金属矿山深部开采水冷集中降温实践

2015-01-17宝海忠居伟伟

现代矿业 2015年10期

宝海忠姜云居伟伟

(1.招金矿业股份有限公司夏甸金矿；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室；4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

金属矿山深部开采水冷集中降温实践

宝海忠1姜云1居伟伟2，3，4

目前夏甸金矿已回采至-980 m，深部开拓已达1 250 m，高温热害日益严重，通风降温已无法解决工作面高温的问题，为此通过热源分析确定井下总制冷量，选用KM1000型井下集中式制冷机组，采用井下集中制冷技术，通过现场应用，100 kW空冷器的独头掘进工作面温度由39 ℃下降至27.5 ℃，200 kW空冷器的独头掘进工作面温度由40 ℃下降至27.3 ℃，取得了较好的降温效果，保证了矿床安全高效回采，为同类深部高温金属矿山降温提供了有益的借鉴和参考。

深部开采热源集中降温制冷机组

金属矿产资源是人类赖以生存与发展的基础，据统计，我国95%能源与80%工业原料来源于矿产资源，其中金属矿产资源占有十分重要的地位。目前大部分金属矿山回采至800 m左右，部分矿山回采超过1 000 m，通常称为深井矿山。据统计，在未来10～15 a，我国将有1/3的矿山达到或超过1 000 m,深部采矿将是国内金属矿山今后的发展方向。深部采矿中遇到的首要问题就是深部开拓过程中的高温问题，据不完全统计，国内大部分地区深部岩石自然增温率在2.0～3.0 ℃,开采深度超过1 000 m 矿山,局部开拓区域的温度将超过40 ℃。夏甸金矿现生产能力为4 500 t/d,回采深度为980 m,开拓深度为1 250 m,为有效解决深部开拓过程中的高温问题,矿方应用德国WAT公司井下水冷制冷技术与设备,有效解决深部开拓过程中局部高温问题,为矿床安全高效回采创造良好的条件。

1 冷负荷计算

1.1 热源分析

1.1.1 地热

地温梯度参考纬度与之相近的山东胶东地区的梯度，取2.2 ℃/hm，据此计算夏甸金矿各水平地温，结果见表1。

宝海忠(1977—)，男，矿长助理，工程师，265400 山东省招远市。

表1 夏甸金矿各水平地温

由表1可见，夏甸金矿开采到-800 m水平时地温已达35 ℃以上，属一级热害区。

1.1.2 空气压缩热

夏甸金矿7#混合井井口标高为163 m，一期井深已达-652 m水平，井筒内空气柱高达815 m。经计算，重力导致的空气压缩热为5.412 kJ/kg。

1.1.3 氧化热

经检测，夏甸金矿开采的矿石中不含有易氧化的物质，故井下热环境不考虑氧化热的影响。

1.1.4 机电设备散热

经统计，全矿井下累计电机设备散热量为550 kW，而柴油机设备散热量高达6 242 kW以上。考虑到设备不可能同时运行因素，统计-652 m水平以下最大班同时运行的柴油机设备散热量高达2 192 kW。由此可见，夏甸金矿井下柴油机设备散热量是井下高温的重要热源之一。

1.1.5 人体散热

夏甸金矿井下按重体力劳动强度考虑，散热量为0.47 kW/人，按井下最大班60人考虑，人体散热总量为28.2 kW。人体散热量对井下热环境的影响微乎其微。

1.1.6 地面大气环境影响

夏甸金矿地区夏季室外气象参数见表2。

表2显示本地区夏季高温季节时，从地面进入井下的空气本底参数已超过国家规定的劳动安全卫生标准。因此，夏季地面空气温度超过28 ℃时，也是提升井下风流温度的影响因素之一。

表2 夏季室外气象参数

1.2 总需冷量

根据夏甸金矿-652 m以下水平热源分析，通过铲运机和运输卡车总输出功率计算，掘进工况时，-652 m以下3个水平同时工作总需冷量约为1 000 kW；运输工况时，-652 m以下3个水平同时工作总需冷量约为4 000 kW。

2 井下降温

2.1 设计制冷量

根据计算的需冷量，考虑管道及系统冷损后的制冷量，井下集中式降温设计负荷见表3。

表3 井下集中式降温负荷 kW

井下需冷量一级系统管道冷损二级系统泄漏冷损二级循环泵温升考虑最大负荷同时系数0.9后的设计制冷量考虑机组系数(1.1)的制冷量机组选型制冷量4000218125140404044444500

现场考察后确定井下排水带走冷凝热，井下平均涌水量约为120 m3/h，通过计算得出制冷机最大制冷能力为1 000 kW,此制冷量仅能满足一个水平在运输工况下或3个水平掘进工况下的降温需求。

2.2 工作面降温设备布置

空冷器布置在-740 m水平，南北大巷或-780 m 水平以下斜坡道各布置一台200 kW空冷器，4个穿脉采面各布置一台100 kW空冷器。

2.3 井下降温分析

2.3.1 井下涌水可带走的热量

确定集中降低热害最为严重的-700 m水平以下的井下工作点温度，在井下-700 m水平新建水仓。通过联通-652 m中转水仓和-652 m 535线水仓，-700 m水仓可以提供水温28 ℃、流量120～130 m3/h的矿井涌水，作为井下制冷机组冷凝器的二级冷却水。

