矿井高温掘进巷道降温技术研究及应用

罗勇东， 王海宁， 张迎宾

（1.江西理工大学，a. 资源与环境工程学院；b. 能源与机械工程学院，江西 赣州341000；2.中国计量大学质量与安全工程学院，杭州310018）

根据“十二五”计划中我国对金属和非金属矿山的发展规划，矿山正在向高产高效的方向发展，我国矿山正在迈入千米深部矿井开采的阶段。 但是，随着向下深部开采力度的加大[1]，原岩温度不断上升，当前对深部通风技术的研究还未足够成熟，使得深部井巷的通风及降温极为困难。特别是矿井深部横向长距离的掘进作业，当前某些矿山深部井巷掘进作业面的温度可达40 ℃，甚至更高，高温和通风困难使得深部掘进作业愈发艰难。 高温热害严重危害工人身心健康，降低工作效率。同时，高温也对机械设备的正常运行产生了威胁。因此，对矿井掘进作业面进行降温，保障工人安全和提高井下施工效率，成为了我国采矿行业急需解决的一大难题。 文章在前人研究的基础上，对我国最新及以往的矿井降温技术原理、适用环境及待解决的问题进行了整理分析，并针对某硫铁矿山高温掘进面作业困难的问题，采用局部空调制冷技术进行现场降温试验研究，旨在有效解决该矿井高温掘进作业的问题。

1 高温掘进巷道热源及热害

1.1 高温掘进巷道热源分析

地下矿山作业环境极其复杂，充斥着各种各样的散热源。 井下热源根据其性质可分为物理热源、化学热源、生理热源3 类。物理热源主要有地表大气热、围岩散热、竖直空气重力压缩热、机电设备废热等。化学热源有井下铲运机的柴油燃烧发出废热、煤堆自发集热氧化发热、含硫矿石在高湿环境氧化发热、坑木等有机物腐烂放热等。生理散热是人体在井下高强度作业时消耗大量的能量物质而产生的热量，在独头巷道掘进过程中，若通风不畅，狭小空间多人同时作业，作业面温度上升尤其明显。

1.2 井下高温掘进面热害分析

在掘进作业过程中，井下高温主要对井下作业人员、设备、爆破作业、混泥土支护造成的影响较大。 高温环境对人的生理和心理都造成巨大的影响和损害，人体在恶劣的高温环境中会出现一系列的生理机能异常[2]，极易出现身心疲惫、心理消极逆反的状态；井下作业环境温度过高，燃油机械设备、照明设备、电机设备等不能及时降温，降低设备使用寿命；高温使乳化炸药中的乳化剂成分失衡而开始发生质变和硫化，影响炸药的起爆或爆破能力；外部高温使外层混凝土快速凝结，混泥土孔隙率增大，强度降低，且容易出现凝固混凝土脱块的现象。

2 高温掘进面降温技术研究

根据制冷耗能方式不同，矿井降温技术可分为矿井空调制冷和非机械制冷。非机械方式主要有通风降温、喷雾降温、个人降温、个体防护技术等;矿井空调制冷技术主要有冷水制冷、制冰降温和空气压缩制冷等制冷技术。 当前,在浅层矿井热害治理中非机械制冷式降温方法应用得较多[3]。 应用中如加强通风、隔绝热源等非人工降温措施无法解决井下热害时, 就必须采用矿井空调制冷技术[4]。

2.1 非机械降温技术

2.1.1 通风降温

井下通风降温方法是现在矿山普遍采用的一种经济有效的掘进作业面降温方法， 其降温能力可达2～3 ℃。 通过废弃巷道预冷风流、增大风机功率、采用大直径风筒、增大掘进巷道风速，快速带走围岩和人体散发的热量，使空气热量难以积聚上升，这时作业面温度与风机送风温度正相关。但是加强通风降温受多因素的约束，如风机的送风能力、风筒性能、作业面允许风速等，并且送风量达到一定值后对作业面降温效果不明显[5]，适宜的送风量为巷道断面积的0.56～0.84 倍。

2.1.2 水喷雾降温技术

水通过热传导及同期气化传质传热的过程与周围环境进行热交换，这种传质传热过程受水的表面积影响极大。水雾降温技术的基本原理就是将大块的水分割成多个独立的个体，增加水的总表面积，提高水与外界空气的热交换速度和水吸热气化的速率。现有技术可将水通过雾化喷嘴、超声波转化成微米级别的水雾，用于井下降温速率极快，且降温成本相对于其它降温技术极低。 该技术适用于工作范围小、作业人员少、需冷量小、热害严重的掘进作业面[6]。

