深井礦山局部制冷降溫技術研究

賈敏濤 高 偉 吳冷峻

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽馬鞍山243000；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽馬鞍山243000；4.玉溪大紅山礦業(yè)有限公司，云南玉溪653405）

隨著地下采礦向深部不斷延伸，井下破碎后的礦石和圍巖的提升運輸方式也發(fā)生了多樣的變革，膠帶斜井運輸因其運輸過程連續(xù)、運輸能力大和設備故障率低等優(yōu)勢，在大規(guī)模地下礦山采礦運輸中逐步得到應用。膠帶斜井傾角一般在14°左右，對于埋深較大的深井礦山開采，往往采用多級膠帶轉(zhuǎn)載運輸?shù)姆绞剑?］，膠帶運輸?shù)尿?qū)動滾筒和高壓電機布置在井下2條膠帶轉(zhuǎn)載點［2］。深井礦山的高地溫與驅(qū)動站高壓電機放熱、膠帶摩擦放熱等多因素耦合作用下，導致膠帶斜井和驅(qū)動站內(nèi)往往溫、濕度較高，勞動者體感環(huán)境悶熱，易產(chǎn)生中暑等急性職業(yè)健康問題。為此，本項目以某埋深超過千米的深井礦山膠帶運輸系統(tǒng)為工程背景，開展高溫硐室降溫技術研究，以期改善硐室內(nèi)作業(yè)環(huán)境，為勞動者提供舒適的作業(yè)條件。

1 膠帶斜井系統(tǒng)介紹

依托礦山是一座采深近千米，年產(chǎn)近千萬噸的大型地下金屬礦山，為了實現(xiàn)大規(guī)模開采的目標，礦山采用膠帶斜井+輔助斜坡道開拓方案。

1.1 膠帶斜井系統(tǒng)構成

膠帶斜井系統(tǒng)主要由通地表采2#膠帶斜井和依次與之串聯(lián)的4#膠帶斜井、5#膠帶斜井、6#膠帶斜井、7#轉(zhuǎn)運膠帶和廢石膠帶構成。井下回采的礦石和部分廢石由180 m運輸水平經(jīng)溜井卸至0 m破碎硐室，經(jīng)過破碎后溜放至-45 m膠帶轉(zhuǎn)運硐室。廢石經(jīng)由廢石膠帶直接從-45 m轉(zhuǎn)運至0 m廢石箕斗井提出地表。破碎后礦石在-45 m膠帶轉(zhuǎn)運硐室由7#膠帶轉(zhuǎn)運至6#膠帶，通過6#膠帶提升至165 m膠帶轉(zhuǎn)運硐室，再由轉(zhuǎn)運硐室內(nèi)5#膠帶轉(zhuǎn)運至4#膠帶提升至324 m，最后在324 m轉(zhuǎn)運硐室轉(zhuǎn)運至采2#膠帶提出地表。

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1.2 膠帶斜井系統(tǒng)通風方式

膠帶斜井系統(tǒng)的通風方式為兩翼進風—中央回風的中央對角式通風方式，如圖1所示。

上部膠帶系統(tǒng)新風由通地表的采2#膠帶斜井進風，經(jīng)過324 m轉(zhuǎn)運站后進入4#膠帶下至165 m轉(zhuǎn)運水平，污風由180 m膠帶回風道上排至廢石箕斗井180 m石門，經(jīng)過廢石箕斗井排出地表。

下部膠帶系統(tǒng)進風由通地表的主進風斜井進入324 m水平，再經(jīng)過盲豎井進入-45 m膠帶轉(zhuǎn)運硐室，部分風流通過廢石膠帶斜井排至廢石箕斗井0 m石門后經(jīng)廢石箕斗井排出地表；部分風流通過6#膠帶上排至165 m轉(zhuǎn)運水平，后經(jīng)過5#膠帶進入180 m膠帶回風道匯入上部膠帶回風系統(tǒng)，再經(jīng)廢石箕斗井排出地表。

1.3 膠帶斜井系統(tǒng)環(huán)境現(xiàn)狀

膠帶系統(tǒng)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)如表2所示，檢測數(shù)據(jù)顯示驅(qū)動站內(nèi)風源（6#膠帶斜井上風）風溫32.4℃，相對濕度86.2%，溫度已經(jīng)超過28℃［3］，風流進入6#膠帶驅(qū)動站后因高壓電機散熱和膠帶摩擦散熱，風溫進一步升高至34.5℃，相對濕度86.2%。驅(qū)動站內(nèi)工人長期處于高溫高濕環(huán)境，皮膚出現(xiàn)不同程度的紅疹，勞動者作業(yè)時間受限，且偶有中暑事故發(fā)生。

