某金屬礦山深部開采人工制冷降溫技術方案分析

石乃敏，潘愛民，沈雁醒

(1.廣西現代職業技術學院，廣西 河池 547000；2.廣西高峰礦業有限責任公司，廣西 南丹 547205)

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某金屬礦山深部開采人工制冷降溫技術方案分析

石乃敏1，潘愛民1，沈雁醒2

(1.廣西現代職業技術學院，廣西 河池 547000；2.廣西高峰礦業有限責任公司，廣西 南丹 547205)

摘要：據實測，某金屬礦井開采深度千米以下的-200m中段的氣溫高達33.950C，深井高溫熱害已嚴重制約了該礦的安全高效開采和深部資源開發。由于該礦所采取的一般通風方法降溫效果有限，為改善井下作業環境，必須采取相應的人工制冷降溫技術措施。本文分析了該礦井下主要熱源及其危害，通過對熱源散熱量的理論計算，運用礦井空調技術，對以冷水、冰作為冷源的地面集中降溫系統分別進行了設計，并對這二種冷媒集中制冷系統進行技術經濟分析。以冰作為冷源在深礦井集中降溫系統中，其技術經濟優勢比較明顯，也是以后深礦井降溫的一個發展方向。

關鍵詞：深礦井降溫；冷水輸冷制冷技術；冰輸冷制冷技術

廣西某金屬礦山的淺部礦產資源已開采完畢，現進入深部開采，開采深度已達近1000m。隨著礦井的開采深度逐年增加，礦井通風網絡復雜，通風困難，致使礦井深部風量不足、作業區氣溫偏高等問題日趨嚴重。據實測，該礦-200m水平巷道平均空氣溫度33.95℃，已超過了我國《金屬非金屬礦山安全規程》中規定的氣溫要求。高溫致使礦井內環境惡化，危及工人身體健康，造成勞動生產率下降和生產成本升高，影響礦山安全生產，制約了深部資源的綜合開采。高溫熱害已成為礦山安全高效生產的主要災害，礦井降溫技術已成為采礦技術中的一個重要領域，開展高溫礦井降溫技術研究及應用具有重要現實意義[1]。

1礦山概況

該礦采用充填采礦法，當前采礦活動主要分布在-200m水平上下。105#礦體是該礦開采的主要對象，礦體位于48#～56#勘探線之間，埋藏深度±1km，屬于典型的深井開采。105#礦體金屬礦物主要是錫石、磁黃鐵礦、脆硫銻鉛礦、鐵閃鋅礦、黃鐵礦等，礦石中Sn、Pb、Zn、Sb 4種金屬綜合品位在20%以上，是國內外罕見的多金屬特富礦體。礦體圍巖為巨厚層狀的生物礁灰巖，礦體和圍巖都屬于完整性好、抗壓強度高的硬質巖石[2]。

礦山采用豎井、斜井聯合開拓，采用“兩進兩回”中央進風兩翼回風的通風系統。隨著礦井通風水平的進一步加深，通風系統存在通風路線長、通風斷面小、通風阻力大、漏風量大等問題。由于巖(礦)體放熱和空氣自壓縮升溫將隨礦山開采深度的增加而增加，加之井下通風系統通風降溫能力有限，造成采掘工作面風溫偏高，氣溫普遍在30℃以上，高溫熱害嚴重。

2礦井高溫原因及危害

造成該礦深部井下高溫有客觀因素和主觀因素。客觀因素是地下有熱源，主要是礦巖體放熱、地下水放熱、地表大氣狀態變化及空氣自壓縮放熱；其次是機電設備放熱、爆破熱、人體散熱等，這些熱源造成了礦井氣溫升高。主觀控制上的因素，主要是通風效果不良，深部風量不足，風流分配不合理，通風井巷部分斷面偏小，通風系統復雜，排熱排濕困難。

礦井深部高溫(氣溫≥30℃)、高濕(相對濕度≥80%)對人體、生產效率、機電設備的影響和危害是顯然易見的。工人在高濕熱環境中較長時間的作業，致使人體水鹽代謝出現紊亂，會發生中暑、熱虛脫等疾病，損害人體健康。同時，人的中樞神經系統容易失調，感到疲勞、周身無力和心情煩躁，誘發安全生產事故，勞動生產效率也大大降低[3]。井下機電設備在高溫高濕環境里，容易被腐蝕老化、絕緣性能降低，容易發生設備故障，存在安全隱患。

