高溫礦井通風降溫技術措施研究

劉 嶺

（山東魯泰煤業有限公司太平煤礦， 山東濟寧市 273517）

高溫礦井通風降溫技術措施研究

劉 嶺

（山東魯泰煤業有限公司太平煤礦， 山東濟寧市 273517）

根據國內煤礦生產通風現狀，分析了井下出現高溫狀況的原因。為改善井下作業環境，利用空調系統是實現工作區降溫的主要技術措施。提出了井下集中空調系統的可行方案，并簡述了實現井下空調需要解決的幾個問題。

集中空調；礦井通風；降溫；煤礦制冷循環

1 概 述

礦井通風是礦井產生系統的重要組成部分，是礦井安全生產的前提和保證。目前，國內礦井通風系統形式多樣，往往著重于控制瓦斯濃度，達到防火防爆的要求，在一定程度上控制了井下粉塵及其它有害氣體的濃度，卻沒有充分考慮（或無法實現）降溫降濕的要求。隨著開采深度的增加，生產能力的擴大及機械化程度的提高，井下地熱和機械設備散熱量顯著增加。送風氣流在被送到工作面的過程中，不斷地與圍巖進行熱濕交換，并吸收煤、巖及生產工藝過程的散熱量，再加上自身的絕熱升溫，氣流到達工作面時溫度有可能接近甚至超過規范所規定的環境參數要求，起不到降溫降濕的目的。井下熱濕問題已成為煤礦生產的主要災害之一。煤礦工人在通風不良、高溫、高濕的環境下長期工作，不僅影響生產效率，危害工人的身心健康，而且存在著由于惡劣環境造成的精力不集中而產生操作失誤引發重大事故的隱患。另外，溫度過高也為可燃物的自燃創造了條件，既產生有害物質又產生氧化生成熱，使井下溫度進一步提高，而威脅礦井安全。

為降低井下，特別是工作區的溫、濕度，來自井下高溫圍巖、煤及生產過程的余熱、余濕最終必須通過介質（空氣、水）帶到地面上來。空氣作為能量載體是一經濟有效手段。經驗表明，傳統的通風方式（未設制冷設備）在巖溫較低，氣溫不高的地區或季節，可以將工作區的溫度降低到較為滿意的水平。但是，在炎熱季節，當礦井較深，巖溫較高時，該通風方式將難以控制工作區的溫、濕度。圖1為國內一調研結果，可以看出，當巖石溫度為44℃時，要想控制工作區的溫度低于30℃，其送風量很大，采區斷面風速達5m／s以上。實際上這也是不可能的，且不說送風費用問題，過大的風速對控制粉塵極為不利，并且對生產工人的身體健康也會產生很大的影響。解決的方法是利用礦井排水排出熱量，因為幾乎所有的礦井都連續或間歇地排除地下涌水，當涌水溫度不太高（例如低于32℃），可以利用涌水作為機械制冷的冷卻水，將部分或大部分余熱帶出礦井。若利用涌水作為冷卻水，必須對其進行處理以滿足冷卻水質的要求。

圖1 煤產量為1000t／工作面（3點）干球溫度和有效溫度隨風量和巖溫變化曲線

礦井空調與地上建筑物空調相比有兩個明顯的特點：工作區小而分散，并且隨生產的進行而移動，采區工作面相對于井下空間很小，而且相距較遠，可達幾千米；熱濕負荷分散，潛熱量大。與送風流所接觸的所有熱表面、物料、機械設備等都是熱濕負荷的來源，潮濕的圍巖表面和巖縫滲水與送風流濕交換的結果使濕負荷很大。井下空調應當根據當地條件，合理設置系統，組織氣流，盡量降低工作區的熱濕負荷，以減少系統的投資和運行費用。

2 煤礦通風、排水系統的除熱、除濕能力

2.1 通風系統的除熱、除濕能力

當井下空調系統采用風冷冷卻時，其制冷量和除濕量可按下式估算：

式中，Qa為通風系統的載熱能力，即制冷冷卻系統的排熱量，kW；ρa為送風流的密度，kg／m3；V為送風量，m3／s；h1、h2為通風經過冷凝器時進出口的焓，kJ／kg.干；W為除濕量，kg／h；d1、d2為空氣進、出口的含濕量，g／kg.干；Q0為制冷量，kW；COP為制冷系統的制冷系數。

表1為某礦送風情況。假設采用螺桿壓縮機機械制冷裝置（COP＝3.6），取焓差為25kJ／kg.干，含濕量差為8g／kg.干，按2009年的送風計算，其制冷量可達2370kW，除濕量可達2300h。當然，上面的計算是假設通風量全部經過空氣冷卻器和冷凝器，并且沒有考慮粉塵對換熱器性能的影響而導致冷量的下降，因此，上述計算值與實際運行情況有出入，特別是除濕能力，當采用部分回風時會有很大的差距。就含塵量對制冷量的影響而言，實驗室測試結果表明，當空氣的含塵量為93mg／m3時，連續工作24h，制冷量下降16%。但上述計算結果作為通風系統除熱除濕是正確的。

表1 某煤礦送風情況

2.2 排水系統的載熱能力

當制冷系統利用排水冷卻時，排水系統的載熱能力可用下式計算：

式中，QW為排熱量，kJ；m為排水量，kg；Cw為水的比熱，kJ／kg.℃；為進出冷凝器的溫差，℃。取溫差為5℃，則每噸水的載熱量為20934kJ，可實現制冷量15400kJ。當井下滲水較多，排水量較大時，利用排水可實現的制冷量是相當大的。

