石乃敏，潘愛(ài)民，沈雁醒

(1.廣西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 河池 547000；2.廣西高峰礦業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 南丹 547205)

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某金屬礦山深部開(kāi)采人工制冷降溫技術(shù)方案分析

石乃敏1，潘愛(ài)民1，沈雁醒2

(1.廣西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 河池 547000；2.廣西高峰礦業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 南丹 547205)

摘要：據(jù)實(shí)測(cè)，某金屬礦井開(kāi)采深度千米以下的-200m中段的氣溫高達(dá)33.950C，深井高溫?zé)岷σ褔?yán)重制約了該礦的安全高效開(kāi)采和深部資源開(kāi)發(fā)。由于該礦所采取的一般通風(fēng)方法降溫效果有限，為改善井下作業(yè)環(huán)境，必須采取相應(yīng)的人工制冷降溫技術(shù)措施。本文分析了該礦井下主要熱源及其危害，通過(guò)對(duì)熱源散熱量的理論計(jì)算，運(yùn)用礦井空調(diào)技術(shù)，對(duì)以冷水、冰作為冷源的地面集中降溫系統(tǒng)分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)這二種冷媒集中制冷系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。以冰作為冷源在深礦井集中降溫系統(tǒng)中，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)比較明顯，也是以后深礦井降溫的一個(gè)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：深礦井降溫；冷水輸冷制冷技術(shù)；冰輸冷制冷技術(shù)

廣西某金屬礦山的淺部礦產(chǎn)資源已開(kāi)采完畢，現(xiàn)進(jìn)入深部開(kāi)采，開(kāi)采深度已達(dá)近1000m。隨著礦井的開(kāi)采深度逐年增加，礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，通風(fēng)困難，致使礦井深部風(fēng)量不足、作業(yè)區(qū)氣溫偏高等問(wèn)題日趨嚴(yán)重。據(jù)實(shí)測(cè)，該礦-200m水平巷道平均空氣溫度33.95℃，已超過(guò)了我國(guó)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》中規(guī)定的氣溫要求。高溫致使礦井內(nèi)環(huán)境惡化，危及工人身體健康，造成勞動(dòng)生產(chǎn)率下降和生產(chǎn)成本升高，影響礦山安全生產(chǎn)，制約了深部資源的綜合開(kāi)采。高溫?zé)岷σ殉蔀榈V山安全高效生產(chǎn)的主要災(zāi)害，礦井降溫技術(shù)已成為采礦技術(shù)中的一個(gè)重要領(lǐng)域，開(kāi)展高溫礦井降溫技術(shù)研究及應(yīng)用具有重要現(xiàn)實(shí)意義[1]。

1礦山概況

該礦采用充填采礦法，當(dāng)前采礦活動(dòng)主要分布在-200m水平上下。105#礦體是該礦開(kāi)采的主要對(duì)象，礦體位于48#～56#勘探線之間，埋藏深度±1km，屬于典型的深井開(kāi)采。105#礦體金屬礦物主要是錫石、磁黃鐵礦、脆硫銻鉛礦、鐵閃鋅礦、黃鐵礦等，礦石中Sn、Pb、Zn、Sb 4種金屬綜合品位在20%以上，是國(guó)內(nèi)外罕見(jiàn)的多金屬特富礦體。礦體圍巖為巨厚層狀的生物礁灰?guī)r，礦體和圍巖都屬于完整性好、抗壓強(qiáng)度高的硬質(zhì)巖石[2]。

礦山采用豎井、斜井聯(lián)合開(kāi)拓，采用“兩進(jìn)兩回”中央進(jìn)風(fēng)兩翼回風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng)。隨著礦井通風(fēng)水平的進(jìn)一步加深，通風(fēng)系統(tǒng)存在通風(fēng)路線長(zhǎng)、通風(fēng)斷面小、通風(fēng)阻力大、漏風(fēng)量大等問(wèn)題。由于巖(礦)體放熱和空氣自壓縮升溫將隨礦山開(kāi)采深度的增加而增加，加之井下通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)降溫能力有限，造成采掘工作面風(fēng)溫偏高，氣溫普遍在30℃以上，高溫?zé)岷?yán)重。

2礦井高溫原因及危害

造成該礦深部井下高溫有客觀因素和主觀因素。客觀因素是地下有熱源，主要是礦巖體放熱、地下水放熱、地表大氣狀態(tài)變化及空氣自壓縮放熱；其次是機(jī)電設(shè)備放熱、爆破熱、人體散熱等，這些熱源造成了礦井氣溫升高。主觀控制上的因素，主要是通風(fēng)效果不良，深部風(fēng)量不足，風(fēng)流分配不合理，通風(fēng)井巷部分?jǐn)嗝嫫?，通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，排熱排濕困難。

