王明斌 許 峰 周 偉

（1.山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司三山島金礦；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

近年來，我國金屬礦山開拓深度接連突破千米，千米礦井的時代即將到來［1］。開采深度的增加帶來了深部高溫、高濕問題［2-3］。我國的平均百米地溫梯度為1.6～3.0 ℃，千米深井原始巖溫高達35～40 ℃［4］，空氣濕度接近飽和，環(huán)境溫度遠超《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》規(guī)定（＜28 ℃）。高溫、高濕作業(yè)環(huán)境極大地影響井下作業(yè)人員工作效率，易誘發(fā)工人中暑、濕疹、皮膚潰爛等疾病，導(dǎo)致事故率和設(shè)備故障率升高，嚴(yán)重限制了礦產(chǎn)資源的持續(xù)發(fā)展［5］。

與地表空調(diào)制冷降溫技術(shù)相比，井下密閉環(huán)境中空調(diào)產(chǎn)熱無法逸散，導(dǎo)致熱量積聚，加劇深井熱害。礦井制冷降溫技術(shù)的難點在于換熱系統(tǒng)的研發(fā)［6-7］。本研究以某金礦深部開拓?zé)岷Νh(huán)境為研究對象，根據(jù)礦山地質(zhì)條件和開拓作業(yè)面分布，研究局部制冷降溫技術(shù)，以期改善作業(yè)面環(huán)境，為其他深部礦井熱害治理提供參考。

1 礦山熱害現(xiàn)狀

三山島金礦作為國內(nèi)唯一一座濱海開采礦山，其開拓深度接近1 000 m，經(jīng)地質(zhì)低溫梯度檢測，每百米地溫上升2.5～2.8℃，深部-960 m圍巖溫度高達30～32 ℃，加之局部熱水涌出，作業(yè)面空氣相對濕度為95%～99%，溫度在42～45 ℃。參照《礦井降溫技術(shù)規(guī)范》（MT/T 1136—2011）第4.1.3 條款規(guī)定，屬于三級熱害礦井（采掘工作面空氣溫度≥32 ℃）。對于三級熱害礦井，除加強通風(fēng)、提高風(fēng)速外，還應(yīng)采取人工制冷降溫措施。

為改善深部高溫高濕作業(yè)環(huán)境，以-870 m 中段為熱害分界水平，增大-870 m 中段以下通風(fēng)量至228 m3/s，但三山島井下機械化程度高，無軌設(shè)備運行多，機械散熱量大，經(jīng)淺部送入深部的新鮮風(fēng)流溫度高達32 ℃，因此，依靠增大深部通風(fēng)量實現(xiàn)熱害控制效果有限，故需采取制冷降溫措施。

2 制冷降溫系統(tǒng)工藝設(shè)計

2.1 掘進作業(yè)面冷負荷計算

將作業(yè)面溫度降低需提供冷源，冷源的負荷與井下放熱量有關(guān)，圍巖放熱量計算需已知圍巖原始溫度、風(fēng)流溫度以及圍巖表面換熱系數(shù)等基本參數(shù)，其中，原始巖溫需要一定深度的鉆孔測溫，圍巖表面換熱系數(shù)受圍巖巖性、熱導(dǎo)率、圍巖表面潮濕、通風(fēng)暴露時間、空氣流動特性等多因素綜合影響。

圍巖表面換熱系數(shù)準(zhǔn)確值由科學(xué)現(xiàn)場試驗、實驗室分析或理論公式推導(dǎo)可得，在工程應(yīng)用過程中難以得到準(zhǔn)確的換熱系數(shù)，故本研究采用忽略圍巖換熱系數(shù)的黑箱法來計算井下掘進作業(yè)面空氣的焓值變化量，計算方法如下：

式中，Qj為計算需冷量，kW；M為空氣質(zhì)量流量，kg/s；ΔH為高差，m；ρ為空氣密度，取1.2 kg/m3；V為經(jīng)過工作面空氣體積流量，m3/s；i1為進風(fēng)空氣比焓，kJ/kg；i2為出風(fēng)空氣比焓，kJ/kg。

三山島金礦-960 m中段掘進作業(yè)面有3處，每處需風(fēng)量為4.8 m3/s，掘進工作面進風(fēng)實測空氣溫度為32～35 ℃，相對濕度為98%，進風(fēng)空氣風(fēng)溫為35 ℃，進風(fēng)空氣比焓值i1為127 kJ/kg，出風(fēng)口溫度值降低至27 ℃，出風(fēng)空氣比焓值i2為86.5 kJ/kg，空氣密度ρ為1.2 kg/m3。經(jīng)計算，制冷降溫所需冷負荷為699.84 kW，考慮機組自身產(chǎn)熱換熱，取系數(shù)1.2，制冷負荷為840 kW。