3 礦井集中空調系統

礦井集中空調系統可以設置在地上，也可設置在地下。地上空調系統是將制冷、冷卻系統放在地面上，因而便于運行、維護，排除了井下粉塵對冷卻設備的影響。但冷卻水要遠距離輸送到工作面上，這存在兩方面的問題：輸送距離遠，阻力損失、熱損失大，運行費用高；靜壓力太大，對井下冷卻設備的承載能力要求很高。如果中間采用減壓設備或閉式換熱設備，無疑又增加了設備費用和循環水泵的能耗，同時帶來許多管理方面的問題。將空調系統全部設在地下，可以解決上述問題，同時又能充分發揮通風系統的潛力。但地下空間、生產系統復雜，空調系統的布置困難，對設備的防爆要求很高，地下空調系統的運行管理也比較麻煩。國外將空調系統設置在地上、地下及地上地下并聯運行的情況均有，取得了滿意的效果。國內也出現過設置在地上的集中空調系統，但由于多方面的原因，實際上并沒有按預期設計條件運行，造成了巨大的經濟損失。

3.1 井下集中空調系統工作原理

圖2為井下利用回風流冷卻的空調系統示意圖。其工作原理是制冷劑循環。低溫低壓的氣態制冷劑經壓縮機壓縮后進入風冷式冷凝器，在冷凝器內被礦井通風系統的回風流冷卻為高壓低溫的液態制冷劑，液態制冷劑經減壓后進入蒸發器，在蒸發器內與冷凍水回水進行熱交換，吸收熱量變為低溫低壓氣態制冷劑，再進入壓縮機，完成制冷循環；冷凍水循環，在蒸發器內放出熱量變為低溫的冷凍水被送至各工作面，在工作面上的空氣冷卻器中與空氣進行熱交換，吸收空氣的熱量，溫度升高，再進入蒸發器降溫；送風氣流，礦井通風系統的進風流全部或部分進入空氣冷卻器，與低溫的冷凍水進行熱交換，空氣被降溫降濕后送至工作面，吸收工作面的熱量和濕量，達到降溫降濕的目的。吸收熱、濕量的空氣全部或部分被回風流帶走。

3.2 風冷式集中空調系統在井下應用實例

如圖3所示，制冷裝置設置在回風井附近，利用回風流將熱量、濕量通過回風井直接排到地面上。制冷裝置所生產的冷凍水（6℃）被送至設置在工作面的空氣冷卻器，與工作面上的空氣進行熱交換，達到降溫降濕的目的。系統設置前，工作區的干球溫度為34℃，有效溫度為28℃。系統設置后，其制冷量為640kW，設備運行期間干球溫度和有效溫度均降低了6℃，取得了滿意的效果。

3.3 水冷卻空調系統

將圖3中的風冷式冷凝器改為水冷式冷凝器，就可以實現水冷卻空調系統。

圖2 煤礦制冷循環示意

圖3 某煤礦井下風冷式集中空調系統布置

4 實現井下集中空調的技術問題

（1）工作區熱濕負荷、空氣參數及地面空氣參數的確定。工作區的熱濕負荷是決定空調系統及運行費用的主要因素，由于地下條件復雜，影響因素較多，在這方面的研究也不夠，至今沒有完整可信的理論依據。工作區空氣參數應滿足工人身心健康的需要，同時要考慮系統的經濟性與技術上的易實現性和可靠性。設計參數要求過高，技術上無法實現或不可靠，經濟上不合理時也會失去意義。地上空氣設計參數與傳統的通風設計參數是不同的，與地上建筑物空調系統的室外設計參數也有區別。這些問題有待于研究確定并規范化，為系統的設計運行提供依據。

（2）地下空調系統設備的開發研究。由于地上地下環境條件相差甚遠，地上空調設備一般不能用于地下。開發滿足地下防爆要求的設備，并優化高溫、高濕、高含塵濃度條件下設備的設計運行參數是實現井下空調的前提。

（3）地下空調系統形式的選擇。礦井空調系統可以采用地上、地下或地上地下并聯設置形式，可以采用風冷、水冷或聯合冷卻方式。各種形式的系統投資和運行費用相差甚大，必須根據當地水文地理氣象條件和生產工藝情況，經過經濟技術比較確定，盡量減少不必要的損失，提高空調系統的效益。

（4）空調系統的布置。井下生產、運輸、電力、通風、排水等系統縱橫交錯，十分復雜。如果采用地下空調系統，如何同其它系統配合設置，在不影響正常生產的條件下，合理布置空調系統是一重要的問題。

（5）通風系統的氣流組織問題。傳統的礦井通風系統的氣流組織方式多種多樣，但設置空調系統后，為充分發揮空調系統的潛力，減少系統的熱濕負荷，將潔凈的低溫干空氣直接送入工作區，各區域特別是工作區的氣流組織方式有可能不盡合理，需要重新對通風氣流進行優化組織。

5 結 論

為改善煤礦工人的工作條件，提高生產效率，對高溫礦井設置空調系統是實現工作區降溫的主要技術措施。如果解決好井下集中空調幾個方面的問題，并與傳統通風方式有機配合，實現井下空調在技術上是可靠的，經濟上也是合理的。

［1］楊大明.煤礦通風與安全技術［M］.北京：煤炭工業出版社，1989.

［2］白銘聲.礦井通風機械設備運行與組合設計［M］.北京：煤炭工業出版社，1987.

［3］Genhard Muke and Erwin Glodek.煤礦使用空氣冷卻器的技術［A］.第二界國際礦山通風會議論文集譯文集［C］.1985.

［4］王省身.礦井災害防治理論與技術［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1986.

2011－1－20）

劉 嶺（1968－），男，山東微山人，工程師，從事工業通風與空氣調節、煤礦開采等研究，Email：yxf0621＠126.com。