改善深井熱環境技術

劉華偉 喬景順

(黃淮學院，河南駐馬店 463000)

1 概述

隨著開掘深度的增加，深井中作業平面的溫度也相應漸漸升高。因此，改善井下熱環境，確保深井作業人員有一個適宜的工作環境，就顯得十分必要和迫切。針對于深井冷控的研究表明，目前存在著四種井下冷控技術，即中央空調技術、冰冷控技術、降溫制冷技術、熱電與乙二醇技術。現在，分別將這四種技術作如下介紹。

1.1 中央空調技術

首個中央空調冷控系統于1929年在前蘇聯第一次投入使用，該技術的工作原理與辦公場所使用的空調基本相同。在這個冷控系統中，從熱泵中排放的冷卻水的溫度會通過噴射裝置而逐漸降低。有時，通過局扇通風，水溫會相對變得更低。熱泵中的冷凍水流經空氣冷卻器，在這里，吹向作業平面的熱風的溫度會由于熱風與冷凍水之間的熱傳遞而降低。實踐證明，該技術在應用過程中地上中央冷控系統的弊端是深度大、氣壓高、成本高;地下中央冷控系統的弊端是散熱難度大、制冷效果差、運作成本高。

1.2 冰冷控技術

南非于1976年首次提出了冰冷控方法、冰冷控系統的研究與應用。1986年首次應用該系統來進行制冷。該技術具有一定的作用。

冰冷控系統的運作程序是:1)冰機生成出粒狀或土塊狀的冰;2)這些冰被傳輸至地下融冰池，并通過來自作業平面的噴霧冷卻水而融化成水;3)冷卻水流至作業平面，水溫通過噴霧的作用從而得到降低。該系統包括制冰系統、冰傳輸系統、融冰系統三個子系統。該技術在實際應用過程中存在著以下幾個弊端:冰傳輸管道易受堵塞;作業平面的潮濕度會受噴霧冷卻的影響而增加;運作成本較高。

1.3 空氣冷卻技術

運用空氣壓縮來達到冷卻的效果是一種新方法。在1989年南非已經采用了空氣壓縮制冷系統。

其制冷過程是:1)空氣被壓縮成液體，并被傳輸至深井;2)這些液體汽化為氣體，并流至空氣制冷機;3)通過空氣制冷機生成出低溫空氣，并吹向作業平面。該技術在使用過程中需要確保有足夠的壓縮空氣，同時，其制冷效果由于壓縮空氣吸熱容量的局限性而受到了很大的限制，運作成本高，無法滿足大型煤礦的制冷需求。

1.4 熱電與乙二醇技術

2007年，熱電與乙二醇制冷技術在中國首次投入使用。該技術通過雙級制冷，將坑口電廠的余熱轉化為冷卻的乙二醇溶液，繼而將之傳送至熱交換器，在這里，水溶液和乙二醇溶液之間會進行熱交換，隨后，冷卻水會流至空氣冷卻器以降低吹向作業平面的空氣的溫度。該系統充分利用坑口電廠的余熱，達到了節約能源資源和降低污染排放的效果;比冰冷控系統節約25%～33%的運作成本;運行操作穩定，制冷效果好。但須同時具備坑口電廠和兩步制冷程序這兩個條件;冷能量提取量少;器械設備操作難度大;運行成本高。

2 高溫轉換機械系統的新理念與新技術

在對上述四種技術以及深煤井具體情況進行分析的基礎上，我們研發出了高溫轉換機械系統，并在若干煤礦上得到了成功的應用。期間，就深井熱環境的改善我們開發了六大技術，即作為冷源的礦井突水、作為冷源的在不同高度的水循環、作為冷源的臥式水循環、高溫礦井突水的資源化利用、地熱異常利用技術、熱與冷源循環利用技術。

2.1 作為冷源的礦井突水

高溫轉換機械制冷系統是針對于改善深井熱環境而研發的。其工作原理是從各層次礦井突水中提取冷源，并與吹向作業平面的高溫空氣進行熱交換，從而達到使深井作業平面的氣溫和潮濕度降低的效果。作為冷源的礦井突水的工作原理如圖1所示。

該系統由上循環系統、下循環系統、空氣循環系統三部分組成。其中，前兩者屬于閉式水循環，其循環介質是水，而后者屬于開式水循環。在該系統的運作過程中所導致的能量損失必須予以考慮。制冷工作站的設計必須充分考慮來自于深井作業平面的熱負荷，應提供充足的冷能以確保降低作業平面的氣溫。

