張海軍

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西陽(yáng)泉 045000）

0 引言

煤炭是中國(guó)的主要能源，并為中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)提供了可靠的能源支持。根據(jù)國(guó)家局公布的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（NBS）表示，2016年中國(guó)煤炭產(chǎn)量達(dá)到36.8億噸[1]。確?？焖俪掷m(xù)的能源供應(yīng)發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)，保持年煤炭產(chǎn)量40億噸，煤炭資源開(kāi)采深度將不可避免地增加。采礦深度超過(guò)1000米的礦山在中國(guó)有47個(gè)，平均采礦深度高達(dá)1086米。其中，最大開(kāi)采深度已達(dá)1501米，位于山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)下屬的孫村煤礦，這也是亞洲最大的深度。在深部采礦期間，除了一些意外災(zāi)害和局部地區(qū)的威脅，如煤和瓦斯泄露、巖爆和水爆破等，煤礦一般都會(huì)受到熱損傷，這已成為制約深部煤炭資源安全開(kāi)采一個(gè)重要的因素。不僅影響工人的身體健康，降低勞動(dòng)生產(chǎn)率，高溫煤礦濕度也對(duì)煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。本文作者在結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，充分了解煤礦的四大特點(diǎn)-高溫、高濕、高粉塵和有限的空間，引進(jìn)了世界先進(jìn)技術(shù)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新，在提高關(guān)鍵設(shè)備可靠性的同時(shí)，降低了開(kāi)發(fā)成本。介紹了ZL400系列采用半封閉螺桿壓縮機(jī)的礦山制冷機(jī)組，開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于實(shí)踐中，以減少在深部煤層中發(fā)生的熱損傷。

1 世界范圍內(nèi)礦用冷卻裝置使用情況及必要性

盡管存在各種煤礦熱傷害的原因，但在中國(guó)主要地區(qū)煤礦熱量的原因主要包括增加開(kāi)采深度時(shí)的巖石溫度，以及大型機(jī)電設(shè)備的散熱[2]。為地下工作提供適當(dāng)?shù)墓ぷ鳝h(huán)境首先應(yīng)采用傳統(tǒng)的非機(jī)械冷卻方法來(lái)緩解問(wèn)題，例如增加通風(fēng)率，改變采礦方法和通風(fēng)模式等。一旦這種傳統(tǒng)方式失效，機(jī)械冷卻方式必然將成為主要設(shè)備。西方國(guó)家擁有發(fā)達(dá)的采礦業(yè)，如美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、澳大利亞、波蘭、南非等國(guó)家對(duì)深井風(fēng)冷進(jìn)行了研究并制定出來(lái)各種形式的機(jī)械冷卻系統(tǒng)，帶來(lái)了良好的效果。例如，在美國(guó)地面集中冷卻系統(tǒng)（冷卻和散熱均已完成）地下，地下礦井（它們?cè)诘叵碌V井完成）以及混合使用（地下散熱完成冷卻，地面散熱）根據(jù)機(jī)械冷卻的散熱位置的不同，系統(tǒng)也不盡相同。每個(gè)冷卻系統(tǒng)可以據(jù)具體情況采取幾種特定的形式。德國(guó)的礦山冷卻方法是在地面或地下礦井具有大的冷卻能力的制冷站。依托在其發(fā)達(dá)的工業(yè)設(shè)備制造業(yè)中，它提高了盡可能多的冷卻站中的每個(gè)冷卻單元的冷卻能力，以補(bǔ)償冷卻損失并釋放系統(tǒng)在地面產(chǎn)生的冷凝熱量。英國(guó)和澳大利亞是獨(dú)立的聯(lián)邦國(guó)家，他們的采煤方法有很大相似之處：長(zhǎng)壁采礦最常使用，而U型或Y型通風(fēng)用于工作面。他們的礦山冷卻方法在德國(guó)人的影響下，通過(guò)由設(shè)置在道路上的空氣冷卻器（包括冷卻器）分開(kāi)或逐漸冷卻空氣流組成進(jìn)氣，并返回在工作面和地面上的集中冷凍水冷卻系統(tǒng)。

