金屬礦山深井人工制冷降溫系統模式分析

黃壽元趙曉雨李　剛周　偉梁　鑫

（1.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司，安徽　馬鞍山243000；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽　馬鞍山243000；4.長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南長沙410019）

隨著我國金屬礦山開采向深部延伸，深井金屬礦山日益增加。深部開采過程中地溫地熱這一主要熱源無法避免，熱害礦井凸顯[1]。人工制冷降溫成為了金屬礦井深部開采的必然、最直接選擇，也涌現出了諸多人工制冷降溫新技術[2]，如招金礦業夏甸金礦在井下-740 m中段建立了國內第一座金屬礦山局部制冷降溫系統，主要針對獨頭掘進巷道進行降溫，降溫幅度4～6℃[3]。各礦山水文地質條件、通風系統等條件不同，礦山企業在進行通風優化的同時，以小規模、單個或多個作業面需冷的分散式局部制冷降溫解決礦井熱害問題，僅有部分高強度開采的大型深井礦山開始應用集中制冷，如銅陵有色冬瓜山銅礦正在建設國內第一座金屬礦山集中制冷降溫系統，該系統采用地表集中式、往井下送冷風模式。我國深部金屬礦井人工制冷降溫系統工程寥寥無幾，檢索文獻中未見有系統性、宏觀性地介紹金屬礦井降溫系統模式供礦山企業參考。這不僅與人工制冷降溫系統本身的復雜性、投資及運行成本、維護管理有關，而且受各礦地溫地熱、水文地質、采礦方法、專業人才儲備等多因素影響[4-5]。筆者結合暖通專業知識及礦山通風、降溫工作經驗，宏觀性地對深部金屬礦井人工制冷降溫系統模式進行了探討。

1　冷負荷計算

礦山主要熱源包括圍巖散熱、熱水散熱（熱水型礦山）以及機械設備散熱。分項散熱量計算中，圍巖散熱與圍巖原始溫度、風流溫度以及圍巖表面換熱系數等基本參數有關，熱水散熱與井下熱水涌水量、涌水情況、水溫有關，機械設備散熱與機電設備功率、外部通風系統風量有關，對各熱源散熱量分項理論計算極其復雜。在礦井降溫工程設計中可采用如下公式計算：

該公式按照能量守恒原理，利用工作面進出口空氣焓差法可以反算工作面散熱量，將工作面入口的初始空氣能量狀態（i1）處理到終點能量狀態（i2）過程所發生的能量（焓）變化量即工作面需冷量。計算只需確定設計冷風量、進出口空氣進、出口空氣比焓，而空氣比焓由空氣溫度與相對濕度參數即可查焓濕圖確定。以大紅山鐵礦井下6#膠帶驅動站降溫設計為例，該降溫模式采用制冷降溫模式五—井下局部（分散式）制冷降溫系統、礦井回風排熱，設計風量15 m3/s，選擇進風溫度34.5℃，相對濕度80%，焓值為126.4 kJ/kg，降溫目標溫度為28℃，相對濕度90%，焓值為98.1 kJ/kg，設計計算冷負荷約510 kW，經現場實施驗證其降溫效果良好，達到預期效果。

2　人工制冷降溫模式選擇

圖1為礦山主要人工制冷降溫模式。

根據制冷降溫系統冷負荷、服務范圍，劃分為集中式降溫系統、分散式降溫系統。其中集中式降溫系統根據制冷機組所在位置，分為地表集中式與井下集中式，井下集中式按照冷凝熱排放裝置位置及冷凝熱散熱途徑，分為冷凝熱地表排放、礦井回風及礦井水倉涌水排熱。總體說來，從制冷機組、散熱裝置相對位置以及冷凝熱排放途徑等方面綜合考慮，可以劃分6種降溫模式。

2.1　模式一

該模式在地表集中布置制冷機組及冷凝熱散熱裝置，冷媒（冷水、冷風或冰塊）經過管道（或井筒）往井下輸送。系統主要設備包括地表制冷機組、地表排熱或熱回收裝置、冷凍水泵、冷卻水泵、水管、空冷器，高低壓轉換器（深井）等組成。冷媒一般選擇冷水介質，通過冷水機組蒸發器直接制取低溫冷水，經過管道沿井筒或斜坡道或管纜井直接輸送至井下，在末端配置二次換熱裝置（空氣冷卻器或空冷器），進行冷水—熱風間接換熱得到冷風送往工作面，而冷凍水經空冷器換熱后升溫經回水管道返回至冷水機組，在水冷機組內部經蒸發器、壓縮機、節流閥、冷凝器等結構將回水中熱量及壓縮機做功產生的熱量（統稱為冷凝熱）轉移到冷凝器的冷卻水中，冷凝熱可以經地表冷卻塔或者采用熱回收裝置回收利用，整個降溫流程完成制冷、輸冷、散冷（換熱）以及冷凝熱直接排放或回收利用。圖2為模式一（地表集中式制冷降溫系統，井下輸送冷媒（冷水））示意圖。

