新型礦井通風降溫技術裝置的試驗研究

程 力 張 濤 汪林紅 陳宜華 王 巖

（1.山東黃金集團有限公司深井開采實驗室，山東 萊州 261400；2.安徽工業大學能源與環境學院，安徽 馬鞍山 243000；3.山東中礦集團有限公司，山東 招遠 265400）

隨著工業化進程的突飛猛進，我國的礦產資源消耗已躋身于世界前列。目前有95%以上的能源、80%以上的工業原材料、以及70%以上的農業資源均來源于礦產資源［1］。由于需求量的逐年攀升，淺部易開采的礦產資源越來越少，采場已由地表向地下延伸，深部開采已成為礦山資源開發的重點。初步統計，“十三五”期間我國有近50座金屬礦山進入地下1 000 m以下開采，預計今后10～20 a，將有近一半的金屬礦山進入1 000～2 000 m深度開采。隨著開采的深度以及采掘機械化程度加深，礦井熱害問題日益突出，對采礦業的生產效率以及施工安全產生重大影響，已成為礦井生產過程中急需解決的重大難題，本文通過對礦井熱害現狀、產生因素以及前人的研究成果進行分析，提出了一種新型礦井通風降溫技術，并在山東省招遠市某金礦二十九中段斜坡道一分段獨頭作業面進行了測試。

1 礦井熱害現狀

礦井熱害是礦井深部開發過程中，溫度升高導致礦井內熱環境惡化，從而引起一系列環境和安全問題。根據前人對地溫方面的研究，開采深度每增加100 m，地下的巖石溫度將上升2.5～3℃。據此推算，開采深度在1 000～2 000 m深度資源時，工作環境巖石溫度將達到40～50℃。我國向深部開采的平均速度達到8～12 m/a，東部開采速度最快達到10～25 m/a［2］。目前，部分金屬礦山井下環境溫度已經出現30℃以上高溫。國外開采時間更早，開采深度更深，礦井溫度也越高，最高溫度甚至達到70℃，如表1所示［3］。

井下高溫、高濕的作業環境將帶來一系列問題，例如對勞動者身體造成傷害（中暑、神經性疾病等）、生產效率下降、事故發生率增加、機械設備壽命縮短等。長時間在井下高溫、高濕環境下工作的工人，會破壞人體的產熱和散熱之間的平衡，從而導致人體不舒適反應，礦井熱環境溫度過高會使人體溫度自動調節功能紊亂，容易出現胸悶、頭昏、乏力、呼吸不暢、注意力分散、反應遲緩等癥狀，嚴重的甚至會造成死亡。據前蘇聯和德國調研資料介紹，礦內作業環境的氣溫超標1℃，勞動生產率則下降6%～8%；當氣溫超過28℃時，事故發生率將增長20%［4］，我國《煤礦安全規程》第101條規定“采掘工作面的空氣溫度超過30℃，必須停止作業”［5］。深部高溫問題直接制約我國深部資源的有效開發利用，研究高溫礦井環境控制技術與設備對保證我國礦產資源持續穩定的供應起著至關重要的作用。

2 礦井熱害形成因素及治理現狀

2.1 礦井熱害形成因素

礦井下的熱源主要分為：空氣自壓縮放熱、井巷圍巖傳熱、熱水放熱、機電設備放熱4種［6］。

（1）圍巖傳熱：一方面是由于空氣向井下流動的過程中與周圍巖石存在的溫度差而不斷發生熱交換，傳入風流的熱量隨著巖石溫度的升高而增加，另一方面是由于地表溫度梯度、太陽的熱輻射等與巖石體進行熱交換，使礦井溫度升高。

（2）空氣自壓縮放熱：井下風流形成的空氣柱壓力，在向井下流動過程中位能不斷轉化成焓，焓增時會吸收熱量使井下風流的溫度增加，增加幅度為9.76℃/1 000 m［7］，其中由于水分蒸發吸熱以及圍巖散熱會消耗一部分自壓縮產生的焓增，井下風流的溫度會隨著季節的變化而變化。

（3）井下熱水放熱：主要與水溫、水量以及排水的方式有關［8］。水溫、水量越大，井下溫度就越高，當采用管道的方式排水時其傳熱量可用以下公式求出［9］：

式中，Qw為熱水傳熱量；kw為管道的傳熱系數，其大小與管道的內徑、外徑以及材料的導熱系數有關；S為管道的表面積，即水與空氣的傳熱面積；tw、t分別表示水流和風流的平均溫度。