根据德国WAT公司井下制冷机组参数，制冷量1 000 kW设备冷凝温度为44 ℃，冷却功率为1 250 kW，冷却水流量为33.18 kg/s，一级冷却水进水温度为32 ℃，出水温度为41 ℃。如采用污水换热器对设备进行冷却，按3 ℃温差计算，则所需二级冷却水温应为29 ℃，水量约120 m3/h。因此，利用-700 m冷水仓，联通调度井下其他地点水仓排水，可以满足一台1 000 kW制冷机的冷却要求。

2.3.2 降温能力

通过对井下排水冷却能力的分析可以看出，在现有条件下井下集中制冷、井下排热方案的制冷能力能达到1 000 kW，能满足-740 m水平采面及其4个穿脉巷掘进工况的降温。

2.4 方案设计

2.4.1 制冷排热系统

制冷机冷冻水系统采用闭式循环，主要由井下制冷机组、输冷管道、冷冻水循环泵、补水定压装置、末端空冷器及相应控制阀门仪表等组成。其系统流程：井下制冷机组→输冷供水管(约3 ℃)→空冷器→输冷回水管(约18℃)→过滤器站→冷冻水循环泵→井下制冷机组。

制冷机冷却水系统采用两级冷却，其主要目的是保护制冷机冷凝器不被含有泥沙的井下排水所磨损或堵塞，延长其使用寿命。其中一级冷却水系统采用闭式循环，二级冷却水系统(矿井涌水)采用开式循环。其一级流程为制冷机组冷却水回水(41 ℃)→一级冷却水泵→污水换热器→冷却水供水(32 ℃)→制冷机组，二级流程是-700 m水平水仓取水口(约28 ℃)→二级冷却供水管→污水换热器(约29 ℃)→二级冷却水回水管(约38 ℃)→-740 m 水平热水仓。水仓内约38 ℃的井下涌水通过-740 m水平排水泵排至-652 m水平热水仓，最后通过井下排水泵排至地面。为了确保整个降温系统的良好制冷效果和低制冷能耗，-652 m水平热水仓不能与其他水仓联通。制冷机制取的3 ℃ 低温冷水通过输冷管道送至各采场及其穿脉巷空冷器，将穿脉巷的空气降温后，通过保温风筒送至各穿脉巷尾部。井下制冷及排热系统流程见图1。

2.4.2 制冷机组选型

制冷机组选型本着产品成熟可靠、控制方便、负荷调节方便、尽量避免风险的原则，根据井下涌水只能满足制冷量为1 000 kW制冷机的冷却要求，本次共考虑了IDV1000型和KM1000型制冷机组，具体参数见表4，技术经济比较见表5。

由表4、表5可知，KM1000型井下集中式制冷机组比IDV1000型集成式可移动制冷机组运行费省，能效比高。根据制冷降温系统技术可靠，机组选型能效比高及运行费省的原则，本设计制冷主机选用KM1000型井下集中式制冷机组。

图1 井下制冷及排热系统流程

2.4.3 降温硐室布置

降温硐室设在井下-740 m水平入口处的北面，硐室长约40 m，宽、高均5 m。硐室内布置1台1 000 kW 制冷机组、2台冷冻水循环泵(一备一用)、2台一级冷却水循环泵(一备一用)、过滤器站及补水定压等配套设备。冷冻水循环泵型号为ISG125-250B，流量为83 t/h，电机功率为37 kW,电压为380 V；一级冷却水循环泵型号为ISG125-200B，流量为138 t/h，电机功率为22 kW,电压为380 V。系统冷冻水和一级冷却水补水均采用软化水，配套1台5 m3软水箱和2台补水泵(型号为ISG32-200，流量为4.5 t/h，电机功率为3 kW,电压为380 V)。为了防止水中杂物堵塞制冷机组蒸发器，在冷冻水循环泵吸入口前端设手动反冲洗过滤器。

表4 制冷机组具体参数

表5 制冷机组技术经济比较

2.4.4 冷却设备布置

污水换热器安装在-740 m水平联络巷南边换热硐室内。本工程制冷机冷却水通过污水换热器采用矿井涌水冷却，矿井排水来自-700 m冷水仓，为了保证冷却水量稳定，设计同时贯通原-652 m中转水仓和-652 m 535线水仓。二级冷却水供水通过-700与-740 m水平换热硐室间的高差自流进手动反冲过滤器后进入污水换热器，换热后的冷却水回水进入换热硐室旁的热水仓，约38 ℃热水通过换热硐室内的排水泵排到-652 m井下热水仓，最终通过矿井排水泵排至地面。污水换热器参数：交换功率为1200 kW；一级冷却水水温为32～41 ℃，流量为115 t/h；二级冷却水(矿井涌水)水温为29～38 ℃，流量为120 t/h。

2.4.5 输冷管及冷却水管道布置

冷媒水由冷冻水循环泵经输冷管送至深部各掘进工作面空冷器处，斜坡道输冷管主管直径为140 mm，长1 400 m;至各水平沿脉巷输冷管支管直径为114 mm,长1 900 m。输冷管采用预制聚氨酯保温管。一级冷却水进口温度为32 ℃，冷却水出口温度为41 ℃，制冷机冷却水设计流量为33.3 kg/s，冷却水管道为φ168 mm无缝钢管,接至污水换热器，经冷却后回到制冷机内。由于冷却水管道内水温接近环境温度，因此无需保温。

2.4.6 末端设备布置

井下降温的末端设备主要由空冷器、过滤器、仪表阀门等组成,共配置6台200 kW空冷器。由于制冷量远小于末端空冷器换热量，需要根据现场实际，调配冷冻水分配方向，以集中力量解决某一局部降温问题。