劉　靖, 周山山

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454003)

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我國礦井人工制冷降溫技術(shù)現(xiàn)狀及存在問題分析

劉靖, 周山山

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454003)

摘要：對(duì)我國礦井人工制冷降溫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)進(jìn)行了分析，并對(duì)各種礦井人工制冷降溫技術(shù)使用條件、技術(shù)特性、經(jīng)濟(jì)性及存在問題進(jìn)行了分析探討。

關(guān)鍵詞：礦井熱害；制冷降溫；冰冷卻技術(shù)；壓縮空氣

隨著煤炭開采的深度增加和數(shù)量增多，我國礦井熱害問題日益嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤礦開采深度以每年8～12 m的速度遞增，其中國有重點(diǎn)煤礦平均開采深度年增加9 m，最深礦井深度已達(dá)1 000～1 300 m。開采深度的增加和開采機(jī)械化程度的提高使我國高溫礦井的數(shù)目顯著增加，作業(yè)環(huán)境日益惡化。礦井熱害嚴(yán)重惡化了礦井的安全生產(chǎn)環(huán)境，傳統(tǒng)的通風(fēng)降溫已不適用于熱害嚴(yán)重、開采較深的礦井，礦井人工制冷降溫技術(shù)成為解決礦井熱害的必要手段[1]。

我國礦井降溫工作始于20世紀(jì)50年代初期，當(dāng)時(shí)僅是對(duì)一些高溫礦井地溫開展觀察。真正采用礦井制冷降溫技術(shù)始于1964年。當(dāng)時(shí)，煤炭科學(xué)研究總院撫順分院在淮南九龍崗礦進(jìn)行井下局部降溫實(shí)驗(yàn)，同時(shí)采用表面式和噴淋式兩種類型的空冷器。1984年山東新汶孫村礦在我國第一次采用井下集中空調(diào)系統(tǒng)，但該礦在井深達(dá)到800 m水平時(shí)冷凝熱排放困難，不得已在1994年改為地面集中空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是我國第一個(gè)地面集中制冷空調(diào)系統(tǒng)。1995年，山東礦業(yè)學(xué)院提出了用壓氣引射器和制冷機(jī)結(jié)合的礦井空調(diào)運(yùn)行方式。2004年，山東新汶孫村礦冰冷卻低溫輻射降溫技術(shù)工程運(yùn)作調(diào)試成功，開創(chuàng)了我國冰冷卻降溫系統(tǒng)的先河。

本文分析了我國礦井人工制冷降溫技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，研究了各種礦井人工制冷降溫技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)及存在問題，指出了不同礦井人工制冷降溫的使用條件及適用范圍。

1人工制冷水降溫技術(shù)分析

按制冷機(jī)組在井上井下的安裝位置不同，人工制冷水降溫系統(tǒng)可分為地面集中式、井下集中式、井上井下聯(lián)合式、井下局部分散式4種形式[2-4]。

1.1地面集中式

該類系統(tǒng)是將制冷站安設(shè)在井上，冷凝熱在地面排放。這種系統(tǒng)有兩種形式：一是集中冷卻礦井進(jìn)風(fēng)，由于地面被冷卻的低溫風(fēng)流沿風(fēng)流流動(dòng)路線不斷被熱源加熱，冷風(fēng)到達(dá)用風(fēng)地點(diǎn)上時(shí)往往溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，所以僅適用于開采深度淺、風(fēng)流距離短的高溫礦井。二是井下冷卻風(fēng)流，該系統(tǒng)通過保溫管道將載冷劑送至需冷地點(diǎn)的空冷器冷卻風(fēng)流。由于地面到井底的高差大，必須在井下設(shè)置高低壓轉(zhuǎn)換裝置來克服載冷劑的靜水壓力，所以這種形式安全性較差。

1.2井下集中式

該系統(tǒng)的制冷機(jī)組設(shè)置在井下。優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，供冷管道短，沒有靜水高壓?jiǎn)栴}。缺點(diǎn)是必須在井下開鑿大斷面機(jī)電硐室，并且要求設(shè)備防潮防爆。井下集中式空調(diào)系統(tǒng)最大的問題是冷凝熱的排放。冷凝熱的排放可分為兩種不同的方式：一種是制冷機(jī)組的設(shè)置及冷凝熱的排放都在井下；另一種是井下制冷機(jī)產(chǎn)生的冷凝熱用地面冷卻塔排除。但無論哪種排熱方式，效果都不理想。井下集中式大多適用于需冷量不太大的礦井。

