某矿井掘进巷道局部制冷降温系统研究*

何 伟李 刚周 伟

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.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）

据统计，目前我国92%以上的一次性能源、80%以上的工业原料来自矿产资源，矿产资源的开发利用一直是我国社会经济发展的重要保障。随着对矿产资源需求量的增加，深部矿产资源开采已成为重点，深部矿产资源的开采伴随着高温、高湿、深井热害［1］。深井热害属于井下极端气候环境灾害，其治理手段多依靠于矿井通风。利用矿井通风系统增大深部高温采区风量，实现热害基本控制，深部通风量受矿井采空区限制，采空区贯通主要进、回风路线，漏风量大，矿井深部通风量不足。采空区漏风控制是深井热害治理的基本措施。

深井开采工作面气温升高将导致工作环境严重恶化。在持续的高温条件下，人员的健康和安全将会受到很大的威胁，并影响到采掘工作的正常进行，使劳动生产率大大下降［2-4］。据统计资料显示，超过人体适合温度后，温度每增加1℃，工人的劳动生产率将降低7%～10%。因此，研究并采用经济、合理、可靠、有效的技术措施，解决深井的通风和高温问题，使深井开采工作面保持人员和设备所能接受的温度和湿度，并使综合开采成本限定在合理的范围内，对保证深部地下安全高效开采具有重要意义。本研究针对某矿井独头掘进巷道高温热害问题，研究掘进巷道局部制冷降温系统［5］。

1 掘进巷道热源分析

某矿井已开拓至-1 000 m中段，矿井通风网络尚未形成，局部通风虽然解决了井下缺氧和有毒有害气体问题，但空气高温和高湿得不到解决。千米深井高湿度主要是由于井下涌水和边帮淋水所致，高温则来源于围岩散热、机械设备散热及涌水散热。表1 为某矿千米深井独头掘进巷道空气环境检测数据，其中部分掘进工作面空气温度达39～40℃（爆破时达到43℃），相对湿度为100%；热水区域环境温度为50℃，相对湿度为99%。参照《矿井降温技术规范》（MT/T 1136—2011），该矿井属于三级热害矿井（采掘工作面空气温度≥32℃）。对于三级热害矿井，除加强通风、提高风速外，还应采取人工制冷降温措施。

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2 矿井局部制冷降温原理

当开采深度及空气温度达到一定极限，仅采用加大风量、加速空气流动换热的单一通风模式方式解决深部高温热害问题，效果极其有限，人工（机械）制冷降温将成为矿井深部高温热害治理的必然选择［6-8］。对于独头掘进作业面，采用局部制冷降温系统。

局部制冷降温系统的主要特点是系统需冷量、冷凝热排放量小，所要求的制冷机组设备尺寸、规模小，可以直接布置在需制冷降温区域周边，将冷量以冷风或冷水形式输送至工作面，因输送距离较短，总的冷量损失及输送能耗也小，其初期投资及后期运营管理相对集中式制冷降温系统有很大优势。

目前，矿山企业采用加大风量形式降温，矿山局部降温工程中蒸气压缩式制冷降温机组使用较广，蒸气压缩式制冷技术选用氟利昂等常规制冷剂，以风、水作为载冷剂，向工作面输送冷风或冷水。根据压缩机的不同，蒸气压缩式制冷机组可分为活塞式、螺杆式和离心式机组。蒸气压缩式制冷机组一般包括压缩机、冷凝器、膨胀阀（节流阀）、蒸发器四大构件。

蒸气压缩式制冷工作原理是压缩机将蒸发器的低压制冷剂进行压缩，变成高温、高压蒸气后进入冷凝器，受到空气或水的冷却，放出热量并凝结成液体，制冷剂经膨胀阀节流后变成低压、低温的气液两相流进入蒸发器，在蒸发器内发生气化吸热制冷，吸热气化后的低压制冷剂再次进入压缩机，继续进行下一个制冷循环。

对于局部制冷降温系统，按照制冷机组的蒸发器、冷凝器换热器与外部介质的能量交换以及热量的传递转移过程，可以将热量传递转移过程分为机组内部制冷剂循环、蒸发器侧冷冻水循环和直接蒸发式（风冷）换热、冷凝器侧冷却水循环3个循环。

3 制冷系统设计

本设计利用工程热力学能量守恒原理，采用黑箱法反算掘进工作面散热量、掘进工作面入口的初始空气状态到设计终点状态的焓值变化量（即掘进工作面需冷量），通过现场实测类比分析，校核冷负荷计算值大小［9-10］。

根据该矿山中段采掘工作面分布情况，结合《冶金矿山采矿设计规范》（GB 50830—2013）有关规定，高温矿井采掘工作面风速可取0.5～1.0 m/s，本方案冷负荷计算取0.75 m/s，并假设末端换热器在冷热交换过程中实际换热风量取通风系统风量60%。

通风系统平均每个掘进工作面需风量约8 m3/s，采用人工制冷降温系统后，换热器实际换热量取通风系统需风量60%，即每个掘进工作面制冷风量为4.8 m3/s。目前掘进工作面进风实测空气温度为35～40℃，相对湿度为98%，结合井下实际条件，井下3 个掘进工作面同时作业总制冷风量为14.4 m3/s，最后计算出需冷量负荷为700 kW。

