我国矿井人工制冷降温技术现状及存在问题分析

刘　靖, 周山山

(河南理工大学 土木工程学院， 河南 焦作 454003)



我国矿井人工制冷降温技术现状及存在问题分析

刘靖, 周山山

(河南理工大学 土木工程学院， 河南 焦作 454003)

摘要：对我国矿井人工制冷降温技术发展现状和趋势进行了分析，并对各种矿井人工制冷降温技术使用条件、技术特性、经济性及存在问题进行了分析探讨。

关键词：矿井热害；制冷降温；冰冷却技术；压缩空气

随着煤炭开采的深度增加和数量增多，我国矿井热害问题日益严重。据统计，我国煤矿开采深度以每年8～12 m的速度递增，其中国有重点煤矿平均开采深度年增加9 m，最深矿井深度已达1 000～1 300 m。开采深度的增加和开采机械化程度的提高使我国高温矿井的数目显著增加，作业环境日益恶化。矿井热害严重恶化了矿井的安全生产环境，传统的通风降温已不适用于热害严重、开采较深的矿井，矿井人工制冷降温技术成为解决矿井热害的必要手段[1]。

我国矿井降温工作始于20世纪50年代初期，当时仅是对一些高温矿井地温开展观察。真正采用矿井制冷降温技术始于1964年。当时，煤炭科学研究总院抚顺分院在淮南九龙岗矿进行井下局部降温实验，同时采用表面式和喷淋式两种类型的空冷器。1984年山东新汶孙村矿在我国第一次采用井下集中空调系统，但该矿在井深达到800 m水平时冷凝热排放困难，不得已在1994年改为地面集中空调系统，该系统是我国第一个地面集中制冷空调系统。1995年，山东矿业学院提出了用压气引射器和制冷机结合的矿井空调运行方式。2004年，山东新汶孙村矿冰冷却低温辐射降温技术工程运作调试成功，开创了我国冰冷却降温系统的先河。

本文分析了我国矿井人工制冷降温技术的发展现状及趋势，研究了各种矿井人工制冷降温技术的技术特点及存在问题，指出了不同矿井人工制冷降温的使用条件及适用范围。

1人工制冷水降温技术分析

按制冷机组在井上井下的安装位置不同，人工制冷水降温系统可分为地面集中式、井下集中式、井上井下联合式、井下局部分散式4种形式[2-4]。

1.1地面集中式

该类系统是将制冷站安设在井上，冷凝热在地面排放。这种系统有两种形式：一是集中冷却矿井进风，由于地面被冷却的低温风流沿风流流动路线不断被热源加热，冷风到达用风地点上时往往温度达不到设计要求，所以仅适用于开采深度浅、风流距离短的高温矿井。二是井下冷却风流，该系统通过保温管道将载冷剂送至需冷地点的空冷器冷却风流。由于地面到井底的高差大，必须在井下设置高低压转换装置来克服载冷剂的静水压力，所以这种形式安全性较差。

1.2井下集中式

该系统的制冷机组设置在井下。优点是系统简单，供冷管道短，没有静水高压问题。缺点是必须在井下开凿大断面机电硐室，并且要求设备防潮防爆。井下集中式空调系统最大的问题是冷凝热的排放。冷凝热的排放可分为两种不同的方式：一种是制冷机组的设置及冷凝热的排放都在井下；另一种是井下制冷机产生的冷凝热用地面冷却塔排除。但无论哪种排热方式，效果都不理想。井下集中式大多适用于需冷量不太大的矿井。

1.3井上井下联合式

井上下联合式在地面、井下都需安设制冷机组，冷凝热通过回水在地面集中排放。该系统既减少地面制冷站的冷量损失，又克服了井下制冷机的排热困难。缺点是系统复杂，投资大，设备布置分散，不利于管理，井下冷水管线复杂等，仅适用于大型矿井降温系统。

1.4井下局部分散式

井下局部分散式系统的制冷机可以移动，适用于井下降温点少且点点相隔较远的高温矿井。我国应用局部空调系统比较广泛，平顶山五矿己二采面曾采用制冷量为300 kW的防爆制冷机组向己15_23071采面供冷，同时利用井下回风排放冷凝热，平均降温幅度达4 ℃，降温效果明显。井下局部分散式系统的优点是设备移动灵活，输冷距离短，冷损小，初投资及运行费用少。缺点是冷凝热排放困难，所以仅适用于局部小范围的矿井降温。

人工制冷水降温经过几十年的实践，已经是一种比较成熟的矿井降温技术，在国内外使用最为广泛。表1为这4种空调系统的优缺点比较。

表1　4种空调系统优缺点

2人工制冰降温技术分析

人工制冷水降温在深部矿井中最难以解决的是冷凝热的排放以及过高的静水压力。南非在20世纪80年代初期进行了矿井人工制冰降温的研究并取得了成功，证明了该技术的可行性。我国山东新汶孙村矿于2004年首次采用人工制冰降温技术获得成功，并已取得专利技术向全国市场推广[5-6]。

