張繼業(yè)

（1．河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2．中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司 北京 100038 ）

1 高海拔礦山條件

《全國(guó)礦產(chǎn)資源規(guī)劃（2016～2020年）》中規(guī)劃建設(shè)103個(gè)能源資源基地，劃定了267個(gè)國(guó)家規(guī)劃礦區(qū)，部分礦山分部在西藏、青海、新疆、云南這些高海拔省份。例如云南迪慶州普朗銅礦礦區(qū)海拔高度3600m～4500m；西藏昌都市玉龍銅礦礦區(qū)海拔高度4560m～5124m，西藏拉薩市驅(qū)龍銅礦區(qū)海拔高度4350m～5407m。復(fù)雜多樣的高原地理氣候環(huán)境（氣壓低、含氧量少、氣候寒冷、溫差大），極大的影響和制約高海拔礦山地下開(kāi)采生產(chǎn)。同時(shí)根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》第 6.4.1.7 條，為保障采礦生產(chǎn)安全，各通風(fēng)平硐硐口進(jìn)風(fēng)溫度須≥2℃，考慮到礦區(qū)冬季漫長(zhǎng)嚴(yán)寒，礦井進(jìn)風(fēng)必須加熱防凍。

例如云南迪慶州普朗銅礦采暖期長(zhǎng)達(dá)179天，冬季室外溫度長(zhǎng)期低于 0℃，礦井平均進(jìn)風(fēng)干球溫度-12℃，主要運(yùn)輸平硐巷道頂?shù)装彘L(zhǎng)期有地下水滲出，進(jìn)洞 200m 內(nèi)如不進(jìn)行供暖加熱，巷道頂?shù)装彘L(zhǎng)期處于冰凍狀態(tài)，影響礦山正常生產(chǎn)。

2 礦井加熱技術(shù)現(xiàn)狀

礦井井筒防凍加熱技術(shù)在煤礦中應(yīng)用較為廣泛，傳統(tǒng)的加熱技術(shù)為用熱源通過(guò)換熱器將進(jìn)風(fēng)空氣溫度提高到2℃以上，保證礦井防凍效果。熱源可由已煤炭、油、燃?xì)鉃槿剂系腻仩t房提供，亦可用電能直接供熱提供。鍋爐系統(tǒng)初投資較大，管理、運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用較高，而且燃燒也會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

根據(jù)國(guó)家能源政策、節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)一貫的指導(dǎo)方針，具有工業(yè)余熱和區(qū)域供熱作為熱源時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用。礦井通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)流沖洗井下工作面后將有毒有害氣體由回風(fēng)井巷排出，同時(shí)也將井下人員、機(jī)具作業(yè)產(chǎn)生熱量以及井巷巖壁積蓄的低溫?zé)崮芘懦鯷1，2]。通過(guò)回風(fēng)源熱泵技術(shù)回收這部分低溫?zé)崮軄?lái)加熱水，儲(chǔ)存熱量可以循環(huán)利用，也是國(guó)家大力提倡的節(jié)能方式，以其低耗、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)得到了一定的推廣。

在高寒高海拔礦山，由于氣壓低、含氧量少，以煤炭、油、燃?xì)庾鳛槿剂系牡V井加熱方案并不經(jīng)濟(jì)適用，只能選擇以電加熱、回風(fēng)源熱泵提供能量的加熱方式。

3 某高寒高海拔銅礦礦井井口加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)條件

（1）礦井通風(fēng)系統(tǒng)概況。該礦采用平硐開(kāi)拓膠帶運(yùn)輸，中段采用有軌運(yùn)輸，自然崩落法開(kāi)采，設(shè)計(jì)開(kāi)采規(guī)模1250萬(wàn)t/a。根據(jù)該礦通風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用多級(jí)機(jī)站通風(fēng)方式，總需風(fēng)量為647m3/s。新鮮風(fēng)流經(jīng)3850m風(fēng)平硐、3600m進(jìn)風(fēng)平硐、3660m有軌運(yùn)輸平硐和3720m無(wú)軌平硐進(jìn)入井下，由輔扇和通風(fēng)構(gòu)筑物負(fù)責(zé)分配風(fēng)流，污風(fēng)經(jīng)3700m回風(fēng)平硐、南回風(fēng)井和3540m膠帶運(yùn)輸平硐排出地表[2]。通風(fēng)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

