金屬礦山深井人工制冷降溫系統(tǒng)模式分析

黃壽元趙曉雨李　剛周　偉梁　鑫

（1.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，安徽　馬鞍山243000；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000；3.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽　馬鞍山243000；4.長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙410019）

隨著我國金屬礦山開采向深部延伸，深井金屬礦山日益增加。深部開采過程中地溫地?zé)徇@一主要熱源無法避免，熱害礦井凸顯[1]。人工制冷降溫成為了金屬礦井深部開采的必然、最直接選擇，也涌現(xiàn)出了諸多人工制冷降溫新技術(shù)[2]，如招金礦業(yè)夏甸金礦在井下-740 m中段建立了國內(nèi)第一座金屬礦山局部制冷降溫系統(tǒng)，主要針對獨(dú)頭掘進(jìn)巷道進(jìn)行降溫，降溫幅度4～6℃[3]。各礦山水文地質(zhì)條件、通風(fēng)系統(tǒng)等條件不同，礦山企業(yè)在進(jìn)行通風(fēng)優(yōu)化的同時，以小規(guī)模、單個或多個作業(yè)面需冷的分散式局部制冷降溫解決礦井熱害問題，僅有部分高強(qiáng)度開采的大型深井礦山開始應(yīng)用集中制冷，如銅陵有色冬瓜山銅礦正在建設(shè)國內(nèi)第一座金屬礦山集中制冷降溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用地表集中式、往井下送冷風(fēng)模式。我國深部金屬礦井人工制冷降溫系統(tǒng)工程寥寥無幾，檢索文獻(xiàn)中未見有系統(tǒng)性、宏觀性地介紹金屬礦井降溫系統(tǒng)模式供礦山企業(yè)參考。這不僅與人工制冷降溫系統(tǒng)本身的復(fù)雜性、投資及運(yùn)行成本、維護(hù)管理有關(guān)，而且受各礦地溫地?zé)帷⑺牡刭|(zhì)、采礦方法、專業(yè)人才儲備等多因素影響[4-5]。筆者結(jié)合暖通專業(yè)知識及礦山通風(fēng)、降溫工作經(jīng)驗(yàn)，宏觀性地對深部金屬礦井人工制冷降溫系統(tǒng)模式進(jìn)行了探討。

1　冷負(fù)荷計算

礦山主要熱源包括圍巖散熱、熱水散熱（熱水型礦山）以及機(jī)械設(shè)備散熱。分項(xiàng)散熱量計算中，圍巖散熱與圍巖原始溫度、風(fēng)流溫度以及圍巖表面換熱系數(shù)等基本參數(shù)有關(guān)，熱水散熱與井下熱水涌水量、涌水情況、水溫有關(guān)，機(jī)械設(shè)備散熱與機(jī)電設(shè)備功率、外部通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量有關(guān)，對各熱源散熱量分項(xiàng)理論計算極其復(fù)雜。在礦井降溫工程設(shè)計中可采用如下公式計算：

該公式按照能量守恒原理，利用工作面進(jìn)出口空氣焓差法可以反算工作面散熱量，將工作面入口的初始空氣能量狀態(tài)（i1）處理到終點(diǎn)能量狀態(tài)（i2）過程所發(fā)生的能量（焓）變化量即工作面需冷量。計算只需確定設(shè)計冷風(fēng)量、進(jìn)出口空氣進(jìn)、出口空氣比焓，而空氣比焓由空氣溫度與相對濕度參數(shù)即可查焓濕圖確定。以大紅山鐵礦井下6#膠帶驅(qū)動站降溫設(shè)計為例，該降溫模式采用制冷降溫模式五—井下局部（分散式）制冷降溫系統(tǒng)、礦井回風(fēng)排熱，設(shè)計風(fēng)量15 m3/s，選擇進(jìn)風(fēng)溫度34.5℃，相對濕度80%，焓值為126.4 kJ/kg，降溫目標(biāo)溫度為28℃，相對濕度90%，焓值為98.1 kJ/kg，設(shè)計計算冷負(fù)荷約510 kW，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)施驗(yàn)證其降溫效果良好，達(dá)到預(yù)期效果。

2　人工制冷降溫模式選擇

圖1為礦山主要人工制冷降溫模式。

根據(jù)制冷降溫系統(tǒng)冷負(fù)荷、服務(wù)范圍，劃分為集中式降溫系統(tǒng)、分散式降溫系統(tǒng)。其中集中式降溫系統(tǒng)根據(jù)制冷機(jī)組所在位置，分為地表集中式與井下集中式，井下集中式按照冷凝熱排放裝置位置及冷凝熱散熱途徑，分為冷凝熱地表排放、礦井回風(fēng)及礦井水倉涌水排熱。總體說來，從制冷機(jī)組、散熱裝置相對位置以及冷凝熱排放途徑等方面綜合考慮，可以劃分6種降溫模式。

