南非某礦山深井制冷初探

申志妍

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 引言

隨著世界經濟的發展，礦產資源的需求量越來越大，地表及淺層礦體資源品位逐步降低甚至枯竭，使礦山的開采向深部的延伸逐漸成為金屬礦山開采的一個重要趨勢。礦山深部開采過程中，高溫高濕的熱害問題越來越凸顯。當礦體埋藏深度達到1500 m時，溫度將達到36℃～50℃，甚至更高。熱害的控制成了深井礦山開采亟待解決的問題，目前較為常用的方式是加大井下通風量。然而，隨著礦井開采深度的增加，加大井下通風量越來越困難。近年來井下制冷降溫慢慢進入了人們的視野。目前，深井金屬礦山制冷在國內外的應用還不夠普遍，國內主要有銅陵有色冬瓜山銅礦的金屬礦山集中制冷降溫系統，招金礦業夏甸金礦的制冷降溫系統等。在國外，深井制冷在南非有一些應用先例。本文主要對南非某金礦的深井制冷進行一些探討。

1 礦井概況

該礦井位于南非東部低山丘陵地區，是一座金礦。該礦區已有一百多年的開采歷史，由于多年的開采，該地區的采金業正在逐年減產，礦體的開采也逐漸向深部延伸。該礦井于 1986年開始開采，1998年由于種種原因被關停，原主豎井深度為1375 m。目前擬重新啟動該項目，由于淺層礦體資源已開采殆盡，主豎井開采深度將繼續向深部拓展。隨著礦井開采深度的增加，井下溫度升高，勢必會影響操作人員的健康及安全生產，因此，需要設置降溫制冷系統。

2 井下熱源

井下熱源主要由以下幾部分組成：井下巖壁放熱；自壓熱；開采及巖石破碎產生的熱量；井下設備散熱等，例如鉆機、水泵、風機、照明、地下水以及人員等產生的熱量。

在礦井早期的開采過程中，利用井下通風即可消除余熱。當礦井深度繼續向下拓展時，需要啟動深井制冷系統。

3 深井制冷系統方案

本方案包括地表集中制冷系統和地下局部制冷系統2部分。井下所需的制冷量隨著礦井使用年限的增加而逐步增長。地表集中制冷系統用于滿足礦井壽命周期內的冷負荷。但是，對于井下部分風流遠端巷道以及發熱量大的工作面，通過保溫管道將地面制冷站制得的冷凍水送至地下相應位置供給空氣冷卻器運行，或者在地表將冷風溫度進一步降低并送至井下，這些工程的造價過高。對于這些極端部位，可通過地下局部制冷系統進行二次降溫。

3.1 地表集中制冷系統

地表集中制冷系統的組成為：冷凍水系統+冷卻水系統+補水系統。地表集中制冷機房設置在進風豎井附近，冷凍機、水泵、水處理設施等置于制冷機房內。冷卻塔放置在室外?？諝饫鋮s器設置在進風豎井井口處。各設備通過管道連接在一起，系統工作流程敘述如下。

冷凍水系統：冷凍機制得的冷凍水，水溫為4℃，送至地表空氣冷卻器，到達地表空氣冷卻器的水溫會升高5%～10%，在地表空氣冷卻器內通過噴淋，將室外空氣冷卻，該部分經過冷卻的低溫空氣與部分室外未經冷卻的空氣混合后，送至井筒內。經過噴淋過程后的水溫升高至11℃，回到冷凍機內重新制取低溫冷凍水。在空氣冷卻器的出口處，設汽水分離器，將夾帶的水重新送回空氣冷卻器底部的水池。

冷卻水系統：冷凍機出口的高溫水，水溫為36℃，進入開式冷卻塔，在冷卻塔內冷卻后，水溫降至28℃，再回到冷凍機。冷卻塔進風溫度為28℃dB/18℃WB。

補水系統：冷卻塔的冷卻水由于蒸發、飄散等原因，會有一定損失，冷卻塔需要補水。此外，空氣冷卻器內，由于空氣從噴淋室流過，會形成一部分凝結水落入空氣冷卻器底部，故空氣冷卻器內的水量會增加，空氣冷卻器與冷卻塔之間有一根連通管，該管道可將空氣冷卻器內多余的水送回冷卻塔繼續使用。地表制冷系統流程如圖1所示。

3.2 地下局部制冷系統

與地表集中制冷系統類似，地下局部制冷系統也由冷凍水系統、冷卻水系統、補水系統3部分組成。

但是，地下局部制冷系統的所有設備需要放置在井下開鑿的設備硐室內，硐室的開鑿費用將會遠遠高于地表制冷機房的建設費用。另外，由于該礦井內涌水水質較差，如果直接用于制冷系統的補水，將會對制冷機的壽命產生嚴重的影響，地下制冷系統需要配備化學水處理裝置，對制冷系統所需的補水進行預處理，以保證補水不會造成冷凍機盤管的嚴重結垢等。地下制冷系統如圖2所示。

圖1 地表制冷系統

圖2 地下制冷系統流程

4 結論

（1）隨著開采的進行，礦井不斷向深部延伸，井下需要的制冷量隨著礦井的延伸而逐漸增加。在設置地表集中制冷系統時，應充分考慮礦井的開采情況，合理設計系統中各設備的容量，避免造成前期設備的能力過大以及后期設備的容量不足等情況。

（2）本設計方案中，地表集中制冷系統的送風量與井下通風量密切相關。制冷設備的計算及選型應充分考慮該因素。

（3）地下局部制冷系統的投資及建設復雜程度遠高于地表集中制冷系統。本設計中，以地表集中制冷系統為主，地下局部制冷系統為輔。

（4）礦區生產水水質較差，作為制冷系統補水的水源時，對冷凍機等設備的壽命影響較大。