1.3井上井下聯(lián)合式

井上下聯(lián)合式在地面、井下都需安設(shè)制冷機(jī)組，冷凝熱通過回水在地面集中排放。該系統(tǒng)既減少地面制冷站的冷量損失，又克服了井下制冷機(jī)的排熱困難。缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜，投資大，設(shè)備布置分散，不利于管理，井下冷水管線復(fù)雜等，僅適用于大型礦井降溫系統(tǒng)。

1.4井下局部分散式

井下局部分散式系統(tǒng)的制冷機(jī)可以移動(dòng)，適用于井下降溫點(diǎn)少且點(diǎn)點(diǎn)相隔較遠(yuǎn)的高溫礦井。我國應(yīng)用局部空調(diào)系統(tǒng)比較廣泛，平頂山五礦己二采面曾采用制冷量為300 kW的防爆制冷機(jī)組向己15_23071采面供冷，同時(shí)利用井下回風(fēng)排放冷凝熱，平均降溫幅度達(dá)4 ℃，降溫效果明顯。井下局部分散式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備移動(dòng)靈活，輸冷距離短，冷損小，初投資及運(yùn)行費(fèi)用少。缺點(diǎn)是冷凝熱排放困難，所以僅適用于局部小范圍的礦井降溫。

人工制冷水降溫經(jīng)過幾十年的實(shí)踐，已經(jīng)是一種比較成熟的礦井降溫技術(shù)，在國內(nèi)外使用最為廣泛。表1為這4種空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)比較。

表1　4種空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

2人工制冰降溫技術(shù)分析

人工制冷水降溫在深部礦井中最難以解決的是冷凝熱的排放以及過高的靜水壓力。南非在20世紀(jì)80年代初期進(jìn)行了礦井人工制冰降溫的研究并取得了成功，證明了該技術(shù)的可行性。我國山東新汶孫村礦于2004年首次采用人工制冰降溫技術(shù)獲得成功，并已取得專利技術(shù)向全國市場(chǎng)推廣[5-6]。

圖1為人工制冰降溫系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖，制冰機(jī)制出的冰由螺旋輸冰機(jī)輸送至立管井口處，靠自身重力下落至井下融冰池，形成0 ℃左右的水，再由供水管道送至需冷工作面。

圖1　人工制冰礦井降溫空調(diào)系統(tǒng)

人工制冰降溫系統(tǒng)主要利用冰的融化潛熱降溫，輸送同樣冷負(fù)荷所需的輸冰量?jī)H為輸水量的1/5～1/4，相應(yīng)的管路、設(shè)備以及水泵的負(fù)荷都可減少，大大節(jié)約了能量損耗。冷源設(shè)置在井上，解決了井下制冷站內(nèi)新鮮空氣不流通、冷凝熱排放困難和井下設(shè)備必須防爆的缺點(diǎn)。井下沒有復(fù)雜的設(shè)備，機(jī)電設(shè)備也很少，與人工制冷水系統(tǒng)比較，具有工藝簡(jiǎn)單、操作與維修方便的優(yōu)點(diǎn)。

人工制冰降溫系統(tǒng)主要由制冰、輸冰和融冰3個(gè)部分組成。

冰的制備可分為靜態(tài)制冰和動(dòng)態(tài)制冰兩種方法。由于靜態(tài)制冰系統(tǒng)制冷機(jī)性能系數(shù)會(huì)隨著冰層的增厚而降低，所以靜態(tài)制冰不能適應(yīng)大冰量的要求。所以礦井冰制冷降溫系統(tǒng)一般采用動(dòng)態(tài)制冰。動(dòng)態(tài)制冰根據(jù)冰的形狀可分為粒狀冰和泥狀冰，其中粒狀冰有立方體、錐體、圓柱體、管狀和片狀等幾種。研究表明，冰制冷系統(tǒng)宜采用粒狀冰中的管狀冰和片狀冰以及真空制冰法的泥狀冰。目前，由于國內(nèi)外大型制冰機(jī)較成熟，可以制備各種形狀、規(guī)格的冰，所以冰的制備對(duì)于人工制冰降溫系統(tǒng)來說不是難點(diǎn)。

人工制冰降溫系統(tǒng)的主要難點(diǎn)在輸冰和融冰環(huán)節(jié)上。根據(jù)不同的冰和不同的輸送位置對(duì)冰采用不同的輸送方式。對(duì)于粒狀冰，常采用風(fēng)力輸送，在輸送過程中要適時(shí)調(diào)整輸冰速度和壓縮空氣量，防止冰塊堆集，造成管道堵塞或破裂。而泥狀冰只能采用水力輸送，水力輸送需采用高低壓換熱裝置來解決過高的靜水壓力。

