程力

摘要：針對三山島金礦深部-1 140 m水平巷道掘進(jìn)通風(fēng)不暢導(dǎo)致的高溫?zé)岷ΜF(xiàn)象，結(jié)合井下生產(chǎn)情況，充分利用現(xiàn)有條件，通過計(jì)算局部制冷降溫系統(tǒng)所需冷負(fù)荷，并綜合考慮制冷機(jī)組、散熱裝置相對位置（井下-1 140 m水平）及冷凝熱排放途徑（水倉低溫涌水）等，設(shè)計(jì)出適合于井下-1 140 m水平生產(chǎn)、通風(fēng)條件的井下集中式制冷降溫，井下水倉涌水排放冷凝熱的人工制冷降溫方案并進(jìn)行了試運(yùn)行。試運(yùn)行期間，周圍環(huán)境溫度降至32 ℃左右，作業(yè)環(huán)境溫度得到明顯改善。局部制冷降溫技術(shù)為礦山深部開采集中式制冷降溫系統(tǒng)的遠(yuǎn)景規(guī)劃提供了工程經(jīng)驗(yàn)，也為類似工程提供了參考。

關(guān)鍵詞：深部開采;局部制冷;冷負(fù)荷;冷凝熱;空冷器

引 言

山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司三山島金礦（下稱“三山島金礦”）地處山東省黃藍(lán)戰(zhàn)略核心區(qū)萊州灣畔，是國內(nèi)唯一一座瀕海地下礦山，設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到8 000 t/d。根據(jù)有關(guān)研究測定，三山島金礦地溫梯度2.2 ℃/100 m。隨著采礦工作面逐步向深部發(fā)展，目前西山礦區(qū)-1 140 m水平巷道圍巖溫度約為52 ℃，涌水溫度約為50 ℃。礦井通風(fēng)及降溫研究資料表明，當(dāng)開采深度及空氣溫度達(dá)到一定極限[1-2]，單純采用加大風(fēng)量、加速空氣流動換熱的單一通風(fēng)模式解決深部高溫?zé)岷栴}，其通風(fēng)降溫收效甚微，人工（機(jī)械）制冷降溫將成為深部礦山高溫?zé)岷χ卫淼谋厝贿x擇[3-8]。

本次局部制冷降溫技術(shù)緊密結(jié)合三山島金礦井下生產(chǎn)情況，充分利用現(xiàn)有條件，擬定在-1 140 m水平3個(gè)掘進(jìn)作業(yè)面開展局部制冷降溫工程實(shí)踐，確定制冷系統(tǒng)機(jī)組需冷量，設(shè)計(jì)制冷降溫技術(shù)方案，通過人工制冷降溫措施降低掘進(jìn)施工作業(yè)時(shí)的環(huán)境溫度，為礦山深部開采集中式制冷降溫系統(tǒng)的遠(yuǎn)景規(guī)劃提供工程經(jīng)驗(yàn)。

1 工程背景

三山島金礦西山礦區(qū)采用明豎井+盲豎井+斜坡道聯(lián)合開拓方式，上向水平分層充填采礦法，鑿巖臺車鑿巖，鏟運(yùn)機(jī)出礦，分級尾砂充填。目前主要生產(chǎn)采場位于-960 m中段以上，開拓中段位于-1 140 m水平。深部通風(fēng)采用機(jī)械抽出式通風(fēng)方式，中央兩翼對角式通風(fēng)系統(tǒng)。新鮮風(fēng)流經(jīng)進(jìn)風(fēng)井、主斜坡道、北措施斜坡道、盲混合井、1620勘探線管纜井和1860勘探線管纜井進(jìn)入井下各中（分）段，洗刷作業(yè)面后，污風(fēng)由行人通風(fēng)天井匯入中段回風(fēng)巷，經(jīng)盲通風(fēng)井、深部南回風(fēng)井、1960勘探線回風(fēng)井及倒段風(fēng)井回風(fēng)至各回風(fēng)中段，最終經(jīng)新南風(fēng)井、老南風(fēng)井、新北風(fēng)井、北風(fēng)井排至地表。

