新型矿井热害防治系统及其可行性分析

任 森

(1.内蒙古科技大学矿业工程学院，内蒙古 包头 014010;2.内蒙古煤炭安全开采与利用工程技术研究中心，内蒙古 包头 014010)

新型矿井热害防治系统及其可行性分析

任 森1,2

(1.内蒙古科技大学矿业工程学院，内蒙古 包头 014010;2.内蒙古煤炭安全开采与利用工程技术研究中心，内蒙古 包头 014010)

随着地下矿开采深度的不断增加，矿井热害问题日益突出，不仅威胁井下作业人员的健康，而且严重影响劳动效率及企业的经济效益。通过对传统制冷工艺的深入研究，在分析以往人工制冷措施利弊的基础上，提出了一种新型的矿井热害防治系统，该系统由2部分组成，分别运用了传热学及热力学的相关原理。第一部分是覆盖在制冷巷道围岩表面的隔热材料，作用是降低围岩热辐射及与制冷系统配合延缓空气升温。第二部分是一套人工制冷系统，是在传统空气压缩制冷循环的基础上合理改进而来。该系统以制冷巷道作为制冷对象，将原有的换热方式改为2股气流的混合，在不影响井下风量和风速的前提下，降低制冷巷道中的风流温度。该系统不仅使制冷效果得以显著提高，而且简化了系统组成，降低了施工及运行管理的技术难度，同时减少了资金投入，节约了生产成本，而且系统安全性也相对更高。

矿井热害 制冷系统 制冷巷道 隔热材料

1 系统简介

随开采深度增加，矿井中空气及巷道周围岩体的温度会逐渐升高，当矿井内环境气温超过人体正常热平衡所能承受的温度，将会导致劳动效率降低，事故频率增加，健康受损，甚至中暑休克。因此，工作条件恶化，劳动生产率降低，职业病威胁是深部开采所面临的一个新的严重问题。针对这一问题国内外许多学者做了大量研究工作，其中最为有效的治理方法是采取井下人工制冷，虽然该方法相较其他方法降温效果更为明显，但由于“性价比”往往不能令人满意而未能得到广泛采用。笔者提出的新型热害防治系统在传统形式上做出很大改进，目的是在提高制冷效果的基础上简化系统。该系统的基本组成及工作原理如下。

1.1 基本组成

新型热害防治系统主要由覆盖巷道围岩的隔热材料及空气压缩制冷系统2部分组成。为保证良好的制冷效果并尽可能降低系统造价，在系统施工之前需要在靠近井下工作面附近位置确定一段长度约20 m的巷道，作为“制冷巷道”(相当于蒸发器)，也就是制冷对象，整套制冷装置安放位置以及覆盖隔热材料的围岩均在制冷巷道。

(1)覆盖在井下围岩上的隔热材料应在综合考虑隔热效果、力学性能、防水性、耐火性能以及材料价格等多方面因素的基础上来确定。具体的条件有导热系数小(达到绝热材料的要求)、密度小、吸水性差且能够抵御水的浸泡、不燃烧且具有一定耐火极限、便于加工成型及定型、安装后具有一定强度和韧性。只要能同时满足这些条件，均可以按照施工要求，将其加工成具有特定尺寸的规则形状或没有规则形状的浆料，覆盖在围岩上。

(2)制冷系统的组成见图1。

图1 井下制冷系统结构Fig.1 Schematic diagram of underground refrigeration system

由图1可知该新型制冷系统主要由压气机、冷凝器、膨胀机以及“制冷巷道”组成，其中，制冷巷道取代了传统的蒸发器，但二者性质没有本质区别，只是改变了原来的换热方式，不仅合理地简化了系统组成，而且显著提高了制冷效果。

1.2 工作原理

在制冷巷道的围岩上覆盖隔热材料，减少热辐射，有效降低围岩散热量，同时降低对流换热系数，避免制冷巷道内的混合空气升温过快。

该制冷系统采用空气压缩制冷循环的原理，在此基础上加以改进，将“蒸发器”部分去除，取而代之以“制冷巷道”，压气机将吸入的空气绝热压缩成高温高压空气后，送入冷凝器中进行定压放热，体积缩小，变成高压低温空气后又进入膨胀机进行绝热膨胀，最终变成低温低压空气后与井下主风流混合，制冷巷道内混合空气的一部分又作为压气机的进气从而构成工作循环。膨胀机产生的低温低压空气与巷道主风流混合后，一方面补充压气机吸入的风量，另一方面降低制冷巷道内的空气温度，从而达到防治井下热害的目的。

2 制冷效果理论分析

空气压缩制冷理想循环由4个热力学过程组成，其参数坐标图如图2所示。

图2 理想循环各阶段的p-v图和T-s图Fig.2 P-v & T-s diagram of each stage of the ideal cyclep—压强；v—体积；T—温度；s—熵

以L8-60/8型空气压缩机为例，其进气和排气参数如表1所示。

表1 L8-60/8型空气压缩机技术参数Table1 Technical parameters of L8-60/8 type air compressor

压气机单位时间内从制冷巷道吸入一定量的混合空气后，经过1～2的绝热压缩过程，将这部分气体压缩成温度约430 K，压力为0.8 MPa的压缩空气；然后进入冷凝器定压放热，变成压力为0.8 MPa，温度约为360 K(冷却效果比较理想)的空气，体积进一步缩小，即2～3过程；再在膨胀机中经过绝热膨胀，变为低温低压空气，具体参数值取决于膨胀机的技术参数。从膨胀机出来的冷空气经过与主风流混合膨胀后，体积与压气机进气量相等，从而保证了井下风压风量的稳定及循环的持续，且混合空气的温度亦可以满足制冷效果的需要。