檢測條件：天氣晴，地表氣溫15.6℃，相對濕度52.6%。

2 6#膠帶驅(qū)動站熱害分析

2.1 高壓電機散熱

6#膠帶驅(qū)動站設置在井下165 m，安裝4臺710 kW的10 kV高壓電機，膠帶啟動運轉(zhuǎn)時，電機向驅(qū)動站內(nèi)散發(fā)大量熱能，是驅(qū)動站內(nèi)高溫的主要致熱因素。查閱相關標準，電機散熱量［4］計算：

式中，q為電動機的散熱量，kW；n1為同時使用系數(shù)，即同時使用的安裝功率和總安裝功率之比，可取0.5～1.0；n2為安裝系數(shù)，即最大實耗功率與安裝功率之比，可取0.7～0.9；n3為負荷系數(shù)，即小時平均實耗功率與最大實耗功率之比，可取0.4～0.5；N為電動機的總安裝功率，kW；η為電動機效率，查閱相關手冊選取0.89。

根據(jù)式（1），165 m膠帶驅(qū)動站的電機散熱量為0.044 5×4×710=126.38 kW。

2.2 新風熱負荷

礦山所在地區(qū)夏季地表氣溫較高，夏季室外計算干球溫度34.8℃，相對濕度81%，結合高溫空氣進入井下井壁對其具有降溫吸熱作用，新風計算溫度取34℃，相對濕度80%，空氣密度1.2 kg/m3。降溫的目標溫度為28℃，相對濕度95%，單位體積新風熱負荷［5］：

Q=ΔH×M=（104.296-89.835）×1.2=17.35 kW，（2）式中，Q為單位體積新風散熱量，kW；H為濕空氣的焓值，kJ/kg；M為新風質(zhì)量流量，kg/s。查閱焓濕圖空氣干球溫度34℃，相對濕度80%的焓值為104.296 kJ/kg；空氣干球溫度28℃，相對濕度100%，焓值為89.835 kJ/kg。

2.3 變電硐室空調(diào)散熱

膠帶驅(qū)動站一側(cè)設置有配電硐室，配電硐室內(nèi)安裝了8臺5匹冷暖兩用空調(diào)，空調(diào)室外機安裝在驅(qū)動站上風測，空調(diào)散熱直接影響到驅(qū)動站附近及膠帶斜井內(nèi)空氣溫度。查閱相關空調(diào)參數(shù)，確定單臺空調(diào)的散熱量為16.2 kW，空調(diào)散熱量為16.2×8=129.6 kW。

2.4 其他熱源

除上述制熱因子外，膠帶系統(tǒng)的其他熱源來源還包括圍巖散熱、礦石氧化散熱、膠帶運輸摩擦散熱、人員散熱和上下通行車輛散熱，上述熱源的散熱量相對于前三項散熱數(shù)量小，因此，其他致熱因子散熱量按照前三項數(shù)值的10%計算。

3 膠帶系統(tǒng)熱環(huán)境調(diào)控技術方案

3.1 技術方案分析

為改善6#膠帶驅(qū)動站高溫作業(yè)環(huán)境，結合膠帶系統(tǒng)各斜井及驅(qū)動轉(zhuǎn)運站布置方式，提出以下3個環(huán)境調(diào)控技術方案［6-8］。

方案一：增風降溫+隔離熱源。6#膠帶驅(qū)動站進風由通地表的進風斜井進入340 m水平，通過盲豎井送至-45 m膠帶轉(zhuǎn)載站，再經(jīng)6#膠帶斜井進入6#膠帶驅(qū)動站后由5#膠帶匯入180 m膠帶回風道。6#膠帶進風直接由地表進入，受井下其他熱源影響較小，風溫在進入-45 m膠帶轉(zhuǎn)載站時相對較低。方案采用以下3項措施實現(xiàn)膠帶系統(tǒng)降溫目的［6］：①增加-45 m膠帶轉(zhuǎn)載站進風量，加速排除設備散熱；②將變電硐室降溫空調(diào)的室外散熱機組移動至驅(qū)動站下風向直接將空調(diào)散熱排出；③將6#膠帶驅(qū)動站內(nèi)4臺高壓電機采用集熱罩封閉，再通過局扇外加風筒將電機散熱直接排入回風系統(tǒng)。