图1为人工制冰降温系统的简图，制冰机制出的冰由螺旋输冰机输送至立管井口处，靠自身重力下落至井下融冰池，形成0 ℃左右的水，再由供水管道送至需冷工作面。

图1　人工制冰矿井降温空调系统

人工制冰降温系统主要利用冰的融化潜热降温，输送同样冷负荷所需的输冰量仅为输水量的1/5～1/4，相应的管路、设备以及水泵的负荷都可减少，大大节约了能量损耗。冷源设置在井上，解决了井下制冷站内新鲜空气不流通、冷凝热排放困难和井下设备必须防爆的缺点。井下没有复杂的设备，机电设备也很少，与人工制冷水系统比较，具有工艺简单、操作与维修方便的优点。

人工制冰降温系统主要由制冰、输冰和融冰3个部分组成。

冰的制备可分为静态制冰和动态制冰两种方法。由于静态制冰系统制冷机性能系数会随着冰层的增厚而降低，所以静态制冰不能适应大冰量的要求。所以矿井冰制冷降温系统一般采用动态制冰。动态制冰根据冰的形状可分为粒状冰和泥状冰，其中粒状冰有立方体、锥体、圆柱体、管状和片状等几种。研究表明，冰制冷系统宜采用粒状冰中的管状冰和片状冰以及真空制冰法的泥状冰。目前，由于国内外大型制冰机较成熟，可以制备各种形状、规格的冰，所以冰的制备对于人工制冰降温系统来说不是难点。

人工制冰降温系统的主要难点在输冰和融冰环节上。根据不同的冰和不同的输送位置对冰采用不同的输送方式。对于粒状冰，常采用风力输送，在输送过程中要适时调整输冰速度和压缩空气量，防止冰块堆集，造成管道堵塞或破裂。而泥状冰只能采用水力输送，水力输送需采用高低压换热装置来解决过高的静水压力。

融冰关系到能否获得稳定的低温水和稳定的水流量。乔华等利用圆筒形融冰槽对粒状冰的融解进行的研究表明，融冰槽冰床高度保持在1 m左右，使用20 ℃左右的回水，即可获得接近0 ℃的冷水[7]。提高融冰速度、减小融冰槽体积是融冰环节需要进一步研究的方向。

通过实际冷却系统的对比表明：目前3 000 m以下的矿井降温系统，虽然初期投资较高，综合考虑运行费用，较为经济的选择方案仍是冰冷却系统。所以，人工制冰矿井空调系统具有很好的发展前景。

3空气压缩制冷降温技术分析

空气压缩制冷降温是利用压缩空气作为供冷媒质，向需冷工作面喷射冷气制冷。其形式包括变容式空气制冷、涡流管式空气制冷、压气引射器制冷和涡轮式空气制冷。其中涡轮式空气制冷是空气制冷空调最常用的制冷方式[8]。单位质量的空气吸热量有限，导致空气压缩制冷降温系统的单位质量制冷剂的制冷能力及制冷系数比较小，在制取相同冷量的情况下，相比于水冷却及冰冷却降温系统，所需的制冷设备更大，导致空气压缩制冷降温系统的初投资费用及运行费用更高。因此，一般很少有矿井采用整套空气压缩制冷降温系统进行全矿井降温，只是在需冷量不大的小型矿井或者局部高温采面及掘进工作面采用空气压缩制冷降温。

涡轮式空气制冷利用井下的压缩空气在涡轮压气机进行增压升温，然后压气机出口的空气与水在水冷却器中进行热量交换，最后冷却的空气在膨胀机的作用下进行绝热膨胀，从而实现空气制冷。我国在孟加拉国承建的Barapukuria煤矿(简称孟加矿)项目，在建井期间，遇到严重热害的掘进工作面，在采用水冷KKL-101空气制冷设备进行降温后热害问题得到了有效控制[9]。该项技术的应用证明了空气压缩制冷降温技术在煤矿掘进工作面降温的可行性，进一步研究后可推广到回采工作面降温，为我国矿井降温技术开辟了一条新的途径。

涡轮式空气制冷机作为高温矿井空调终端设备，相当于冷水机组系统中的空冷器，能有效解决我国矿井集中降温存在的问题，其优点包括[10]：系统简单，应用灵活，输冷管道少，承压小，对管道材质要求低；可以保证工作面冷量分布合理，降温效果好；空气制冷机无需电力驱动，解决了井下设备防爆问题；空气既是制冷剂又是载冷剂，对井下环境没有污染。但也有其缺点：该系统要保证矿井通风量足够大，为空气制冷机提供充足的压缩气源，系统的初投资及运行费用较高。空气压缩制冷作为一种新型矿井降温技术，由于其应用灵活，系统简单，在需冷量不大的小型矿井或者矿井局部地点降温的应用上具有广阔的市场。

