1、 浅谈矿井降温技术摘要：本文根据我国高温矿井的热害现状以及危害，提出解决的一般措施和方法，重点阐述人工机械制冷降温的分类，并具体分析了各种降温方式的优缺点和适用范围，从国家节能减排角度，提出矿井地温热能综合利用的前景。关键词：矿井降温 分类 优缺点 热能利用一、我国煤矿热害现状及危害性随着我国煤炭资源开采范围的扩大和开采强度的增加，井工煤矿开采深度不断增加，除内蒙古、新疆以及山西部分地区等近年来新开发的煤炭基地外，许多矿区逐步进入深井开采。据有关统计资料， 80 年我国煤矿平均开采深度为 288m，到 90 年代已达428m，到 2010 年采深超过 1000m 的矿井己有数几十对。因开采深度
2、增加引起的煤矿热害愈来愈引起政府和企业的重视。高温的工作环境会使人感到不舒适，从而降低劳动生产率。另外，高温高湿环境，造成井下机械设备、电气设备事故率增加，影响安全生产和正常工作效率。2005 年以来我国一些生产矿井，由于工作面出现高温问题，使掘进进尺和回采产量减少，以致不能按期完成工作任务，甚至个别工作面出现人员出现中暑昏倒现象。根据煤矿安全规程规定， “生产矿井采掘工作面空气温度不得超过 26，机电设备硐室的空气温度不得超过 30；当空气温度超过时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇。 ”， “采掘工作面的空气温度超过 30、机电设备硐室的空气温度超过 34时，必须停止
3、作业。 ”， “新建、改扩建矿井设计时，必须进行矿井风温预测计算，超温地点必须有制冷降温设计，配齐降温设施。研究矿井降温技术、研发高效节能降温设备，治理矿井热害，保障广大煤矿职工的身心健康，是我国煤炭工业持续健康发展过程中亟待解决的问题之一，也是煤矿管理人员、煤炭科研工作人员贯彻以人为本的思想，以实际行动全面落实科学发展观的重要工作之一。二、产生矿井热害的原因及控制措施根据调查的情况，引发矿井热害和采掘工作面温度较高的主要原因有以下几个方面：（1）受地球内部结构的影响，围岩存在一定的岩温梯度，因而随着开采深度增加，围岩散热不断增加，矿井空气温度上升而导致矿井热害。（2）由于井下出现热水，热水污
4、染矿井空气，造成矿井的热害。（3）风流自压缩热所引起的温升，矿井采深越大，自压缩热越大。（4）矿井机械化程度提高，大功率采掘机械装备及机电设备运转所放出的热量。（5）地表大气传热的影响。降低矿井温度可以采取的措施可以分为两大类，一是非人工冷却井下风流，二是人工机械空调冷却。具体来讲可分为以下几种：1、增加风量在矿井热害不太严重的情况下，可以加大风量以降低井下温度。但是，风量的增加不是无限制的，它受规定的风速和降温成本的制约，且当风量加大到一定程度后其降温作用会逐渐减小直至消失。2、改革通风方式将上行风改为下行风，对降低风温是有益的。3、避开局部热源井下各种局部热源，如机电设备散热、热水散热、矿
5、物氧化放热以及采空区的漏风等都会对风流加热。因此需要分析矿井的热源，有针对性地采取措施减少热量的排放，并使新鲜风流尽量避开这些局部热源，减少热源对风流的加热，以降低风流温度和湿度的上升。4、预冷进风风流采用非机械制冷措施，降低进入工作面的风流温度。如让风流通过一段有喷淋水雾的巷道，将其冷却，该方法可达到降温和降尘的目的，其缺点就是会增加风流的湿度，有可能会导致高湿的作业环境。 另外可以以低岩温巷道冷却风流。采用机械制冷措施，利用安装在井口的水源热泵机组、冷却塔和盘管（冬季供暖防冻） ，夏季预冷矿井进风井风温，降低工作面温度。其缺点是夏季炎热时，工作面降温效果不明显，只有在矿井需冷量小的时候，效
6、果好些。5、隔绝高温围岩当围岩温度很高时，就要采用某些隔热材料喷涂岩壁，防止围岩通过岩壁向巷道中的空气散热，但目前应用较少。6、热水防治热水对风流的加热作用相当显著。治理深井热水主要办法是：超前疏干地下水源，热水输送要经有隔热盖板的水沟或保温管导入水仓，再用隔热管路排至地面。也可打专用的疏排热水的钻孔排出热水。7、采取个体防护在矿内某些气候条件恶劣的地点，可让矿工穿上冷却服，以实现个体保护。8、机械制冷降温，可大致分为以下几种：局部移动式空调机，即在各工作而实施局部制冷的方式；地面集中式或井下的集中式制冷方式，即制冷机安装在地面或井下，冷水经过保温管路送往工作面附近，与移动式热交换器配套，冷却
7、工作面风温。防尘水降温方式，利用安装在地面的低温冷水机组，冷却矿井防水，借助矿井防尘管路，但经过保温处理，与安装在工作面附近的喷淋式空冷器配合，冷却工作面的进风温度。井下水源热泵空调机，利用矿井中温涌水，吸收井下的水源热泵空调机的产生热量，另一侧产生的低温循环水通过保温管，与工作面附近的空气冷却器配合，降低进风风温。矿用空气制冷机，是以冷却的压缩空气为动力，来降低矿井工作面环境温度的设备。但只适应于需冷量较小的掘进工作面。冰冷降温系统，主要原理是利用冰的溶解热，通过冰的溶解把水冷却到接近 3-5，然后把冰冷水送到各工作面。主要设备放置地面，系统由冰的制备、冰的输送和冰的溶解三个主要部分组成。三