（4）機電設備放熱：隨著礦井開采規模的不斷增大，井下的裝機數量不斷增多，礦井機械化水平不斷提高，機電設備產熱已經成為不可忽略的熱源之一。其熱源可分為以下3種［10］：①采礦和掘進機械設備放熱，如采礦機、掘進機、混凝土噴射機、破碎機；②提升運輸設備的放熱，如卡車、輸運機、提升機等；③其他設備的放熱，如電動機、水泵、風機、燈具等。這些機電設備在運行過程中散發的熱量進入風流中，使得設備所在的局部區域風流溫度會快速升高。

礦山通風由于過程比較漫長，在進風段和用風段的熱源存在差異，進風段主要由空氣自壓縮產熱和圍巖放熱這兩種熱源產熱，其中空氣自壓縮產熱占主要部分，用風段熱源由上述4種熱源共同作用，占的比例分別為7%、71%、15%和7%。井下通風降溫所采取的一系列措施，需充分考慮這些熱源的影響。

2.2 礦井熱害治理現狀

礦井制冷技術包括人工和非人工2種［11］，人工制冷主要通過制冷水、制冰以及壓縮空氣制冷等技術降低深井溫度，而非人工制冷技術主要通過增大通風量或優化通風方式、控制熱源散熱以及將風流冷卻后再通入井等方式達到降溫目的。目前用得較多且效果較好的主要是人工制冷技術，其中以井下集中式空調系統、人工制冰空調、壓縮空氣制冷以及熱電冷聯產空調降溫等技術為代表［12］，這些降溫技術雖然在一定程度上降低了井內溫度，但由于這些技術普遍存在設備體積龐大、制冷散熱量處理機構復雜、移動困難，降溫設備一般只能固定在井下的某一位置，輸送冷風的路徑較長，沿程冷量損失大等問題［13］，除去濕熱效果不理想，在使用過程中存在一定的限制。

3 新型通風降溫技術

針對當前深部熱環境通風降溫技術的不足，本研究提出了一種可廣泛應用于金屬礦井下熱環境控制的新型通風降溫技術，該技術能夠有效解決目前通風降溫技術存在的問題，具有設備體積小、移動使用簡便、效率高、抗潮濕粉塵的優點，可顯著改善操作崗位的工作環境和保護員工的健康。

3.1 通風降溫技術組成

井下高溫熱環境通風降溫除塵技術是由潮濕環境除塵機組、除濕機組、制冷機組3個部分組成，其系統圖如圖1所示。該技術將3個機組有機結合，使它們之間合理匹配。

（1）除塵機組。除塵機組是由除塵箱體、大容塵量多褶濾料（包括DV無紡濾料、波紋過濾元件）、風機組成。井下環境中高濃度潮濕粉塵、高溫氣體經過濾料過濾后，井下作業環境中的粉塵濃度能降低到國家規定的標準。且濾料采用多褶結構，既增加過濾面積，也提高容塵量，過濾一段時間后取出清洗后可循壞利用。

（2）除濕機組。除濕機組由熱交換器、風扇、盛水器、機殼、除濕劑、風箱及控制器組成。由風扇將潮濕空氣抽入除濕機內，空氣中的水分在通過熱交換器后冷凝成水珠，空氣干燥后排出機外，不斷循環該過程降低空氣中水分，實現空氣的除濕過程。

（3）制冷機組。壓縮式工業制冷機由壓縮機、空冷器、蒸發器、軸流風機這4個主要部分構成。先向機內水箱注入一定量的水，通過制冷系統將水冷卻，冷卻水通過水泵送入需要冷卻的設備，吸收熱量后冷卻水的溫度升高再流回水箱，通過形成壓縮式冷水循環達到降溫的作用。冷卻水溫可根據要求自動調節，不僅節約用水，還能有效降低設備產生的熱量。

3.2 技術原理

首先，井下潮濕的高溫含塵氣體進入除塵室，在濾料的慣性碰撞、截留、擴散等作用下除去氣流中顆粒物，凈化空氣；凈化后的空氣進入除濕室，當潮濕空氣通過除濕機，根據空氣濕度與溫度變化關系，利用熱交換器將空氣中水分冷凝成水滴，降低空氣中含濕量，達到除濕的目的；干燥后的空氣進入空氣冷卻室，通過蒸發器把熱空氣冷卻后送到作業面達到除濕、降溫的目的，該技術有效地將除塵、除濕、降溫協調統一，工藝流程圖如圖1所示。

