劉華偉 喬景順

(黃淮學(xué)院，河南駐馬店 463000)

1 概述

隨著開掘深度的增加，深井中作業(yè)平面的溫度也相應(yīng)漸漸升高。因此，改善井下熱環(huán)境，確保深井作業(yè)人員有一個(gè)適宜的工作環(huán)境，就顯得十分必要和迫切。針對(duì)于深井冷控的研究表明，目前存在著四種井下冷控技術(shù)，即中央空調(diào)技術(shù)、冰冷控技術(shù)、降溫制冷技術(shù)、熱電與乙二醇技術(shù)?，F(xiàn)在，分別將這四種技術(shù)作如下介紹。

1.1 中央空調(diào)技術(shù)

首個(gè)中央空調(diào)冷控系統(tǒng)于1929年在前蘇聯(lián)第一次投入使用，該技術(shù)的工作原理與辦公場(chǎng)所使用的空調(diào)基本相同。在這個(gè)冷控系統(tǒng)中，從熱泵中排放的冷卻水的溫度會(huì)通過(guò)噴射裝置而逐漸降低。有時(shí)，通過(guò)局扇通風(fēng)，水溫會(huì)相對(duì)變得更低。熱泵中的冷凍水流經(jīng)空氣冷卻器，在這里，吹向作業(yè)平面的熱風(fēng)的溫度會(huì)由于熱風(fēng)與冷凍水之間的熱傳遞而降低。實(shí)踐證明，該技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中地上中央冷控系統(tǒng)的弊端是深度大、氣壓高、成本高;地下中央冷控系統(tǒng)的弊端是散熱難度大、制冷效果差、運(yùn)作成本高。

1.2 冰冷控技術(shù)

南非于1976年首次提出了冰冷控方法、冰冷控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用。1986年首次應(yīng)用該系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行制冷。該技術(shù)具有一定的作用。

冰冷控系統(tǒng)的運(yùn)作程序是:1)冰機(jī)生成出粒狀或土塊狀的冰;2)這些冰被傳輸至地下融冰池，并通過(guò)來(lái)自作業(yè)平面的噴霧冷卻水而融化成水;3)冷卻水流至作業(yè)平面，水溫通過(guò)噴霧的作用從而得到降低。該系統(tǒng)包括制冰系統(tǒng)、冰傳輸系統(tǒng)、融冰系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)。該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在著以下幾個(gè)弊端:冰傳輸管道易受堵塞;作業(yè)平面的潮濕度會(huì)受噴霧冷卻的影響而增加;運(yùn)作成本較高。

1.3 空氣冷卻技術(shù)

運(yùn)用空氣壓縮來(lái)達(dá)到冷卻的效果是一種新方法。在1989年南非已經(jīng)采用了空氣壓縮制冷系統(tǒng)。

其制冷過(guò)程是:1)空氣被壓縮成液體，并被傳輸至深井;2)這些液體汽化為氣體，并流至空氣制冷機(jī);3)通過(guò)空氣制冷機(jī)生成出低溫空氣，并吹向作業(yè)平面。該技術(shù)在使用過(guò)程中需要確保有足夠的壓縮空氣，同時(shí)，其制冷效果由于壓縮空氣吸熱容量的局限性而受到了很大的限制，運(yùn)作成本高，無(wú)法滿足大型煤礦的制冷需求。

1.4 熱電與乙二醇技術(shù)

2007年，熱電與乙二醇制冷技術(shù)在中國(guó)首次投入使用。該技術(shù)通過(guò)雙級(jí)制冷，將坑口電廠的余熱轉(zhuǎn)化為冷卻的乙二醇溶液，繼而將之傳送至熱交換器，在這里，水溶液和乙二醇溶液之間會(huì)進(jìn)行熱交換，隨后，冷卻水會(huì)流至空氣冷卻器以降低吹向作業(yè)平面的空氣的溫度。該系統(tǒng)充分利用坑口電廠的余熱，達(dá)到了節(jié)約能源資源和降低污染排放的效果;比冰冷控系統(tǒng)節(jié)約25%～33%的運(yùn)作成本;運(yùn)行操作穩(wěn)定，制冷效果好。但須同時(shí)具備坑口電廠和兩步制冷程序這兩個(gè)條件;冷能量提取量少;器械設(shè)備操作難度大;運(yùn)行成本高。