輔助設(shè)備是集中式和本地冷卻設(shè)備，如GMC-2000、GMC-1000、TS-300和TS-450。世界各地的礦山冷卻技術(shù)，并具有豐富的冷卻方法。雖然南非是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，但是在南非發(fā)現(xiàn)的均為貴金屬礦山，所以較高的采礦成本也是可以承受的。因此，該國(guó)的挖掘深度很大，平均在3000～5000米。很多工程師對(duì)它進(jìn)行了相關(guān)的各種熱源分析研究，降溫測(cè)定等負(fù)載，礦井局部空冷，地面和地下集中冷卻，冰冷系統(tǒng)，相關(guān)輔助設(shè)備和計(jì)算機(jī)模擬軟件[3]。

目前，我國(guó)煤礦伴熱傷害的技術(shù)和設(shè)備基本上都是與上述國(guó)家相同。例如，山東省趙樓煤礦需要不同的階段使用地面系統(tǒng)噴水和地下集中式冷水冷卻系統(tǒng)；安徽省丁集和潘集煤礦集中煤礦冷卻加熱和電力系統(tǒng)（CCHP）；河南省四礦煤礦經(jīng)營(yíng)平美集團(tuán)采用移動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)來(lái)處理零件和冷卻系統(tǒng)對(duì)于使用低溫冰箱的加熱；三河尖煤江蘇省礦山部署采用礦山的HEMS深部礦井風(fēng)冷系統(tǒng)流入水作為冷卻源。所有這些都得到了很好的冷卻效果[4-5]。

然而，與發(fā)達(dá)國(guó)家采礦業(yè)國(guó)家的情況不同，我國(guó)煤礦降溫面臨的主要問(wèn)題是缺乏關(guān)鍵和核心設(shè)備（如，作為本地制冷單元，大型防爆制冷單元等）。無(wú)論大尺寸集中式空氣冷卻系統(tǒng)或靈活使用的小型移動(dòng)式局部空氣冷卻系統(tǒng)，都需要這種關(guān)鍵和核心設(shè)備發(fā)展的重大突破。

2 ZL400制冷機(jī)組的開(kāi)發(fā)

2.1 工作原理

與普通地面制冷機(jī)組一樣，ZL400礦山的工作原理也是如此，冷卻裝置用壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器等完成整個(gè)制冷循環(huán)，膨脹閥和循環(huán)制冷劑[6]。吸收過(guò)量熱量后不久，氣體制冷劑被壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓的氣體，然后轉(zhuǎn)移到冷凝器中，在50℃冷凝成液體。由此釋放熱量被冷凝器中循環(huán)的冷卻水帶走。之后，冷卻的制冷劑被減壓并通過(guò)膨脹閥進(jìn)入蒸發(fā)器，在那里變成氣體低溫（從0℃到10℃），吸收水或空氣流過(guò)的多余熱量實(shí)現(xiàn)冷卻目標(biāo)。然后這種氣體制冷劑再次被傳送到壓縮機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)封閉制冷循環(huán)“壓縮→冷凝→節(jié)流→蒸發(fā)”形成。

ZL400礦山冷卻裝置的主要特點(diǎn)是冷卻和散熱過(guò)程在地下礦井完成。冷卻裝置使用返回空氣或噴涌放熱水。但是，要解決熱介質(zhì)在夏季達(dá)到高溫的問(wèn)題，它被設(shè)計(jì)成在高冷凝溫度下運(yùn)行的熱泵機(jī)組，流量大、工作溫差小、用水帶走熱量[7]。它使用R22作為循環(huán)制冷劑，設(shè)計(jì)用于在0℃（冷凝溫度）下蒸發(fā)53℃，過(guò)熱溫度5℃，過(guò)冷卻溫度5℃。根據(jù)制冷劑的物理性質(zhì)，然后可以找到并確定與狀態(tài)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的參數(shù)，選擇合適的工質(zhì)。

2.2 結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)

