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浅谈矿山深井降温技术发展趋势摘要:深井开采矿山随着开采深度的不断加深单凭自然通风降温有时已经不能满足通风降温的需要，为此各种各样的降温方法，非制冷降温、人工制冷水降温、制冰降温、空气压缩制冷降温技术等等均被尝试，甚至为此工人们把常规的空调技术发展应用到深井开采当中而出现了矿井空调系统，对于各种深井降温方法有一个简介与应用。关键词：深井开采；人工制冷；矿井降温概述岩层离地表越深，温度越高;矿山开采深度增大，岩温也随之增高，这是众所周知的现象。岩温是深井矿山作业面气温升高、工作面作业条件恶化的主要原因之一。温度在深井开采时的重要性，与它和人体所适应的温度有关。人是通过皮肤散发热量来维持平衡，故必须保证通风风流的温度要低于标准要求的28℃(新标准为26℃)高于28℃就应采取某种形式的降温措施。一般认为，当矿井内工作面的空气干球温度超过30℃，就称为高温工作面，矿井内出现终年持续的高温工作面并影响到采掘的正常进行，就认为出现了矿井热害。人在湿热的空气中作业时间较长，人体大量出汗，大量氯化钠、水溶性维生素、矿物盐随之排出，正常的水盐代谢被破坏，从而可能出现热痉挛，就会发生中暑、昏倒、呕吐和湿疹等疾病，人的某些机能就会出现故障，导致事故增加。据日本调查统计，30~37℃的工作面较30℃以下的工作面事故率增加1．5～2．3倍同时井下高温条件还将引起劳动生产率下降。据南非统计资料表明温度超过标准1℃时，工人的劳动效率降低7%～10%。当然，矿井的气候条件好坏，不仅仅取决于温度的高低，在很大程度上还取决于含湿量与空气流动速度，因为人体的湿热感觉与汗液的蒸发难易程度密切相关。同样的温度，湿度大就会感到闷热;相同的温度与湿度，有风就会感到凉爽。因此，美国原矿业局采用“实效温度”这一概念，规定其不超过26．7℃。所谓“实效温度”是指考虑了湿度和风速的指数。深井开采矿山高温热害的防治措施主要有隔绝热源、减湿和增湿降温、通风降温、人工制冷空调等。通常认为开采深度不超过1600m的情况下，可以通过通风降温就能达到目的，而超过1600m就要采取人工制冷措施。人工制冷按设备位置和制冷剂类型分为:地面集中空调系统、井下集中空调系统、井上下联合空调系统和井下分散局部空调系统;按载制冷剂类型又可分为以水为载冷剂的矿井空调和以冰为载冷剂的矿井空调等［1－3］。1.深井开采人工制冷技术1．1地面集中空调系统地面集中空调系统分为地面冷却风流系统和井下冷却风流系统［4］。地面冷却风流系统全部设备在地面，对矿井总进风流进行冷却，缺点是低温风流不断被井下热源加热，降温效果差。故仅适用于开采深度小、风流距离短的高温矿井。井下冷却风流系统制冷机位于地面，载冷剂(冷水或盐水)通过隔热管道被送到井下采掘工作面的空冷器。由于从地面到井下的高差大，载冷剂管道中的静压很大，所以必须在井下增设1个中间换热装置(高低压换热器)，其中高压侧的载冷剂循环管道承压大，易被腐蚀损坏，且冷损失较大，如图1所示。1．2井下集中空调系统制冷机设在井下，通过管道集中向各工作面供冷水。优点是供冷管道短，减少了沿途损失;无需高低压换热器，仅有冷水循环管路，系统简单。缺点是必须在井下开凿大断面硐室，施工维护不便;机电和控制设备需要防爆，难度大，造价高;井下空调系统冷凝热排放困难［5］。井下集中空调系统如按冷凝热排放地点不同来分，又有2种不同的布置形式:一是制冷站设置在井下，并利用井下回风流排热，如图2所示。