2.1　模式一

該模式在地表集中布置制冷機(jī)組及冷凝熱散熱裝置，冷媒（冷水、冷風(fēng)或冰塊）經(jīng)過管道（或井筒）往井下輸送。系統(tǒng)主要設(shè)備包括地表制冷機(jī)組、地表排熱或熱回收裝置、冷凍水泵、冷卻水泵、水管、空冷器，高低壓轉(zhuǎn)換器（深井）等組成。冷媒一般選擇冷水介質(zhì)，通過冷水機(jī)組蒸發(fā)器直接制取低溫冷水，經(jīng)過管道沿井筒或斜坡道或管纜井直接輸送至井下，在末端配置二次換熱裝置（空氣冷卻器或空冷器），進(jìn)行冷水—熱風(fēng)間接換熱得到冷風(fēng)送往工作面，而冷凍水經(jīng)空冷器換熱后升溫經(jīng)回水管道返回至冷水機(jī)組，在水冷機(jī)組內(nèi)部經(jīng)蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、節(jié)流閥、冷凝器等結(jié)構(gòu)將回水中熱量及壓縮機(jī)做功產(chǎn)生的熱量（統(tǒng)稱為冷凝熱）轉(zhuǎn)移到冷凝器的冷卻水中，冷凝熱可以經(jīng)地表冷卻塔或者采用熱回收裝置回收利用，整個降溫流程完成制冷、輸冷、散冷（換熱）以及冷凝熱直接排放或回收利用。圖2為模式一（地表集中式制冷降溫系統(tǒng)，井下輸送冷媒（冷水））示意圖。

2.2　模式二

該模式在井下集中布置制冷機(jī)組，冷凝熱散熱裝置布置在地表。制冷機(jī)組制取冷媒（冷水）經(jīng)過管道直接輸送至工作面空冷器，制冷機(jī)組產(chǎn)生的冷凝熱通過冷卻水管路輸送至地表冷卻塔或熱回收裝置，換熱后冷卻水返回至井下制冷機(jī)組冷凝器。系統(tǒng)主要設(shè)備包括井下制冷機(jī)組、地表排熱或熱回收裝置、冷凍水泵、冷卻水泵、水管、空冷器等組成。圖3為模式二（井下集中式制冷降溫系統(tǒng)，冷凝熱排放裝置布置在地表）結(jié)構(gòu)示意圖。

2.3　模式三

該降溫模式是在井下集中布置制冷機(jī)組，冷凝熱散熱裝置也布置在井下。制冷機(jī)組制取冷媒（冷水）經(jīng)過管道直接輸送至工作面空冷器，制冷機(jī)組產(chǎn)生的冷凝熱通過冷卻水管路輸送至井下冷卻塔，換熱后冷卻水返回至制冷機(jī)組。系統(tǒng)主要設(shè)備包括井下制冷機(jī)組、井下排熱裝置—冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵、水管、空冷器等組成。制冷機(jī)組的冷凝器中發(fā)生制冷劑與冷卻水熱交換，將冷凝熱釋放在冷卻水中，通過冷卻水泵將熱的冷卻水就近輸送至井下冷卻塔，在冷卻塔中發(fā)生冷卻水—礦井回風(fēng)冷熱交換，將冷卻水中冷凝熱最終釋放至礦井回風(fēng)，通過通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)系統(tǒng)完成井下冷凝熱排放，降溫后的冷卻水再次返回至制冷機(jī)組，循環(huán)作用。井下布置冷卻塔，因冷卻水中冷凝熱的最終排放需要通過冷卻水—空氣的熱交換，冷凝熱最終釋放至礦井空氣環(huán)境。圖4為模式三（井下集中式制冷降溫系統(tǒng)，冷凝熱礦井回風(fēng)排放）結(jié)構(gòu)示意圖。

2.4　模式四

該降溫模式是在井下集中布置制冷機(jī)組，同模式三的主要區(qū)別在于冷凝熱排放方式不同。系統(tǒng)主要設(shè)備包括井下制冷機(jī)組、井下水倉（天然冷卻塔）、冷凍水泵、冷卻水泵、排水泵、排水管、空冷器等組成。制冷機(jī)組的冷凝器中發(fā)生制冷劑與冷卻水熱交換，將冷凝熱釋放在冷卻水中，利用井下具備的水倉低溫涌水，在水倉布置換熱器或直接將冷卻水混入水倉，將冷凝熱排放至水倉中，水倉涌水再經(jīng)排水泵、通過排水系統(tǒng)排至地表。