礦井深部高溫(氣溫≥30℃)、高濕(相對(duì)濕度≥80%)對(duì)人體、生產(chǎn)效率、機(jī)電設(shè)備的影響和危害是顯然易見(jiàn)的。工人在高濕熱環(huán)境中較長(zhǎng)時(shí)間的作業(yè)，致使人體水鹽代謝出現(xiàn)紊亂，會(huì)發(fā)生中暑、熱虛脫等疾病，損害人體健康。同時(shí)，人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)容易失調(diào)，感到疲勞、周身無(wú)力和心情煩躁，誘發(fā)安全生產(chǎn)事故，勞動(dòng)生產(chǎn)效率也大大降低[3]。井下機(jī)電設(shè)備在高溫高濕環(huán)境里，容易被腐蝕老化、絕緣性能降低，容易發(fā)生設(shè)備故障，存在安全隱患。

3國(guó)內(nèi)外礦井人工制冷降溫技術(shù)研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)深井開(kāi)采高溫的研究始于16世紀(jì)。1740年，法國(guó)人曾對(duì)金屬礦地溫進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。18世紀(jì)末，英國(guó)人開(kāi)始進(jìn)行礦井巷道圍巖溫度觀測(cè)。進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)，世界各國(guó)對(duì)礦井巖溫的觀測(cè)和理論上的研究越來(lái)越多，積累了大量的技術(shù)數(shù)據(jù)與觀測(cè)資料，取得了令人矚目的技術(shù)成果。20世紀(jì)70年代，南非、西德、蘇聯(lián)及日本等國(guó)家，采用以氟利昂為制冷劑的壓縮制冷機(jī)來(lái)解決礦井工作面高溫問(wèn)題。1985年，南非在世界上首次用冰做載冷劑冷卻空冷器的冷卻水，該系統(tǒng)的制冷能力達(dá)628 MW。1989年，南非一金礦建成壓縮空氣制冷空調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)管道輸送被壓縮成液態(tài)的空氣到井下，經(jīng)膨脹后與工作面風(fēng)流摻混，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面風(fēng)流的冷卻。同年，波蘭研制出了渦流管式空氣制冷裝置，在掘進(jìn)工作面試用，取得了一定的空調(diào)效果。目前，德國(guó)在高溫礦井采用機(jī)械制冷措施、技術(shù)上均居世界領(lǐng)先地位[4]。

我國(guó)深井開(kāi)采降溫研究工作始于20世紀(jì)50年代，煤炭科學(xué)研究院撫順研究所對(duì)部分高溫礦井開(kāi)展了地溫測(cè)試工作，同時(shí)還試驗(yàn)研制研發(fā)了空冷器等降溫設(shè)備。60年代，我國(guó)開(kāi)始采用局部制冷空調(diào)，武漢冷凍機(jī)廠研制出JK-T70型礦用移動(dòng)式冷水機(jī)組。1993年，平頂山礦務(wù)局科研所和原中國(guó)航空工業(yè)總公司第609研究所聯(lián)合研制成KKL101礦用無(wú)氟空氣制冷機(jī)。1995年，山東新汶礦務(wù)局建立了我國(guó)第一個(gè)礦井地面集中制冷降溫系統(tǒng)，設(shè)計(jì)制冷能力為7400kW，為亞洲當(dāng)時(shí)最大的礦井制冷降溫系統(tǒng)。2004年新汶礦業(yè)集團(tuán)通過(guò)對(duì)南非金礦降溫技術(shù)的考察，引進(jìn)了礦井制冰輸冰制冷降溫系統(tǒng)，在孫村礦建立了我國(guó)第一個(gè)制冰輸冰制冷降溫系統(tǒng)[5]。

目前，國(guó)內(nèi)深礦井降溫工程所采用的技術(shù)主要有機(jī)械制取冷水降溫技術(shù)、機(jī)械制冰降溫技術(shù)、空氣壓縮式制冷技術(shù)以及熱-電-乙二醇降溫技術(shù)。