3國內外礦井人工制冷降溫技術研究現狀

國外對深井開采高溫的研究始于16世紀。1740年，法國人曾對金屬礦地溫進行實時觀測。18世紀末，英國人開始進行礦井巷道圍巖溫度觀測。進入20世紀以來，世界各國對礦井巖溫的觀測和理論上的研究越來越多，積累了大量的技術數據與觀測資料，取得了令人矚目的技術成果。20世紀70年代，南非、西德、蘇聯及日本等國家，采用以氟利昂為制冷劑的壓縮制冷機來解決礦井工作面高溫問題。1985年，南非在世界上首次用冰做載冷劑冷卻空冷器的冷卻水，該系統的制冷能力達628 MW。1989年，南非一金礦建成壓縮空氣制冷空調系統，通過管道輸送被壓縮成液態的空氣到井下，經膨脹后與工作面風流摻混，實現對工作面風流的冷卻。同年，波蘭研制出了渦流管式空氣制冷裝置，在掘進工作面試用，取得了一定的空調效果。目前，德國在高溫礦井采用機械制冷措施、技術上均居世界領先地位[4]。

我國深井開采降溫研究工作始于20世紀50年代，煤炭科學研究院撫順研究所對部分高溫礦井開展了地溫測試工作，同時還試驗研制研發了空冷器等降溫設備。60年代，我國開始采用局部制冷空調，武漢冷凍機廠研制出JK-T70型礦用移動式冷水機組。1993年，平頂山礦務局科研所和原中國航空工業總公司第609研究所聯合研制成KKL101礦用無氟空氣制冷機。1995年，山東新汶礦務局建立了我國第一個礦井地面集中制冷降溫系統，設計制冷能力為7400kW，為亞洲當時最大的礦井制冷降溫系統。2004年新汶礦業集團通過對南非金礦降溫技術的考察，引進了礦井制冰輸冰制冷降溫系統，在孫村礦建立了我國第一個制冰輸冰制冷降溫系統[5]。

目前，國內深礦井降溫工程所采用的技術主要有機械制取冷水降溫技術、機械制冰降溫技術、空氣壓縮式制冷技術以及熱-電-乙二醇降溫技術。

4某礦井人工制冷降溫技術方案

近年來，該金屬礦山進行了多次通風系統改造，如在-200～-174m水平開掘一脈外回風斜井，完善深部通風網絡，并通過其它補掘回風巷、增設輔扇、修擴通風斷面、封閉舊巷道等措施，提高采掘工作面風量，工作面的氣溫有所下降。其所采取的非人工制冷降溫措施，雖然經濟實用，但受到諸多因素的制約，其效果有限，一般只能使井下氣溫平均下降2℃左右，遠遠滿足不了采掘工作面的降溫需求。據實測，該礦-150m水平空氣平均溫度32.6℃，-200m水平為33.95℃，對于該礦-150m水平以下開采區域，利用一般的通風降溫方法已無法達到改善作業環境的要求，必須采取相應的人工制冷降溫技術措施，才能使采掘工作面的空氣溫度達到礦山安全規程的要求。

4.1提出方案

人工制冷降溫是目前國內外普遍采用的深礦井降溫措施。根據現有礦井機械制冷主機安裝的位置，有地面集中式降溫系統，井下集中式降溫系統，地面、井下聯合降溫系統，井下局部(移動)降溫系統[6]。選擇礦井降溫系統，要根據礦井高溫熱害的實際情況以及結合不同礦井空調系統的優缺點進行選擇，經綜合考慮國內現有制冷技術水平，對該礦-150m水平以下開采區域，擬設計地面站冷水輸冷制冷降溫系統和冰輸冷制冷降溫系統。

方案一，地面站冷水輸冷制冷降溫系統。該方案是在地面建制冷站，由冷媒水管道利用重力送冷水到高低壓換熱器實現換熱與泄壓，二次冷媒水再在高低壓換熱器與空冷器間流動，送往工作面的空氣流經空冷器實現工作面降溫。

