礦井空調技術研究現(xiàn)狀與新思路*

彭 云，陳品崟

(紫金礦業(yè)集團股份有限公司，福建 龍巖 364200)

0 引言

礦業(yè)是我國的龍頭行業(yè)，采礦業(yè)的健康發(fā)展與我國經(jīng)濟發(fā)展密不可分，保障礦井安全和井下作業(yè)人員的健康極其重要，因此礦井的空調問題備受關注[1]。

我國礦井數(shù)量眾多、情況復雜，在北方大部分地區(qū)，冬季寒冷，室外溫度較低，采礦作業(yè)時，進風井巷如有淋水，易造成結冰現(xiàn)象，影響提升運輸，不利于生產安全。井下工作環(huán)境溫度過低，還會影響作業(yè)人員的健康。《煤礦安全規(guī)程》要求進風井口以下的空氣溫度(干球溫度)不得低于 2 ℃[2]。另外，我國部分礦井采深已達800～1 000 m，并且仍以每年8～12 m的速度向下掘進。國外已有較多礦山進入深部開采，部分礦井采深甚至超過3 000 m，如南非某金礦即將進入4 500～5 000 m的地下深部開采[3-4]。隨著開采深度的增加，礦井將不可避免地面臨地溫逐漸升高的問題，且還受到圍巖、機電設備和空氣自壓縮產熱等影響，導致礦井深部形成了異常高溫的作業(yè)環(huán)境[5]。

解決低深度礦井的冬季新進風預熱升溫問題，回收利用低溫余熱資源加熱新風，實現(xiàn)綠色節(jié)能目標，符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。我國有上百個金屬礦井存在深部高溫環(huán)境問題，有60余個礦井的采掘工作面風溫超過30 ℃[6-7]；尤其是在500～1 000 m采深的礦井中，高溫礦井占比高達63%[8-9]，因此對深熱礦井采取降溫措施，有助于我國礦業(yè)擺脫采深限制，實現(xiàn)健康穩(wěn)定發(fā)展。

1 礦井空調技術研究現(xiàn)狀

1.1 礦井余熱回收技術

SMITH等[10]于1996年針對加拿大某金礦提出了利用空氣源熱泵來回收礦井回風余熱為礦井提供輔助供熱的方案，設計了余熱回收系統(tǒng)，同時在理論上計算分析了可回收能量和投資回收期，并探討了余熱回收技術的可行性。

我國由朱曉彥[11]在2006年開發(fā)了礦井回風熱能回收技術：在礦井回風巷道內布置間壁式換熱器，然后將水源熱泵產生的高/低溫水送入換熱器內，通過水在換熱器內的流動與礦井回風進行熱交換，從而回收回風中蘊含的能量。但該技術采用的是間接接觸式換熱，回風與水的換熱溫差較小，換熱效率低，若要大量回收回風中的熱量則需要較大的換熱面積，從而使得該技術受到空間限制；并且礦井回風濕度大，粉塵含量高，間壁式換熱器容易被腐蝕，清潔也比較困難。2014年，仲繼亮[12]研發(fā)了“礦井回風余熱回收裝置”，該裝置設置了導風筒和類似填料式冷卻塔的絲團換熱器，該換熱器可使空氣與水充分換熱，但會增大通風阻力。

目前，大部分研究是對礦井回風余熱利用技術的系統(tǒng)設計、可行性及經(jīng)濟性評價，或利用計算軟件對初步設計的污風廢熱回收系統(tǒng)及裝置進行數(shù)值模擬分析，再根據(jù)分析結果修正初步設計，但由于計算軟件內置的傳熱及流體理論計算模型與礦山實際條件存在偏差，致使大多數(shù)礦井污風廢熱回收利用系統(tǒng)及裝置的熱回收效果不理想。

1.2 礦井降溫技術

20世紀20年代，高溫礦井熱害防治技術開始出現(xiàn)；20世紀70年代后，隨著礦井開采的愈發(fā)深入以及對礦井作業(yè)人員生命安全的重視，該技術得以迅速發(fā)展。在全球科研人員的不懈攻關下，高溫礦井熱害防治理論及技術研究取得了豐碩成果，在礦井安全開采中起到了重要作用。礦井降溫技術按技術類型可分為人工制冷降溫技術、人工制冰降溫技術、空氣壓縮式制冷技術和非人工制冷降溫技術。