融冰關(guān)系到能否獲得穩(wěn)定的低溫水和穩(wěn)定的水流量。喬華等利用圓筒形融冰槽對(duì)粒狀冰的融解進(jìn)行的研究表明，融冰槽冰床高度保持在1 m左右，使用20 ℃左右的回水，即可獲得接近0 ℃的冷水[7]。提高融冰速度、減小融冰槽體積是融冰環(huán)節(jié)需要進(jìn)一步研究的方向。

通過實(shí)際冷卻系統(tǒng)的對(duì)比表明：目前3 000 m以下的礦井降溫系統(tǒng)，雖然初期投資較高，綜合考慮運(yùn)行費(fèi)用，較為經(jīng)濟(jì)的選擇方案仍是冰冷卻系統(tǒng)。所以，人工制冰礦井空調(diào)系統(tǒng)具有很好的發(fā)展前景。

3空氣壓縮制冷降溫技術(shù)分析

空氣壓縮制冷降溫是利用壓縮空氣作為供冷媒質(zhì)，向需冷工作面噴射冷氣制冷。其形式包括變?nèi)菔娇諝庵评?、渦流管式空氣制冷、壓氣引射器制冷和渦輪式空氣制冷。其中渦輪式空氣制冷是空氣制冷空調(diào)最常用的制冷方式[8]。單位質(zhì)量的空氣吸熱量有限，導(dǎo)致空氣壓縮制冷降溫系統(tǒng)的單位質(zhì)量制冷劑的制冷能力及制冷系數(shù)比較小，在制取相同冷量的情況下，相比于水冷卻及冰冷卻降溫系統(tǒng)，所需的制冷設(shè)備更大，導(dǎo)致空氣壓縮制冷降溫系統(tǒng)的初投資費(fèi)用及運(yùn)行費(fèi)用更高。因此，一般很少有礦井采用整套空氣壓縮制冷降溫系統(tǒng)進(jìn)行全礦井降溫，只是在需冷量不大的小型礦井或者局部高溫采面及掘進(jìn)工作面采用空氣壓縮制冷降溫。

渦輪式空氣制冷利用井下的壓縮空氣在渦輪壓氣機(jī)進(jìn)行增壓升溫，然后壓氣機(jī)出口的空氣與水在水冷卻器中進(jìn)行熱量交換，最后冷卻的空氣在膨脹機(jī)的作用下進(jìn)行絕熱膨脹，從而實(shí)現(xiàn)空氣制冷。我國在孟加拉國承建的Barapukuria煤礦(簡(jiǎn)稱孟加礦)項(xiàng)目，在建井期間，遇到嚴(yán)重?zé)岷Φ木蜻M(jìn)工作面，在采用水冷KKL-101空氣制冷設(shè)備進(jìn)行降溫后熱害問題得到了有效控制[9]。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用證明了空氣壓縮制冷降溫技術(shù)在煤礦掘進(jìn)工作面降溫的可行性，進(jìn)一步研究后可推廣到回采工作面降溫，為我國礦井降溫技術(shù)開辟了一條新的途徑。

渦輪式空氣制冷機(jī)作為高溫礦井空調(diào)終端設(shè)備，相當(dāng)于冷水機(jī)組系統(tǒng)中的空冷器，能有效解決我國礦井集中降溫存在的問題，其優(yōu)點(diǎn)包括[10]：系統(tǒng)簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活，輸冷管道少，承壓小，對(duì)管道材質(zhì)要求低；可以保證工作面冷量分布合理，降溫效果好；空氣制冷機(jī)無需電力驅(qū)動(dòng)，解決了井下設(shè)備防爆問題；空氣既是制冷劑又是載冷劑，對(duì)井下環(huán)境沒有污染。但也有其缺點(diǎn)：該系統(tǒng)要保證礦井通風(fēng)量足夠大，為空氣制冷機(jī)提供充足的壓縮氣源，系統(tǒng)的初投資及運(yùn)行費(fèi)用較高?？諝鈮嚎s制冷作為一種新型礦井降溫技術(shù)，由于其應(yīng)用靈活，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，在需冷量不大的小型礦井或者礦井局部地點(diǎn)降溫的應(yīng)用上具有廣闊的市場(chǎng)。

4礦井降溫系統(tǒng)的選擇

礦井降溫首先應(yīng)考慮一些簡(jiǎn)單可行的非人工制冷降溫技術(shù)，在達(dá)不到降溫目的時(shí)，才考慮人工制冷降溫措施。人工制冷降溫系統(tǒng)的選擇應(yīng)根據(jù)礦井的實(shí)際情況并結(jié)合不同礦井空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行綜合考慮：地面集中式降溫系統(tǒng)冷損較大，對(duì)于開采較淺的礦井較適用；井下集中式系統(tǒng)冷凝熱排放困難，對(duì)于冷量較小的礦井較適用；對(duì)于冷負(fù)荷大的超深礦井可考慮冰冷卻降溫技術(shù)；壓縮空氣制冷則適用于需冷量小的淺部礦井。此外，礦井降溫系統(tǒng)的選擇要滿足技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理和環(huán)境影響小等3個(gè)方面要求。

