煤礦制冷技術(shù)的研究及應(yīng)用

侯彪

（河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

1 研究背景

我們都知道煤炭資源在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占重要比例。由于煤炭資源不斷被消耗，開(kāi)采深度不斷增加,我國(guó)現(xiàn)在的平均開(kāi)采深度已經(jīng)高達(dá)800m左右，有很多的礦井開(kāi)采深度甚至已經(jīng)達(dá)到1200m以上。但是隨之而來(lái)的問(wèn)題也日益增多，高瓦斯?jié)舛?，高溫度，高?yīng)力等諸多問(wèn)題。這些問(wèn)題嚴(yán)重影響了開(kāi)采的進(jìn)行以及礦工的安全，如何保證礦工在一個(gè)安全的環(huán)境中進(jìn)行開(kāi)采是一個(gè)必須解決的問(wèn)題。到目前為止，很多專家學(xué)者提出了許多的降溫技術(shù)，比如人工降溫，空調(diào)降溫。但是他們都存在著很多的問(wèn)題，因此我們提出了一種半導(dǎo)體的降溫方法。

導(dǎo)致礦井高溫的原因很復(fù)雜，其中最重要的是以下幾個(gè)原因?qū)е碌模?/p>

①機(jī)電設(shè)備工作時(shí)會(huì)釋放出大量的熱量；

②地表的高溫氣流會(huì)通過(guò)通風(fēng)井進(jìn)到工作面；

③越往下開(kāi)采，溫度就會(huì)越高；

④工作面的煤炭會(huì)氧化，釋放出很多的熱量。

煤礦高溫的危害主要是降低勞動(dòng)者的勞動(dòng)效率，致使勞動(dòng)者意志恍惚，從而造成煤礦人為事故。眾所周知，人處于高溫環(huán)境中會(huì)感覺(jué)不適，易煩躁。在高溫環(huán)境中工作易發(fā)生中暑現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅煤礦工人的安全。隨著煤礦工人勞動(dòng)效率的下降，致使煤礦的掘進(jìn)工作放慢，造成接替紊亂，不能有效地保證煤礦的安全、高效開(kāi)釆，給煤礦企業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

2 常見(jiàn)制冷的方式和制冷原理

由于人工制冷技術(shù)的局限性，我國(guó)主要使用的是空調(diào)制冷的技術(shù)。空調(diào)制冷技術(shù)分為好多種，最主要的有蒸氣壓縮式制冷技術(shù)，人工制冰技術(shù)，熱制冷技術(shù)等。

礦井空調(diào)是一個(gè)很復(fù)雜的系統(tǒng)，主要是有載冷劑、制冷劑和冷卻水三個(gè)系統(tǒng)級(jí)聯(lián)而成的。

①制冷劑循環(huán)系統(tǒng)：制冷劑通過(guò)制冷劑的循環(huán)的方式來(lái)制取冷量。

②載冷劑循環(huán)系統(tǒng)：因?yàn)橹评湔镜奈恢貌煌?，所以?huì)形成不同的制冷劑循環(huán)系統(tǒng)。

③冷卻水循環(huán)系統(tǒng)：冷卻水循環(huán)系統(tǒng)是由冷卻塔和冷卻水管道組成的。系統(tǒng)就是通過(guò)這三個(gè)同時(shí)吸收熱量來(lái)降低溫度的。

這里主要介紹一下地面集中式空調(diào)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)通常把制冷站，冷凝熱設(shè)置在地面上排放，而把高低壓換熱器設(shè)置在井下，可以將高壓冷凍水變成二次冷凍水[1]。最后在用風(fēng)地點(diǎn)上的空冷器來(lái)冷凝風(fēng)流，達(dá)到降溫的效果，具體的流程如圖1所示。

這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：建設(shè)成本低，設(shè)備便于維護(hù)，而且是集中冷卻礦井的總進(jìn)風(fēng)量，效率較高。缺點(diǎn)是：經(jīng)濟(jì)型差，安全性差。而且在風(fēng)地點(diǎn)的效果也不好。

圖1 地面集中式空調(diào)系統(tǒng)