2 高溫轉(zhuǎn)換機(jī)械系統(tǒng)的新理念與新技術(shù)

在對(duì)上述四種技術(shù)以及深煤井具體情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，我們研發(fā)出了高溫轉(zhuǎn)換機(jī)械系統(tǒng)，并在若干煤礦上得到了成功的應(yīng)用。期間，就深井熱環(huán)境的改善我們開發(fā)了六大技術(shù)，即作為冷源的礦井突水、作為冷源的在不同高度的水循環(huán)、作為冷源的臥式水循環(huán)、高溫礦井突水的資源化利用、地?zé)岙惓＠眉夹g(shù)、熱與冷源循環(huán)利用技術(shù)。

2.1 作為冷源的礦井突水

高溫轉(zhuǎn)換機(jī)械制冷系統(tǒng)是針對(duì)于改善深井熱環(huán)境而研發(fā)的。其工作原理是從各層次礦井突水中提取冷源，并與吹向作業(yè)平面的高溫空氣進(jìn)行熱交換，從而達(dá)到使深井作業(yè)平面的氣溫和潮濕度降低的效果。作為冷源的礦井突水的工作原理如圖1所示。

該系統(tǒng)由上循環(huán)系統(tǒng)、下循環(huán)系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)三部分組成。其中，前兩者屬于閉式水循環(huán)，其循環(huán)介質(zhì)是水，而后者屬于開式水循環(huán)。在該系統(tǒng)的運(yùn)作過(guò)程中所導(dǎo)致的能量損失必須予以考慮。制冷工作站的設(shè)計(jì)必須充分考慮來(lái)自于深井作業(yè)平面的熱負(fù)荷，應(yīng)提供充足的冷能以確保降低作業(yè)平面的氣溫。

2.2 作為冷源的在不同高度的水循環(huán)

隨著采礦深度的不斷增加，深井中的高氣溫和熱危害也相應(yīng)地變得愈加嚴(yán)重。當(dāng)需要更多的冷負(fù)荷和充足的冷源而礦井突水卻又十分有限時(shí)，制冷需要是很難得到滿足的。針對(duì)此種情況，我們開發(fā)出了作為冷源的在不同高度的水循環(huán)技術(shù)(如圖2所示)。其工作原理為:將制冷工作站的水通過(guò)可降低水溫的口徑窄而長(zhǎng)的導(dǎo)管從乙池傳送至丙池，然后再將溫度下降的水傳送至冷卻水蓄池(甲池)，這樣，關(guān)于在不同高度的水循環(huán)的制冷系統(tǒng)就形成了。

通過(guò)降低環(huán)境溫度和增大空氣流量這兩種方式，不僅會(huì)使制冷工作站中冷卻水的溫度下降，而且也會(huì)使制冷系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)操作變得便宜。

2.3 作為冷源的臥式水循環(huán)

這種技術(shù)的冷卻水箱中有一個(gè)流速緩慢的路徑，可作為使水冷卻的水箱使用。制冷工作站的冷卻水通過(guò)一個(gè)特定的長(zhǎng)導(dǎo)管，沿著流速緩慢的路徑，被傳送至冷卻水池，在這里，冷卻水同路徑、石壁間的空氣進(jìn)行熱交換，從而使水得到冷卻。冷卻后的水可以用來(lái)作為制冷系統(tǒng)的冷源，從中提取的冷能會(huì)被傳輸至冷卻工作站，以用來(lái)冷卻吹向深井作業(yè)平面的空氣，并達(dá)到降低氣溫的目的。臥式水循環(huán)的工作原理如圖3所示。

這種技術(shù)具有以下幾個(gè)特點(diǎn):制冷工作站的水沿著流速緩慢的路徑可得到冷卻;水循環(huán)消耗功率低。但是，當(dāng)路徑的環(huán)境溫度很高時(shí)，其冷卻效果會(huì)明顯削弱。針對(duì)此，我們可以根據(jù)冷能需求和冷卻水容積，采取行之有效的措施來(lái)增強(qiáng)冷卻效果。

2.4 高溫礦井突水的資源化利用技術(shù)