結(jié)合井下涌水及水倉位置，以礦井涌水作為冷源，主要適用于礦井涌水水源充足、水溫適宜的礦井，對于礦井涌水水源、水溫不能滿足井下降溫冷能提取量要求的礦井，需要其他水源作為補(bǔ)充[6]。如新城金礦采用了水源熱泵系統(tǒng)，礦井水水溫較低，礦井涌水溫度28℃左右，作為礦井降溫專用機(jī)組良好的冷卻水源。利用礦井豐富的低溫涌水資源作為冷源去冷卻冷卻水，實(shí)現(xiàn)機(jī)組冷凝熱的冷卻，冷凝熱最終通過水倉排水系統(tǒng)排走。圖5為模式四（井下集中式制冷降溫系統(tǒng)，冷凝熱井下水倉涌水排放）結(jié)構(gòu)示意圖。

2.5　模式五

該降溫模式是結(jié)合區(qū)域降溫范圍內(nèi)各水平采場及掘進(jìn)作業(yè)面布置特點(diǎn)，以中段為服務(wù)目標(biāo)，選擇在1～2個水平相對集中布置制冷機(jī)組。系統(tǒng)設(shè)備組成基本同集中式制冷降溫系統(tǒng)，只是單臺制冷降溫機(jī)組規(guī)模較小、系統(tǒng)布局較為分散，采用礦井回風(fēng)最終實(shí)現(xiàn)冷凝熱的排放，全礦通風(fēng)系統(tǒng)或局部通風(fēng)系統(tǒng)密切結(jié)合。圖6為模式五（井下局部（分散式）制冷降溫系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)示意圖。

2.6　模式六

該降溫模式是結(jié)合降溫范圍內(nèi)各水平采場及掘進(jìn)作業(yè)面布置特點(diǎn)，以中段為服務(wù)目標(biāo)。系統(tǒng)設(shè)備組成基本同集中式制冷降溫系統(tǒng)，只是單臺制冷降溫機(jī)組規(guī)模較小、系統(tǒng)布局較為分散，采用水倉低溫涌水最終實(shí)現(xiàn)冷凝熱的排放，與井下水倉水溫、水質(zhì)、水量、水倉排水系統(tǒng)密切相關(guān)。本模式采用井下局部（分散式）制冷降溫系統(tǒng)，制冷機(jī)組單機(jī)負(fù)荷較集中式降溫系統(tǒng)小，但是系統(tǒng)組成基本同模式四的集中式降溫系統(tǒng)，缺一不可。圖7為模式六（井下局部（分散式）制冷降溫系統(tǒng)，低溫涌水排熱）結(jié)構(gòu)示意圖。

3　降溫模式比較

根據(jù)各制冷降溫模式的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、冷負(fù)荷規(guī)模及冷量制取、熱量排放等技術(shù)方面以及投資及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)成本分析，各模式的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。

模式一、模式二、模式三、模式四四者的共同點(diǎn)是采用集中式制冷降溫系統(tǒng)，主要區(qū)別在于制冷機(jī)組與冷凝熱散熱裝置的安裝位置以及冷凝熱的排放方式不同。模式五與前4種模式的主要區(qū)別在于制冷機(jī)組制冷量、規(guī)模不同，且只能采用礦井回風(fēng)排放冷凝熱。

模式一的最大的優(yōu)點(diǎn)是制冷機(jī)組及排熱裝置布置地表，后期維護(hù)管理方便，制冷機(jī)組設(shè)備安全性能要求低，但是存在冷媒輸送管路長，冷量損失大，機(jī)組冷負(fù)荷大，初期投資及后期運(yùn)行成本最高。模式二克服了模式一中冷媒長距離輸送過程的冷量損失。

模式二中制冷機(jī)組布置在井下，冷媒以較短距離送往工作面，冷量損失小，較模式一中冷量損失減少10%～20%，初期投資及后期運(yùn)行成本相對模式一要低。

模式二與模式三的主要區(qū)別是冷凝熱排放裝置一個在地表，一個在井下，這樣使得模式二不受通風(fēng)系統(tǒng)影響，模式三利用礦井回風(fēng)排熱，要求有可利用的礦井回風(fēng)，風(fēng)量風(fēng)溫風(fēng)質(zhì)可滿足冷卻塔中冷卻水與空氣換熱需求，受礦井通風(fēng)系統(tǒng)影響大，可能發(fā)生冷凝熱的二次熱污染，惡化現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)效果，這與降溫系統(tǒng)出發(fā)點(diǎn)相違背。

模式四從技術(shù)角度分析，相對模式二、模式三具有利用礦井井下天然冷源的優(yōu)勢，但是三山島金礦井下涌水難以滿足模式四中集中式制冷降溫系統(tǒng)冷卻水冷卻要求。