3 聯(lián)合技術(shù)降溫技術(shù)

單獨(dú)的制冷方式都有一定的缺點(diǎn)，因此我們提出了聯(lián)合技術(shù)降溫技術(shù)來(lái)解決礦井高溫的方法。

3.1 進(jìn)風(fēng)口處制冷

由于夏季氣溫過(guò)高，影響導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)口氣溫過(guò)高?；诖朔N情況，我們可以選擇在進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行制冷處理?？梢允褂妹}外低溫巷道降低入風(fēng)溫度、對(duì)進(jìn)風(fēng)風(fēng)流采用冷水逆流噴淋降溫等技術(shù)處理。比如可以向礦山的進(jìn)風(fēng)井中進(jìn)行低溫水逆流噴淋(武安-30噴霧器)。當(dāng)進(jìn)風(fēng)量為12m/s,溫度為26℃,噴水量為40t/h時(shí),這時(shí)候溫度可以降低2.2～2.6℃。如果是采用冰塊與27℃水混合的冷卻水在工作面進(jìn)行風(fēng)筒噴霧,這時(shí)候能夠使工作面的入風(fēng)溫度平均下降5.5～6.5℃,相對(duì)濕度由原來(lái)的40%增加到50%,耗水量約0.24L/min。這種技術(shù)降低了夏季的入風(fēng)氣溫,效果很好。

3.2 機(jī)電設(shè)備降溫制冷

①可以減少步進(jìn)電機(jī)的發(fā)熱。減少電機(jī)發(fā)熱的本質(zhì)就是減少銅損和鐵損。

②如果是已經(jīng)選好的電機(jī)，那么就應(yīng)當(dāng)充分利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的自動(dòng)半流的控制功能和脫機(jī)功能。自動(dòng)半流的控制功能在電機(jī)處于不工作的狀態(tài)自動(dòng)減少電流，脫機(jī)功能直接將電流切斷。

③應(yīng)當(dāng)選擇合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)電壓等級(jí)，兼顧高帶性、平穩(wěn)性和發(fā)熱、噪音等指標(biāo)。

④細(xì)分?jǐn)?shù)越高的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器能夠使得電流波形接近正弦波，使諧波大大減少，這樣就可以使電機(jī)發(fā)熱減少。

3.3 局部制冷

可以采用將低溫風(fēng)流直接壓入工作面的技術(shù),通過(guò)采用隔熱風(fēng)筒可以有效地改變工作面作業(yè)條件。采取這種技術(shù)可以大大降低工作面溫度,同時(shí)又可保證作業(yè)點(diǎn)有比較固定的風(fēng)速,從而使作業(yè)人員有滿意的舒適感[2]。向高溫工作面采用水力引射器、壓氣引射器、渦流管等技術(shù)方法在一定程度上也改變了工人舒適感。

3.4 熱量回收

地下的熱量可以作為類似地?zé)崮芤粯拥哪芰考右曰厥绽谩Ｃ慨?dāng)夏季炎熱高溫的時(shí)候，礦井的溫度可達(dá)30℃以上，部分礦井甚至可達(dá)40℃以上，這樣溫度的氣體倘若被抽到地表加以利用，不僅可以解決礦井高溫的問(wèn)題，20～50℃的水還可以用來(lái)沐浴，水產(chǎn)養(yǎng)殖，飼養(yǎng)牲畜，土壤加溫，脫水加工。

4 發(fā)展前景

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)煤炭需求量會(huì)進(jìn)一步上升，所以煤炭開(kāi)采的深度會(huì)越來(lái)越深，這樣礦井高溫的問(wèn)題就會(huì)十分普遍。目前，我國(guó)已經(jīng)有超過(guò)數(shù)十對(duì)礦井開(kāi)采深度超過(guò)900m，高地溫問(wèn)題越來(lái)越成為影響煤礦企業(yè)安全、高效生產(chǎn)的主要問(wèn)題之一[3]。礦井制冷與礦井熱量的收集在煤礦有著廣闊的應(yīng)用前景，要實(shí)現(xiàn)礦井制冷有質(zhì)的飛躍，還需要進(jìn)行更加深入的研究。