1—压缩机2—蒸发机3—冷凝器4—节流阀5，15—水池6，7，14—水泵8—冷却塔9—冷却水管10—热交换器11，13，17—冷水管12—高低压换热器16，18—空冷器图1地面集中空调系统示意图1—压缩机2—蒸发机3—冷凝器4—节流阀5—水池6—冷水泵7—冷却水泵8—冷却塔9—冷水管10—空冷器图2制冷站设置在井下时井下排放冷凝热示意图1—压缩机2—蒸发机3—冷凝器4—节流阀5，11—冷水泵6，9，12—冷水管7—冷水池8，10—空冷器13—高低压换热器14—冷水管15—冷水泵16—冷却塔17—换热器图3制冷站设置在井下时地面排放冷凝热示意图1～4—制冷机5—空气预冷器6—高低压换热器7～9—空冷器10—冷却塔图4井上下联合空调系统示意图这种布置形式具有系统比较简单，冷量调节方便，供冷管道短，无高压冷水系统等优点。山东新汶矿业集团有限公司孙村矿曾采用这种布置方式。但由于井下回风量有限，当矿井需冷量较大时，井下有限的回风量就无法将制冷机排出的冷凝热全部带走，致使冷凝热排放困难，冷凝温度上升，制冷机效率降低，制约了矿井制冷能力的提高，所以这种布置形式只适用于需冷量不太大的矿井。二是制冷站设置在井下，但冷凝热在地面排放，如图3所示。这种布置形式虽可提高冷凝热的排放能力，但需在冷却水系统增设1个高低压换热器，系统比较复杂。1．3井上下联合空调系统井上下联合空调系统制冷机分别设在地面和井下，兼具地面和井下2个系统的特点。缺点是布置分散，冷却循环管路复杂，操作管理不便。这种布置形式是在地面、井下同时设置制冷站，冷凝热在地面集中排放，如图4所示。该系统实际上相当于二级制冷，井下制冷机的冷凝热是借助于地面制冷机冷水系统冷却。1．4井下分散局部空调系统井下分散局部空调系统的制冷机可以移动，仅供1个或局部高温场所空调使用。优点是冷量传输距离小，冷损失少;投资少;移动灵活，缺点是冷凝热难排放。故仅适用于小范围的降温空调。1．5以水为载冷剂的矿井空调以水为载冷剂的矿井空调是最普遍的一种矿井空调形式，由制冷机组、输冷管道和末端装置组成。通过制冷机组制备出冷水，再把冷水输送到末端装置，在末端装置里，通过冷水和巷道内空气的热交换，使巷道内温度降下来。其主要缺点是管道的静水压力大，冷损高。1．6以冰为载冷剂的矿井空调以冰为载冷剂的矿井空调(冰制冷)是一种较新的矿井空调形式，它利用地面制冰场制取的粒状或泥状冰，通过风力或水力输送至井下的融冰装置，与井下空调的回水进行直接热交换，使空调回水温度降低［6］。与传统的矿井空调相比，它具有以下优点:利用冰的融解潜热进行降温，在同样冷负荷的条件下，向井下的输送量仅为输水量的1/4～1/5。由于输送流量减少，管道的投资费用和运行能耗降低，管道冷损失小;不存在普通矿井空调的过高静水压力和冷凝热排放困难问题;主要电动设备均在井上，不需防爆。这种系统在中国还处于试应用阶段，真正推广还需开展很多工作，如制冰设备的研制，输冰设备的开发，适合低温水和泥状冰传热要求的井下空冷器的研究和开发等。新汶矿务局(山东新汶矿业集团有限公司前身)用片冰对1000m以上的深井进行制冷，已经取得了很好的效果，为冰制冷的应用进行了有益的尝试。1．7矿井压气空调系统针对传统矿井空调系统中空冷器存在的问题，山东科技大学陈平教授提出了矿井压气空调系统。其方法是利用压气作为供冷媒质，直接向采掘工作面喷射制冷［7］。冷却装置制出的冷冻水由冷水泵送到换热器中，与空气压缩机制出的热压缩空气进行热交换，压空气降温后经输冷干管、支管送到采掘作业面，在工作面由送风器将冷压气射出，形成冷风射流，冷风射流经过膨胀、卷吸、掺混等作用与工作面风流发生热交换，从而达到工作面降温的目的。与传统矿井空调系统相比，由于采用了压缩空气作为供冷媒质，大大减小了输气管道断面积，在采掘作业面可用金属或橡胶软管沿工作面长度均匀供冷。并且不需安设通风机、空冷器、风筒等设备，节省占地空间，可以应用于需冷量不大的小型矿井降温系统。