彭 云，陳品崟

(紫金礦業(yè)集團股份有限公司，福建 龍巖 364200)

0 引言

礦業(yè)是我國的龍頭行業(yè)，采礦業(yè)的健康發(fā)展與我國經(jīng)濟發(fā)展密不可分，保障礦井安全和井下作業(yè)人員的健康極其重要，因此礦井的空調(diào)問題備受關(guān)注[1]。

我國礦井數(shù)量眾多、情況復(fù)雜，在北方大部分地區(qū)，冬季寒冷，室外溫度較低，采礦作業(yè)時，進風(fēng)井巷如有淋水，易造成結(jié)冰現(xiàn)象，影響提升運輸，不利于生產(chǎn)安全。井下工作環(huán)境溫度過低，還會影響作業(yè)人員的健康。《煤礦安全規(guī)程》要求進風(fēng)井口以下的空氣溫度(干球溫度)不得低于 2 ℃[2]。另外，我國部分礦井采深已達800～1 000 m，并且仍以每年8～12 m的速度向下掘進。國外已有較多礦山進入深部開采，部分礦井采深甚至超過3 000 m，如南非某金礦即將進入4 500～5 000 m的地下深部開采[3-4]。隨著開采深度的增加，礦井將不可避免地面臨地溫逐漸升高的問題，且還受到圍巖、機電設(shè)備和空氣自壓縮產(chǎn)熱等影響，導(dǎo)致礦井深部形成了異常高溫的作業(yè)環(huán)境[5]。

解決低深度礦井的冬季新進風(fēng)預(yù)熱升溫問題，回收利用低溫余熱資源加熱新風(fēng)，實現(xiàn)綠色節(jié)能目標，符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。我國有上百個金屬礦井存在深部高溫環(huán)境問題，有60余個礦井的采掘工作面風(fēng)溫超過30 ℃[6-7]；尤其是在500～1 000 m采深的礦井中，高溫礦井占比高達63%[8-9]，因此對深熱礦井采取降溫措施，有助于我國礦業(yè)擺脫采深限制，實現(xiàn)健康穩(wěn)定發(fā)展。

1 礦井空調(diào)技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 礦井余熱回收技術(shù)

SMITH等[10]于1996年針對加拿大某金礦提出了利用空氣源熱泵來回收礦井回風(fēng)余熱為礦井提供輔助供熱的方案，設(shè)計了余熱回收系統(tǒng)，同時在理論上計算分析了可回收能量和投資回收期，并探討了余熱回收技術(shù)的可行性。

我國由朱曉彥[11]在2006年開發(fā)了礦井回風(fēng)熱能回收技術(shù)：在礦井回風(fēng)巷道內(nèi)布置間壁式換熱器，然后將水源熱泵產(chǎn)生的高/低溫水送入換熱器內(nèi)，通過水在換熱器內(nèi)的流動與礦井回風(fēng)進行熱交換，從而回收回風(fēng)中蘊含的能量。但該技術(shù)采用的是間接接觸式換熱，回風(fēng)與水的換熱溫差較小，換熱效率低，若要大量回收回風(fēng)中的熱量則需要較大的換熱面積，從而使得該技術(shù)受到空間限制；并且礦井回風(fēng)濕度大，粉塵含量高，間壁式換熱器容易被腐蝕，清潔也比較困難。2014年，仲繼亮[12]研發(fā)了“礦井回風(fēng)余熱回收裝置”，該裝置設(shè)置了導(dǎo)風(fēng)筒和類似填料式冷卻塔的絲團換熱器，該換熱器可使空氣與水充分換熱，但會增大通風(fēng)阻力。

目前，大部分研究是對礦井回風(fēng)余熱利用技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計、可行性及經(jīng)濟性評價，或利用計算軟件對初步設(shè)計的污風(fēng)廢熱回收系統(tǒng)及裝置進行數(shù)值模擬分析，再根據(jù)分析結(jié)果修正初步設(shè)計，但由于計算軟件內(nèi)置的傳熱及流體理論計算模型與礦山實際條件存在偏差，致使大多數(shù)礦井污風(fēng)廢熱回收利用系統(tǒng)及裝置的熱回收效果不理想。

1.2 礦井降溫技術(shù)

20世紀20年代，高溫礦井熱害防治技術(shù)開始出現(xiàn)；20世紀70年代后，隨著礦井開采的愈發(fā)深入以及對礦井作業(yè)人員生命安全的重視，該技術(shù)得以迅速發(fā)展。在全球科研人員的不懈攻關(guān)下，高溫礦井熱害防治理論及技術(shù)研究取得了豐碩成果，在礦井安全開采中起到了重要作用。礦井降溫技術(shù)按技術(shù)類型可分為人工制冷降溫技術(shù)、人工制冰降溫技術(shù)、空氣壓縮式制冷技術(shù)和非人工制冷降溫技術(shù)。

1.2.1 人工制冷降溫技術(shù)