4矿井降温系统的选择

矿井降温首先应考虑一些简单可行的非人工制冷降温技术，在达不到降温目的时，才考虑人工制冷降温措施。人工制冷降温系统的选择应根据矿井的实际情况并结合不同矿井空调系统的优缺点进行综合考虑：地面集中式降温系统冷损较大，对于开采较浅的矿井较适用；井下集中式系统冷凝热排放困难，对于冷量较小的矿井较适用；对于冷负荷大的超深矿井可考虑冰冷却降温技术；压缩空气制冷则适用于需冷量小的浅部矿井。此外，矿井降温系统的选择要满足技术上可行、经济上合理和环境影响小等3个方面要求。

4.1技术可行性指标

在经济可行的各项指标中，矿井制冷降温系统方案主要有制冷系统制冷量、系统稳定性、散热方式和设备管道承压性等4个可选指标。首先是方案的选择要满足制冷量的要求，将井下热环境控制在规定范围内。其次系统应运行稳定，保证矿井正常生产。冷凝热的排放和设备管道的承压性可以根据具体情况适当放松要求。

4.2经济合理性指标

矿井降温系统选择有初期主要设备费用、寿命周期运行成本、冷损量大小及降温工程费等4个经济合理性指标。这些经济合理性指标可以明确反映降温系统的合理性，寿命周期运行成本合并考虑了年运行电费、维护费用和使用年限等3种因素。

4.3环境影响指标

矿井制冷降温系统环境影响指标包括对采掘作业的影响、系统占有空间的影响和噪音的影响等。对采掘作业的影响是指矿井降温系统对矿井生产的影响，比如井下输冷管道的安设、空冷器的安设对采掘、运输工作的影响。矿井制冷降温系统必须占用一定的空间，比如采用地面集中式井下占用空间小，采用地下集中式需要开凿大断面机电硐室。同时，噪音的产生会恶化工作环境，降低劳动效率。

5结语

目前，人工制冷水技术在矿井降温技术最为成熟，在我国空调降温系统中处于主导地位，由于制冷机组置于井下存在潜在危险，因此，制冷机组的设置向地表发展是一种趋势。

冰冷却空调系统在我国矿井空调中还处在起步阶段，还有许多技术问题亟待解决：如何解决冰在输送过程中易黏结成块堵塞管道问题，从而减小输冰阻力，提高输冰效率；如何优化融冰池设计、提高融冰速度和降低出水温度；适用于低温水及泥状冰传热要求的空冷器的开发研究等。但是冰冷却空调技术在超深井降温中具有广阔的发展前景。

压缩空气制冷技术应用灵活，系统运行经济、安全、可靠，在矿井局部地点降温及小型浅部矿井降温应该大力推广。

矿井降温技术的选择，应根据不同矿区的特点和不同降温技术的特点进行效能分析，既要求技术上可行，环境影响小，又要使投资及运行费用最低。

参考文献：

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[2]王成,杨胜强. 矿井降温措施综述[J]. 能源技术与管理,2008(1):15-17.

[3]辛嵩. 矿井热害防治[M].北京：煤炭工业出版社,2011：78-85.

[4]黄寿元,刘辉,林育华. 热害矿井降温技术研究及应用[J]. 制冷与空调(四川),2012(5):444-449.

[5]冯如彬,李惠娟. 深井降温技术中的新方法-冰冷却系统[J]. 河北煤炭建筑工程学院学报,1995(2):62-65.

[6]程永伟,菅从光,朱晓飞. 冰输冷矿井空调系统的应用与研究[J]. 矿山机械,2009(1):30-33.

[7]乔华， 王景刚， 张子平. 深井降温冰冷却系统融冰及技术经济分析研究[J].煤碳学报，2000，25(so)：122-125.

[8]王进,赵运超,梁栋. 矿井降温空调系统的分类及发展现状[J]. 中山大学学报论丛,2007(2):109-113.

[9]胡春胜，周秀隆. 压缩空气制冷技术在孟加拉国Barapukuria煤矿的应用[J]. 煤炭工程，2005(11)：35-37.

[10]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):1-4.

(责任编辑：陆俊杰)

The Present Situation and Existing Problems of Artificial Refrigeration Cooling Technology of Coal Mine in China

LIU Jing， ZHOU Shan-shan

(Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454000， China)

Abstract：Artificial refrigeration cooling technology is an effective measure to solve the mine thermal pollution. This paper analyzes the present situation and trend of development of Mine artificial refrigeration cooling technology in our country, and studies the conditions of use technical characteristics, economy and existing problems of various mine artificial refrigeration cooling technology.

Key words：mine heat harm; refrigeration cooling; ice cooling technology; compressed air

中图分类号：TD727

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.01.016

文章编号：1671-6906(2016)01-0066-05

作者简介：刘靖(1971-)，男，山东莱芜人，副教授，博士，主要研究方向为建筑环境与能源应用工程。

收稿日期：2015-11-03