9:30)一次測溫(11:30)二次測溫(12:30)三次測溫(13:30)四次測溫(14:20)天井底32.430.230.030.030.0天井聯(lián)巷口31.829.929.829.829.65520131.730.630.330.330.3冷風(fēng)筒出口22.822.822.923.023.0熱風(fēng)筒出口48.248.548.548.849.0機(jī)組處31.736.036.036.037.0

注：11:00開始巷道內(nèi)有1臺內(nèi)燃機(jī)、2臺卡車巡回作業(yè)。

表3 2014年6月23日-740 m水平測溫記錄 ℃

地點(diǎn)基礎(chǔ)溫度(10:00)一次測溫(11:00)二次測溫(12:00)三次測溫(13:00)四次測溫(14:00)天井底31.829.631.031.430.2天井聯(lián)巷口31.831.030.432.431.85520131.831.231.432.832.2冷風(fēng)筒出口25.029.026.629.228.6熱風(fēng)筒一側(cè)大巷31.632.23333.432.8機(jī)組處31.833.034.035.034.0

注：11:30開始巷道內(nèi)有1臺內(nèi)燃機(jī)巡回作業(yè)；制冷機(jī)組的入風(fēng)、出風(fēng)溫差為13 ℃。

3.2 水冷機(jī)組測溫?cái)?shù)據(jù)

水冷機(jī)組測溫?cái)?shù)據(jù)見表4、表5。

3.3 風(fēng)冷機(jī)組巷道規(guī)格

風(fēng)冷機(jī)組巷道容積見表6。

3.4 水冷機(jī)組巷道規(guī)格

水冷機(jī)組巷道容積見表7。

4 結(jié) 論

本次試驗(yàn)取機(jī)組正常運(yùn)行4 h數(shù)據(jù)為參考，風(fēng)冷機(jī)組井巷最大降溫2.4 ℃/m3，水冷機(jī)組井巷最大降溫2.9 ℃/m3，水冷機(jī)組更具制冷效果，且安裝使用方便、對井下環(huán)境的影響優(yōu)于風(fēng)冷機(jī)組。試驗(yàn)結(jié)果表明，制冷機(jī)組可以解決深部高溫?zé)岷栴}，為礦山深部開拓的高溫問題提供了有益的借鑒和參考。

表4 2014年6月15日-652 m水平測溫記錄 ℃

地點(diǎn)基礎(chǔ)溫度(9:40)一次測溫(11:30)二次測溫(13:30)三次測溫(14:30)551進(jìn)路口30.631.229.630.2551進(jìn)路內(nèi)30.828.828.228.0552進(jìn)路口30.631.629.829.8553進(jìn)路口30.632.030.431.2554進(jìn)路口30.632.830.631.2555進(jìn)路口30.833.031.031.2風(fēng)筒出口28.027.827.426.2機(jī)組處30.631.630.430.2

注：11:00開始巷道內(nèi)有1臺內(nèi)燃機(jī)巡回作業(yè)。

表5 2014年6月17日-652 m水平測溫記錄 ℃

地點(diǎn)基礎(chǔ)溫度(9:30)一次測溫(11:10)二次測溫(12:00)三次測溫(13:00)四次測溫(14:00)551進(jìn)路口30.529.529.929.729.6551進(jìn)路內(nèi)30.829.128.428.027.9552進(jìn)路口30.629.930.330.630.6553進(jìn)路口30.630.531.231.530.7554進(jìn)路口30.630.931.831.530.8555進(jìn)路口30.631.533.332.230.9風(fēng)筒出口26.025.524.824.424.2機(jī)組處30.430.831.230.830.4

注：11:30開始巷道內(nèi)有1臺內(nèi)燃機(jī)巡回作業(yè)

表6 -740 m水平風(fēng)冷機(jī)組試驗(yàn)處巷道容積

表7 -652 m水平水冷機(jī)組試驗(yàn)處巷道容積

[1] 劉多文,李許勝,韓宗欣，等.黃金礦山深井制冷通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用研究[J].金屬礦山,2013(6):129-133.

[2] 吳麗麗,羅新榮,李 浪，等.高溫礦井空調(diào)制冷技術(shù)概況及發(fā)展[J].制冷與空調(diào)，2012(12):97-100.

[3] 宋士生,揚(yáng)中利,劉文波.深井開采礦山人工制冷技術(shù)綜述[J].黃金,2011(5):34-36.

2014-11-11)

寶海忠(1977—)，男，礦長助理兼安全科科長，265400 山東省招遠(yuǎn)市夏店鎮(zhèn)。