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1高温矿井独头掘进面空气调节的一种新系统山东科技大学宋桂梅；西安交通大学张朝昌摘要:利用井下作业所用高压空气作为膨胀工质，通过透平膨胀机等熵膨胀降温后送入独头掘进工作面，即可达到降温除湿的目的，又可通过引入新风提高了空气含氧量，具有较好的局部降温通风效果，克服了单纯通风方法无法降温和一般机械制冷方法无法通风的缺点，有效解决深井平巷独头掘进工作面的局部高温热害问题。文中所提出的方法对于解决矿井的高温热害问题具有重要的理论和实用意义。关键字：矿井，空气调节，透平，膨胀制冷1引言我国是一个矿产资源生产消费大国，国民经济的发展对矿产资源的依赖程度高，但已经探明的矿产资源并不能满足国内日益扩大的生产消费需求。随着埋藏较浅容易开采的矿产资源的日益消失，深埋矿井的建设无意将在矿业领域占据主导地位。而在深井的建设和深埋矿产的开采中，高温热害是矿井施工过程中经常遇到的问题，尤其是在独头掘进工作面处，气温高，湿度大，空气含氧量低，工作环境极度恶劣。这种高温高湿的气候条件，不仅会使工人的身体健康受到损害，而且也将大大降低劳动生产率，甚至使采掘工作无法进行。根据有关资料显示，我国目前大约有80多对矿井存在不同程度的高温热害问题[1]，国外也有许多存在高温热害的矿井，例如孟加拉国巴拉普库利亚矿井岩温达38.8℃-45℃[2],南非某金矿岩温达63℃[3]。如何克服高温热害是矿业工程的一个重要课题，也是空调技术发展应用的一个新领域。改善高温矿井巷道内的气候条件的方法很多，可分为两类：非制冷降温方法和人工制冷降温方法。目前采用的非制冷降温方法主要有：1)通风措施，包括矿井整体通风和局部通风两方面；2)建立合理的开拓系统和采矿方法；3)热源控制措施；4)个体防护措施等。当采用非制冷降温方法,仍无法达到所要求的作业环境标准或经济性不合适时,应增加人工制冷降温措施。人工制冷降温方法就是指采用人工机械制冷进行降温。每种降温方法都有其优点和局限性，应该根据矿井高温热害的具体情况选用合适的方法。例如山东新汶矿务局孙村矿和平顶山矿务局五矿降温都采用机械集中制冷方式[4]，而澳大利亚和南非则研究开发出了个体防护用的冷却工作服，在许多高温矿井中使用。在井巷掘进期间，常规情况下可以采用局部通风的方法达到改善井下气候的目的。但这种方法仅对深度较浅、岩石温度较低的矿井具有明显降温效果，而对于深度大(地下1000米)、岩温高（大于35℃）、巷道距离长（2000米）的独头掘进工作面来说，用局部通风的方法难以达到有效降温的目的。其主要原因：一是新鲜的贯穿气流难以依靠轴流风机工作送到作业面；二是胶质软风筒通风阻力大、隔热性能差，到达作业面的风量小、风速低、风温高；三是在地下井巷内轴流风机的噪音和回音太大，令人难以忍受，甚至经常发生工人关掉风机现象。在遇到这种情况时，有些单位往往采取释放作为动力源的压缩空气来缓解井下的高温高湿状况，但是由于直接释放压缩空气的节流效果不明显，节流降温温差小，难以达到有效降温；同时大量释放压缩空气造成作业气源无法保障，营运成本也相当高。在冬瓜山大型深埋铜矿中，高温热害问题十分突出，虽然采取了局部通风降温、释放作业动力空气、个体防护等措施，但都没有使作业环境的气候条件得到有效改善，严重影响了工程进度。如果采用冷冻机械集中制冷方式，设备投资过大，企业无法承受。因此探讨一种经济有效的制冷空调方法，成了企业的当务之急。由于我国在高温矿井空调降温方面的技术经验还十分缺乏，因此新方法的研究，对于解决矿井的高温热害问题具有重要的理论价值和实际意义，也可为我国深井矿山建设综合技术的提高提供有益的借鉴。2空气透平膨胀制冷系统气体等熵膨胀是获得低温的重要方法之一，而透平膨胀机则是实现接近绝热等熵膨胀过程的一种有2效机械。20世纪40年代，随着飞机制造技术的迅速发展，带有轻重量透平膨胀机和紧凑换热器的空气制冷机以它的轻巧、易维护和制冷工质为空气的特点，被当作飞机空调的最佳选择。1944年在飞机空调上第一次使用，从此统治了飞机空调系统。近几十年来，由于科学技术水平和机械制造工艺的飞速发展，空气制冷机更是得到了迅速发展。目前，从空调设备、低温环境模拟到空气分离、氢氦的液化，都有透平膨胀机的实际应用[5]。在某铜矿降温方案的研究中,作者提出把透平膨胀机用在矿井降温的工程实际中，即利用井下作业的高压气体作为工质，通过透平膨胀机膨胀降温，然后与一部分回风相混合，送入空调区域,来达到降温降湿的目的。2.1流程说明系统流程如图1所示。高压空气1经过换热器A后温度降低到2，空气中所含水分大部分会在换热器A中凝结析出，2点空气继续经过换热器B，与膨胀机出来的低温气体换热，温度进一步降低，水分进一步析出，到达状态3，此时的空气虽然仍是饱和湿空气，但是由于温度极低，压力较高，所以空气的绝对含湿量很低，状态3(即状态4)的空气经过换热器A复温到状态5，然后进入膨胀机，膨胀后的空气（状态6）温度降低，压力降低，其饱和时的绝对含湿量大于状态3时的绝对含湿量，因此在膨胀机中不会有水分析出，这样就保证了膨胀机的正常工作。