2 工作面冷負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)三山島金礦-1 140 m水平采掘工作面分布情況，并結(jié)合GB 50830—2013 《冶金礦山采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.8.4條規(guī)定：高溫礦井采掘工作面風(fēng)速可取0.5～1.0 m/s，在冷負(fù)荷計(jì)算中，取0.75 m/s，并假設(shè)末端換熱器在冷-熱交換過程中實(shí)際換熱風(fēng)量取通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量60 %，通風(fēng)系統(tǒng)平均每個(gè)掘進(jìn)工作面需風(fēng)量約8 m3/s，采用人工制冷降溫系統(tǒng)后，每個(gè)掘進(jìn)工作面制冷風(fēng)量約4.8 m3/s，井下-1 140 m水平3個(gè)掘進(jìn)工作面同時(shí)作業(yè)總制冷風(fēng)量約14.4 m3/s。目前掘進(jìn)工作面進(jìn)風(fēng)實(shí)測空氣溫度為35 ℃～40 ℃，相對濕度98 %。

3 制冷降溫技術(shù)方案

根據(jù)三山島金礦井下生產(chǎn)條件，尤其是礦井通風(fēng)系統(tǒng)狀況及制冷換熱后熱量排放方式、途徑，井下水源、水質(zhì)條件對制冷方案的限制等因素，結(jié)合國內(nèi)外類似礦山人工制冷降溫設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)及有關(guān)礦山制冷設(shè)備廠家產(chǎn)品性能，決定采用井下集中式制冷降溫，井下水倉涌水排放冷凝熱的制冷降溫系統(tǒng)方案。

3.1 制冷系統(tǒng)組成及設(shè)備布置

該方案在井下-1 140 m水平集中布置制冷機(jī)組，系統(tǒng)主要設(shè)備包括井下制冷機(jī)組、井下水倉（天然冷卻塔）、冷凍水泵、冷卻水泵、排水泵、排水管、空冷器等。制冷機(jī)組布置在靠近水倉區(qū)域的硐室內(nèi)，空冷器布置在靠近工作面的掘進(jìn)巷道內(nèi)，冷風(fēng)通過風(fēng)筒輸送至掘進(jìn)工作面，空冷器隨著掘進(jìn)的推進(jìn)向前移動。

3.2 制冷原理及冷凝熱排放途徑

井下水倉相當(dāng)于一個(gè)“天然冷卻塔”，制冷機(jī)組的冷凝器中制冷劑與冷卻水熱交換，將冷凝熱釋放在冷卻水中，利用井下水倉的低溫涌水，在水倉布置換熱器或直接將冷卻水混入水倉，將冷凝熱排放至-1 140 m 水平水倉（水溫40 ℃）中，通過水倉的低溫水源吸熱，吸熱后的水倉水通過排水系統(tǒng)排走，地表采取一定的措施處理后可用于供暖。因此，其也稱之為水源熱泵，而被冷卻的冷卻水再次進(jìn)入制冷機(jī)組冷凝器進(jìn)行換熱。

因此，礦山井下水倉低溫涌水具備冷凝熱排放（稀釋散熱）條件，可作為井下降溫方案優(yōu)選條件。

3.3 制冷系統(tǒng)布置要求

由于受F3斷層附近熱水影響，-1 140 m水平有一段熱水區(qū)域，其環(huán)境溫度達(dá)50 ℃，因此決定采用固定式水冷機(jī)組+移動式空冷器+局部通風(fēng)結(jié)合的掘進(jìn)工作面制冷降溫方案。

局部制冷機(jī)組采用相對固定式，壓縮機(jī)、蒸發(fā)器組成一個(gè)整體，散熱器單獨(dú)為一個(gè)整體。末端增加一套冷凍水循環(huán)，且空冷器隨工作面推進(jìn)進(jìn)行移動，并延長冷凍水管路。由于冷凍水管路阻力隨長度的增加逐漸增加，因此要求冷凍水泵運(yùn)行工況采用變頻技術(shù)調(diào)控。

3.4 制冷降溫系統(tǒng)

根據(jù)制冷降溫系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)井下集中式制冷降溫，井下水倉涌水排放冷凝熱的方案，結(jié)構(gòu)示意圖和原理示意圖分別見圖2、圖3。

3.5 主要設(shè)備材料

根據(jù)-1 140 m水平掘進(jìn)工作面局部降溫服務(wù)范圍及工作面總需冷量，結(jié)合設(shè)備防腐等要求，系統(tǒng)主要設(shè)備材料見表1。

3.6 制冷機(jī)組模塊化組合及應(yīng)用

制冷降溫系統(tǒng)涉及到地溫地?zé)?、水文地質(zhì)、采礦、通風(fēng)、設(shè)備、成本、管理等多方面因素。系統(tǒng)投入運(yùn)行后，應(yīng)以一個(gè)作業(yè)點(diǎn)為基本單元，通過下列途徑實(shí)現(xiàn)制冷設(shè)備多個(gè)作業(yè)地點(diǎn)模塊化組合。