2.1.3 溶液除湿降温

人体本身就是一个产热源，当人体热量不能散发时就会感到烦闷和疲劳，对空气降湿可以加快人体汗液蒸发速率，使体温下降。 除湿技术可分为机械除湿和溶液除湿[7]。 机械除湿就是通过空冷器降低空气温度，使空气中水蒸气凝结降低空气湿度。 溶液除湿采用具有良好吸湿性能的溶液作为吸湿剂[8]，如NaCl 溶液、LiBr 溶液、CaCl2溶液等， 其基本原理为溶液与具有较高湿度的空气接触过程中，由于溶液与空气间存在着水蒸气分压力差， 使空气中的水分向溶液传递，达到对空气除湿的目的。

2.1.4 热源控制降温

从源头上清除热源或减少散热源散热。①减少氧化放热。 尽量用电驱动力代替井下燃油设备动力；及时清理井下废弃坑木和废弃含硫矿石；对含硫围岩用涂料进行绝氧隔离。 ②排除机械放热。 尽量将机电设备放置在回风巷道； 当进行独头巷道掘进作业时，尽量错开进风巷道的机械作业时间；大型机电硐室散热量大，要设置专用回风巷道。③巷壁绝热。巷道围岩散热作为矿井主要的热源[9]，为了防止其散热，可对其喷洒某种隔热物质，如赛璐珞泡沫、硬质氨基甲酸泡沫等国外现在常用的隔热材料。 ④防止压风管道风流升温。 选择合适尺寸的压风风筒，防止筒内高压空气升温；采用具有隔热性能的双层压风风筒[10]，防止掘进巷道的风流与风筒内风流传热。 ⑤及时排尽巷道内热淋水，用排水钻孔预先将出水点的热水排出矿井。

2.1.5 隔热分流排热降温

掘进巷道隔热分流排热降温技术适用于以围岩放热为主的高温大断面巷道降温，该降温技术利用隔热板将巷道沿顶板、 两帮按一定距离进行密闭分割，形成以内层作业、 运输为主的主巷道和外层热量、污风排放的副巷道。在掘进作业面隔热板端头设置导风板，引射风机或压风风机压入风流冲洗作业面后沿两侧进入副巷，以此带走作业面、围岩热量，使围岩散热热量不与内层主巷道相接触。隔热板选型是该技术的关键，包括它的设置方式、性能和购置的经济性。邹声华等将该技术应用于唐洞煤矿里的实践表明，掘进巷道采用隔热分流排热降温技术后，局部通风机送入掘进工作面的风流温度降低了2.5 ℃；主巷道中的风流温度可降低5.5 ℃[11]。

2.1.6 个体防护降温

个体制冷成本约为其它制冷方式的20 %左右,根据冷却服的制冷介质分类, 有干冰、 液态空气、低温水、和具有自冷却功能的冷却服。 当在作业点分散的井下高温地段, 可穿戴个体降温绝热防护装备进行井下作业。 如澳大利亚某高校成功研制出了水冷式、空冷式高温防护服，工人在温度高达45 ℃的井下也能正常作业。南非矿业工会设计了一种内层为水袋背心、外层为绝热夹克的冷却衣，在实际应用中可满足个体2 h 左右的降温需求[12]。 另外ILc 公司的波罗太空背心、南非的干冰背心及德勒格尔的冰水背心在实际生产试验中都取得了不错的成果。

2.2 矿井空调制冷降温

相对于国外的制冷机行业，我国在这方面的发展起步较晚。20 世纪50 年代末才开始学习国外相关制冷技术的基础， 并对活塞式制冷机进行仿造生产，在20 世纪60 年代才开始进行自主设计研发， 在20 世纪70 年代我国出现首个矿山井下局部降温空调系统，20 世纪80 年代中期我国有了第一个集中式井下制冷空调系统，20 世纪90 年代我国又有了首个地表集中制冷空调系统，21 世纪初我国首个冰冷地温辐射降温系统运作成功，而后我国在这方面的技术研究逐渐与国际接轨[13]。

目前，根据载冷剂的不同，矿井空调系统制冷可分为空气压缩制冷、冷水制冷、人工制冰制冷等空调制冷技术及其它空调系统制冷技术。

2.2.1 水制冷空调技术

水制冷空调根据不同类型的冷源可分为以水蒸汽-液态水为循环的压缩式制冷空调、 以LiBr-H2O和NH3-H2O 等为循环系统的余热吸收式制冷空调、及以低温水源为冷源的热泵式制冷空调。 水制冷空调系统根据布置形式又可分为地表集中式、 井下集中式、局部移动式、井上井下联合集中式[14]。 地表集中式和井上井下联合集中式在制冷过程中排冷凝水方便， 但是向井下输冷过程中容易产生温度跃升的问题，而井下集中式系统不易出现该问题，但是冷凝水排放不便。 集中式系统制冷范围广，局部式系统只适用于小范围制冷降温。在实践中要根据矿山特点、制冷需求选择合适的系统布置方式。 水制冷空调系统降温技术经过了长时间的实践，已经发展相对较成熟，在我国应用较广泛，是我国主要的矿井降温技术。