3.1 制冷系统设备布置

设计在井下-1 000 m中段集中布置制冷机组，系统主要设备包括井下制冷机组、井下水仓（天然冷却塔）、冷冻水泵、冷却水泵、排水泵、排水管、空冷器等［11-12］。制冷机组的冷凝器中发生制冷剂与冷却水热交换，将冷凝热释放在冷却水中，利用井下具备的水仓低温涌水，在水仓布置换热器或直接将冷却水混入水仓，将冷凝热排放至32 中段水仓（水温40℃）中，水仓涌水再经排水泵由排水系统排至地表。井下集中式制冷降温系统见图1。

该制冷降温系统具有以下优点：

（1）冷媒以较短距离送往工作面，冷量损失小。

（2）末端供冷方式灵活、实用性较好。

（3）冷凝热通过矿井涌水排放，不受现有通风系统影响。

（4）节省冷却塔、冷却水泵、冷却水管道等前期设备投资和后期运行维护投资。

（5）初期投资及后期运行成本相对较低。

3.2 冷凝热的排放途径

井下水仓相当于天然冷却塔，通过水仓的低温水源冷却，吸热后的水通过排水系统排出，水仓热水在地表采取一定的处理后可以供暖，因此，也称为水源热泵，而被冷却的水再次进入制冷机组冷凝器进行换热。因水源热泵系统能利用矿山天然的冷源排热，并且不受通风条件影响，不会再次对井下空气进行二次热污染，通过排水泵排走热水，可以一劳永逸地解决冷凝热排放，并回收利用冷凝热，具备供暖功能，因此，制冷制热功能的热泵系统属于一项重要的节能技术措施，水源热泵系统在地表工民建行业中得到广泛的使用。

采用水仓排热的水源热泵系统方案，必须结合矿山涌水量、涌水水质、水温、排水条件等多因素分析。该方案主要优势是利用矿山涌水资源，该系统适合于井下水源涌水量丰富的矿山制冷降温。

3.3 空冷器末端设备布置

设计采用固定式水冷制冷降温+移动式空冷器的掘进工作面制冷降温方式。增加末端换热器、空冷器以及1套冷冻水循环系统，且空冷器随工作面推进进行移动，并延长冷冻水管路，冷冻水管路阻力逐渐增加，冷冻水泵运行工况采用变频技术调控［13］。

该布置方式具有以下优点：

（1）末端配套空冷器，顺延冷冻水管，供冷方式灵活，供冷区域可选择性强，适合于井下集中式制冷，供给多个工作面人工制冷降温。

（2）相对输送冷风，输送冷水管径小，水管保冷效果好，冷损失小。

（3）制冷机组固定，安全稳定性好。

4 现场实施情况及效果

该制冷机组制冷量为800 kW，装机功率为282 kW，所需的矿井水由距机组900 m 处的中段上盘西巷一处涌水量36 m3/h 的掘进面临时水仓提供，用塑料管路加管道泵输送至制冷机组，再将交换热量后的矿井水用塑料管排至上盘巷东西分岔处并排入水沟（回风巷），经回风巷污风降温后排至中段主水仓。制冷机组如图2所示。

该制冷机组运行情况检测结果如下：

（1）地表竖井口温度为31℃，32 中段与空冷器相连的对旋局扇进口风温即环境温度为29.5℃，运行1台电机。

（2）空冷器出口风温为20.1℃，接Φ800 mm 胶皮风筒，距离空冷器5 m 风温为20.1℃；距离空冷器50 m 风温为24℃；距离胶皮风筒出口5 m 风温为26.1℃；距离胶皮风筒出口10 m 风温为28℃；胶皮风筒出口风速为10.5 m/s，风量为3 m3/s。

（3）空冷器进水温度为5℃，回水温度为11℃。28 中段水仓水温为37℃，主机工作时出水温度为41.7℃，主机输入功率为68 kW，输出功率为258 kW。主机工作10 min，压缩机工作时间约6.5 min，主机消耗功率为44.2 kW。

在实施掘进巷道局部制冷降温措施后，新鲜空气通过2×15 kW 局扇风机经空冷器降温，通过直径分别为800，650，600，500 mm的胶皮风筒接力输送至作业面，作业面的温度快速下降，20 多分钟温度降至23℃左右后变化不明显，完全达到国家规定的作业面温度不高于28℃的标准要求。制冷机组耗用冷量190 kW左右，并保留了20%～30%的制冷余量。

5 结 论

以某矿山深部掘进巷道工程热环境为对象，借助矿井低温涌水优势，设计了以冷凝换热局部制冷降温系统，采用固定式水冷制冷降温+移动式空冷器相结合的掘进工作面制冷降温，实现长距离送风降温，保障某矿井-1 000 m 中段3 个掘进作业面环境温度，系统运行稳定可靠，有效消除高温热害，保证井下作业人员的健康安全。同时，模块化矿井水冷机组结构设计灵活，外形尺寸较小，便于矿井运输和安装施工，适合矿山井下生产环境。局部制冷降温系统在高温热害矿井具有很好的推广应用前景。