局部制冷降溫技術在三山島金礦深部巷道掘進中的應用

程力

摘要：針對三山島金礦深部-1 140 m水平巷道掘進通風不暢導致的高溫熱害現象，結合井下生產情況，充分利用現有條件，通過計算局部制冷降溫系統所需冷負荷，并綜合考慮制冷機組、散熱裝置相對位置（井下-1 140 m水平）及冷凝熱排放途徑（水倉低溫涌水）等，設計出適合于井下-1 140 m水平生產、通風條件的井下集中式制冷降溫，井下水倉涌水排放冷凝熱的人工制冷降溫方案并進行了試運行。試運行期間，周圍環境溫度降至32 ℃左右，作業環境溫度得到明顯改善。局部制冷降溫技術為礦山深部開采集中式制冷降溫系統的遠景規劃提供了工程經驗，也為類似工程提供了參考。

關鍵詞：深部開采;局部制冷;冷負荷;冷凝熱;空冷器

引 言

山東黃金礦業（萊州）有限公司三山島金礦（下稱“三山島金礦”）地處山東省黃藍戰略核心區萊州灣畔，是國內唯一一座瀕海地下礦山，設計生產規模達到8 000 t/d。根據有關研究測定，三山島金礦地溫梯度2.2 ℃/100 m。隨著采礦工作面逐步向深部發展，目前西山礦區-1 140 m水平巷道圍巖溫度約為52 ℃，涌水溫度約為50 ℃。礦井通風及降溫研究資料表明，當開采深度及空氣溫度達到一定極限[1-2]，單純采用加大風量、加速空氣流動換熱的單一通風模式解決深部高溫熱害問題，其通風降溫收效甚微，人工（機械）制冷降溫將成為深部礦山高溫熱害治理的必然選擇[3-8]。

本次局部制冷降溫技術緊密結合三山島金礦井下生產情況，充分利用現有條件，擬定在-1 140 m水平3個掘進作業面開展局部制冷降溫工程實踐，確定制冷系統機組需冷量，設計制冷降溫技術方案，通過人工制冷降溫措施降低掘進施工作業時的環境溫度，為礦山深部開采集中式制冷降溫系統的遠景規劃提供工程經驗。

1 工程背景

三山島金礦西山礦區采用明豎井+盲豎井+斜坡道聯合開拓方式，上向水平分層充填采礦法，鑿巖臺車鑿巖，鏟運機出礦，分級尾砂充填。目前主要生產采場位于-960 m中段以上，開拓中段位于-1 140 m水平。深部通風采用機械抽出式通風方式，中央兩翼對角式通風系統。新鮮風流經進風井、主斜坡道、北措施斜坡道、盲混合井、1620勘探線管纜井和1860勘探線管纜井進入井下各中（分）段，洗刷作業面后，污風由行人通風天井匯入中段回風巷，經盲通風井、深部南回風井、1960勘探線回風井及倒段風井回風至各回風中段，最終經新南風井、老南風井、新北風井、北風井排至地表。

2 工作面冷負荷計算

根據三山島金礦-1 140 m水平采掘工作面分布情況，并結合GB 50830—2013 《冶金礦山采礦設計規范》第8.8.4條規定：高溫礦井采掘工作面風速可取0.5～1.0 m/s，在冷負荷計算中，取0.75 m/s，并假設末端換熱器在冷-熱交換過程中實際換熱風量取通風系統風量60 %，通風系統平均每個掘進工作面需風量約8 m3/s，采用人工制冷降溫系統后，每個掘進工作面制冷風量約4.8 m3/s，井下-1 140 m水平3個掘進工作面同時作業總制冷風量約14.4 m3/s。目前掘進工作面進風實測空氣溫度為35 ℃～40 ℃，相對濕度98 %。

3 制冷降溫技術方案

根據三山島金礦井下生產條件，尤其是礦井通風系統狀況及制冷換熱后熱量排放方式、途徑，井下水源、水質條件對制冷方案的限制等因素，結合國內外類似礦山人工制冷降溫設計施工經驗及有關礦山制冷設備廠家產品性能，決定采用井下集中式制冷降溫，井下水倉涌水排放冷凝熱的制冷降溫系統方案。

3.1 制冷系統組成及設備布置

該方案在井下-1 140 m水平集中布置制冷機組，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。制冷機組布置在靠近水倉區域的硐室內，空冷器布置在靠近工作面的掘進巷道內，冷風通過風筒輸送至掘進工作面，空冷器隨著掘進的推進向前移動。

