礦井熱源分析及降溫技術研究和發展

柴會來 王建學 王景剛 鮑玲玲

(1.河北工程大學城市建設學院，河北 邯鄲 056038；2.北京礦大節能科技技術有限開發公司，北京 100083)

礦井熱源分析及降溫技術研究和發展

柴會來1，2王建學1，2王景剛1鮑玲玲1

(1.河北工程大學城市建設學院，河北 邯鄲 056038；2.北京礦大節能科技技術有限開發公司，北京 100083)

礦井熱源分析及降溫技術對深井開采有重要意義。從礦井巷道內巖體放熱、礦石氧化放熱、機電設備放熱、井下熱水放熱及局部熱源放熱5方面分析煤礦熱害來源。將礦井降溫技術分為傳統降溫技術和現代降溫技術2大類型，評述各降溫技術原理、特點及應用現狀。機械制冰降溫仍然存在運冰和融冰技術難題。機械制冷水降溫技術應用成熟，已經成為現行礦井降溫的主要手段；瓦斯發電制冷降溫技術有機地結合了煤礦瓦斯排放和治理井下熱害問題，實現了能源的合理利用；分離式熱管降溫技術適應大型化換熱設備，冷、熱流體完全分隔開，且系統循環不需要外加動力。另外，提出了現行礦井降溫技術的一些改進方法及研究趨勢。

礦井熱害 高溫熱源 降溫技術 瓦斯發電 分離式熱管 發展趨勢

礦井熱害就是井下空氣的溫度、濕度、風速達到一定狀態后，出現人體散熱散濕困難，感到悶熱，體溫升高、頭暈、虛脫等中暑癥狀，甚至出現死亡的災害。伴隨國民經濟迅猛發展，煤炭需求與日俱增，煤礦向縱深開采趨勢毋庸置疑；礦井巷道周圍巖體和空氣溫度隨礦井深度增加而不斷升高，據我國煤田地溫觀測資料統計，地溫梯度為0.02～0.04 ℃/m[1]，礦井熱害問題是客觀存在的現象。熱害問題嚴重影響井下工人健康和工作效率，情況嚴重則可能引發礦井惡劣事故，造成巨大人身財產損失。為井下營造良好的工作環境已成為礦井開采亟待解決的問題，煤礦深井降溫技術研究已然是國內外學者研究的重要領域。

1 井下熱源分析

礦井熱環境下能夠引起礦井氣溫升高的影響因素統稱為熱源，進行礦井熱源分析是礦內風流熱力狀態預測和礦井熱害防治的基礎，是必須要做好的準備工作[2]。

(1)巷道巖體放熱。礦井開采工程中影響礦井熱環境的直接因素是井巷地質地熱條件。大量觀測資料顯示，地熱是導致礦井高溫熱害的主要因素。圍巖放熱是礦井主要熱源之一，礦井地溫梯度主要受巖石導熱系數與大地熱流值的影響，溫度梯度與礦井深度決定了巖體具體溫度值。其熱量主要自巖體深處及裂縫水通過熱傳導和對流傳遞給井巷，最終井下空氣與巷道巖體進行熱交換后溫度升高。

(2)礦石氧化放熱。硫化礦、煤、煤塵、碎石等發生電化學反應時會放出熱量，它們是造成礦井內氧化放熱的主要熱源，但是在一般情況下，1個回采工作面的氧化放熱量不超過30 kW。

(3)礦井機電設備放熱。現代化開采技術的應用使采礦工程化水平不斷提高，機電設備裝機容量急劇加大，設備運轉的放熱已經成為風流溫升的一個重要因素，在井下回采工作面熱害影響明顯。

(4)井下熱水傳熱。礦井熱水主要來自于地下涌水、巷道滲水和淋水，這類熱水活動強烈多為脈狀或裂隙脈狀，當與井巷內風流間進行復雜熱質交換后即發生礦井熱害，介于其中有些熱量參量無法準確確定，影響礦井熱力計算精度[3]。

(5)局部熱源放熱。①炸藥爆破時放熱，據資料顯示[4]，井下工作面爆破時常用的2號巖石硝銨炸藥的爆破熱為3 639 kJ/kg，這是相當大的一部分熱量；②水泥水化時放熱；③井下工作人員及照明設備等放熱；④風流自壓縮熱。

2 礦井降溫技術應用

2.1 傳統礦井降溫技術

傳統礦井降溫技術根據制冷耗能方式不同可概括為機械制冷和非機械制2類。非機械方式主要有通風降溫、控制井下熱源以及個體防護技術；而機械制冷方式主要有機械制冷水、制冰降溫以及空氣壓縮制冷降溫技術。目前，在大多數淺層礦井熱害治理中非機械制冷式降溫措施應用較為成熟。

2.1.1 通風降溫技術

通風降溫技術在熱害問題較輕的礦井中應用較為普遍，有改進通風方式、避開局部熱源、加強通風、預冷進風風流等方法。一般情況下采用下行風可以降低工作面的風溫1～2 ℃[4]；可以采用減少風阻、防止漏風、加大風機能力等方式加強通風，但是風量的增加不是無限制的，根據相關經驗，最經濟的通風量為巷道空間體積的0.56～0.84倍，井下工作面掘進風速一般以1～1.5 m/s為宜，風速過大會引起巖粉飛揚。