1）制冷機(jī)組“化整為四”。制冷機(jī)組選用8臺壓縮機(jī)，每2臺壓縮機(jī)為一組合，對應(yīng)1個(gè)鈦合金殼管式換熱器、1臺板式蒸發(fā)器，整個(gè)主機(jī)形成4個(gè)單元組合，可同時(shí)運(yùn)行，也可單個(gè)運(yùn)行。在實(shí)際工作中根據(jù)需要可任意開啟一個(gè)單元組合，壓縮機(jī)工作模式為25 %、50 %、75 %及100 %，可大量節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。

2）空冷器+軸流風(fēng)機(jī)“靈活組合”?？绽淦?軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)為6臺，單臺制冷量為150 kW，風(fēng)機(jī)為2×11 kW，送風(fēng)量為4 m3/s。6臺空冷器+軸流風(fēng)機(jī)可以任意組合布置，滿足不同采掘作業(yè)面要求。

3）冷凍水泵采用變頻控制。根據(jù)作業(yè)實(shí)際情況調(diào)節(jié)水量，減少能耗，4臺冷凍水泵對應(yīng)4個(gè)主機(jī)單元組合，可滿足不同要求。

4）針對-1 140 m水平熱水段作業(yè)面熱害明顯區(qū)域，可分配多臺空冷器對該處聯(lián)合降溫;對作業(yè)面斷面小，環(huán)境溫度偏低的區(qū)域，可按實(shí)際情況分配空冷器進(jìn)行降溫。

5）制冷系統(tǒng)可通過延長冷凍水管、增加冷凍水泵服務(wù)相鄰作業(yè)中段降溫，供冷區(qū)域可選擇性高，適合井下供給多個(gè)工作面的人工制冷降溫。

4 工程應(yīng)用

三山島金礦西山礦區(qū)-1 140 m水平巷道圍巖溫度約為52 ℃，涌水溫度約為50 ℃，環(huán)境溫度37 ℃左右，相對濕度90 %左右。為改善井下作業(yè)環(huán)境，降溫設(shè)計(jì)范圍是-1 140 m水平3個(gè)掘進(jìn)作業(yè)面（最終作業(yè)面距離制冷機(jī)組約2 000 m），礦區(qū)-1 140 m水平制冷降溫系統(tǒng)布置見圖4。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，建立了西山礦區(qū)-1 140 m水平巷道掘進(jìn)集中式制冷降溫系統(tǒng)，經(jīng)現(xiàn)場試運(yùn)行4個(gè)單元組合中的1個(gè)，周圍環(huán)境溫度降至32 ℃左右，作業(yè)環(huán)境溫度得到明顯改善。但是考慮系統(tǒng)設(shè)備所處環(huán)境存在高含鹽量鹵水，氯離子質(zhì)量濃度高達(dá)24 000 mg/L，為保障系統(tǒng)的長期運(yùn)行，目前正對系統(tǒng)進(jìn)行防腐措施設(shè)計(jì)，待防腐措施工程完成后，將進(jìn)行系統(tǒng)的正式運(yùn)行。

5 結(jié) 語

局部制冷降溫系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)緊密結(jié)合三山島金礦西山礦區(qū)井下-1 140 m水平生產(chǎn)條件，計(jì)算空氣經(jīng)過作業(yè)點(diǎn)后的焓值變化量和需冷量（冷負(fù)荷），設(shè)計(jì)了適合于井下-1 140 m水平生產(chǎn)、通風(fēng)條件的井下集中式制冷降溫，井下水倉涌水排放冷凝熱的制冷降溫系統(tǒng)方案。為保證系統(tǒng)正常使用，在做好防腐措施的同時(shí)，仍須注意3點(diǎn)：一是水倉冷水源保證得到及時(shí)更新，熱水能及時(shí)通過水泵排至地表;二是建立水倉監(jiān)控系統(tǒng)，隨時(shí)了解井下流入水倉的涌水水質(zhì)、水溫、涌水量;三是主機(jī)進(jìn)水側(cè)設(shè)計(jì)1臺除砂器，在除砂器出水口，主機(jī)進(jìn)水口之間安裝水處理器，避免冷凝器出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，影響正常使用。

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