制冷降溫技術(shù)在三山島金礦熱害控制中的應(yīng)用

王明斌 許 峰 周 偉

（1.山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司三山島金礦；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

近年來(lái)，我國(guó)金屬礦山開拓深度接連突破千米，千米礦井的時(shí)代即將到來(lái)［1］。開采深度的增加帶來(lái)了深部高溫、高濕問(wèn)題［2-3］。我國(guó)的平均百米地溫梯度為1.6～3.0 ℃，千米深井原始巖溫高達(dá)35～40 ℃［4］，空氣濕度接近飽和，環(huán)境溫度遠(yuǎn)超《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》規(guī)定（＜28 ℃）。高溫、高濕作業(yè)環(huán)境極大地影響井下作業(yè)人員工作效率，易誘發(fā)工人中暑、濕疹、皮膚潰爛等疾病，導(dǎo)致事故率和設(shè)備故障率升高，嚴(yán)重限制了礦產(chǎn)資源的持續(xù)發(fā)展［5］。

與地表空調(diào)制冷降溫技術(shù)相比，井下密閉環(huán)境中空調(diào)產(chǎn)熱無(wú)法逸散，導(dǎo)致熱量積聚，加劇深井熱害。礦井制冷降溫技術(shù)的難點(diǎn)在于換熱系統(tǒng)的研發(fā)［6-7］。本研究以某金礦深部開拓?zé)岷Νh(huán)境為研究對(duì)象，根據(jù)礦山地質(zhì)條件和開拓作業(yè)面分布，研究局部制冷降溫技術(shù)，以期改善作業(yè)面環(huán)境，為其他深部礦井熱害治理提供參考。

1 礦山熱害現(xiàn)狀

三山島金礦作為國(guó)內(nèi)唯一一座濱海開采礦山，其開拓深度接近1 000 m，經(jīng)地質(zhì)低溫梯度檢測(cè)，每百米地溫上升2.5～2.8℃，深部-960 m圍巖溫度高達(dá)30～32 ℃，加之局部熱水涌出，作業(yè)面空氣相對(duì)濕度為95%～99%，溫度在42～45 ℃。參照《礦井降溫技術(shù)規(guī)范》（MT/T 1136—2011）第4.1.3 條款規(guī)定，屬于三級(jí)熱害礦井（采掘工作面空氣溫度≥32 ℃）。對(duì)于三級(jí)熱害礦井，除加強(qiáng)通風(fēng)、提高風(fēng)速外，還應(yīng)采取人工制冷降溫措施。

為改善深部高溫高濕作業(yè)環(huán)境，以-870 m 中段為熱害分界水平，增大-870 m 中段以下通風(fēng)量至228 m3/s，但三山島井下機(jī)械化程度高，無(wú)軌設(shè)備運(yùn)行多，機(jī)械散熱量大，經(jīng)淺部送入深部的新鮮風(fēng)流溫度高達(dá)32 ℃，因此，依靠增大深部通風(fēng)量實(shí)現(xiàn)熱害控制效果有限，故需采取制冷降溫措施。

2 制冷降溫系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

2.1 掘進(jìn)作業(yè)面冷負(fù)荷計(jì)算

將作業(yè)面溫度降低需提供冷源，冷源的負(fù)荷與井下放熱量有關(guān)，圍巖放熱量計(jì)算需已知圍巖原始溫度、風(fēng)流溫度以及圍巖表面換熱系數(shù)等基本參數(shù)，其中，原始巖溫需要一定深度的鉆孔測(cè)溫，圍巖表面換熱系數(shù)受圍巖巖性、熱導(dǎo)率、圍巖表面潮濕、通風(fēng)暴露時(shí)間、空氣流動(dòng)特性等多因素綜合影響。

圍巖表面換熱系數(shù)準(zhǔn)確值由科學(xué)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室分析或理論公式推導(dǎo)可得，在工程應(yīng)用過(guò)程中難以得到準(zhǔn)確的換熱系數(shù)，故本研究采用忽略圍巖換熱系數(shù)的黑箱法來(lái)計(jì)算井下掘進(jìn)作業(yè)面空氣的焓值變化量，計(jì)算方法如下：

式中，Qj為計(jì)算需冷量，kW；M為空氣質(zhì)量流量，kg/s；ΔH為高差，m；ρ為空氣密度，取1.2 kg/m3；V為經(jīng)過(guò)工作面空氣體積流量，m3/s；i1為進(jìn)風(fēng)空氣比焓，kJ/kg；i2為出風(fēng)空氣比焓，kJ/kg。

三山島金礦-960 m中段掘進(jìn)作業(yè)面有3處，每處需風(fēng)量為4.8 m3/s，掘進(jìn)工作面進(jìn)風(fēng)實(shí)測(cè)空氣溫度為32～35 ℃，相對(duì)濕度為98%，進(jìn)風(fēng)空氣風(fēng)溫為35 ℃，進(jìn)風(fēng)空氣比焓值i1為127 kJ/kg，出風(fēng)口溫度值降低至27 ℃，出風(fēng)空氣比焓值i2為86.5 kJ/kg，空氣密度ρ為1.2 kg/m3。經(jīng)計(jì)算，制冷降溫所需冷負(fù)荷為699.84 kW，考慮機(jī)組自身產(chǎn)熱換熱，取系數(shù)1.2，制冷負(fù)荷為840 kW。

