煤矿井下和地面厂房堆放冰桶降温制冷技术

童汉宏 李 阳

（淮河能源煤业公司张集煤矿，安徽 淮南 232174）

井工煤矿存在部分高温工作面，压入式通风的掘进开拓工作面和独头巷道高温非常明显。据实际体验观测：井下-690 m 底抽巷独头巷道，长1600 m，一路Φ800 mm 风筒供风，各型钻机5 台钻孔施工，7～9 月，地面气温26～36 ℃，巷道气温维持在36 ℃左右，10 月地面气温13～22 ℃，巷道气温维持在33 ℃左右。钻机操作人员只穿着短裤，通班流汗水直流，还要间歇用水管全身浇水。钻机附近靠巷道帮壁使用三块0.9 m×1.7 m 钢筋网弯折绑扎作为骨架，顶部和四周覆盖旧风筒布，搭设一个临时微型避暑站，内设压风控制阀吹压风，并同时采用2 寸胶管引风筒压风吹，人员轮换进入缓解一下高温酷热。如果是正在岩巷综掘机掘进的工作面，综掘机等机电设备散热，工作面气温达到38～40 ℃。有效快速对高温工作面制冷降温，改善高温工作面工作环境，对矿井安全、高效生产有重大意义。

1 煤矿井下降温技术特点分析

现在煤矿针对井下高温治理有非人工制冷、人工制冷两种方式。非人工降温有通风降温、预冷进风流、隔绝热源、疏干含热水层、个体防护等措施。非人工降温效果有限，有一些高温工作面采用非人工降温，达不到需要的效果时，采用人工制冷。人工制冷降温常用井下集中制冷降温、地面集中制冷降温、地面井下二级联合集中制冷降温、单工作面制冷降温、工作面堆放冰块降温等。集中制冷降温技术在已运行的矿井深部高地热矿井运行取得较好效果，但是那些无集中制冷的矿井，季节性和局部的高温工作面，以及虽然运行集中制冷，无法全面覆盖到的工作面、硐室，还需要更加灵活的降温方式。集中制冷降温还存在建设周期长，建设和运行费用过高的问题。有的采用单工作面制冷降温技术设备，但是受巷道空间制约，降温设备能力有限，进气源依然是矿井巷道较热空气，热交换过程产生的高热气体还在矿井风流内，其本身机电设备额外增加散热，降温效果受限。井下不宜使用有毒窒息性制冷剂更限制了降温效果。有采用大量水雾化降温的，造成本工作面供水严重不足，生产停滞。采用在工作面堆放冰块降温方法，冰块供应量不足，化水量大，存放时间短，大量运输搬运堆放难度大，堆放量受到限制，融化后及时更换难度大，对工作面降温作用有限。为了增加一种灵活易行对高温工作面降温的技术方法，研究了井下、井上大量摆放冰桶，冷却矿井风流的人工制冷降温技术[1-2]。

2 井下巷道堆放大量冰桶冰窖式降温

2.1 井下巷道堆放冰桶降温原理

在高温工作面巷道堆放较大数量桶装冰块，冰块融化冷却气流，降低高温工作面风流温度。在地面大量加工制作冰桶，冰桶经过冷藏车运输及人力少量携带方式到工作面。如图1，在底板、帮壁长距离堆放，顶板、两帮悬挂等方式摆放在巷道内，堆放大数量冰桶后的巷道形成冰窖效应，冷却巷道内高温气体。依据融冰速度，定期更换融化的冰桶，维持冰窖效应。由于冰桶对冰块的包装，摆放堆积快速灵活，堆放数量、摆放地点可以更加适应巷道状况，运输装卸简便快速，冰块融化速度变慢。

图1 高温工作面全空间悬挂堆放冰桶降温布置示意图

2.2 冰桶加工制作

装冰的桶采用特制高强度抗静电阻燃塑料桶或薄铁皮桶，容积5～25 L，冰桶强度满足多层堆放，经得起井下扔摔（井下盛装高分子加固化学材料的专用塑料桶可以复用制作冰桶）。准备充足数量桶后进行制冰，桶内注入适量水，放入制冰机进行制冷结冰，结冰出制冰机后扭紧桶盖，冰桶直接装专用车运输入井或临时先存放冰库等待装车。根据条件冰桶可以在地面矿井自己建设制冷车间制备，也可以从附近冰工厂定制。冰桶经保温冷藏车运输到矿，转运入井到高温工作面摆放。