1.2.1 人工制冷降溫技術

英國是世界上第一個使用人工制冷技術為礦井降溫的國家。自20世紀20年代起，英國Pendleton煤礦在采區(qū)使用了制冷機，有效地降低了采區(qū)的風流溫度。20世紀30年代，巴西的Morovero礦、南非的Robinson礦將風流送入集中冷卻井筒，得到了溫度較低的風流，有效降低了礦井內的溫度。20世紀60年代，南非使用了大型的礦井集中空調，用以調節(jié)井下溫度；20世紀70年代，國內外人工制冷降溫技術受到越來越多的關注，得到了迅速發(fā)展。目前，礦井人工制冷降溫技術主要采用的是蒸汽壓縮制冷機組，該技術已經(jīng)漸趨成熟，得到了廣泛使用。該降溫技術制冷效果佳、成本較低，已成為礦井降溫的主要手段。

1.2.2 人工制冰降溫技術

20世紀80年代初，南非等國家開展了冰冷卻降溫技術[13-14]。1985年，德國的Meript礦井首次應用了冰冷卻降溫系統(tǒng)[15-16]。人工制冰降溫技術的特征如下：

a.制冰降溫通過冰與水直接接觸，可以直接吸收水中的熱量，換熱效率高，因此通過水泵輸送進入空冷器的水量得以大大減少，降低了輸送能耗[17-18]。

b.冰冷卻降溫技術主要是利用冰的融化吸收井下熱量，以達到降溫目的。吸收同樣的熱量，水冷卻系統(tǒng)所需的水量是冰冷卻系統(tǒng)所需冰量的4～5倍。

c.冰冷卻降溫技術主要考慮的是制冰、輸冰和融冰三個環(huán)節(jié)，由于該技術還處在技術突破以及成本控制的關鍵時期，因此尚未得到廣泛應用。

1.2.3 空氣壓縮式制冷技術

我國煤炭科學研究總院撫順分院在1973年研發(fā)了渦流管制冷器、YP-100型礦用環(huán)縫式壓力引射器；南非某金礦于1989年建成了壓縮空氣制冷空調系統(tǒng)；1993年，中國航空工業(yè)總公司第609研究所聯(lián)合平頂山礦務局研制了我國首臺KKL101型礦用無氟空氣制冷機。

空氣壓縮式制冷循環(huán)的制冷系數(shù)小于蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的制冷系數(shù)。同時，由于空氣的比熱容較小，蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)單位質量制冷劑的制冷能力強于空氣壓縮式制冷系統(tǒng)。 因此，空氣壓縮式制冷系統(tǒng)需要更多的設備才能達到與蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)同樣的制冷效果。從成本上看，空氣壓縮式制冷系統(tǒng)單位制冷量的投資和年運行費用高于蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)。由于制冷效果一般且成本較高，全礦井采用空氣壓縮式制冷系統(tǒng)降溫不太現(xiàn)實。

1.2.4 非人工制冷降溫技術

非人工制冷降溫技術可以降低風流溫度，但降溫幅度有限。如今礦井向下掘進深度不斷增加，井下溫度也隨之升高，非人工制冷降溫措施無法滿足深井采掘工作面的降溫需要，因此在必要情況下，應當利用制冷效果更佳的人工制冷降溫技術。

2 礦井空調技術研究新思路

2.1 熱管換熱器回收礦井余熱

熱管換熱器是目前礦井余熱回收的一種新型設備，熱管是利用其內部的工作流體相變來傳遞熱量的，導熱性較強，其由熱管外殼、工作流體和液芯(管芯)組成。作為封閉式傳熱元件，熱管被抽真空并充滿所需量的工作流體，形成封閉的外殼[19]。由一定數(shù)量的熱管組成的熱管換熱器在工業(yè)余熱回收方面與傳統(tǒng)的換熱器相比，有較多優(yōu)勢[20]:

a.無運動部件且無需外部額外施加動力，可靠性高。

b.冷熱氣流之間存在固體壁面，解決了橫向滲流的問題。

c.傳統(tǒng)的間壁換熱器只要其中1個換熱元件損壞，就必須停機檢修，而熱管換熱設備則不會，它是二次間壁換熱，單根熱管一旦損壞，兩種換熱流體就不可能混合，不會影響整體的換熱效果，無需停機維護，可以實現(xiàn)高效的現(xiàn)代化大規(guī)模生產。

d.該裝置簡單緊湊，適用溫度范圍廣，它在低溫方面可以到達零攝氏度以下，在高溫方面甚至可以達到數(shù)千攝氏度。

e.該裝置可以向任意方向傳遞熱量，熱阻小，通過較小的溫差即可獲得較高的傳熱率，且軸向表面溫度均勻，可根據(jù)需要調整熱管冷、熱兩側熱阻的相對大小，控制熱管壁溫，有效防止腐蝕發(fā)生。

f.通過熱管進行管外換熱，避免了傳統(tǒng)換熱器通過管殼進行換熱，使熱管換熱器的布置、安裝靈活，故障少，維修方便，同時也解決了普通換熱器不能靈活處理粉塵的問題。