但由于压缩空气的吸热量有限，对于冷负荷较大的大型矿井降温系统并不适用。1．8深部矿井地层储冷技术地层储冷技术是将冬季空气中天然的冷能通过一套井上换热系统储到地下储冷含水层中，其余季节通过另一套换能系统将这部分冷量从含水层中提出来，再通过井下换能系统用于井下作业面的制冷降温。2.矿井移动空调室技术在深井降温技术上，胡汉华与古德生教授提出了矿井移动空调室技术的研究课题矿井移动空调室技术是为解决矿山井下热害治理问题而提出的。目前国内外尚未见文献报道。矿井移动空调室的实质是：利用热幛的隔热作用，将井下工人与热环境隔离开来，再用先进的适于井下使用的空气冷却器向热幛内供冷，使热幛内环境质量达到《安全规程》规定的要求。其特点是隔离了环境热源，减少或消除了人工热源，充分利用了高压水的位能，循环利用了冷源，最大限度地降低了通风降温的能源消耗。矿井移动空调室的关键技术在于新型矿用轻便移动式空气冷却器的研制和热幛的制作。对井下使用的热幛，其基本要求应达到重量轻、安装容易、耐腐蚀、耐撕、耐刺、隔热性能良好。新型矿用轻便移动式空气冷却器的研制较之热幛的研制复杂得多，它涉及水力学、空气动力学、工程热力学等领域的内容。设计的新型矿用轻便移动式空气冷却器的基本原理是：来自恒温带的高压(2MPa)冷水(水温18℃左右)冲击水轮机后分散成雾状，自上而下流动，与来自空气冷却器下部的热空气进行充分的交换后自底部排出；水轮机在高压冷水的冲击下带动其上部的离心式风机转动，将空气冷却器下部的热空气自下而上抽出，与冷水充分热交换后送入热幛内部，从而实现冷却热幛内部的目的。应用水轮机式空气冷却器的优点是：一方面空气冷却器本身无需耗电，通风与空气冷却一体化，人而消除了电动风机本身发热所带来的人工热源。另一方面，因水轮机回收了高压水的大部分位能，从而消除了这部分位能向热能的转化（可以计算，这一部分温升可达2℃～3℃）。[9]2深井开采人工制冷发展趋势综上所述，在人工制冷方面人们做了大量的研究和尝试，也取得了大量的成果。最近，由于国外研制了优质的绝缘材料及管道输送技术的进步，基本上解决了冷水在送入井下空气冷却器过程中的冷能损失问题，因而矿井空调系统的集中制冷站有向地表发展的趋势，而在采场作业面附近设置空气冷却器。这不仅易于处理冷却水，而且使设备易于安装和管理，系统运行更加可靠，从而可以更加有效地降低工作面的温度。经验认为，开采深度不超过1600m的情况下，可以通过通风解决井下高温问题。［参考文献］［1］杨德源．矿井热环境及其控制［M］．北京:冶金工业出版社，2009．［2］王英敏．金属矿井通风［M］．北京:冶金工业出版社，2002．［3］胡宗平，傅圣英．浅谈矿井降温技术工作［J］．矿业安全与环保，2004，31(6):75－79．［4］杨沫，朱能．我国矿井空调系统的应用现状和需要解决的问题［C］//2006年全国暖通空调制冷学术年会论文集．北京:中国建筑学会暖通空调分会，中国制冷学会空调热泵专业委员会，2006．［5］王玉麟．井下移动式局部降温系统设计［C］//2010年全国暖通空调制冷学术年会论文集．北京:中国建筑学会暖通空调分会，中国制冷学会空调热泵专业委员会，2010．［6］冯兴隆，陈日辉．国内外深井降温技术研究和进展［J］．云南冶金，2005，34(10):7－10．［7］陈平．采用压气供冷的新型矿井集中空调系统［J］．矿业安全与环保，2004，31(3):l－3．［8］宋士生.深井开采矿山人工制冷技术综述[J]长春黄金研究院．中国黄金集团夹皮沟矿业有限公司二道沟分矿深井通风降温技术研究项目实施方案［R］[9]胡汉华，古德生.矿井移动空调室技术研究1中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