方案二，地面站冰輸冷制冷降溫系統。人工制冰降溫技術就是利用將制冰機制取的粒狀冰或泥狀冰，經輸冷系統輸送至融冰裝置，在融冰裝置內，冰與水直接換熱，產生接近O℃的冷水，冷水經井下輸配管路送到工作面，經空冷器與工作面風流換熱，達到降溫目的[7]。

4.2方案的計算分析與選擇

4.2.1計算依據

據調查，該礦井下高溫熱害最為嚴重的是獨頭探采巷道。以下分析計算以獨頭探采巷道作為制冷降溫巷道計算的依據。巷道斷面3.55m×2.95m，周長為14m，斷面面積為14m2，巷道長度選取20m，空氣密度取1.20kg/m3。實測巖體溫度為35℃。

按工作面最低排塵風速0.15m/s，每個工作面的供風量為2.1m3/s(2.5kg/s)，同時需冷工作面為10個，則制冷供風量約為30m3/s(36kg/s)。

4.2.2設計冷負荷估算

該礦深部礦體是以地熱和空氣自壓縮熱為主要熱源的高溫礦井，絕對放熱量應以空氣自壓縮熱、圍巖散熱、人員放熱、機械設備放熱等熱源估算，見式(1)～(4)。

空氣自壓縮熱計算見式(1)。

(1)

式中：MB為通過井巷的風量(kg/s)；g為重力加速度，取9.81(m/s3)；Z1、Z2為井巷始、終端的標高(m)。

圍巖散熱計算見式(2)。

6.1×10-3×14×20×(35-28)≈12kW

(2)

人員放熱計算見式(3)。

Q3=n×q=6×0.275=1.65kW

(3)

式中：n為井巷作業人數，按6人計；q為人均發熱量，查有關手冊，按0.275kW計。

機電設備放熱計算見式(4)。

Q4=φ×N=0.496×8=3.9kW

(4)

式中：φ為機電設備運行放熱比例系數，取0.496；N為機電設備實耗功率(kW)

則所需制冷負荷為熱源的總放熱量見式(5)。

10×(22+12+1.65+3.9)=395kW

(5)

考慮負荷系數1.2、冷量損失7%，則設計冷負荷見式(6)。

Q=1.2×395+1.2×395×7%≈507kW

(6)

4.2.3地面站冷水輸冷制冷降溫系統初步分析

地面站冷水輸冷制冷降溫系統主要由冷水機組、冷卻水系統、高低壓換熱設備、末端設備(空冷器)等部分組成。其中，冷水機組和冷卻水系統布置在地面，高低壓換熱器與末端設備分設在井下。系統圖見圖1。通過對冷水機組、冷媒水流量、冷卻塔排熱量和冷卻水泵功耗、空冷器流量功耗、回水水泵的功耗、輸冷管道管徑等計算選型分析，綜合擬選冷水輸冷制冷降溫系統主要設備及詢價結果見表1。

圖1　冷水輸冷制冷降溫系統圖

4.2.4地面站冰輸冷制冷降溫系統初步分析

冰冷卻空調系統一般采用地面集中式，將融冰池建在-50m水平。其冰輸冷制冷降溫系統主要由制冰系統(包括壓縮機、蒸發器、冷凝器)、水系統(冷卻水塔、水泵)、融冰系統末端設備三部分組成，系統圖見圖2。

經過計算選型分析，綜合擬選冰輸冷制冷降溫系統主要設備及詢價結果見表2。

表1　地面站冷水輸冷制冷降溫系統擬選主要設備及詢價

表2　地面站冰輸冷制冷降溫系統擬選主要設備及詢價

圖2　冰輸冷制冷降溫系統圖

4.2.5方案分析

4.2.5.1地面站基建工程費

地面站建筑為占地600 m2的兩層建筑物，共1200m2。按1650元/m2的造價概算，地面站基建工程費用為198萬元。

4.2.5.2輸冷管道井建工程費

在200m水平以下無豎井，為實現冷媒(冷水或冰)短距離輸送，在200m水平至-200m水平建立專用的輸冷管道豎井。斷面按5 m2計。工程量為V1=400×5=2000 m3。