根據(jù)在Ventsim VisualTM軟件中，將系統(tǒng)風(fēng)機(jī)參數(shù)、通風(fēng)構(gòu)筑物、通風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與礦山實(shí)際進(jìn)行解算，各硐口滿負(fù)荷工況最大風(fēng)量見(jiàn)表1。

（2）經(jīng)查詢銅礦所在地區(qū)氣象資料，該礦區(qū)冬季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算溫度為-8.6℃，相對(duì)濕度60%，極端最低溫度平均值-27.4℃。實(shí)際測(cè)定冬季礦井進(jìn)回風(fēng)參數(shù)平均溫度為8℃。

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

表1 各硐口滿負(fù)荷風(fēng)量

（3）井口加熱需熱量計(jì)算。為滿足冬季進(jìn)風(fēng)溫度高于2℃，需通過(guò)井口加熱器對(duì)進(jìn)入井口的空氣（室外溫度計(jì)算值取-12℃，相對(duì)濕度60%）進(jìn)行加熱，運(yùn)用礦井井口加熱量計(jì)算公式[3]計(jì)算各進(jìn)風(fēng)井口防凍加熱所需熱量見(jiàn)下表：

公式中：Q——進(jìn)風(fēng)所需加熱熱量， kw；

α——熱量損失系數(shù)，井口房不密閉時(shí)，α=1.05～1.10

Th——冷、熱風(fēng)混合后空氣溫度，取2℃；

Tw——室外平均冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)溫度，取-12℃；

V ——進(jìn)風(fēng)風(fēng)量，m3/s；

Cp——空氣定壓比熱，Cp=1.01kj/kg·℃

ρ——空氣密度，kg/m3；

表2 進(jìn)風(fēng)加熱需熱量表

故為滿足礦山井口防凍需求，在空氣調(diào)節(jié)室外平計(jì)算溫度為-12℃時(shí)將進(jìn)風(fēng)溫度加熱到2℃，礦山井口總加熱量為8555kw。

（4）回風(fēng)井口可提取熱量核定。經(jīng)實(shí)測(cè)未加熱前3700m回風(fēng)平硐及南回風(fēng)井回風(fēng)空氣平均密度為0.851 kg/m3，干球溫度為8℃，相對(duì)濕度60%；如運(yùn)用回風(fēng)源熱泵技術(shù)回收此部分低溫余熱，機(jī)組排出回風(fēng)溫度為1℃，相對(duì)濕度95%?？刹榈么诉^(guò)程焓差為：7.6Kj/kg。

回收回風(fēng)熱量可根據(jù)公式[4]：

式中：Qh——回收熱量，kw；

△i——焓值差，kj/kg；

ρ——空氣密度，kg/m3；

V ——回風(fēng)風(fēng)量，m3/s；

根據(jù)熱泵機(jī)組選型參數(shù)COP取計(jì)算值為3.57，則機(jī)組可提供的高位熱能為：

根據(jù)上式計(jì)算各個(gè)回風(fēng)出口可提取熱量為：

表3 不同回風(fēng)出口可提取熱量表

3.2 礦山井口加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于礦區(qū)所在區(qū)域地處高海拔，環(huán)保要求高，且無(wú)煤炭、燃油、燃?xì)獾饶茉礂l件，可供使用能源僅為電能。為達(dá)到節(jié)能環(huán)保的設(shè)計(jì)理念，根據(jù)礦山實(shí)際通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)布置位置，方案設(shè)計(jì)主要采用在回風(fēng)井設(shè)置回風(fēng)源熱泵機(jī)組回收回風(fēng)余熱，通過(guò)熱水循環(huán)泵和熱水管網(wǎng)將熱量輸送至進(jìn)風(fēng)硐室，通過(guò)水-空氣換熱機(jī)組對(duì)進(jìn)風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，設(shè)置軟水裝置和定壓補(bǔ)水裝置。熱泵機(jī)組不足熱量采用電加熱器補(bǔ)足。系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 回風(fēng)源熱泵機(jī)組加熱系統(tǒng)示意圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)計(jì)為：