一旦制冷系統(tǒng)運(yùn)作，就會(huì)產(chǎn)生出熱能，這些熱能蘊(yùn)含于礦井水中，隨后，高溫水被排放到地表。假如我們不循環(huán)利用這些高溫水并將之排放至河流中，這既會(huì)造成資源浪費(fèi)，更會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的污染。鑒于上述問(wèn)題，我們研發(fā)出了高溫水的資源化利用技術(shù)。其工作程序如圖4所示:首先，通過(guò)水處理系統(tǒng)，使高溫水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，然后將之排輸至熱提取工作站。從中提取的熱能可以作建筑供暖、洗浴之用，這大大地節(jié)減了運(yùn)作成本。

通過(guò)該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，清潔性能源(礦井水)取代了污染性能源(煤)。與此同時(shí)，也在冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上形成和建立了循環(huán)生產(chǎn)系統(tǒng)。利用冷卻系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱量為建筑供暖，實(shí)現(xiàn)了熱危害的資源化利用。這有助于節(jié)約能源資源，降低污染排放，體現(xiàn)了綠色環(huán)保設(shè)計(jì)的理念。

2.5 地?zé)岙惓＠眉夹g(shù)

煤礦中出現(xiàn)的地?zé)岙惓，F(xiàn)象是地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)狀況共同作用的結(jié)果。以徐州礦業(yè)集團(tuán)的三河尖煤礦為例，在奧陶系含水層中，水溫可達(dá)到48℃ ～50℃，礦井突水流量為1 020 m3/h，水壓在7.6 MPa左右，這顯然是很好的地?zé)豳Y源?；诖?，我們開發(fā)出了地?zé)岙惓＠眉夹g(shù)。其工作原理如圖5所示:首先，將高溫水從地下抽取出來(lái)，然后通過(guò)水處理系統(tǒng)，使高溫水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，最后再將經(jīng)過(guò)處理的水排輸至熱提取工作站。從中提取的熱能可以作建筑供暖、洗浴之用，這大大地節(jié)減了運(yùn)作成本。此外，經(jīng)過(guò)熱提取工作站處理后的奧灰水還可以由人工補(bǔ)給到第四系含水層。

該技術(shù)是針對(duì)地?zé)岙惓^(qū)的資源利用而開發(fā)的。為了克服鍋爐加熱系統(tǒng)的弊端，我們?cè)O(shè)計(jì)和建立了熱提取系統(tǒng)(即熱提取工作站)。該系統(tǒng)運(yùn)作成本低，生態(tài)環(huán)保，有助于節(jié)約能源資源和降低污染排放。

2.6 熱與冷源循環(huán)利用技術(shù)

在深井降溫的過(guò)程中，礦井水的需求量會(huì)隨著冷負(fù)荷需求量的增加而增加，甚至有時(shí)無(wú)論是在體積(數(shù)量)上還是溫度上，它都無(wú)法滿足深井降溫的需要。鑒于此，我們開發(fā)出了熱與冷源循環(huán)利用技術(shù)。其中，為了降低制冷工作站和熱提取工作站之間的水壓，我們?cè)O(shè)計(jì)和建立了一個(gè)變壓站，這樣就分別形成了一個(gè)臥式閉合水循環(huán)(在制冷工作站和變壓站之間)和一個(gè)立式閉合水循環(huán)(在變壓站和熱提取工作站之間)。在運(yùn)作過(guò)程中，制冷工作站中的高溫礦井水可以用作熱提取工作站的熱源，同時(shí)，后者中的低溫礦井水又可以用作前者的冷源。該系統(tǒng)的工作原理見圖6。

3 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)四種冷卻技術(shù)及深煤井具體情況進(jìn)行研析的基礎(chǔ)上，我們研發(fā)出了高溫轉(zhuǎn)換機(jī)械系統(tǒng)，并在若干煤礦上得到了成功的應(yīng)用。期間，就深井熱環(huán)境的改善，我們開發(fā)了六大冷控、加熱技術(shù)，并對(duì)其工作原理進(jìn)行了分析和闡述。與其他冷控系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)運(yùn)作成本低，生態(tài)環(huán)保，有助于節(jié)約能源資源和降低污染排放。

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