2.2 作為冷源的在不同高度的水循環

隨著采礦深度的不斷增加，深井中的高氣溫和熱危害也相應地變得愈加嚴重。當需要更多的冷負荷和充足的冷源而礦井突水卻又十分有限時，制冷需要是很難得到滿足的。針對此種情況，我們開發出了作為冷源的在不同高度的水循環技術(如圖2所示)。其工作原理為:將制冷工作站的水通過可降低水溫的口徑窄而長的導管從乙池傳送至丙池，然后再將溫度下降的水傳送至冷卻水蓄池(甲池)，這樣，關于在不同高度的水循環的制冷系統就形成了。

通過降低環境溫度和增大空氣流量這兩種方式，不僅會使制冷工作站中冷卻水的溫度下降，而且也會使制冷系統的運轉操作變得便宜。

2.3 作為冷源的臥式水循環

這種技術的冷卻水箱中有一個流速緩慢的路徑，可作為使水冷卻的水箱使用。制冷工作站的冷卻水通過一個特定的長導管，沿著流速緩慢的路徑，被傳送至冷卻水池，在這里，冷卻水同路徑、石壁間的空氣進行熱交換，從而使水得到冷卻。冷卻后的水可以用來作為制冷系統的冷源，從中提取的冷能會被傳輸至冷卻工作站，以用來冷卻吹向深井作業平面的空氣，并達到降低氣溫的目的。臥式水循環的工作原理如圖3所示。

這種技術具有以下幾個特點:制冷工作站的水沿著流速緩慢的路徑可得到冷卻;水循環消耗功率低。但是，當路徑的環境溫度很高時，其冷卻效果會明顯削弱。針對此，我們可以根據冷能需求和冷卻水容積，采取行之有效的措施來增強冷卻效果。

2.4 高溫礦井突水的資源化利用技術

一旦制冷系統運作，就會產生出熱能，這些熱能蘊含于礦井水中，隨后，高溫水被排放到地表。假如我們不循環利用這些高溫水并將之排放至河流中，這既會造成資源浪費，更會導致嚴重的污染。鑒于上述問題，我們研發出了高溫水的資源化利用技術。其工作程序如圖4所示:首先，通過水處理系統，使高溫水達到排放標準，然后將之排輸至熱提取工作站。從中提取的熱能可以作建筑供暖、洗浴之用，這大大地節減了運作成本。

通過該技術的實際應用，清潔性能源(礦井水)取代了污染性能源(煤)。與此同時，也在冷卻系統的基礎上形成和建立了循環生產系統。利用冷卻系統所產生的熱量為建筑供暖，實現了熱危害的資源化利用。這有助于節約能源資源，降低污染排放，體現了綠色環保設計的理念。

2.5 地熱異常利用技術

煤礦中出現的地熱異常現象是地質構造和水文地質狀況共同作用的結果。以徐州礦業集團的三河尖煤礦為例，在奧陶系含水層中，水溫可達到48℃ ～50℃，礦井突水流量為1 020 m3/h，水壓在7.6 MPa左右，這顯然是很好的地熱資源。基于此，我們開發出了地熱異常利用技術。其工作原理如圖5所示:首先，將高溫水從地下抽取出來，然后通過水處理系統，使高溫水達到排放標準，最后再將經過處理的水排輸至熱提取工作站。從中提取的熱能可以作建筑供暖、洗浴之用，這大大地節減了運作成本。此外，經過熱提取工作站處理后的奧灰水還可以由人工補給到第四系含水層。

該技術是針對地熱異常區的資源利用而開發的。為了克服鍋爐加熱系統的弊端，我們設計和建立了熱提取系統(即熱提取工作站)。該系統運作成本低，生態環保，有助于節約能源資源和降低污染排放。

2.6 熱與冷源循環利用技術

在深井降溫的過程中，礦井水的需求量會隨著冷負荷需求量的增加而增加，甚至有時無論是在體積(數量)上還是溫度上，它都無法滿足深井降溫的需要。鑒于此，我們開發出了熱與冷源循環利用技術。其中，為了降低制冷工作站和熱提取工作站之間的水壓，我們設計和建立了一個變壓站，這樣就分別形成了一個臥式閉合水循環(在制冷工作站和變壓站之間)和一個立式閉合水循環(在變壓站和熱提取工作站之間)。在運作過程中，制冷工作站中的高溫礦井水可以用作熱提取工作站的熱源，同時，后者中的低溫礦井水又可以用作前者的冷源。該系統的工作原理見圖6。

3 結語

在對四種冷卻技術及深煤井具體情況進行研析的基礎上，我們研發出了高溫轉換機械系統，并在若干煤礦上得到了成功的應用。期間，就深井熱環境的改善，我們開發了六大冷控、加熱技術，并對其工作原理進行了分析和闡述。與其他冷控系統相比，該系統運作成本低，生態環保，有助于節約能源資源和降低污染排放。

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