目前熱管換熱器已在航天、電子工程等領域得到了廣泛應用，而在礦井回風余熱回收上，一般采用重力式熱管換熱器。未來應加強熱管換熱效率提升的研究。

2.2 內循環(huán)節(jié)能型礦井空調系統(tǒng)

現(xiàn)有礦井空調技術存在一個缺陷，即冬季回風井高溫空氣排放至外界或夏季低溫空氣排放至外界，造成了大量的熱能或冷能浪費。

冬季時，高寒地區(qū)外界超低溫空氣進入礦井后經(jīng)井口加熱裝置加熱，流入井下井巷系統(tǒng)及采場內，經(jīng)井下原巖地溫及深部地熱加熱后，流向回風段(回風井)，絕大部分礦井回風段內高溫空氣直接流向外界，少部分礦山在回風井進行了余熱提取利用，因此現(xiàn)有技術從回風井流入自然界的風流溫度遠高于自然界空氣溫度，造成了大量的空氣熱能浪費。

夏季外界高溫熱空氣進入礦井后，被淺部低溫圍巖降溫后排至回風井；高溫熱害礦井經(jīng)常規(guī)降溫系統(tǒng)降溫冷卻后經(jīng)采礦工作面高溫圍巖加熱后排至回風井；但據(jù)統(tǒng)計，國內外高溫熱害礦井及常規(guī)礦井絕大部分回風井常年溫度在18 ℃左右，而夏季的外界溫度甚至超過30 ℃，因此礦井排出的“低溫空氣”到高溫外界中造成了冷能浪費。

為保障礦井安全生產，應改善礦井空氣質量并根據(jù)需求調節(jié)適宜的氣溫。高寒地區(qū)冬季需對進風井口的入井風流進行加熱，預防礦井入風井口結冰而影響行人及運輸安全；深部地熱礦井在夏季需對礦井風流進行降溫，避免工人因高溫而影響工作效率甚至導致熱射病[21-26]。

礦井空調系統(tǒng)作為礦井通風系統(tǒng)的組成部分，在所有礦井生產單元系統(tǒng)中占有極其重要的位置。為了保證礦井的安全生產，礦井空調系統(tǒng)這一具有動態(tài)性的系統(tǒng)必須能夠保持長時間的最佳運行狀態(tài)。然而，在實際生產活動中，各種因素影響了礦井通風及空調系統(tǒng)的正常運行及其功能的發(fā)揮[27-29]。

綜上，提出了內循環(huán)節(jié)能型礦井空調系統(tǒng)，其特征為：冬季提取回風段風流熱能使回風井出風溫度等于(或不高于)外界空氣溫度、提取的熱能用于礦井進風井防凍及礦井風流加熱；夏季提取回風段風流冷能使回風井出口風流溫度等于(或不低于)外界空氣溫度、提取的冷能用于礦井風流降溫；礦井進風溫度、出風溫度等于外界空氣溫度，礦井內部風流溫度冬季高于外界空氣溫度、夏季低于外界空氣溫度；礦井空氣冬季熱能、夏季冷能不外排，在礦井內循環(huán)利用[30]。

3 結語

在國家推出“互聯(lián)網(wǎng)+”行動指南和“機械化減人、自動化換人”專項行動的大背景下，礦井通風智能化研發(fā)迎來前所未有的發(fā)展機遇，未來應充分利用現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術、通信技術和自動化技術實現(xiàn)礦井通風與空調的數(shù)字化、自動化。

內循環(huán)節(jié)能型礦井空調系統(tǒng)技術符合國家節(jié)能減排產業(yè)政策和經(jīng)濟發(fā)展要求，技術先進，投資壓力小，節(jié)能效果顯著，可獲得國家節(jié)能減排補貼資金支持，或采用合同能源管理的方式減輕企業(yè)投資壓力，在熱害嚴重、涌水量大、水溫高的礦井中具有重大的應用價值。