2.2 制冷降溫系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 換熱系統(tǒng)設(shè)計

井下布置制冷機組，系統(tǒng)主要設(shè)備包括井下制冷機組、井下水倉（天然冷卻塔）、冷卻水泵、排水管、蒸發(fā)器等。制冷降溫系統(tǒng)的換熱分為2級換熱，第一級換熱為制冷機組冷卻劑與空氣換熱，換熱發(fā)生在蒸發(fā)器與冷凝器間，蒸發(fā)器內(nèi)裝有冷卻劑，制冷機組風(fēng)機取環(huán)境高溫空氣，經(jīng)蒸發(fā)器將空氣的熱量帶走，降低空氣熱量。第二級換熱為冷凝器換熱，冷凝器的冷卻劑吸熱后溫度上升，利用井下具備的水倉低溫涌水，在水倉布置換熱器或直接將冷卻水混入水倉，將冷凝熱排放至水倉中，水倉涌水再經(jīng)排水泵排出，如圖1所示。

2.2.2 水倉排熱設(shè)計

考慮到井下封閉環(huán)境以及有害物質(zhì)的排放，結(jié)合三山島金礦濱海特點，選擇冷卻水為冷凝器換熱。據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測，-960 m 中段有多個涌水地點，其中一個涌水點溫度為40 ℃，涌水量為50～60 m3/d。以該涌水點為依據(jù)設(shè)計排熱水倉，該水倉分為涼水倉和熱水倉，設(shè)計水冷機組排水量為180 m3/h，水冷機組總涼水倉抽取涼水進行換熱，換熱后的熱水排至熱水倉，為防治水倉水過熱，布置排水泵，將水倉內(nèi)的高溫水排至礦井排水系統(tǒng)，實現(xiàn)熱水外排。

2.2.3 裝備防腐蝕設(shè)計

三山島金礦地下水腐蝕性較大，制冷機組的蒸發(fā)器、冷凝器以及回冷機等主要設(shè)備采用耐腐蝕、耐磨材料制作，冷卻器管道采用鈦合金材質(zhì)殼體（碳鋼管襯塑）。空冷器制冷部分采用銅翅片換熱器，并對銅翅片換熱器進行整體防腐處理，空冷器外殼采用不銹鋼316材質(zhì)。配套局扇殼體采用環(huán)氧樹酯防腐，并噴涂防銹漆進行表層處理。電機采用高效防水電機，以防礦井空氣侵蝕電機涂層，采用變頻控制?？绽淦骷熬稚鹊鬃捎谜w熱鍍鋅工藝。

2.3 送風(fēng)設(shè)計

在-960 m 水平運輸大巷開鑿制冷機組硐室，從盲混合井取風(fēng)，3 個掘進作業(yè)面距離制冷機組約2 000 m，工作面污風(fēng)通過南風(fēng)井回風(fēng)，制冷機組及送風(fēng)路線布置如圖2所示。

制冷機組制造的冷空氣需用風(fēng)筒送至-960 m 水平作業(yè)面，風(fēng)筒遠距離送風(fēng)會造成較大的溫升。本設(shè)計采用移動空冷器送風(fēng)，在末端增加換熱器—空冷器以及一套冷凍水循環(huán)，且空冷器與軸流風(fēng)機為一個整體，隨工作面推進而移動，并延長冷凍水管路，冷凍水管路阻力逐漸增加，要求冷凍水泵運行工況采用變頻技術(shù)調(diào)控。空冷器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

三山島金礦于-960 m 中段運輸大巷安裝制冷機組，利用移動空氣器對3 個掘進作業(yè)面輸送冷風(fēng)，經(jīng)現(xiàn)場檢測，制冷機組進風(fēng)口溫度為32 ℃，出風(fēng)口溫度為24 ℃，移動空冷器進風(fēng)口溫度為26 ℃，出口溫度為25 ℃，掘進作業(yè)面溫度為26～27 ℃，實現(xiàn)了作業(yè)面溫度小于28 ℃，制冷機組功能參數(shù)如表1所示。

4 結(jié)論

（1）利用黑箱法計算得出，三山島金礦-960 m 中段掘進工作面空氣溫度由31～32 ℃降低7～8 ℃，相對濕度由98%降低至78%，所需冷負荷為699.84 kW，考慮機組自身產(chǎn)熱換熱取系數(shù)1.2，制冷負荷為840 kW。

（2）根據(jù)換熱原理，研究2級換熱系統(tǒng)，并利用濱海礦山井下低溫涌水地質(zhì)特點設(shè)計水倉換熱制冷降溫系統(tǒng)，采用移動空冷器送風(fēng)方式實現(xiàn)-960 m 水平3個掘進作業(yè)面低溫送風(fēng)。

（3）方案實施后，-960 m 的3 個掘進作業(yè)面總進風(fēng)量為15 m3/s，出風(fēng)口溫度為25 ℃，作業(yè)面溫度由32 ℃降低至26～27 ℃，深井熱害得到控制。