混合后制冷巷道内的空气温度可以按照下面的公式计算。依据能量守恒定律，2股风流混合发生热交换，高温风流放热量等于低温风流的吸热量，因此，

(1)

温度变化范围不大的情况下两边的定压容积比热可视为相等，于是有

(2)

根据上式，在已知t1,V1和t2,V2的情况下，即可求得

(3)

利用上述公式也可以在已知混合后空气温度的情况下反推膨胀机出口的空气温度t2。例如：为了系统更加经济合理地运行，可以将制冷巷道的空气温度设定为26 ℃，再以此为目标进行设备选型及运行管理，这种情况下就需要用上述公式反推膨胀机出口温度。

3 技术可行性分析

3.1 施工技术

为了能够反复利用，节约成本，覆盖围岩的隔热材料可以做成一定规格的标准单元，一方面使得安装时便于拼接，另一方面转移时也可以快速拆卸。还有一种建议就是利用导热系数小、便于成浆、能快速凝固且相对廉价的材料做成浆料，采用喷浆的方式将隔热材料喷涂在制冷巷道的围岩上，这种施工方法优点是不用反复拆装，节省时间和人力，缺点是一次性使用会造成材料的浪费，同时使成本上升，而且对材料加工性能要求更高。

整套空气压缩制冷系统的所有设备可以集中安放，不会占用井下太多空间，除了对管道材料的保温性能要求较高外，无其他技术难度。

3.2 运行管理

(1)运行管理技术难度：设备按照设计方法选型、安装后运行期间不需要技术支持。

(2)系统的安全可靠性：由于制冷工质是空气，无毒害且没有燃烧爆炸危险，隔热材料也不燃烧，因此系统不会给井下安全生产增添隐患，但前提是所有设备必须均已采取井下防爆措施，并使用本质安全型电源。此外，为保证系统运行的可靠性，需培训专人进行维护。

4 经济性分析

为了保障井下工人的身体健康，我国矿山安全方面相关法律明确规定：“井下作业地点的空气温度不得超过28 ℃；超过时，应当采取降温或者其他防护措施。”因此，尽管采用井下人工制冷系统会增加生产成本，企业也不得不进行这部分投入。那么，如何在相同的资金投入下获得更好的效果无疑也是一种变相的经济效益，而且改善劳动环境之后，井下作业人员劳动效率必然会相应提高，从而创高出更高的经济效益。

按照传统理论建立的井下人工制冷系统造价高、运行管理难度较大，不仅使得生产成本大大增加，而且制冷效果往往不够理想。本研究所提出的这套系统使用廉价的空气作为制冷剂大大降低了运行成本，此外系统没有蒸发器不仅进一步减少了资金投入，而且因为少了中间环节的传热过程，制冷效果也更加理想。

5 结 论

随着开采深度不断加大，井下热害问题日益突出，严重危害作业人员的健康，必须通过技术手段进行预防和控制。目前的诸多措施均存在不同程度的缺陷，如系统复杂、投资巨大、运行管理难度高等等。本研究提出的新型热害防治系统由降低围岩传热和人工制冷2部分组成，通过上述分析不仅原理上可行，而且技术难度不高，运行管理所需的人力以及资金投入也相对较低。目前，该系统的理论研究尚在初级阶段，随着后续研究的陆续开展，关于该系统的理论及设计方法将不断完善，一旦技术成熟投入应用后必将在矿井热害防治中发挥巨大作用。因此，对于该系统的深入研究具有很大的理论及实用价值。

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(责任编辑 徐志宏)

New-type Mine Thermal Damage Prevention System and Its Feasibility Analysis

Ren Sen1，2

(1.SchoolofMiningEngineering，InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology，Baotou014010，China;2.TheEngineeringResearchCenterofSafetyExploitationandUtilizationforInnerMongoliaCoalMine，Baotou014010，China)

As underground mining depth increases，mine thermal damages have become increasingly prominent.These threaten the health of mine workers，but also seriously affect labor and economic efficiency of the enterprises.Through in-depth study on traditional cooling technology，based on the analysis of the advantages and disadvantages of previous artificial refrigeration measures，a new mine thermal damage control system was presented.The system consists of two parts，which respectively applies the relevant principles of heat transfer and thermodynamics.The first part is the insulation material，which covers the rock surface of cooling tunnel，and its action is to reduce the rock thermal radiation and delay air warming acting with the refrigeration system.The second part is a set of artificial refrigeration system，which makes some reasonable improvements on the traditional air-compression refrigeration cycle.The cooling of the refrigeration system focuses on the cooling tunnel.This new refrigeration system modifies the original heat transfer into mixing of two fluids，which reduces the temperature of the air flow in the cooling tunnel without influencing the underground air volume and velocity.By this method，the cooling effect can be significantly improved，but also the system component is simplified.And the technical difficulties in the construction and operation management are lowered.The system can reduce capital investment，save the cost of production，and highly increase the security of the system.

Mine thermal damage，Cooling system，Cooling tunnel，Insulation materials

2014-02-06

任 森(1981—)，男，讲师。

TD727.5

A

1001-1250(2014)-05-162-04