2.2　模式二

該模式在井下集中布置制冷機組，冷凝熱散熱裝置布置在地表。制冷機組制取冷媒（冷水）經過管道直接輸送至工作面空冷器，制冷機組產生的冷凝熱通過冷卻水管路輸送至地表冷卻塔或熱回收裝置，換熱后冷卻水返回至井下制冷機組冷凝器。系統主要設備包括井下制冷機組、地表排熱或熱回收裝置、冷凍水泵、冷卻水泵、水管、空冷器等組成。圖3為模式二（井下集中式制冷降溫系統，冷凝熱排放裝置布置在地表）結構示意圖。

2.3　模式三

該降溫模式是在井下集中布置制冷機組，冷凝熱散熱裝置也布置在井下。制冷機組制取冷媒（冷水）經過管道直接輸送至工作面空冷器，制冷機組產生的冷凝熱通過冷卻水管路輸送至井下冷卻塔，換熱后冷卻水返回至制冷機組。系統主要設備包括井下制冷機組、井下排熱裝置—冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵、水管、空冷器等組成。制冷機組的冷凝器中發生制冷劑與冷卻水熱交換，將冷凝熱釋放在冷卻水中，通過冷卻水泵將熱的冷卻水就近輸送至井下冷卻塔，在冷卻塔中發生冷卻水—礦井回風冷熱交換，將冷卻水中冷凝熱最終釋放至礦井回風，通過通風系統回風系統完成井下冷凝熱排放，降溫后的冷卻水再次返回至制冷機組，循環作用。井下布置冷卻塔，因冷卻水中冷凝熱的最終排放需要通過冷卻水—空氣的熱交換，冷凝熱最終釋放至礦井空氣環境。圖4為模式三（井下集中式制冷降溫系統，冷凝熱礦井回風排放）結構示意圖。

2.4　模式四

該降溫模式是在井下集中布置制冷機組，同模式三的主要區別在于冷凝熱排放方式不同。系統主要設備包括井下制冷機組、井下水倉（天然冷卻塔）、冷凍水泵、冷卻水泵、排水泵、排水管、空冷器等組成。制冷機組的冷凝器中發生制冷劑與冷卻水熱交換，將冷凝熱釋放在冷卻水中，利用井下具備的水倉低溫涌水，在水倉布置換熱器或直接將冷卻水混入水倉，將冷凝熱排放至水倉中，水倉涌水再經排水泵、通過排水系統排至地表。

結合井下涌水及水倉位置，以礦井涌水作為冷源，主要適用于礦井涌水水源充足、水溫適宜的礦井，對于礦井涌水水源、水溫不能滿足井下降溫冷能提取量要求的礦井，需要其他水源作為補充[6]。如新城金礦采用了水源熱泵系統，礦井水水溫較低，礦井涌水溫度28℃左右，作為礦井降溫專用機組良好的冷卻水源。利用礦井豐富的低溫涌水資源作為冷源去冷卻冷卻水，實現機組冷凝熱的冷卻，冷凝熱最終通過水倉排水系統排走。圖5為模式四（井下集中式制冷降溫系統，冷凝熱井下水倉涌水排放）結構示意圖。

2.5　模式五

該降溫模式是結合區域降溫范圍內各水平采場及掘進作業面布置特點，以中段為服務目標，選擇在1～2個水平相對集中布置制冷機組。系統設備組成基本同集中式制冷降溫系統，只是單臺制冷降溫機組規模較小、系統布局較為分散，采用礦井回風最終實現冷凝熱的排放，全礦通風系統或局部通風系統密切結合。圖6為模式五（井下局部（分散式）制冷降溫系統）結構示意圖。

2.6　模式六

該降溫模式是結合降溫范圍內各水平采場及掘進作業面布置特點，以中段為服務目標。系統設備組成基本同集中式制冷降溫系統，只是單臺制冷降溫機組規模較小、系統布局較為分散，采用水倉低溫涌水最終實現冷凝熱的排放，與井下水倉水溫、水質、水量、水倉排水系統密切相關。本模式采用井下局部（分散式）制冷降溫系統，制冷機組單機負荷較集中式降溫系統小，但是系統組成基本同模式四的集中式降溫系統，缺一不可。圖7為模式六（井下局部（分散式）制冷降溫系統，低溫涌水排熱）結構示意圖。

3　降溫模式比較

根據各制冷降溫模式的系統組成結構特點、冷負荷規模及冷量制取、熱量排放等技術方面以及投資及運行經濟成本分析，各模式的優缺點比較如表1所示。

模式一、模式二、模式三、模式四四者的共同點是采用集中式制冷降溫系統，主要區別在于制冷機組與冷凝熱散熱裝置的安裝位置以及冷凝熱的排放方式不同。模式五與前4種模式的主要區別在于制冷機組制冷量、規模不同，且只能采用礦井回風排放冷凝熱。