3.2 制冷原理及冷凝熱排放途徑

井下水倉相當于一個“天然冷卻塔”，制冷機組的冷凝器中制冷劑與冷卻水熱交換，將冷凝熱釋放在冷卻水中，利用井下水倉的低溫涌水，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-1 140 m 水平水倉（水溫40 ℃）中，通過水倉的低溫水源吸熱，吸熱后的水倉水通過排水系統排走，地表采取一定的措施處理后可用于供暖。因此，其也稱之為水源熱泵，而被冷卻的冷卻水再次進入制冷機組冷凝器進行換熱。

因此，礦山井下水倉低溫涌水具備冷凝熱排放（稀釋散熱）條件，可作為井下降溫方案優選條件。

3.3 制冷系統布置要求

由于受F3斷層附近熱水影響，-1 140 m水平有一段熱水區域，其環境溫度達50 ℃，因此決定采用固定式水冷機組+移動式空冷器+局部通風結合的掘進工作面制冷降溫方案。

局部制冷機組采用相對固定式，壓縮機、蒸發器組成一個整體，散熱器單獨為一個整體。末端增加一套冷凍水循環，且空冷器隨工作面推進進行移動，并延長冷凍水管路。由于冷凍水管路阻力隨長度的增加逐漸增加，因此要求冷凍水泵運行工況采用變頻技術調控。

3.4 制冷降溫系統

根據制冷降溫系統要求，設計井下集中式制冷降溫，井下水倉涌水排放冷凝熱的方案，結構示意圖和原理示意圖分別見圖2、圖3。

3.5 主要設備材料

根據-1 140 m水平掘進工作面局部降溫服務范圍及工作面總需冷量，結合設備防腐等要求，系統主要設備材料見表1。

3.6 制冷機組模塊化組合及應用

制冷降溫系統涉及到地溫地熱、水文地質、采礦、通風、設備、成本、管理等多方面因素。系統投入運行后，應以一個作業點為基本單元，通過下列途徑實現制冷設備多個作業地點模塊化組合。

1）制冷機組“化整為四”。制冷機組選用8臺壓縮機，每2臺壓縮機為一組合，對應1個鈦合金殼管式換熱器、1臺板式蒸發器，整個主機形成4個單元組合，可同時運行，也可單個運行。在實際工作中根據需要可任意開啟一個單元組合，壓縮機工作模式為25 %、50 %、75 %及100 %，可大量節約運行費用。

2）空冷器+軸流風機“靈活組合”。空冷器+軸流風機設計為6臺，單臺制冷量為150 kW，風機為2×11 kW，送風量為4 m3/s。6臺空冷器+軸流風機可以任意組合布置，滿足不同采掘作業面要求。

3）冷凍水泵采用變頻控制。根據作業實際情況調節水量，減少能耗，4臺冷凍水泵對應4個主機單元組合，可滿足不同要求。

4）針對-1 140 m水平熱水段作業面熱害明顯區域，可分配多臺空冷器對該處聯合降溫;對作業面斷面小，環境溫度偏低的區域，可按實際情況分配空冷器進行降溫。

5）制冷系統可通過延長冷凍水管、增加冷凍水泵服務相鄰作業中段降溫，供冷區域可選擇性高，適合井下供給多個工作面的人工制冷降溫。

4 工程應用

三山島金礦西山礦區-1 140 m水平巷道圍巖溫度約為52 ℃，涌水溫度約為50 ℃，環境溫度37 ℃左右，相對濕度90 %左右。為改善井下作業環境，降溫設計范圍是-1 140 m水平3個掘進作業面（最終作業面距離制冷機組約2 000 m），礦區-1 140 m水平制冷降溫系統布置見圖4。

根據設計方案，建立了西山礦區-1 140 m水平巷道掘進集中式制冷降溫系統，經現場試運行4個單元組合中的1個，周圍環境溫度降至32 ℃左右，作業環境溫度得到明顯改善。但是考慮系統設備所處環境存在高含鹽量鹵水，氯離子質量濃度高達24 000 mg/L，為保障系統的長期運行，目前正對系統進行防腐措施設計，待防腐措施工程完成后，將進行系統的正式運行。

5 結 語

局部制冷降溫系統方案設計緊密結合三山島金礦西山礦區井下-1 140 m水平生產條件，計算空氣經過作業點后的焓值變化量和需冷量（冷負荷），設計了適合于井下-1 140 m水平生產、通風條件的井下集中式制冷降溫，井下水倉涌水排放冷凝熱的制冷降溫系統方案。為保證系統正常使用，在做好防腐措施的同時，仍須注意3點：一是水倉冷水源保證得到及時更新，熱水能及時通過水泵排至地表;二是建立水倉監控系統，隨時了解井下流入水倉的涌水水質、水溫、涌水量;三是主機進水側設計1臺除砂器，在除砂器出水口，主機進水口之間安裝水處理器，避免冷凝器出現結垢現象，影響正常使用。

[參 考 文 獻]

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