4某礦井人工制冷降溫技術(shù)方案

近年來(lái)，該金屬礦山進(jìn)行了多次通風(fēng)系統(tǒng)改造，如在-200～-174m水平開(kāi)掘一脈外回風(fēng)斜井，完善深部通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)其它補(bǔ)掘回風(fēng)巷、增設(shè)輔扇、修擴(kuò)通風(fēng)斷面、封閉舊巷道等措施，提高采掘工作面風(fēng)量，工作面的氣溫有所下降。其所采取的非人工制冷降溫措施，雖然經(jīng)濟(jì)實(shí)用，但受到諸多因素的制約，其效果有限，一般只能使井下氣溫平均下降2℃左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了采掘工作面的降溫需求。據(jù)實(shí)測(cè)，該礦-150m水平空氣平均溫度32.6℃，-200m水平為33.95℃，對(duì)于該礦-150m水平以下開(kāi)采區(qū)域，利用一般的通風(fēng)降溫方法已無(wú)法達(dá)到改善作業(yè)環(huán)境的要求，必須采取相應(yīng)的人工制冷降溫技術(shù)措施，才能使采掘工作面的空氣溫度達(dá)到礦山安全規(guī)程的要求。

4.1提出方案

人工制冷降溫是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的深礦井降溫措施。根據(jù)現(xiàn)有礦井機(jī)械制冷主機(jī)安裝的位置，有地面集中式降溫系統(tǒng)，井下集中式降溫系統(tǒng)，地面、井下聯(lián)合降溫系統(tǒng)，井下局部(移動(dòng))降溫系統(tǒng)[6]。選擇礦井降溫系統(tǒng)，要根據(jù)礦井高溫?zé)岷Φ膶?shí)際情況以及結(jié)合不同礦井空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行選擇，經(jīng)綜合考慮國(guó)內(nèi)現(xiàn)有制冷技術(shù)水平，對(duì)該礦-150m水平以下開(kāi)采區(qū)域，擬設(shè)計(jì)地面站冷水輸冷制冷降溫系統(tǒng)和冰輸冷制冷降溫系統(tǒng)。

方案一，地面站冷水輸冷制冷降溫系統(tǒng)。該方案是在地面建制冷站，由冷媒水管道利用重力送冷水到高低壓換熱器實(shí)現(xiàn)換熱與泄壓，二次冷媒水再在高低壓換熱器與空冷器間流動(dòng)，送往工作面的空氣流經(jīng)空冷器實(shí)現(xiàn)工作面降溫。

方案二，地面站冰輸冷制冷降溫系統(tǒng)。人工制冰降溫技術(shù)就是利用將制冰機(jī)制取的粒狀冰或泥狀冰，經(jīng)輸冷系統(tǒng)輸送至融冰裝置，在融冰裝置內(nèi)，冰與水直接換熱，產(chǎn)生接近O℃的冷水，冷水經(jīng)井下輸配管路送到工作面，經(jīng)空冷器與工作面風(fēng)流換熱，達(dá)到降溫目的[7]。

4.2方案的計(jì)算分析與選擇

4.2.1計(jì)算依據(jù)

據(jù)調(diào)查，該礦井下高溫?zé)岷ψ顬閲?yán)重的是獨(dú)頭探采巷道。以下分析計(jì)算以獨(dú)頭探采巷道作為制冷降溫巷道計(jì)算的依據(jù)。巷道斷面3.55m×2.95m，周長(zhǎng)為14m，斷面面積為14m2，巷道長(zhǎng)度選取20m，空氣密度取1.20kg/m3。實(shí)測(cè)巖體溫度為35℃。

按工作面最低排塵風(fēng)速0.15m/s，每個(gè)工作面的供風(fēng)量為2.1m3/s(2.5kg/s)，同時(shí)需冷工作面為10個(gè)，則制冷供風(fēng)量約為30m3/s(36kg/s)。

4.2.2設(shè)計(jì)冷負(fù)荷估算

該礦深部礦體是以地?zé)岷涂諝庾詨嚎s熱為主要熱源的高溫礦井，絕對(duì)放熱量應(yīng)以空氣自壓縮熱、圍巖散熱、人員放熱、機(jī)械設(shè)備放熱等熱源估算，見(jiàn)式(1)～(4)。

空氣自壓縮熱計(jì)算見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：MB為通過(guò)井巷的風(fēng)量(kg/s)；g為重力加速度，取9.81(m/s3)；Z1、Z2為井巷始、終端的標(biāo)高(m)。

圍巖散熱計(jì)算見(jiàn)式(2)。

6.1×10-3×14×20×(35-28)≈12kW

(2)

人員放熱計(jì)算見(jiàn)式(3)。

Q3=n×q=6×0.275=1.65kW

(3)