2.1.2 控制井下熱源技術

由于井下空氣的自壓縮而引起的溫升及巷道巖體散熱、機電設備運轉放熱、礦石氧化放熱等被稱為可控熱源，帶走井下熱量的唯一手段是通過風、水的流動。但是當到達工作面的風、水溫度升高后，就會影響風、水帶走工作面熱量的能力，無法實現預期的降溫效果，因此，控制這一部分熱源具有重要意義。對于巷道巖體散熱可以采用阻熱降溫技術，將巷道熱源阻擋在巷道圍巖外部，降低向巷道內部放熱，成本較低，施工簡單，該技術尤為適合高熱巷道，同時可配合人工制冷降溫技術。經巷道工業性試驗，采用玻璃微珠保溫砂漿作為巷道阻熱層材料，巷道熱量散熱率降低了36%[5]，隔熱效果顯著。

2.1.3 個體防護技術

鑒于某些礦井巷道內氣候條件相對惡劣，不能用風流冷卻技術，需要工作人員穿上冷卻服，實施個體防護。該技術使用方便，適合井下設備操作人員及生產管理者，且技術成本低，較其他制冷方式降低80%左右。目前，各國都在爭相開展冷卻服研制工作，例如，南非加爾德-來特公司研制的干冰冷卻背心、美國ILC公司制造的以液體介質和冰水作為制冷介質的波羅太空背心、德勒格爾公司的液體介質和CO2干冰混合背心等。目前南非、美國等國家在該項技術方面走在前列[6]。

2.1.4 機械制冷水降溫技術

機械制冷水降溫技術在近30 a發展迅速，現已經成為礦井降溫的主要措施，根據系統制冷站安放位置、載冷劑循環方式,井下風流冷卻點等可將其分為井下集中式、地面集中式、井上下聯合集中式、井下局部分布式這4種。

井下集中式(見圖1)是將制冷機安裝在礦井下，通過輸水管道給各用冷工作面集中供冷，技術實施簡單；地面集中式(見圖2)可分為地面冷卻風流系統和井下冷卻風流系統，前者制冷設備均位于地面，后者僅制冷機位于地面，空冷器位于采掘工作面；井上下聯合集中式相當于礦井上下制冷系統的混合應用，集中了兩者的優點，但是操作較為復雜；井下局部分布式(見圖3)制冷機可以靈活移動，輸冷距離短，應用方便。德國實踐表明[7]：井下局部分布式適合負荷小于2 MW的礦井，而負荷大于2 MW的礦井適合采用集中式；目前，在集中式系統應用中，國外研制的一種新型水能回收高低壓轉化器，其溫度躍升可以從4～6 ℃降到0.2 ℃。

2.1.5 機械制冰降溫技術

機械制冰降溫技術(見圖4)主要是利用冰的溶解熱來制取冷卻水，然后通過管道把冷卻水送到井下各用冷工作面，系統包括制冰、運冰、融冰以及排熱4部分。實驗研究表明[8]，一般通過管道運冰，相同冷負荷下運冰量只占輸冷凍水量的1/4～1/5，所以管徑要小很多，將大大減少占用巷道內空間。融冰過程是該系統的一個非常重要的環節，它關系到能否獲得穩定的低溫水及水流量。機械制冰降溫技術尚未成熟，如何提高融冰速度、減少融冰槽體積、運輸中管道堵塞、冷量損失等問題尚需進一步改進。

圖1 井下集中式系統流程Fig.1 Schematic diagram of the underground centralized system

圖2 地面集中式系統流程Fig.2 Schematic diagram of the ground centralized system

圖3 局部分布式系統流程Fig.3 Schematic diagram of the partly distributed system

圖4 機械制冰系統流程Fig.4 Schematic diagram of the ice manufacturing systems

2.1.6 空氣壓縮制冷降溫技術

空氣壓縮制冷降溫技術是將空氣作為冷媒質，直接向井下工作面噴射制冷。該系統為逆卡諾循環系統，可分為定壓循環、定容循環和回熱循環3種方式。系統相對簡單，施工技術難度也較低，沒有高低壓轉化器和空冷器，輸冷管道數量相對較少，但是制冷設備較龐大，且需要礦井具有充足的壓縮氣源，投資和運行費用也相對較高，所以該技術應用較少，鑒于該技術采用空氣作為制冷劑和載冷劑，不會帶來環境污染問題，其在高溫、高瓦斯礦井中應具有較廣闊前景。

2.2 現代降溫技術

現代科技飛速發展，對能源合理利用和環境要求的提高，礦井降溫技術也不斷得到改進和完善，一些現代礦井降溫技術應運而生。

2.2.1 瓦斯發電制冷降溫技術

2.2 放射診斷科醫生建議 通過X光顯影，明確了導管線和電極線的位置及走向，導管末端位于上腔靜脈第7后肋，在右心耳外側，電極導線放置在右心房。當患者體位發生較大變化時，導管尖端會向右心房端前進2～3 cm，為安全起見，建議拔出PICC導管2 cm，讓導管尖端位置遠離右心房，避免兩者相互影響。

