機械制冷降溫技術在礦井熱害治理中的應用研究

李鵬達（河南理工大學能源學院,河南　焦作　454003）

機械制冷降溫技術在礦井熱害治理中的應用研究

李鵬達
（河南理工大學能源學院,河南焦作454003）

2013年以來，煤炭產能過剩，部分煤炭企業出現虧損，煤炭的重要位置已被石油取代，但煤炭因儲量巨大，加之煤炭氣化等新技術日趨成熟，煤炭還將成為生產生活中不可替代的能源之一。隨著綜采機械化的提高，開采深度的增加，地熱問題日益突出，已形成了煤礦一類新的災害—礦井熱害。采用機械制冷降溫技術可有效降低井下溫度。本文從礦井熱源入手，研究了幾種常見的機械制冷降溫系統。

機械制冷降溫技術；礦井熱害防治技術；降溫系統

礦井熱害嚴重影響礦工的身心健康和生產進度，已成為與礦井水、火、瓦斯、粉塵、頂板并列的六大災害之一。因此研究礦井降溫技術對于保障廣大礦工的身心健康,提高作業生產效率具有重要的意義。

《煤礦安全規程》第一百零二條規定：“進風井口以下的空氣溫度必須在2℃以上；生產礦井采掘工作面空氣溫度不得超過26℃，機電設備硐室的空氣溫度不得超過30℃；當空氣溫度超過時，必須縮短超溫地點工作人員的工作時間，并給予高溫保健待遇；采掘工作面的空氣溫度超過30℃、機電設備硐室的空氣溫度超過34℃時，必須停止作業；新建、改擴建礦井設計時，必須進行礦井風溫預測計算，超溫地點必須有制冷降溫設計，配齊降溫設施”。

1　礦井熱害

礦井熱害是指礦井內溫度超過人體正常熱平衡所能忍受的溫度，導致礦工勞動效率低下，生產事故增加等現象。

地熱、機電設備放熱和煤炭硫化礦石氧化放熱等因素都會使礦井溫度升高。其中地熱是礦井高溫的主要原因，隨著礦井深度的增加，,巖石溫度也隨之升高，井巷圍巖散熱量可達礦井總熱源的一半；機械設備放熱也是一個重要熱源，綜采機械化采煤工作面的機電設備功率很大，有的甚至超過1000KW，可使工作面溫度上升很多；煤炭氧化散熱量可達230KW，在采掘工作面的運輸巷道里尤為突出，也是工作面高溫的一個原因。

礦井熱害的危害主要有：

1.1影響健康

人在井下高溫環境中工作，由于產熱、受熱量大，人體保持熱平衡比較困難。一旦人體通過輻射、對流、傳導以及蒸發散熱的方式不能及時地將體內多余的熱量散發出去，多余的熱量就在體內蓄存起來，導致體溫升高。隨著體溫的升高會伴隨產生頭痛、頭暈、耳鳴、惡心、嘔吐以及暈厥等。在熱害嚴重的高溫礦井，還會出現熱擊、熱痙攣、熱衰竭等癥狀。

1.2影響勞動效率

在高溫高濕環境下作業，隨著勞動強度的加大，加在人體的熱負荷也相應增多，當熱負荷超過一定限度時，人首先會感到悶熱不舒適，進而產生疲勞，使勞動效率下降。

1.3影響安全

礦工在高溫環境下工作，容易煩燥、瞌睡、注意力不集中，從而給生產造成了很大的安全隱患，使事故發生率增加。

1.4影響設備正常運行

礦井里的機電設備都有其適用的溫度、濕度范圍。當溫度、濕度超過其限值時，會影響其工作效率。另外高溫高濕環境會使礦井里的機電設備散熱困難，以致發生故障。

2　人工機械制冷

礦井降溫可以通過增加風量、采用集中開采、后退式采煤法、傾斜長壁采煤法，疏干熱水等方法來進行降溫，這些方法屬于非人工機械制冷措施，非人工機械制冷措施經濟適用，但其制冷效果有限，最有效的還是人工機械制冷降溫。

人工機械制冷可以分為制冷水降溫系統、制冷冰降溫系統、空氣壓縮制冷降溫系統；人工制冷水降溫系統按照空間布置位置的不同，還可以分為地面集中式、井下集中式、井上下聯合式和分散式三種。

制冷裝置設在地面,優點是維修管理方便,排熱容易,適用于風量大、巷道短、采深不大的礦井。對于大型深礦井,因為管路長,冷損大,效果差,不經濟,所以不宜采用這種方式。制冷機放在井下,一般為移動式的,目前我國用于井下的移動式制冷機有空調制冷量為6萬大卡/小時(JKT-20型)和20萬大卡/時（JKT-70型）兩種,制冷原理相似。其優點是縮短了冷媒管路,降低了管內壓力,解決了冷損大和管道安全問題，缺點是移動頻繁，管路維修不便。

2.1人工制冷水降溫系統

人工制冷水降溫系統是通過冷凍水供冷、空冷器冷卻風流來達到降溫目的。該礦井降溫技術按制冷站所處位置不同又可以分為地面集中式、井下集中式、井上下聯合集中式和分散式三種。

地面集中式降溫系統：制冷站設在地面，通過換熱器將冷凍水由高壓換成低壓，并輸送到用冷地點用空冷器冷卻風流以達到降溫目的；井下集中式降溫系統：制冷機設在井下，沒有換熱器，只有冷水循環管路，供水管道短，便于維護，但其設備占用空間大，施工維護都難度較大；井上下聯合集中式的特點是在地面、井下都設置制冷站，借助于地面冷水系統冷卻降溫；井下分散式是在井下局部地區設置小型制冷站進行局部降溫。

2.2人工制冷冰降溫系統

人工制冷冰降溫系統主要通過冰的融化吸熱進行降溫，冰與水直接接觸換熱，換熱效率高。人工制冷冰降溫系統由冰的制備、冰的輸送和冰的融解3個環節組成。冰的制備形狀一般有有粒狀和泥狀，不同形狀冰和不同的輸送位置應采用不同的輸送方式，粒狀冰可采用風力輸送，泥狀冰只能采用水力輸送。冰的輸送環節中輸送管道易堵塞和破裂，冰的融化環節中冰的融化速率不好控制等問題都是制冷冰降溫系統的難點。

2.3空氣壓縮制冷降溫系統

空氣壓縮制冷降溫系統的載冷劑為空氣，廉價易得。根據氣體絕熱膨脹過程原理可知，壓縮空氣在膨脹過程中，會發生吸熱反應，吸收環境熱量使空氣溫度降低，從而達到一定的降溫效果。

空氣壓縮制冷降溫的優點是可以利用礦井比較系統的壓氣管道，從而節省了其他制冷方式所需的機械設備費用，另外壓氣制備系統簡單，成本低，有利于生產。缺點是在產生相同制冷量的情況下，空氣壓縮制冷系統所需的裝置龐大，壓氣量有限，制冷量難保證。

通過以上的論述，非人工機械制冷是采用加強通風、改進通風方法以及疏干熱水等措施來進行降溫，但其降溫效果有限，僅適用于礦井熱害不嚴重的礦井，不能在井下大規模應用。人工機械制冷降溫由制冷、輸冷、傳冷和排熱四個環節所組成，可以有效降低井下溫度，但其投資大,運轉費用高,而且礦井瓦斯、地壓等問題給礦井降溫設備也提出了更嚴格的要求。

李鵬達（1985—）男，河南省伊川人，在職研究生，助理講師，教師，研究方向：機械電氣自動化。