模式五需要多達(dá)十幾臺移動式局部降溫機(jī)，導(dǎo)致后期維護(hù)、管理成本高，且冷凝熱排放仍只能通過礦井回風(fēng)系統(tǒng)排放，礦井回風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)溫、風(fēng)質(zhì)對冷凝熱排放效果影響極大，很難確保制冷降溫效果。

模式六從技術(shù)角度分析，基本同模式四，具有利用礦井井下天然冷源的優(yōu)勢，前提條件是礦山涌水資源豐富，水量、水溫、水質(zhì)有保障，且對水倉內(nèi)換熱器防腐、換熱性能要求高（設(shè)置內(nèi)外水倉可以不設(shè)置換熱器）。

因此，各降溫模式各有特色，降溫設(shè)計時必須結(jié)合礦山現(xiàn)有通風(fēng)、排水條件，各模式投資、運(yùn)營及后期維護(hù)管理成本進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選，最終選擇選擇制冷技術(shù)成熟、可靠，投資較少的降溫模式。

4　結(jié)論與展望

4.1　結(jié)論

（1）基于井下開采大空間的封閉和作業(yè)面小空間的開放特性，需冷量（冷負(fù)荷計算）是選擇降溫模式和維持降溫效果的關(guān)鍵參數(shù)。礦山降溫設(shè)計工程中若按照各熱源散熱量分項(xiàng)理論計算冷負(fù)荷，因理論計算公式中涉及諸多參數(shù)及假設(shè)條件，計算十分復(fù)雜，推薦采用“進(jìn)出口空氣焓差”計算冷負(fù)荷，計算簡單，適合于工程設(shè)計中采用。

（2）針對集中式和分散式2種降溫模式，集中式制冷降溫系統(tǒng)模式的顯著特點(diǎn)是前期投資及后期運(yùn)行維護(hù)成本高，如地表集中式降溫需要長距離輸送冷量，冷量損失大，管道輸送受到井筒條件限制，冷量輸送困難，最終導(dǎo)致冷量有效利用率低。礦山企業(yè)在選擇降溫模式時，建議前期選擇小規(guī)模、服務(wù)單個或多個作業(yè)面需冷的分散式局部制冷降溫系統(tǒng)模式為宜。

（3）制冷降溫模式選擇與井下生產(chǎn)條件、熱濕源分布密切相關(guān)，其中采用礦井回風(fēng)排放冷凝熱模式受通風(fēng)系統(tǒng)影響最大，采用礦井低溫涌水排放冷凝熱受礦山涌水量、水溫、水質(zhì)等水文水質(zhì)條件影響最大。除模式一中直接輸送冷風(fēng)冷媒模式外，其他各降溫模式中需要配置末端換熱器—空冷器，空冷器熱交換受通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量、風(fēng)質(zhì)（粉塵、油污、尾氣等）影響，降溫地點(diǎn)降溫效果與通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)效果緊密相關(guān)。

（4）采取加大通風(fēng)的通風(fēng)降溫系統(tǒng)相對人工制冷降溫系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)、通風(fēng)構(gòu)筑物等管理簡單，礦山更容易接受加大風(fēng)量形式的通風(fēng)降溫解決深井熱害問題。而礦井人工制冷降溫不論是集中式還是局部降溫模式，初期建設(shè)成本和后期運(yùn)營成本都非常高，基于目前持續(xù)低迷的礦業(yè)形勢，人工制冷降溫系統(tǒng)在國內(nèi)深井礦山的推廣應(yīng)用仍面臨著巨大的經(jīng)濟(jì)困難。

4.2　幾點(diǎn)展望

（1）開展可控循環(huán)通風(fēng)降溫技術(shù)研究。采用該方法相當(dāng)于營造地表建筑室內(nèi)封閉空間，使得降溫區(qū)域冷量得以循環(huán)利用，顯著減少礦山井下巷道縱橫交錯等開放空間及直流式通風(fēng)系統(tǒng)造成的較大冷量損失，相對提高冷量的有效利用率。

（2）開展礦山降溫冷凝熱回收利用、余熱發(fā)電等節(jié)能技術(shù)研究。采用該技術(shù)是將礦山熱害“變廢為寶”，有利于減少人工制冷降溫系統(tǒng)運(yùn)行成本，促進(jìn)人工制冷降溫技術(shù)的推廣使用，符合“綠色生態(tài)礦山”建設(shè)要求。

（3）加強(qiáng)礦山行業(yè)暖通專業(yè)人才儲備、培養(yǎng)。鼓勵礦山設(shè)計院、設(shè)備廠家、熱害礦山企業(yè)配備暖通專業(yè)人才，尤其是熱害礦山企業(yè)配備暖通專業(yè)人才，有利于礦山企業(yè)接受礦井降溫技術(shù)及礦山降溫工程投入運(yùn)營的維護(hù)管理。