英國是世界上第一個使用人工制冷技術(shù)為礦井降溫的國家。自20世紀20年代起，英國Pendleton煤礦在采區(qū)使用了制冷機，有效地降低了采區(qū)的風(fēng)流溫度。20世紀30年代，巴西的Morovero礦、南非的Robinson礦將風(fēng)流送入集中冷卻井筒，得到了溫度較低的風(fēng)流，有效降低了礦井內(nèi)的溫度。20世紀60年代，南非使用了大型的礦井集中空調(diào)，用以調(diào)節(jié)井下溫度；20世紀70年代，國內(nèi)外人工制冷降溫技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，得到了迅速發(fā)展。目前，礦井人工制冷降溫技術(shù)主要采用的是蒸汽壓縮制冷機組，該技術(shù)已經(jīng)漸趨成熟，得到了廣泛使用。該降溫技術(shù)制冷效果佳、成本較低，已成為礦井降溫的主要手段。

1.2.2 人工制冰降溫技術(shù)

20世紀80年代初，南非等國家開展了冰冷卻降溫技術(shù)[13-14]。1985年，德國的Meript礦井首次應(yīng)用了冰冷卻降溫系統(tǒng)[15-16]。人工制冰降溫技術(shù)的特征如下：

a.制冰降溫通過冰與水直接接觸，可以直接吸收水中的熱量，換熱效率高，因此通過水泵輸送進入空冷器的水量得以大大減少，降低了輸送能耗[17-18]。

b.冰冷卻降溫技術(shù)主要是利用冰的融化吸收井下熱量，以達到降溫目的。吸收同樣的熱量，水冷卻系統(tǒng)所需的水量是冰冷卻系統(tǒng)所需冰量的4～5倍。

c.冰冷卻降溫技術(shù)主要考慮的是制冰、輸冰和融冰三個環(huán)節(jié)，由于該技術(shù)還處在技術(shù)突破以及成本控制的關(guān)鍵時期，因此尚未得到廣泛應(yīng)用。

1.2.3 空氣壓縮式制冷技術(shù)

我國煤炭科學(xué)研究總院撫順分院在1973年研發(fā)了渦流管制冷器、YP-100型礦用環(huán)縫式壓力引射器；南非某金礦于1989年建成了壓縮空氣制冷空調(diào)系統(tǒng)；1993年，中國航空工業(yè)總公司第609研究所聯(lián)合平頂山礦務(wù)局研制了我國首臺KKL101型礦用無氟空氣制冷機。

空氣壓縮式制冷循環(huán)的制冷系數(shù)小于蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的制冷系數(shù)。同時，由于空氣的比熱容較小，蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)單位質(zhì)量制冷劑的制冷能力強于空氣壓縮式制冷系統(tǒng)。 因此，空氣壓縮式制冷系統(tǒng)需要更多的設(shè)備才能達到與蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)同樣的制冷效果。從成本上看，空氣壓縮式制冷系統(tǒng)單位制冷量的投資和年運行費用高于蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)。由于制冷效果一般且成本較高，全礦井采用空氣壓縮式制冷系統(tǒng)降溫不太現(xiàn)實。

1.2.4 非人工制冷降溫技術(shù)

非人工制冷降溫技術(shù)可以降低風(fēng)流溫度，但降溫幅度有限。如今礦井向下掘進深度不斷增加，井下溫度也隨之升高，非人工制冷降溫措施無法滿足深井采掘工作面的降溫需要，因此在必要情況下，應(yīng)當利用制冷效果更佳的人工制冷降溫技術(shù)。

2 礦井空調(diào)技術(shù)研究新思路

2.1 熱管換熱器回收礦井余熱

熱管換熱器是目前礦井余熱回收的一種新型設(shè)備，熱管是利用其內(nèi)部的工作流體相變來傳遞熱量的，導(dǎo)熱性較強，其由熱管外殼、工作流體和液芯(管芯)組成。作為封閉式傳熱元件，熱管被抽真空并充滿所需量的工作流體，形成封閉的外殼[19]。由一定數(shù)量的熱管組成的熱管換熱器在工業(yè)余熱回收方面與傳統(tǒng)的換熱器相比，有較多優(yōu)勢[20]:

a.無運動部件且無需外部額外施加動力，可靠性高。

b.冷熱氣流之間存在固體壁面，解決了橫向滲流的問題。

c.傳統(tǒng)的間壁換熱器只要其中1個換熱元件損壞，就必須停機檢修，而熱管換熱設(shè)備則不會，它是二次間壁換熱，單根熱管一旦損壞，兩種換熱流體就不可能混合，不會影響整體的換熱效果，無需停機維護，可以實現(xiàn)高效的現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)。

d.該裝置簡單緊湊，適用溫度范圍廣，它在低溫方面可以到達零攝氏度以下，在高溫方面甚至可以達到數(shù)千攝氏度。

e.該裝置可以向任意方向傳遞熱量，熱阻小，通過較小的溫差即可獲得較高的傳熱率，且軸向表面溫度均勻，可根據(jù)需要調(diào)整熱管冷、熱兩側(cè)熱阻的相對大小，控制熱管壁溫，有效防止腐蝕發(fā)生。

f.通過熱管進行管外換熱，避免了傳統(tǒng)換熱器通過管殼進行換熱，使熱管換熱器的布置、安裝靈活，故障少，維修方便，同時也解決了普通換熱器不能靈活處理粉塵的問題。