2.2 制冷降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

井下布置制冷機(jī)組，系統(tǒng)主要設(shè)備包括井下制冷機(jī)組、井下水倉(cāng)（天然冷卻塔）、冷卻水泵、排水管、蒸發(fā)器等。制冷降溫系統(tǒng)的換熱分為2級(jí)換熱，第一級(jí)換熱為制冷機(jī)組冷卻劑與空氣換熱，換熱發(fā)生在蒸發(fā)器與冷凝器間，蒸發(fā)器內(nèi)裝有冷卻劑，制冷機(jī)組風(fēng)機(jī)取環(huán)境高溫空氣，經(jīng)蒸發(fā)器將空氣的熱量帶走，降低空氣熱量。第二級(jí)換熱為冷凝器換熱，冷凝器的冷卻劑吸熱后溫度上升，利用井下具備的水倉(cāng)低溫涌水，在水倉(cāng)布置換熱器或直接將冷卻水混入水倉(cāng)，將冷凝熱排放至水倉(cāng)中，水倉(cāng)涌水再經(jīng)排水泵排出，如圖1所示。

2.2.2 水倉(cāng)排熱設(shè)計(jì)

考慮到井下封閉環(huán)境以及有害物質(zhì)的排放，結(jié)合三山島金礦濱海特點(diǎn)，選擇冷卻水為冷凝器換熱。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)，-960 m 中段有多個(gè)涌水地點(diǎn)，其中一個(gè)涌水點(diǎn)溫度為40 ℃，涌水量為50～60 m3/d。以該涌水點(diǎn)為依據(jù)設(shè)計(jì)排熱水倉(cāng)，該水倉(cāng)分為涼水倉(cāng)和熱水倉(cāng)，設(shè)計(jì)水冷機(jī)組排水量為180 m3/h，水冷機(jī)組總涼水倉(cāng)抽取涼水進(jìn)行換熱，換熱后的熱水排至熱水倉(cāng)，為防治水倉(cāng)水過(guò)熱，布置排水泵，將水倉(cāng)內(nèi)的高溫水排至礦井排水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)熱水外排。

2.2.3 裝備防腐蝕設(shè)計(jì)

三山島金礦地下水腐蝕性較大，制冷機(jī)組的蒸發(fā)器、冷凝器以及回冷機(jī)等主要設(shè)備采用耐腐蝕、耐磨材料制作，冷卻器管道采用鈦合金材質(zhì)殼體（碳鋼管襯塑）?？绽淦髦评洳糠植捎勉~翅片換熱器，并對(duì)銅翅片換熱器進(jìn)行整體防腐處理，空冷器外殼采用不銹鋼316材質(zhì)。配套局扇殼體采用環(huán)氧樹酯防腐，并噴涂防銹漆進(jìn)行表層處理。電機(jī)采用高效防水電機(jī)，以防礦井空氣侵蝕電機(jī)涂層，采用變頻控制?？绽淦骷熬稚鹊鬃捎谜w熱鍍鋅工藝。

2.3 送風(fēng)設(shè)計(jì)

在-960 m 水平運(yùn)輸大巷開鑿制冷機(jī)組硐室，從盲混合井取風(fēng)，3 個(gè)掘進(jìn)作業(yè)面距離制冷機(jī)組約2 000 m，工作面污風(fēng)通過(guò)南風(fēng)井回風(fēng)，制冷機(jī)組及送風(fēng)路線布置如圖2所示。

制冷機(jī)組制造的冷空氣需用風(fēng)筒送至-960 m 水平作業(yè)面，風(fēng)筒遠(yuǎn)距離送風(fēng)會(huì)造成較大的溫升。本設(shè)計(jì)采用移動(dòng)空冷器送風(fēng)，在末端增加換熱器—空冷器以及一套冷凍水循環(huán)，且空冷器與軸流風(fēng)機(jī)為一個(gè)整體，隨工作面推進(jìn)而移動(dòng)，并延長(zhǎng)冷凍水管路，冷凍水管路阻力逐漸增加，要求冷凍水泵運(yùn)行工況采用變頻技術(shù)調(diào)控。空冷器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

三山島金礦于-960 m 中段運(yùn)輸大巷安裝制冷機(jī)組，利用移動(dòng)空氣器對(duì)3 個(gè)掘進(jìn)作業(yè)面輸送冷風(fēng)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，制冷機(jī)組進(jìn)風(fēng)口溫度為32 ℃，出風(fēng)口溫度為24 ℃，移動(dòng)空冷器進(jìn)風(fēng)口溫度為26 ℃，出口溫度為25 ℃，掘進(jìn)作業(yè)面溫度為26～27 ℃，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)面溫度小于28 ℃，制冷機(jī)組功能參數(shù)如表1所示。

4 結(jié)論

（1）利用黑箱法計(jì)算得出，三山島金礦-960 m 中段掘進(jìn)工作面空氣溫度由31～32 ℃降低7～8 ℃，相對(duì)濕度由98%降低至78%，所需冷負(fù)荷為699.84 kW，考慮機(jī)組自身產(chǎn)熱換熱取系數(shù)1.2，制冷負(fù)荷為840 kW。

（2）根據(jù)換熱原理，研究2級(jí)換熱系統(tǒng)，并利用濱海礦山井下低溫涌水地質(zhì)特點(diǎn)設(shè)計(jì)水倉(cāng)換熱制冷降溫系統(tǒng)，采用移動(dòng)空冷器送風(fēng)方式實(shí)現(xiàn)-960 m 水平3個(gè)掘進(jìn)作業(yè)面低溫送風(fēng)。

（3）方案實(shí)施后，-960 m 的3 個(gè)掘進(jìn)作業(yè)面總進(jìn)風(fēng)量為15 m3/s，出風(fēng)口溫度為25 ℃，作業(yè)面溫度由32 ℃降低至26～27 ℃，深井熱害得到控制。