式中：n為井巷作業(yè)人數(shù)，按6人計(jì)；q為人均發(fā)熱量，查有關(guān)手冊(cè)，按0.275kW計(jì)。

機(jī)電設(shè)備放熱計(jì)算見(jiàn)式(4)。

Q4=φ×N=0.496×8=3.9kW

(4)

式中：φ為機(jī)電設(shè)備運(yùn)行放熱比例系數(shù)，取0.496；N為機(jī)電設(shè)備實(shí)耗功率(kW)

則所需制冷負(fù)荷為熱源的總放熱量見(jiàn)式(5)。

10×(22+12+1.65+3.9)=395kW

(5)

考慮負(fù)荷系數(shù)1.2、冷量損失7%，則設(shè)計(jì)冷負(fù)荷見(jiàn)式(6)。

Q=1.2×395+1.2×395×7%≈507kW

(6)

4.2.3地面站冷水輸冷制冷降溫系統(tǒng)初步分析

地面站冷水輸冷制冷降溫系統(tǒng)主要由冷水機(jī)組、冷卻水系統(tǒng)、高低壓換熱設(shè)備、末端設(shè)備(空冷器)等部分組成。其中，冷水機(jī)組和冷卻水系統(tǒng)布置在地面，高低壓換熱器與末端設(shè)備分設(shè)在井下。系統(tǒng)圖見(jiàn)圖1。通過(guò)對(duì)冷水機(jī)組、冷媒水流量、冷卻塔排熱量和冷卻水泵功耗、空冷器流量功耗、回水水泵的功耗、輸冷管道管徑等計(jì)算選型分析，綜合擬選冷水輸冷制冷降溫系統(tǒng)主要設(shè)備及詢價(jià)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1　冷水輸冷制冷降溫系統(tǒng)圖

4.2.4地面站冰輸冷制冷降溫系統(tǒng)初步分析

冰冷卻空調(diào)系統(tǒng)一般采用地面集中式，將融冰池建在-50m水平。其冰輸冷制冷降溫系統(tǒng)主要由制冰系統(tǒng)(包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器)、水系統(tǒng)(冷卻水塔、水泵)、融冰系統(tǒng)末端設(shè)備三部分組成，系統(tǒng)圖見(jiàn)圖2。

經(jīng)過(guò)計(jì)算選型分析，綜合擬選冰輸冷制冷降溫系統(tǒng)主要設(shè)備及詢價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1　地面站冷水輸冷制冷降溫系統(tǒng)擬選主要設(shè)備及詢價(jià)

表2　地面站冰輸冷制冷降溫系統(tǒng)擬選主要設(shè)備及詢價(jià)

圖2　冰輸冷制冷降溫系統(tǒng)圖

4.2.5方案分析

4.2.5.1地面站基建工程費(fèi)

地面站建筑為占地600 m2的兩層建筑物，共1200m2。按1650元/m2的造價(jià)概算，地面站基建工程費(fèi)用為198萬(wàn)元。

4.2.5.2輸冷管道井建工程費(fèi)

在200m水平以下無(wú)豎井，為實(shí)現(xiàn)冷媒(冷水或冰)短距離輸送，在200m水平至-200m水平建立專用的輸冷管道豎井。斷面按5 m2計(jì)。工程量為V1=400×5=2000 m3。

-50m水平至-200m水平新建斷面3 m2、長(zhǎng)100m的輸冷管專用巷道，則10個(gè)需冷點(diǎn)總連接管道水平巷道工程量為V2=10×100×3=3000 m3。

按平均300元/m3直接掘進(jìn)費(fèi)計(jì)算，總直接工程費(fèi)為：5000×300=150萬(wàn)元。

4.2.5.3經(jīng)濟(jì)比較

由以上兩種方案對(duì)工程和設(shè)備的分析，按電價(jià)0.6元/kW·h，年制冷運(yùn)行時(shí)間為300天，估算運(yùn)行費(fèi)用見(jiàn)表3。

表3　二種方案費(fèi)用比較

4.2.6方案選擇

從表3可知，方案一比方案二節(jié)省前期投資270萬(wàn)元，但方案二的年運(yùn)行費(fèi)用比方案一少近65.7萬(wàn)元。按系統(tǒng)運(yùn)行10年計(jì)，則可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用657萬(wàn)元，在維護(hù)費(fèi)用相同的條件下，方案二比方案一總節(jié)約費(fèi)用387萬(wàn)元。