模式一的最大的優點是制冷機組及排熱裝置布置地表，后期維護管理方便，制冷機組設備安全性能要求低，但是存在冷媒輸送管路長，冷量損失大，機組冷負荷大，初期投資及后期運行成本最高。模式二克服了模式一中冷媒長距離輸送過程的冷量損失。

模式二中制冷機組布置在井下，冷媒以較短距離送往工作面，冷量損失小，較模式一中冷量損失減少10%～20%，初期投資及后期運行成本相對模式一要低。

模式二與模式三的主要區別是冷凝熱排放裝置一個在地表，一個在井下，這樣使得模式二不受通風系統影響，模式三利用礦井回風排熱，要求有可利用的礦井回風，風量風溫風質可滿足冷卻塔中冷卻水與空氣換熱需求，受礦井通風系統影響大，可能發生冷凝熱的二次熱污染，惡化現有通風系統效果，這與降溫系統出發點相違背。

模式四從技術角度分析，相對模式二、模式三具有利用礦井井下天然冷源的優勢，但是三山島金礦井下涌水難以滿足模式四中集中式制冷降溫系統冷卻水冷卻要求。

模式五需要多達十幾臺移動式局部降溫機，導致后期維護、管理成本高，且冷凝熱排放仍只能通過礦井回風系統排放，礦井回風風量、風溫、風質對冷凝熱排放效果影響極大，很難確保制冷降溫效果。

模式六從技術角度分析，基本同模式四，具有利用礦井井下天然冷源的優勢，前提條件是礦山涌水資源豐富，水量、水溫、水質有保障，且對水倉內換熱器防腐、換熱性能要求高（設置內外水倉可以不設置換熱器）。

因此，各降溫模式各有特色，降溫設計時必須結合礦山現有通風、排水條件，各模式投資、運營及后期維護管理成本進行經濟比選，最終選擇選擇制冷技術成熟、可靠，投資較少的降溫模式。

4　結論與展望

4.1　結論

（1）基于井下開采大空間的封閉和作業面小空間的開放特性，需冷量（冷負荷計算）是選擇降溫模式和維持降溫效果的關鍵參數。礦山降溫設計工程中若按照各熱源散熱量分項理論計算冷負荷，因理論計算公式中涉及諸多參數及假設條件，計算十分復雜，推薦采用“進出口空氣焓差”計算冷負荷，計算簡單，適合于工程設計中采用。

（2）針對集中式和分散式2種降溫模式，集中式制冷降溫系統模式的顯著特點是前期投資及后期運行維護成本高，如地表集中式降溫需要長距離輸送冷量，冷量損失大，管道輸送受到井筒條件限制，冷量輸送困難，最終導致冷量有效利用率低。礦山企業在選擇降溫模式時，建議前期選擇小規模、服務單個或多個作業面需冷的分散式局部制冷降溫系統模式為宜。

（3）制冷降溫模式選擇與井下生產條件、熱濕源分布密切相關，其中采用礦井回風排放冷凝熱模式受通風系統影響最大，采用礦井低溫涌水排放冷凝熱受礦山涌水量、水溫、水質等水文水質條件影響最大。除模式一中直接輸送冷風冷媒模式外，其他各降溫模式中需要配置末端換熱器—空冷器，空冷器熱交換受通風系統風量、風質（粉塵、油污、尾氣等）影響，降溫地點降溫效果與通風系統通風效果緊密相關。

（4）采取加大通風的通風降溫系統相對人工制冷降溫系統，通風系統風機、通風構筑物等管理簡單，礦山更容易接受加大風量形式的通風降溫解決深井熱害問題。而礦井人工制冷降溫不論是集中式還是局部降溫模式，初期建設成本和后期運營成本都非常高，基于目前持續低迷的礦業形勢，人工制冷降溫系統在國內深井礦山的推廣應用仍面臨著巨大的經濟困難。

4.2　幾點展望

（1）開展可控循環通風降溫技術研究。采用該方法相當于營造地表建筑室內封閉空間，使得降溫區域冷量得以循環利用，顯著減少礦山井下巷道縱橫交錯等開放空間及直流式通風系統造成的較大冷量損失，相對提高冷量的有效利用率。

（2）開展礦山降溫冷凝熱回收利用、余熱發電等節能技術研究。采用該技術是將礦山熱害“變廢為寶”，有利于減少人工制冷降溫系統運行成本，促進人工制冷降溫技術的推廣使用，符合“綠色生態礦山”建設要求。

（3）加強礦山行業暖通專業人才儲備、培養。鼓勵礦山設計院、設備廠家、熱害礦山企業配備暖通專業人才，尤其是熱害礦山企業配備暖通專業人才，有利于礦山企業接受礦井降溫技術及礦山降溫工程投入運營的維護管理。