（1）3850m進(jìn)風(fēng)斜坡道與南回風(fēng)井結(jié)合設(shè)置一套獨(dú)立的空氣源熱泵預(yù)熱系統(tǒng)：此兩處進(jìn)回風(fēng)硐口位于礦體南側(cè)山坡，距離較近。為提取南回風(fēng)井回風(fēng)余熱量，選配MAS130型風(fēng)冷螺桿熱水機(jī)組5臺(tái)（制熱量510kw），MAS90型風(fēng)冷螺桿熱水機(jī)組1臺(tái)（制熱量350kw），加熱循環(huán)水系統(tǒng)，供回水溫度50℃/45℃輸送至3850進(jìn)風(fēng)斜坡道；在3850m進(jìn)風(fēng)斜坡道井口設(shè)置水空氣換熱器（單臺(tái)供熱量690kw），不足熱量由電加熱器補(bǔ)足。

熱泵機(jī)組系統(tǒng)裝機(jī)功率為967kw，電加熱器500kw，合計(jì)1467kw，可節(jié)約加熱能耗2066kw。

（2）3600m進(jìn)風(fēng)平硐與3700m回風(fēng)平硐結(jié)合設(shè)置一套獨(dú)立的空氣源熱泵預(yù)熱系統(tǒng)：此兩處進(jìn)回風(fēng)硐口位于礦體北側(cè)山坡，距離較近。選配MAS130型風(fēng)冷螺桿熱水機(jī)組3臺(tái)（制熱量510kw），MAS90型風(fēng)冷螺桿熱水機(jī)組1臺(tái)（制熱量350kw）提取3700m回風(fēng)平硐回風(fēng)余熱量，3600m進(jìn)風(fēng)平硐設(shè)置3臺(tái)水空氣換熱器（單臺(tái)供熱量630kw），不足熱量由4臺(tái)電加熱器補(bǔ)足；熱泵機(jī)組系統(tǒng)裝機(jī)功率為650kw，電加熱器功率2000kw，合計(jì)2650kw，可節(jié)約加熱能耗675kw。

（3）3720m無(wú)軌平硐及3660m有軌運(yùn)輸平硐由于布置在礦體西側(cè)，距離其它硐口較遠(yuǎn)，分別設(shè)置電加熱空氣預(yù)熱機(jī)組對(duì)進(jìn)風(fēng)加熱；

（4）3540m膠帶運(yùn)輸平硐由于可回收熱量較小，且與其它硐室距離較遠(yuǎn)，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，不布置余熱回收。

（5）控制系統(tǒng)：在室外、進(jìn)風(fēng)硐口、回風(fēng)硐口設(shè)置溫度監(jiān)控測(cè)點(diǎn)，通過(guò)PLC對(duì)熱泵機(jī)組及電加熱器集中控制，根據(jù)進(jìn)風(fēng)溫度變化進(jìn)調(diào)節(jié)風(fēng)井口加熱器開(kāi)啟數(shù)量，來(lái)保證進(jìn)風(fēng)溫度維持在2℃以上，防止結(jié)冰。

4 設(shè)計(jì)方案運(yùn)行費(fèi)用分析

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，將3850m進(jìn)風(fēng)斜坡道井口加熱能耗由約3533kw降低至1467kw，3600m進(jìn)風(fēng)平硐井口加熱能耗由約3325kw降低至2650kw。按照冬季每天運(yùn)行10小時(shí)，每年運(yùn)行100天計(jì)算，年節(jié)省電量可節(jié)省289萬(wàn)KWh，按0.35元/KWh的工業(yè)用電電費(fèi)計(jì)算，每年可節(jié)省運(yùn)行電費(fèi)101.15萬(wàn)元。

由于空氣源熱泵熱泵運(yùn)行幾乎不需要維護(hù)、值守，每年可節(jié)省設(shè)備維護(hù)成本約10萬(wàn)元，人工成本16萬(wàn)元。

5 結(jié)論

（1）項(xiàng)目設(shè)計(jì)對(duì)礦井井口加熱熱量和回風(fēng)余熱提取熱量進(jìn)行了解算，提出了井口加熱防凍系統(tǒng)方案；

（2）項(xiàng)目設(shè)計(jì)有效的解決了高寒、高海拔礦山供熱形式單一、供熱熱效率的難題，采用回風(fēng)源熱泵技術(shù)回收礦井回風(fēng)低焓熱能，用于井口防凍和空氣預(yù)熱，節(jié)約了大量能源，減少排放，是綠色礦山建設(shè)的一個(gè)方面。

（3）本項(xiàng)目為高寒高海拔有色金屬礦山，有獨(dú)特的地理及區(qū)位優(yōu)勢(shì)，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益明顯，可在類(lèi)似條件下推廣應(yīng)用。