2.3 冰桶降温在巷道和工作面堆放形式

冰桶到工作面后，人力卸车堆放在空闲的底板上，多层长距离堆放。巷道两帮和顶板空闲的空间可以采用吊挂的方式布置冰桶，吊挂时提前加工直径6 m 钢筋箱体式笼子，固定在巷道顶板和两帮，把10～15 L 小型的冰桶装入其中。冰桶内的冰块在工作面高温气体加热下，缓慢融化冷却，形成冰洞效应，实现对工作面降温。除上述巷道布置冰桶，还可以在工作面巷道内堆放冰桶围成围墙，形成一个小的封闭空间，供工作面高温作业人员轮番交替进入围墙内暂避防中暑。还可以在工作面安装1 m宽×1.8 m 高×1.5 m 长的木板房或铁皮房，房内摆放冰桶，供工作面高温作业人员轮番交替进入小冰房内暂避防中暑。高温工作面摆放一定数量冰桶后，根据化冰速度，定期根据冰块融化情况，对化水的冰桶进行置换，新制的冰桶替换融化的，维持巷道未融化冰桶数量。融化的冰水根据情况倒入水沟或洒在巷道底板上，空桶上井循环制作冰桶。为方便更换冰桶，工作面巷道内底板一侧可以整矿车或整集装箱车放置冰桶，整车摆放，整车更换。

冰桶法降温还可以在矿井主要进风大巷进行大批量整车摆放，定期更换维护，从而部分降低矿井巷道进风温度，更有利于高温工作面降温。

2.4 个体小冰桶和冰背心降温方法

制作5～15 L 的小冰桶还可以采用人力携带的方式到工作面，更加灵活简便。每班入井时，每人携带一桶冰，到工作面集中摆放，或存放在小空间封闭的特制木板房里，班中作业人员间隔一定时间，进入相对低温的木板房里休息一段时间，防止中暑。还可以为下井人员准备一些降温冰背心，装入碎冰或冰水，穿在身上进行降温防暑，冰背心交替循环装冰使用。上井时，带空桶去循环制冰。

3 矿井进风井地面厂房堆积冰桶降温技术

利用冰桶法堆放冰块灵活快速，数量不受制约，更换简便，同时在地面进风井厂房车间内，采用多排多架多层堆放大批量冰桶。将矿井整体进风温度降低，实现地面井下联合的方式进行矿井集中制冷。地面进风井车间厂房堆积冰桶冷却进风气流，要对气流进行人为调控，使得风流接触冰桶面积和距离适当加大，或建设专用冷却降温进风通道摆放冰桶，以增强降温效果。地面厂房内，摆放更换冰桶可以采用机械化作业，堆放量和更换周期优于井下堆积，无需井筒提升，井下巷道运输。地面厂房堆放冰桶冷却全矿井进风气流，对于夏季全矿井制冷降温效果更佳。

4 冰块吸热计算

每千克0 ℃的冰，温度升高到20 ℃向环境吸热q吸：

式中：T0为0 ℃；T20为20 ℃；C水为水的比热容，4.2 kJ/kg；C冰熔为0 ℃冰融化比热容，336 kJ/ kg。

常压下，C空气为空气的比热容，1.003 kJ/kg；空气的密度ρ=1.29 kg/m³。

根据热量公式Q=cm△t可得，1 m3空气降温1 ℃需要释放的热量：Q=1.003×1.29×1=1.293 87 kJ/ m³。

如果每立方空气温度由35 ℃降到25 ℃，Q放=Q×（35-25）=12.938 7 kJ/m³。

每千克0 ℃的冰，温度升到20 ℃变成水，可以将V立方35 ℃空气冷却到25 ℃。

V=q吸/Q放=420 kJ/12.938 7 kJ/m3=32.46 m3

设风流量为800 m3/min，则日消耗冰为：

（800×60×24）/32.46=35 489.83 kg。

5 结论

冰桶堆放降温法，热交换充分，热交换效率高，对高温工作面降温效果明显。冰桶降温法适用于零散高温工作面，适用于不宜建设或未建设集中制冷的矿井，能达到采煤、掘进、开拓工作面、各类巷道、硐室全过程全覆盖。冰桶法降温，建设和运行费用低廉，无需井下另建硐室，无需安装大量管路，不增加额外散热的机电设备，无需增加操作设备，检修维护方便。井下冰桶法对高温工作面降温，简易快速灵活，降温能力和效果大于普通放置冰块法降温。