2.2.2 空气压缩式制冷技术

空气压缩制冷空调根据压缩设备的不同可分有涡轮机压缩制冷、涡流管压缩制冷、透平机变容制冷和压气引射器制冷等。 其以空气作为制冷介质，空气受压缩时放热，进入冷却器进行定压冷却，有时可将受压冷却的空气直接吹扫作业面， 受压空气膨胀吸热，以此吸收作业面热量，达到降温目的。该空调系统以空气作为制冷介质，对环境无污染，且系统结构简单。 但是其制冷设备较大，不便移动安装，制冷能力差，制冷成本高，在我国矿山中未得到广泛运用。

2.2.3 人工制冰空调技术

人工制冰空调系统降温过程包括冰的制备、输送、融化3 个步骤。首先在地表利用制冰机制冰，而后将冰粒通过输送管道往下输入各个中段的融冰池，冰融化吸热与液态水进行换热，低温液态水又通过管道进入作业面空冷器与作业面空气进行换热，以此达到降温目的。其优点：冰的蓄冷量比水高，单位冰的冷量是单位水的4～5 倍，冰在融冰池内与水接触换热，换热效率高。不足之处：冰的输送过程易发生堵塞，冰的融化速度很难提高，冰的输送、融冰环节有待进一步研究改进。 该系统在我国还处于试用阶段, 相比水冷却降温系统, 该类系统工程实践较少[15]。

2.2.4 其它空调制冷技术

1）热电冷联产空调降温技术。热电冷联产空调系统[16]是利用具有易液化特性的溴化锂、氨作为制冷介质的吸收式制冷机组，其以矿井地热或电站余热为热

源对制冷介质进行加热，制冷介质吸热气化，又通过冷却器进行定压降温，而后输送到空冷器，在空冷器内液化吸热与作业面空气进行换热。在热电冷联产空调系统的实际运用中，全矿采用溴化锂、氨制冷机组无法达到制取1～2 ℃的冷水的要求，通常采用串联式两级制冷机组，溴化锂、氨制冷机组作为第一级，后面串联离心制冷机或压缩制冷机。 该系统可以将矿井废热能源进行梯级利用, 适用于高瓦斯、 高地热矿井。

2）深井HEMS 降温系统。 HEMS 系统降温技术[17]是利用地下低温涌水提取冷量，与作业面空气进行热量交换，交换的热量排出地表作为生活、其它作业供热的循环制冷产热技术。该项技术的关键在于是否能保证源源不断的地下低温水供应，因此，该技术仅适用于低温地下水丰富的矿井。

3）分离式热管降温技术。分离式热管降温系统[18]可分为2 部分：蒸发端、冷凝端。分离式热管技术属于高效无吸液芯热管传热技术， 蒸发端在冷凝端下方，蒸发端底部设有液池， 液池受热产生蒸汽通过绝热管流向冷凝端， 蒸汽经过冷凝后又依靠重力回到蒸发端[19]，整个过程形成一个冷热传输循环。 该技术目前主要受蒸汽凝结性、蒸汽传输脉冲振荡、液池充液率等因素影响较大，还仅用于热源温度较低的矿井环境中。

3 某硫铁矿降温技术应用研究

3.1 井下热环境测定

某硫铁矿属于浅部开采矿山，地处水资源丰富的南方地区，当矿山开采至-280 m 中段时，受-280 m中段东区丰富的地热能影响，井下采掘作业人员饱受高温的危害。 特别是东主运输巷的掘进作业中，由于高温的影响，未能按计划的四个月内完成该巷道掘进工作。 针对掘进巷道的高温危害问题，对掘进巷道围岩、风流、地下水进行温度测定和分析，掘进巷道现采用单一压入式通风， 巷道截面积8.2 m2， 风筒直径600 mm，风筒出口风量为3.2 m3/s，温度测点布置按图1 所示，测定结果如表1 所列。

从表1 可知，测点1～5 的围岩温度、水温基本变化不大，最高岩温34.4 ℃，最高水温36.8 ℃，最高干球风温34.7 ℃；通风时巷道风流沿程带走部分围岩、地热水热量，由测点1 至测定5 热量逐渐积累，风流温度由掘进头向巷道出口逐渐增大；测点6 处于送风巷上风侧，最高岩温30.2 ℃，干球风温28.8 ℃，但是风筒出口测点1 风温温度相对于测点6 较高，可知风筒送风的过程中掘进巷道风流与风筒内风流进行了热交换，使得风筒出口温度较高。