3.3 技術特點

本技術綜合了當前地面集中制冷技術與井下局部制冷技術優點，集成設計了移動式通風降溫制冷裝置，相比于其他深井通風降溫技術，具有以下特點：

（1）結構簡單，裝置安裝簡便。其中制冷裝置采用模塊化結構，在井下實行模塊化組合，整個系統實現了除塵、除濕、降溫的有機結合。

（2）制冷量利用率高。因可移動而縮短了輸送距離，沿程能量損失較小，除塵機組產生的動力推進風流運動，制冷機組產生熱量為除濕機組提供動力，實現能量綜合利用，能量有效利用效率達到99%以上。

（3）維修方面。裝置采用模塊化結構，各模塊體積小，可在地面或井下硐室內檢修、維護。

（4）裝置能量循環使用，無復雜的制冷產熱處理系統，效率提高40%以上。

（5）裝置集除塵、降溫、除濕一體化，工藝流程短，效果優良，投資費用低。

4 現場應用測試

4.1 項目概況

為驗證移動式通風降溫制冷裝置功效，選擇在山東省招遠市某金礦二十九中段斜坡道一分段獨頭作業面進行測試。該作業面原有通風方式為：新鮮風流從7號盲豎井到達二十八中段，經斜坡道到二十九中段一分段獨頭作業面，污風排入二十八中段回風巷，然后倒段回風天井，經西風井排出地表。

加入通風降溫系統后，制冷機組主機安裝在7號盲豎井二十八中段東部進風側，距測試作業面150 m處，制冷量為264 kW，電機總功率82 kW。空冷器及2×11 kW局扇風機安裝在通往二十九中段斜坡道上口距主機50 m處；主機與空冷器采用保溫管路連接。機組所需的礦井水由主機西側900 m處的二十八中段一處涌水量為36 m3/h的掘進面臨時水倉提供，用φ108 mm塑料管路加管道泵輸送至機組，再將交換熱量后的礦井水用φ108 mm塑料管排至二十八中段西側300 m處的回風巷水溝內，主機內循環水與冷媒換熱后形成的冷凍水輸送至空冷器，在與局扇風機新鮮風換熱溫度升高后再輸送回主機繼續進行熱交換，完成一個換熱循環。新鮮風換熱后利用φ800 mm阻燃軟風帶送至100 m處的作業面，污風經斜坡道到達二十八中段排入回風巷。現場布置如圖2～圖4所示。

4.2 運行結果分析

獨頭作業面安裝好通風降溫系統，爆破作業2 h后，檢測制冷機組開啟數據，然后制冷機組開啟0.5 h后檢測制冷效果，在相同的檢測地點檢測24 d，檢測參數為二十九中段一分段巷作業面和穿脈口開機前后溫度以及機組內循環水和水包循環水的進出口水溫，降溫機組運行前后數據如表2所示。

結合表2以及圖5～圖8可以看出，在采用制冷機組前一分段巷作業面和穿脈口的平均溫度分別為29.78℃和30.21℃，均大于國家標準規定的最大允許的溫度值（分別為26℃和30℃），采用降溫技術后，作業面和穿口的平均溫度為25.61℃和27.09℃，溫度明顯降低，都滿足了國家標準規定的溫度要求，而機組耗用冷量在190 kW左右，仍有20%～30%的利用空間。另外通過比較水倉外循環水進出機組的溫度以及機組內部出水溫度和返回水溫度可發現，出機組水的溫度遠大于入機水溫，機組制冷過后出水溫度明顯小于送入空冷器后返回水的溫度，說明了制冷機組在制冷的過程進行了熱交換，實現了能量的循環利用，其能量利用率可利用下式計算：

式中，EC、Ef分別為有效制冷量和冷量損失量；EC+Ef為總的能量；ΔT表示進出口溫度差，本設計大約5℃；Δh為進出口高程差；V為出口空氣流速；A為出口面積；CP為空氣比熱容，取1.005 kJ/（kg·K）；ρ為空氣密度，取1.247kg/m3；λ為空氣導熱系數。

根據上述可算出能量利用率大約為97.2%。

5 結論

（1）該移動式新型通風降溫除塵裝置，在克服傳統技術設備體積龐大、制冷散熱系統復雜、移動困難等難題的同時，實現了除塵、除濕、降溫一體化，解決了當前井下通風降溫技術存在的不足。

（2）該技術實現了能量循環利用，能量利用率達到97.2%以上，相比于其他降溫技術效率提高了40%以上。可廣泛用于金屬礦山井下熱環境以及礦山井下峒室（如水泵硐室、空壓機站、破碎硐室）、獨頭巷道作業的降溫除濕，改善井下工人工作環境，提高了勞動生產效率。