冰箱體由半封閉式螺桿制冷壓縮機(jī)組成，包括殼管式冷凝器、熱力膨脹閥、過(guò)濾干燥器、集油器及相關(guān)調(diào)節(jié)裝置閥門(mén)等。整個(gè)機(jī)器的小尺寸導(dǎo)致轉(zhuǎn)向方便。密封螺桿式壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行并防止制冷劑泄漏。完全自我保護(hù)機(jī)制使其在復(fù)雜環(huán)境中具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。ZL400冷卻裝置如圖1所示。

圖1 ZL400冷卻裝置及配套裝置

ZL400冷卻裝置中的本地空調(diào)系統(tǒng)可分為兩個(gè)類(lèi)別：蒸發(fā)器直接作用制冷系統(tǒng)和間接地冷卻氣流制冷設(shè)備，蒸發(fā)器將冷卻水供應(yīng)給閘門(mén)道路和長(zhǎng)壁空氣冷卻器。前者主要由ZF400制冷機(jī)組直接冷卻蒸發(fā)器、再冷卻器、監(jiān)控系統(tǒng)（如PLC等）以及必要的配件，后者由ZL400制冷機(jī)組，蒸發(fā)器，空冷器，再冷卻器，監(jiān)控系統(tǒng)和必要的附件（如PLC等）組成[8]。

3 ZL400制冷單元優(yōu)勢(shì)分析及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

（1）三個(gè)“四個(gè)組件”（排除蒸發(fā)器）在冷卻和冷卻中工作冷卻裝置的循環(huán)過(guò)程是其主要組成部分。由于蒸發(fā)器是與其身體分離，其體積減小，因此移動(dòng)更容易安裝。而且，這種分離表明需要配備不同的蒸發(fā)器，該單元可以作為制冷系統(tǒng)直接冷卻氣流直接作用，如以及間接作用制冷系統(tǒng)來(lái)冷卻制冷介質(zhì)如水，從而滿足不同具體條件的要求。

（2）與活塞式壓縮機(jī)不同，冷卻裝置采用螺桿式壓縮機(jī)，螺桿式壓縮機(jī)是半密封的，可以避免發(fā)生在活塞式壓縮機(jī)中的制冷劑泄漏等問(wèn)題，在世界各地的礦山冷卻應(yīng)用中這是一個(gè)開(kāi)創(chuàng)性的工作。

（3）制冷機(jī)組的部件——壓縮機(jī)、蒸發(fā)器和冷凝器，采用模塊化設(shè)計(jì)，因此可以一個(gè)一個(gè)地拆除并運(yùn)入地下礦山。這適用于中國(guó)南部地區(qū)經(jīng)常發(fā)生熱損傷的地區(qū)，對(duì)中國(guó)北方大型和現(xiàn)代礦山也具有優(yōu)勢(shì)。該單位體積小，移動(dòng)方便，安裝簡(jiǎn)單，操作方便，靈活性和適用性廣泛等。

為了檢測(cè)ZL400冷卻單元的性能，在上面建立了一個(gè)檢測(cè)平臺(tái)地面，主要用于檢測(cè)當(dāng)?shù)乜照{(diào)系統(tǒng)的性能完整的設(shè)備和工廠檢查，并提供技術(shù)支持升級(jí)現(xiàn)有設(shè)備并開(kāi)發(fā)用于本地空調(diào)的新型系統(tǒng)。該平臺(tái)有四大部分：制冷系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，PLC控制和保護(hù)系統(tǒng)以及供電和配電系統(tǒng)。它能夠檢測(cè)冷卻能力低于500千瓦并且完成的礦井冷卻系統(tǒng)的設(shè)備性能。該平臺(tái)主要用于測(cè)試?yán)鋮s裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性不同的工作條件和冷卻效果。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文介紹了ZL400系列采用半封閉螺桿壓縮機(jī)的礦山制冷機(jī)組，開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于實(shí)踐中，以減少在深部煤層采礦中發(fā)生的熱損傷，得到了良好的效果。