若將方案二的融冰池建在由-50m調(diào)整至200m水平，則從200m水平至各需冷工作面空冷器的輸冷管道可利用現(xiàn)有的巷道鋪設(shè)，免掘進(jìn)直接工程費(fèi)用150萬(wàn)元。同時(shí)，冰-水回水管長(zhǎng)度減少250m，冰-水回水管水泵的功耗也將減少。但融冰池至空冷器的管道長(zhǎng)度相應(yīng)增加，這時(shí)可以考慮在-200m水平增加一冷媒水緩沖池?？绽淦魉枥涿剿衫涿剿彌_池供給，這樣既可以利用現(xiàn)有巷道，減少掘進(jìn)工程量，也可以實(shí)現(xiàn)冷媒水的靜壓轉(zhuǎn)換。

冰冷卻降溫系統(tǒng)與水冷卻降溫系統(tǒng)相比有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：①冰冷卻降溫系統(tǒng)主要是利用冰的融化潛熱降溫，獲得相同冷量所需的冰量?jī)H為水冷系統(tǒng)水量的1/5～1/4；②冰冷卻系統(tǒng)是通過(guò)冰與水的直接接觸換熱，換熱效率高，可獲得1℃左右的低溫冷水，送入空冷器的水量相應(yīng)減少，減少了水泵的輸送能耗。

經(jīng)綜合考慮投資、運(yùn)行管理、運(yùn)行費(fèi)用等因素，建議使用融冰池建立在200m水平的地面站冰輸冷制冷降溫系統(tǒng)。

5結(jié)語(yǔ)

隨著金屬礦山開(kāi)采深度的增加，礦井高溫?zé)岷?wèn)題會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。為改善井下作業(yè)氣候環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，對(duì)高溫礦井設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工作區(qū)降溫的主要技術(shù)措施。本文根據(jù)該礦熱害特點(diǎn)和礦井條件，計(jì)算工作面冷負(fù)荷，設(shè)計(jì)冰冷卻降溫系統(tǒng)與水冷卻降溫系統(tǒng)。該降溫系統(tǒng)同時(shí)與傳統(tǒng)通風(fēng)方式有機(jī)配合，可實(shí)現(xiàn)深部礦井空調(diào)降溫目的。但制冰降溫技術(shù)目前還處于試應(yīng)用狀態(tài)，在金屬礦山實(shí)際應(yīng)用的甚少，深井人工制冷降溫存在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面的諸多問(wèn)題，還有待于進(jìn)一步研究解決，并在實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，找出合適的、行之有效的礦井降溫方法。

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收稿日期：2015-12-07

基金項(xiàng)目：廣西高?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目資助(編號(hào)：KY2015YB467)

作者簡(jiǎn)介：石乃敏(1965-)，男，廣西河池人，副教授，主要從事礦業(yè)工程專業(yè)教學(xué)與科研工作。Email：shinaimin@126.com； 潘愛(ài)民(1963-)，女，廣西河池人，副教授，主要從事物理專業(yè)(空調(diào)與制冷)教學(xué)與科研工作； 沈雁醒(1988-)，男，廣西大化人，采礦工程師，學(xué)士，現(xiàn)任廣西高峰礦業(yè)公司采礦技術(shù)員，主要從事金屬礦開(kāi)采技術(shù)工作。

中圖分類號(hào)：TD727+.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)07-0161-05

Analysis of the technical scheme of artificial cooling in a deep mining metal mine

SHI Nai-min1，PAN Ai-min1，SHEN Yan-xing2

(1.Guangxi Modern Polytechnic College，Hechi 547000，China；2.Guangxi Gaofeng Mining Company Limited，Nandan 547205，China)

Abstract:According to the actual survey，the temperature of -200m mining level in a metal mine whose mining depth is about thousand meter has reached 33.95℃，heat disaster in deep wells mining has become the main constraint on safe and effective mining and comprehensive exploitation on deep resources.Because of the ventilation measure taken by the mine at present，its cooling effect is limited.Artificial refrigeration temperature drop measure must be adopted to improve the underground working condition．This paper analyzes the heat resources and their dangers，designs the artificial water cooling and ice-making system on the ground station by theoretically calculating the heat dissipating capacity of the underground heat resources and applying the air-conditioning technology in the mine.The cooling system of cold water and ice solution were designed respectively.an economical and technical analysis of the cooling system with the above two cooling sources are also finished.Using ice as a cold source in the deep mine cooling system has already shown its economical and technological advantages.And it is also a development direction of deep mine cooling.

Key words：deep mine cooling；cold water cooling technology；ice cooling technology