該技術首先需要對礦井抽采瓦斯進行除塵過濾、過濾等預處理后，經內燃機發電，然后余熱用來進行井下降溫，電能并網，從而實現煤礦瓦斯能源綜合利用。在取得瓦斯發電效益的同時，利用余熱解決了礦井熱害治理難題。資料表明[9-11]，淮南礦區瓦斯發電余熱吸收制冷(熱電冷聯供)礦井降溫技術以得到廣泛應用，最低余熱利用溫度已近80 ℃。

2.2.2 分離式熱管降溫技術

分離式熱管[12]的工作原理是依靠重力回流形成熱虹吸，熱管冷凝端在上，蒸發端位于底部并有液池，熱量輸入時液池內工質受熱形成蒸汽，通過絕熱段流向冷凝段，蒸汽在冷凝段釋放潛熱冷凝，最后依靠重力流回蒸發段，屬于無吸液芯熱管。見圖5。

圖5 分離式熱管原理Fig.5 Schematic diagram of the separate heat pipe

該技術用于礦井降溫的主要優點有：

(1)適應大型化換熱裝置。

(2)可以實現冷、熱兩流體遠程換熱。

(3)可以實現冷、熱流體完全隔離，徹底杜絕滲漏現象。

(5) 可以通過設計合理的氣體流速使其具有自吹灰的能力，適于產塵量大的礦井。

(6)循環不需要輔助動力。

但是，不凝結性氣體、蒸發段脈沖振蕩、兩相流不穩定性、充液率以及腐蝕等不利因素影響需要進行深入定量研究[13]，尤其分離式熱管用于礦井環境的特性有待研究。此外，熱管的運行還受到各種毛細限、沸騰限及干涸的限制。

2.2.3 深井HEMS降溫系統

深井HEMS降溫系統是針對深井開采高溫熱害問題的降溫系統，其工作原理是利用礦井各水平現有涌水，通過HEMS系統從中提取冷量，然后將提取的冷量與井下工作面的高溫空氣進行熱交換，降低工作面環境溫濕度，同時置換出的熱量為地面采暖及洗浴提供熱源。

3 礦井降溫技術發展趨勢與展望

(1)目前，我國礦井降溫措施中對于加強通風、遇冷進風風流技術應用較為成熟，井下高溫巖體、個體防護技術也有一定的研究。

(2)機械制冰降溫技術仍需進一步完善，應加大融冰和輸冰技術研究力度，使冰冷卻技術得到廣泛應用。

(3)深井HEMS技術也只是處于起步階段，HEMS降溫以礦井涌水作為冷源，因此，該項技術主要適用于礦井涌水水源充足的礦井，但其獨特的優勢在我國深井熱害治理研究中也將擁有良好的應用前景。

(4)瓦斯發電制冷降溫技術雖在一些礦區取得了較好的應用成果，但多數礦井為低濃度瓦斯，可利用率低，需加大對于低濃度瓦斯資源利用技術的研究，使瓦斯資源得到充分利用。

(5)分離式熱管用于礦井降溫的嘗試是可行的，有其獨特的優勢，但是輸冷管道長、井下電動設備需要防爆，以對分離式熱管除進行常規的熱力設計外，必須對干涸傳熱極限和沸騰傳熱極限等進行校核，研發適用于井下特殊環境的分離式熱管。

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(責任編輯 徐志宏)

The Heat Source Analysis and the Research and Development on Air-cooling in Deep Mines

Chai Huilai1，2Wang Jianxue1，2Wang Jinggang1Bao Lingling1

(1.SchoolofUrbanConstruction，HebeiUniversityofEngineering，Handan056038，China;2.CUMTEnergy-ConservationTechnologyCo.，Ltd.，Beijing100083，China)

Mine heat sources analysis and cooling techniques are important for deep mining.Heat hazards in mines were analyzed from five aspects of heat releases from mine tunnel rocks，ore oxidation，the electrical and mechanical equipment，underground heat water and local heat sources.And the air-cooling techniques were classified into traditional cooling technology and modern cooling technology，and their principle，characteristics and application status were discussed respectively.There exists ice transportation and melting issues in cooling technique of ice manufacturing.But，the technique of cooling water is so mature that it has become the main cooling mean.The cooling techniques of gas power generation could eliminate the gas emission and heat hazard in the mine，and realize the utilization of resources in a more intelligent way.The cooling techniques of separate type heat pipe which is suitable for the large-scale heat-exchange equipments completely separated cooled water from warmed fluid without external power.Besides，the development and trend on the current cooling techniques in underground mines were proposed.

Mine heat hazard，High temperature heat source，Cooling technique，Gas power generation，Separate type heat pipe，Development trend

2014-03-02

柴會來(1986—)，男，碩士研究生。

TD724

A

1001-1250(2014)-05-151-04