-50m水平至-200m水平新建斷面3 m2、長100m的輸冷管專用巷道，則10個需冷點總連接管道水平巷道工程量為V2=10×100×3=3000 m3。

按平均300元/m3直接掘進費計算，總直接工程費為：5000×300=150萬元。

4.2.5.3經濟比較

由以上兩種方案對工程和設備的分析，按電價0.6元/kW·h，年制冷運行時間為300天，估算運行費用見表3。

表3　二種方案費用比較

4.2.6方案選擇

從表3可知，方案一比方案二節省前期投資270萬元，但方案二的年運行費用比方案一少近65.7萬元。按系統運行10年計，則可節約運行費用657萬元，在維護費用相同的條件下，方案二比方案一總節約費用387萬元。

若將方案二的融冰池建在由-50m調整至200m水平，則從200m水平至各需冷工作面空冷器的輸冷管道可利用現有的巷道鋪設，免掘進直接工程費用150萬元。同時，冰-水回水管長度減少250m，冰-水回水管水泵的功耗也將減少。但融冰池至空冷器的管道長度相應增加，這時可以考慮在-200m水平增加一冷媒水緩沖池。空冷器所需冷媒水由冷媒水緩沖池供給，這樣既可以利用現有巷道，減少掘進工程量，也可以實現冷媒水的靜壓轉換。

冰冷卻降溫系統與水冷卻降溫系統相比有兩個優勢：①冰冷卻降溫系統主要是利用冰的融化潛熱降溫，獲得相同冷量所需的冰量僅為水冷系統水量的1/5～1/4；②冰冷卻系統是通過冰與水的直接接觸換熱，換熱效率高，可獲得1℃左右的低溫冷水，送入空冷器的水量相應減少，減少了水泵的輸送能耗。

經綜合考慮投資、運行管理、運行費用等因素，建議使用融冰池建立在200m水平的地面站冰輸冷制冷降溫系統。

5結語

隨著金屬礦山開采深度的增加，礦井高溫熱害問題會越來越嚴重。為改善井下作業氣候環境，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。本文根據該礦熱害特點和礦井條件，計算工作面冷負荷，設計冰冷卻降溫系統與水冷卻降溫系統。該降溫系統同時與傳統通風方式有機配合，可實現深部礦井空調降溫目的。但制冰降溫技術目前還處于試應用狀態，在金屬礦山實際應用的甚少，深井人工制冷降溫存在技術、經濟方面的諸多問題，還有待于進一步研究解決，并在實踐中不斷總結經驗，找出合適的、行之有效的礦井降溫方法。

參考文獻

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收稿日期：2015-12-07

基金項目：廣西高校科學技術研究項目資助(編號：KY2015YB467)

作者簡介：石乃敏(1965-)，男，廣西河池人，副教授，主要從事礦業工程專業教學與科研工作。Email：shinaimin@126.com； 潘愛民(1963-)，女，廣西河池人，副教授，主要從事物理專業(空調與制冷)教學與科研工作； 沈雁醒(1988-)，男，廣西大化人，采礦工程師，學士，現任廣西高峰礦業公司采礦技術員，主要從事金屬礦開采技術工作。

中圖分類號：TD727+.5

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)07-0161-05

Analysis of the technical scheme of artificial cooling in a deep mining metal mine

SHI Nai-min1，PAN Ai-min1，SHEN Yan-xing2

(1.Guangxi Modern Polytechnic College，Hechi 547000，China；2.Guangxi Gaofeng Mining Company Limited，Nandan 547205，China)

Abstract:According to the actual survey，the temperature of -200m mining level in a metal mine whose mining depth is about thousand meter has reached 33.95℃，heat disaster in deep wells mining has become the main constraint on safe and effective mining and comprehensive exploitation on deep resources.Because of the ventilation measure taken by the mine at present，its cooling effect is limited.Artificial refrigeration temperature drop measure must be adopted to improve the underground working condition．This paper analyzes the heat resources and their dangers，designs the artificial water cooling and ice-making system on the ground station by theoretically calculating the heat dissipating capacity of the underground heat resources and applying the air-conditioning technology in the mine.The cooling system of cold water and ice solution were designed respectively.an economical and technical analysis of the cooling system with the above two cooling sources are also finished.Using ice as a cold source in the deep mine cooling system has already shown its economical and technological advantages.And it is also a development direction of deep mine cooling.

Key words：deep mine cooling；cold water cooling technology；ice cooling technology