4.1技術(shù)可行性指標(biāo)

在經(jīng)濟(jì)可行的各項(xiàng)指標(biāo)中，礦井制冷降溫系統(tǒng)方案主要有制冷系統(tǒng)制冷量、系統(tǒng)穩(wěn)定性、散熱方式和設(shè)備管道承壓性等4個(gè)可選指標(biāo)。首先是方案的選擇要滿足制冷量的要求，將井下熱環(huán)境控制在規(guī)定范圍內(nèi)。其次系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)行穩(wěn)定，保證礦井正常生產(chǎn)。冷凝熱的排放和設(shè)備管道的承壓性可以根據(jù)具體情況適當(dāng)放松要求。

4.2經(jīng)濟(jì)合理性指標(biāo)

礦井降溫系統(tǒng)選擇有初期主要設(shè)備費(fèi)用、壽命周期運(yùn)行成本、冷損量大小及降溫工程費(fèi)等4個(gè)經(jīng)濟(jì)合理性指標(biāo)。這些經(jīng)濟(jì)合理性指標(biāo)可以明確反映降溫系統(tǒng)的合理性，壽命周期運(yùn)行成本合并考慮了年運(yùn)行電費(fèi)、維護(hù)費(fèi)用和使用年限等3種因素。

4.3環(huán)境影響指標(biāo)

礦井制冷降溫系統(tǒng)環(huán)境影響指標(biāo)包括對(duì)采掘作業(yè)的影響、系統(tǒng)占有空間的影響和噪音的影響等。對(duì)采掘作業(yè)的影響是指礦井降溫系統(tǒng)對(duì)礦井生產(chǎn)的影響，比如井下輸冷管道的安設(shè)、空冷器的安設(shè)對(duì)采掘、運(yùn)輸工作的影響。礦井制冷降溫系統(tǒng)必須占用一定的空間，比如采用地面集中式井下占用空間小，采用地下集中式需要開鑿大斷面機(jī)電硐室。同時(shí)，噪音的產(chǎn)生會(huì)惡化工作環(huán)境，降低勞動(dòng)效率。

5結(jié)語

目前，人工制冷水技術(shù)在礦井降溫技術(shù)最為成熟，在我國空調(diào)降溫系統(tǒng)中處于主導(dǎo)地位，由于制冷機(jī)組置于井下存在潛在危險(xiǎn)，因此，制冷機(jī)組的設(shè)置向地表發(fā)展是一種趨勢(shì)。

冰冷卻空調(diào)系統(tǒng)在我國礦井空調(diào)中還處在起步階段，還有許多技術(shù)問題亟待解決：如何解決冰在輸送過程中易黏結(jié)成塊堵塞管道問題，從而減小輸冰阻力，提高輸冰效率；如何優(yōu)化融冰池設(shè)計(jì)、提高融冰速度和降低出水溫度；適用于低溫水及泥狀冰傳熱要求的空冷器的開發(fā)研究等。但是冰冷卻空調(diào)技術(shù)在超深井降溫中具有廣闊的發(fā)展前景。

壓縮空氣制冷技術(shù)應(yīng)用靈活，系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、安全、可靠，在礦井局部地點(diǎn)降溫及小型淺部礦井降溫應(yīng)該大力推廣。

礦井降溫技術(shù)的選擇，應(yīng)根據(jù)不同礦區(qū)的特點(diǎn)和不同降溫技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行效能分析，既要求技術(shù)上可行，環(huán)境影響小，又要使投資及運(yùn)行費(fèi)用最低。

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(責(zé)任編輯：陸俊杰)

The Present Situation and Existing Problems of Artificial Refrigeration Cooling Technology of Coal Mine in China

LIU Jing， ZHOU Shan-shan

(Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454000， China)

Abstract：Artificial refrigeration cooling technology is an effective measure to solve the mine thermal pollution. This paper analyzes the present situation and trend of development of Mine artificial refrigeration cooling technology in our country, and studies the conditions of use technical characteristics, economy and existing problems of various mine artificial refrigeration cooling technology.

Key words：mine heat harm; refrigeration cooling; ice cooling technology; compressed air

中圖分類號(hào)：TD727

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.01.016

文章編號(hào)：1671-6906(2016)01-0066-05

作者簡(jiǎn)介：劉靖(1971-)，男，山東萊蕪人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)榻ㄖh(huán)境與能源應(yīng)用工程。

收稿日期：2015-11-03