煤礦制冷技術的研究及應用

侯彪

（河南理工大學能源科學與工程學院，河南 焦作 454000）

1 研究背景

我們都知道煤炭資源在我國能源結構中占重要比例。由于煤炭資源不斷被消耗，開采深度不斷增加,我國現在的平均開采深度已經高達800m左右，有很多的礦井開采深度甚至已經達到1200m以上。但是隨之而來的問題也日益增多，高瓦斯濃度，高溫度，高應力等諸多問題。這些問題嚴重影響了開采的進行以及礦工的安全，如何保證礦工在一個安全的環境中進行開采是一個必須解決的問題。到目前為止，很多專家學者提出了許多的降溫技術，比如人工降溫，空調降溫。但是他們都存在著很多的問題，因此我們提出了一種半導體的降溫方法。

導致礦井高溫的原因很復雜，其中最重要的是以下幾個原因導致的：

①機電設備工作時會釋放出大量的熱量；

②地表的高溫氣流會通過通風井進到工作面；

③越往下開采，溫度就會越高；

④工作面的煤炭會氧化，釋放出很多的熱量。

煤礦高溫的危害主要是降低勞動者的勞動效率，致使勞動者意志恍惚，從而造成煤礦人為事故。眾所周知，人處于高溫環境中會感覺不適，易煩躁。在高溫環境中工作易發生中暑現象，嚴重威脅煤礦工人的安全。隨著煤礦工人勞動效率的下降，致使煤礦的掘進工作放慢，造成接替紊亂，不能有效地保證煤礦的安全、高效開釆，給煤礦企業帶來嚴重的經濟損失。

2 常見制冷的方式和制冷原理

由于人工制冷技術的局限性，我國主要使用的是空調制冷的技術。空調制冷技術分為好多種，最主要的有蒸氣壓縮式制冷技術，人工制冰技術，熱制冷技術等。

礦井空調是一個很復雜的系統，主要是有載冷劑、制冷劑和冷卻水三個系統級聯而成的。

①制冷劑循環系統：制冷劑通過制冷劑的循環的方式來制取冷量。

②載冷劑循環系統：因為制冷站的位置不同，所以會形成不同的制冷劑循環系統。

③冷卻水循環系統：冷卻水循環系統是由冷卻塔和冷卻水管道組成的。系統就是通過這三個同時吸收熱量來降低溫度的。

這里主要介紹一下地面集中式空調系統。這種系統通常把制冷站，冷凝熱設置在地面上排放，而把高低壓換熱器設置在井下，可以將高壓冷凍水變成二次冷凍水[1]。最后在用風地點上的空冷器來冷凝風流，達到降溫的效果，具體的流程如圖1所示。

這種系統的優點是：建設成本低，設備便于維護，而且是集中冷卻礦井的總進風量，效率較高。缺點是：經濟型差，安全性差。而且在風地點的效果也不好。

圖1 地面集中式空調系統

3 聯合技術降溫技術

單獨的制冷方式都有一定的缺點，因此我們提出了聯合技術降溫技術來解決礦井高溫的方法。

3.1 進風口處制冷

由于夏季氣溫過高，影響導致進風口氣溫過高。基于此種情況，我們可以選擇在進風口進行制冷處理。可以使用脈外低溫巷道降低入風溫度、對進風風流采用冷水逆流噴淋降溫等技術處理。比如可以向礦山的進風井中進行低溫水逆流噴淋(武安-30噴霧器)。當進風量為12m/s,溫度為26℃,噴水量為40t/h時,這時候溫度可以降低2.2～2.6℃。如果是采用冰塊與27℃水混合的冷卻水在工作面進行風筒噴霧,這時候能夠使工作面的入風溫度平均下降5.5～6.5℃,相對濕度由原來的40%增加到50%,耗水量約0.24L/min。這種技術降低了夏季的入風氣溫,效果很好。

3.2 機電設備降溫制冷

①可以減少步進電機的發熱。減少電機發熱的本質就是減少銅損和鐵損。

②如果是已經選好的電機，那么就應當充分利用電機驅動器的自動半流的控制功能和脫機功能。自動半流的控制功能在電機處于不工作的狀態自動減少電流，脫機功能直接將電流切斷。

③應當選擇合適的驅動電機電壓等級，兼顧高帶性、平穩性和發熱、噪音等指標。

④細分數越高的步進電機驅動器能夠使得電流波形接近正弦波，使諧波大大減少，這樣就可以使電機發熱減少。

3.3 局部制冷

可以采用將低溫風流直接壓入工作面的技術,通過采用隔熱風筒可以有效地改變工作面作業條件。采取這種技術可以大大降低工作面溫度,同時又可保證作業點有比較固定的風速,從而使作業人員有滿意的舒適感[2]。向高溫工作面采用水力引射器、壓氣引射器、渦流管等技術方法在一定程度上也改變了工人舒適感。

3.4 熱量回收

地下的熱量可以作為類似地熱能一樣的能量加以回收利用。每當夏季炎熱高溫的時候，礦井的溫度可達30℃以上，部分礦井甚至可達40℃以上，這樣溫度的氣體倘若被抽到地表加以利用，不僅可以解決礦井高溫的問題，20～50℃的水還可以用來沐浴，水產養殖，飼養牲畜，土壤加溫，脫水加工。

4 發展前景

隨著我國社會經濟的快速發展，對煤炭需求量會進一步上升，所以煤炭開采的深度會越來越深，這樣礦井高溫的問題就會十分普遍。目前，我國已經有超過數十對礦井開采深度超過900m，高地溫問題越來越成為影響煤礦企業安全、高效生產的主要問題之一[3]。礦井制冷與礦井熱量的收集在煤礦有著廣闊的應用前景，要實現礦井制冷有質的飛躍，還需要進行更加深入的研究。