3.2 降温措施的提出

根据表1 的测定结果，对照《金属非金属矿山安全规程》的规定“井下作业点温度不得超过28 ℃；超过时，应采取降温或其它防护措施。”该井下掘进作业热环境已经超标，存在危害工人生命健康的风险，应立即采取降温或防护措施。 由于矿山处于浅部开采阶段， 在矿井生产建设时期未建设矿井机械制冷系统，矿山通常采用加强通风方式进行矿井降温，同时考虑到：

1）建设全矿性的矿井机械制冷系统花费昂贵，建设时间长；

2）矿井低温地下水丰富，-135 m 中段水泵房的水温可达24 ℃,但是水输运系统建造成本大，时间长；

3） 送风巷新鲜风入风侧的干球风温最低达到28.8 ℃， 加强通风降温也难以使掘进巷道风温降至28 ℃以下，且对于不断向内掘进，加强通风使得通风费用昂贵，通风机械耗损严重；

4）主运输巷的掘进不属于长期的作业计划，应考虑布置降温措施的经济性。

为此，提出采用局部压气式空调器制冷系统进行制冷降温， 并用隔热式双层风筒进行送风， 及时排出掘进作业面的地热水。 矿井制冷系统布置如图2所示， 在距离掘进巷道20 m 的送风巷新鲜风入风侧建造一个风机（降温）硐室，在风机硐室与掘进巷道口之间建一个空调硐室，空调主机内空气压缩机压气使空气压缩升温，再通过冷却器冷却；载冷剂（空气）通过输冷管道在空调末端机（蒸发器）与风机硐室的空气进行热量交换， 使风机硐室空气降温，并通过风机将低温空气压入高温掘进面；同时空调主机换热器产生的废热随风流排至污风回风侧，由回风井排至地表。

3.3 降温措施的应用效果

按图2 进行井下空调制冷系统布置， 采用立柜式风冷空调主机， 如图3 所示， 其制冷量可达8～200 kW； 配备吊顶式射流机组作为空调末端，如图4 所示，供冷量7.5 kW，送风风量0.5～4 m3/s；采用D=600 mm 的双层隔热风筒， 如图5 所示，风筒外层为PVC 夹网布，内层为锡箔泡棉复合材料，长度为15 m/节，传热系数为0.029 W/（m2·℃）（平均温度40 ℃情况下）。

对巷道热环境进行再次测定，测定结果见表2。由表2 测定结果可知，空调供风口测点a 的温度在18 ℃左右，空调冷气口空气与巷道空气混合，使得压风机吸风口附近测点b 温度上升， 约为21.7 ℃；风筒内外进行热量交换， 风筒内风流温度上升，风筒出口附近测点1 约为24 ℃，上升了2.3 ℃，未更换双层风筒前的风筒进出口温度差为6 ℃，表明双层隔热风筒起到良好的隔热效果；相对于表1 测定结果，岩温降温幅度比水温大，是因为岩石的比热容比水小，岩石散热能力更大；采用该空调制冷系统，巷道风温最大可降低10.2 ℃，最高温度（干球）由34.7 ℃降至26 ℃， 降温后的最高风温满足低于28 ℃的规程要求。

表2 采用制冷空调后的热环境测定结果Table 2 Measurement results of thermal environment after using refrigeration and air conditioning

4 结束语

1）目前，非机械矿井降温技术在浅层矿井热害治理中比较成熟。 其中，加强通风降温技术的应用较为广泛。 在三大主要的矿井空调制冷技术中， 水制冷空调技术在技术和应用中已经较为成熟；人工制冰空调技术在我国引进的时间短、应用较少，但发展潜力巨大； 空气压缩制冷空调技术在矿井中的应用较少，但其结构简单、无污染，仍是矿井降温的一个选择。

2）对于未来不断向下的深部开采，受地温的影响逐渐加大，矿井空调制冷技术会成为矿井作业面的主要降温方法[20]。 本着节能减排的理念，如热电冷联产空调降温技术、深井HEMS 降温系统、分离式热管降温技术等利用地热、热涌水、电站余热作为动力进行制冷的空调技术会成为未来矿井空调降温技术的一大研究方向。

3）针对该硫铁矿-280 m 中段东主运输巷道掘进时的高温问题，采用局部空压式空调制冷系统，更换风筒为双层隔热风筒， 及时排除掘进面的地热水，掘进作业区风流最高温度（干球）由34.7 ℃降至26 ℃，满足了掘进巷道温度低于28 ℃的规程要求。