方案二：水冷機組制冷降溫。礦區(qū)夏季地表最高氣溫達到40℃以上，地表新風通過斜井送到驅(qū)動站時即便通過巖石壁面吸熱降溫，其溫度也在30℃以上。風源溫度較高，通過增風降溫效果十分有限。方案采用制冷機組制冷降溫，實現(xiàn)驅(qū)動站和膠帶斜井降溫的目的［7］。具體方案是：①同方案一中第二項措施，將降溫空調(diào)室外機散熱外排；②在6#膠帶驅(qū)動站附件設置局部制冷降溫系統(tǒng)，解決6#膠帶驅(qū)動站高溫問題，冷凝熱經(jīng)過180 m回風道排至回風井。

方案三：空氣源熱泵降溫系統(tǒng)。將6#膠帶驅(qū)動站的水冷機組+空冷器變更為整體式空氣源熱泵系統(tǒng)。空氣源熱泵系統(tǒng)是將蒸發(fā)器和主機分離布置在驅(qū)動站內(nèi)，蒸發(fā)器從驅(qū)動站內(nèi)的高溫高濕空氣中吸收熱量來蒸發(fā)傳熱工質(zhì)，驅(qū)動站內(nèi)的熱量通過傳熱工質(zhì)蒸氣、壓縮機壓縮、冷凝器冷凝后傳轉(zhuǎn)移至空氣源熱泵系統(tǒng)水箱中的水。熱泵貯水箱外接熱水循環(huán)回收系統(tǒng)，對冷凝熱水進行回收利用，實現(xiàn)驅(qū)動站降溫和熱能回收利用的目的［8］。

3.2 技術方案比選

對上述各方案從初期建設投資、運營成本、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面進行分析比較，比較內(nèi)容見表3所示。

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通過表3對3個方案的比較分析可知，增風降溫+隔絕熱源方案實施最簡單，建設投資最小，但是其降溫效果非常有限，且受地表氣溫波動較大，排除方案一。方案三空氣源熱泵降溫系統(tǒng)降溫效果穩(wěn)定，可實現(xiàn)制冷加熱一體，冷卻熱可回收利用，但膠帶系統(tǒng)降溫制冷量相對較小，余熱回收需要投資專用的系統(tǒng)，投資大而回收的熱量小，性價比低，且膠帶系統(tǒng)即便在冬季最冷季節(jié)也不存在凍井等危害，制熱功能屬于富余功能，排除方案三。方案二降溫效果不受地表氣溫變化影響，比方案一降溫效果穩(wěn)定，能夠保證驅(qū)動站人員和設備長期保持在較低環(huán)境溫度下作業(yè)；壓縮機COP值高，機組運行成本比方案三低。因此，膠帶系統(tǒng)降溫方案推薦使用方案二，系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

3.3 現(xiàn)場系統(tǒng)布置

根據(jù)膠帶系統(tǒng)布置，研究將風機、空冷器布置在6#膠帶斜井上部驅(qū)動站進風口，制冷機組、冷凍水泵、供水水箱等集中布置在制冷硐室內(nèi)，制冷硐室設置在驅(qū)動站下風向5#膠帶一側(cè)，散熱塔和冷卻水泵布置在膠帶斜井系統(tǒng)總回風巷內(nèi)，具體布置圖如圖3所示。

4 現(xiàn)場實施效果

按照排塵風速要求和制冷能力對驅(qū)動站需風量進行核算，確定方案二系統(tǒng)制冷量，進行制冷設備選型、制冷、輸冷、傳冷和排熱系統(tǒng)設計，并進行了現(xiàn)場施工安裝。水冷機組制冷降溫系統(tǒng)安裝調(diào)試完成運行3個月后，對現(xiàn)場實施效果進行檢測，檢測結果如圖4所示。

現(xiàn)場檢測結果表明，水冷機組制冷降溫系統(tǒng)實施后，在驅(qū)動站風源溫度相差1.1℃情況下，驅(qū)動站內(nèi)干球溫度由34.1℃下降至27.9℃，降低6.2℃，5#膠帶內(nèi)干球溫度由34.9℃下降至29.4℃，降低5.5℃，檢測點相對濕度也略有下降，工人體感溫度明顯降低，現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境得到有效改善。

5 結論

（1）水冷機組制冷降溫系統(tǒng)能夠適應礦山井下高溫、高濕、高粉塵環(huán)境，有效解決深井礦山局部熱害問題。

（2）井下局部熱害防治系統(tǒng)冷凝熱排放可結合通風系統(tǒng)解決，冷凝熱排放系統(tǒng)中閉式冷卻塔相對開式冷卻塔運行管理簡單，但初期設備采購投入大；熱回收系統(tǒng)適用于大制冷量的區(qū)域制冷降溫系統(tǒng)或礦井整體集中制冷降溫系統(tǒng)。