目前熱管換熱器已在航天、電子工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，而在礦井回風(fēng)余熱回收上，一般采用重力式熱管換熱器。未來應(yīng)加強熱管換熱效率提升的研究。

2.2 內(nèi)循環(huán)節(jié)能型礦井空調(diào)系統(tǒng)

現(xiàn)有礦井空調(diào)技術(shù)存在一個缺陷，即冬季回風(fēng)井高溫空氣排放至外界或夏季低溫空氣排放至外界，造成了大量的熱能或冷能浪費。

冬季時，高寒地區(qū)外界超低溫空氣進入礦井后經(jīng)井口加熱裝置加熱，流入井下井巷系統(tǒng)及采場內(nèi)，經(jīng)井下原巖地溫及深部地?zé)峒訜岷螅飨蚧仫L(fēng)段(回風(fēng)井)，絕大部分礦井回風(fēng)段內(nèi)高溫空氣直接流向外界，少部分礦山在回風(fēng)井進行了余熱提取利用，因此現(xiàn)有技術(shù)從回風(fēng)井流入自然界的風(fēng)流溫度遠高于自然界空氣溫度，造成了大量的空氣熱能浪費。

夏季外界高溫?zé)峥諝膺M入礦井后，被淺部低溫圍巖降溫后排至回風(fēng)井；高溫?zé)岷ΦV井經(jīng)常規(guī)降溫系統(tǒng)降溫冷卻后經(jīng)采礦工作面高溫圍巖加熱后排至回風(fēng)井；但據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)外高溫?zé)岷ΦV井及常規(guī)礦井絕大部分回風(fēng)井常年溫度在18 ℃左右，而夏季的外界溫度甚至超過30 ℃，因此礦井排出的“低溫空氣”到高溫外界中造成了冷能浪費。

為保障礦井安全生產(chǎn)，應(yīng)改善礦井空氣質(zhì)量并根據(jù)需求調(diào)節(jié)適宜的氣溫。高寒地區(qū)冬季需對進風(fēng)井口的入井風(fēng)流進行加熱，預(yù)防礦井入風(fēng)井口結(jié)冰而影響行人及運輸安全；深部地?zé)岬V井在夏季需對礦井風(fēng)流進行降溫，避免工人因高溫而影響工作效率甚至導(dǎo)致熱射病[21-26]。

礦井空調(diào)系統(tǒng)作為礦井通風(fēng)系統(tǒng)的組成部分，在所有礦井生產(chǎn)單元系統(tǒng)中占有極其重要的位置。為了保證礦井的安全生產(chǎn)，礦井空調(diào)系統(tǒng)這一具有動態(tài)性的系統(tǒng)必須能夠保持長時間的最佳運行狀態(tài)。然而，在實際生產(chǎn)活動中，各種因素影響了礦井通風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)的正常運行及其功能的發(fā)揮[27-29]。

綜上，提出了內(nèi)循環(huán)節(jié)能型礦井空調(diào)系統(tǒng)，其特征為：冬季提取回風(fēng)段風(fēng)流熱能使回風(fēng)井出風(fēng)溫度等于(或不高于)外界空氣溫度、提取的熱能用于礦井進風(fēng)井防凍及礦井風(fēng)流加熱；夏季提取回風(fēng)段風(fēng)流冷能使回風(fēng)井出口風(fēng)流溫度等于(或不低于)外界空氣溫度、提取的冷能用于礦井風(fēng)流降溫；礦井進風(fēng)溫度、出風(fēng)溫度等于外界空氣溫度，礦井內(nèi)部風(fēng)流溫度冬季高于外界空氣溫度、夏季低于外界空氣溫度；礦井空氣冬季熱能、夏季冷能不外排，在礦井內(nèi)循環(huán)利用[30]。

3 結(jié)語

在國家推出“互聯(lián)網(wǎng)+”行動指南和“機械化減人、自動化換人”專項行動的大背景下，礦井通風(fēng)智能化研發(fā)迎來前所未有的發(fā)展機遇，未來應(yīng)充分利用現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)和自動化技術(shù)實現(xiàn)礦井通風(fēng)與空調(diào)的數(shù)字化、自動化。

內(nèi)循環(huán)節(jié)能型礦井空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)符合國家節(jié)能減排產(chǎn)業(yè)政策和經(jīng)濟發(fā)展要求，技術(shù)先進，投資壓力小，節(jié)能效果顯著，可獲得國家節(jié)能減排補貼資金支持，或采用合同能源管理的方式減輕企業(yè)投資壓力，在熱害嚴重、涌水量大、水溫高的礦井中具有重大的應(yīng)用價值。