最后，状态7的空气与一部分热空气混合，图1透平膨胀机制冷系统流程简图送入空调区域制冷降温。井下作业所用高压空气是由地面集中供应的，压力为0.5MPa，相对湿度80%，因此在进入膨胀机之前需要经过干燥处理，以防止空气中的水分在低温时析出，影响膨胀机的正常工作。常用的干燥方法有分子筛吸附、冷冻法和真空解析等。考虑到井下作业的实际情况，采用分子筛吸附法会使系统复杂，系统成本提高。因此本设计采用冷冻法，在流程设计时考虑到除水的要求，增加了两个换热器(A,B)，利用膨胀后的低温空气对膨胀机入口空气进行冷却，使空气在逐步降温的过程中析出绝大部分水分，达到干燥目的。从空气中析出的水分以水或霜的形式存在于换热器中，可以利用定时除霜装置及时排除。2.2流程计算按照上述流程，根据有关物性图表查取所需物性参数，对流程进行计算。已知参数有：入口高压空气状态P1、T1，出口低压空气参数P7，相对湿度RH1，RH2，RH3，在5、6、7处空气绝对含湿量很小，可以看成干空气处理，压力损失忽略不计。设计选取参数有：膨胀机等熵效率sη＝0.6，高温换热器A热端温差△T1＝T1－T5=10℃，低温换热器B冷端温差△T2＝T3－T6＝10℃高压空气制动空气1765432abO空调区域(高温工作面)gABA－换热器IB－换热器IIC－透平D－制动风机D混合C3能量平衡关系：5241hhhh+=+（1）7362hhhh+=+（2）sshhhh5565−−=η（3）43hh=(4)上述公式联立求解，得到各点的状态参数，如表1所示。表1流程参数汇总编号1234567压力（MPa）0.50.50.50.50.50.10.1温度(℃)35-8.4-31.6-31.625-41.6-17.4相对湿度0.81.01.01.0000从流程计算结果可以看出，空气经过膨胀机后温度可以降到-41.6℃，经过换热器后温度仍然为-17.4℃，具有足够的制冷潜力，虽然中间为了干燥入口空气损失了一部分冷量，却使系统得以简化，而且这部分冷量并没有全部损失。利用高压热空气除霜时，除霜用的空气仍然可以送入空调区域，即回收了一部分冷量，又增加了空调区域的新风量。采用膨胀制冷的另一个优点是可以改善降温区域的含氧量。高压空气来自于地面，含氧量为21%，回风为井巷内空气,含氧量为18%，所以混合后空调送风的含氧量提高，调节回风比例可以使送风含氧量接近国家标准20%的要求。同时因为送风的绝对含湿量较低，空气在复温过程中会吸收水分，所以也可以改善原先空气湿度高的情况。所需高压气体的质量流量为：hQMhΔ=/（5）其中Q为空调热负荷，hΔ为回风状态与送风状态空气的焓差。膨胀机的制动功率为（轴功率）：hssmMhPtΔ=ηη(6)其中mη为机械效率，sη为等熵效率，hM为高压气体的质量流量。换热器A、B的凝结水量：hwAMddM)(21−=(7)hwBMddM)(32−=(8)T123(4)765s5S图2膨胀过程T-S图4膨胀机制动的方案有风机制动，发电机制动，油制动器三种。不同的制动方式工作特性不同，对于系统工作特性影响也不同。从能量利用的角度来看，采用发电机制动可以回收电能，能量利用率最高，有条件的时候应该尽量采用。从经济性角度来看，考虑到发电设备的成本，采用风机制动较为理想。制动空气采用闭式循环，通过水冷却器进行冷却。冷却水来自井巷内原来就布置的作业水管，取水方便，系统结构简单。升温后的水可以通过管道排到地沟中，自然流回矿井中的地下水仓。3结论高温热害问题是矿井施工中经常遇到的问题，尤其是对于岩温高、巷道长的独头工作面，目前采用的通风降温的方法很难达到预期效果。本文提出的空气透平膨胀制冷系统，具有下列特点：1．安装简单。充分利用矿井中原有的高压作业气源和水源，不需另设管道。2．机动灵活。膨胀机系统可以做成整体移动式，安放在工作面后20~30米远的地方，随掘进巷道的前进而向前推进，简单可行，送风管路可以选用波纹管，便于四处移动。3．综合效果好。能够达到较好的局部降温通风效果，并且通过引入新风提高了空气含氧量,克服了单纯通风系统无法降温和一般机械制冷无法通风的缺点，可以有效解决深井平巷独头掘进工作面的局部高温热害问题。4．安全环保。系统采用空气为工质,无环境污染问题。参考文献：[1]李慧娟.矿井降温中的空气调节技术[J].暖通空调，1994，6:43-5[2]兰贵枝.孟加拉国巴矿建井期间降温措施的探讨[J].煤炭科技，2001,4：13-15[3]MiddletonJVG,MullerA.A.,AsurfaceiceplantforprovisionoficeforthecoolingofservicewaterinanOFSgoldmine[A].Proceedingoftheinternationalconferenceongold,goldminingtechnology,Johannesburg,SAIMM,1986[4]李振顶，彭辉仕.矿井降温在掘进巷道内的应用[J].煤矿安全，2001,3：12-13[5]计光华.透平膨胀机[M].北京:机械工业出版社，1989