8、、矿井机械降温的各种形式及优缺点（一） 、井下局部移动式：优点：简单、灵活，设备管道安装量少，可随采掘工作面需要而移动。缺点：制冷同时有冷量的 1.21.3 倍的冷凝热排放，该热量污染周围环境，甚至热量掺入新进风流。设备体积不能做的太大，故制冷量小，需冷量大的工作面不宜采用。排热采用大气回冷机时，回风流空气较污浊，随着运转时间，回冷机内铜盘管表面结垢严重，会造成无法排热，设备无法运行。若采用矿井涌水排热，排热中途会会释放部分热量，污染新进风流，造成运行费用增加。但因移动方便，对消除局部高温点有突出优越性，因此，在矿井投资生产，高温热害不严重的情况下，用于掘进工作面，能够起到一定效果，目前使用的
9、掘进工作面，平均可降 1.56.6。（二） 、井下集中式：（可分为井下排热和地面排热）1、优点：采用回风流排热，无高压水，不购置高低压换热器。供冷管道短，冷量损失小。回风流排热，降温系统简单，冷量调节方便。回风流排热，地面不设置机房，地面排热，地面机房占地小，故地面土建土建投资小。2、缺点：利用矿井回风流排除冷凝热，需冷量大于 2000kw 时，考虑回风流的温度和湿度饱和，会造成排热困难，故需冷量大的矿井不宜采用。若采用地面排热，需要购置高低压换热器或采用高压冷凝器，一次侧供水压力高，安全性。高低压换热器价格昂贵，初期投资较高，管理维护的工程量较大，另外整体装置很难移动。并且井筒中需要安设两趟
10、大管径制冷管路，设备、管路投资大。井下需开掘大断面设备硐室。对制冷设备要求严，必须取得矿用煤安证。井下设备运输、安装、维修以及管理不方便。井下设备运行环境差，机组本身产生的热量排放受到通风风量和风温的限制，另外机组产生的噪音影响到人员身体健康。制冷设备电功率较大时，会影响到矿井井下供电电网，有时会增加下井电缆投资。由于采用 u 形管方式，底部使用高低压换热器，循环冷水（或热水）中的杂质会沉积到底部，造成高低压换热器高压侧积垢，换热效率会随运行时间增长而降低，影响系统降温效果。井下为多个工作面制冷，各工作面地点管路为并联，并且要求回水，压力调节复杂，有时会造成供冷能量不均匀。（三） 、地面集中式
11、：1、优点：厂房施工、设备安装、维修、管理方便。可购置一般型制冷设备，不需要矿用产品，安全可靠便宜。冷凝热排放方便，不会污染矿井进风风流。冬季能充分利用天然冷源，不需用开启机组，减少电能消耗。无需在井下开凿大断面机电硐室。制冷设备在地面，供电线路短，节约电能损耗。输冷管路布置在进风井和进风巷道中，管道冷损可作为有益冷损。2、缺点：需购置高低压换热装置，安装在井底处，一次侧压力高，安全性要求高。高低压换热器在高压进出水和低压进出水间存在着温度跃迁，一般为 2.8和 3.4，所以未能充分利用制冷站输送出来的冷量，而为了缩小温度跃迁，换热器需要做的很大。高低压换热器价格昂贵，初期投资较高，管理维护的
12、工程量较大，另外整体装置很难移动。地面至井下供冷管道长，冷损大。需在井筒内安设大管径保温管道，冷损大。整个矿井降温系统复杂，调试工作量大。若采用乙二醇载冷剂方式，可将高低压换热器二次侧的出水温度控制在很低。但增大管路冷损，并且乙二醇溶液对管路具有腐蚀，价格较贵。高低压换热器或高压冷凝器积垢严重，换热效率会随运行时间增长而降低，影响系统降温效果。井下为多个工作面制冷，各工作面地点管路为并联，并且要求回水，压力调节复杂，有时会造成供冷能量不均匀。(四)、地面、井下同时设制冷站的联合方式优点：可提高一次载冷剂的回水温度，减少冷损；可减少一次载冷剂的循环量，减少输送载冷剂的管径，输冷管路现场安装简单；
13、可利用一次载冷剂排除井下制冷机的冷凝热。缺点：此降温系统复杂，投资较大，制冷设备安装分散，不便管理维修，同时，还含有部分井下与地面集中式两者的缺点。(五)、防尘水降温方式优点：投资小，地面设备只增加冷水机组、冷却塔、水泵和供配电设备，机房土建规模小。利用地表低温水时可节省大量电费。输冷水管不需要新增，但需要保温处理。井下采用喷淋式空冷器，省掉回水管路安装，节省投资。设备安装、维修简单，运行成本低。下放的低温水可作为整个矿井防尘水用，并且可增加巷道的喷淋装置来冷却进风温度，操作十分方便。不存在压力平衡调整问题。若矿井井下需要的冷水量与防尘水量平衡，不会增加矿井的排水量和排水费用。可利用下放冷水静
14、压，实现远距离的冷水输送，节省供冷水泵投入，减少运行电耗。缺点：浪费大量的水资源，进入井下被污染。当管路的冷水流速较低时，管路的损耗较大。但防尘水管安装在进风巷道中，又可作为有益冷损使进风温度降低。地面制冷水系统会受到井下防尘水消耗量影响，有时调节困难。对于需冷量较大的矿井，下放的冷水量较大，增加了矿井的排水费用，故大于 3000kw 以上的矿不宜采用，但此种降温方式可以通过增加高低压换热器，转化为地面集中式。地面防尘水池保温处理比较困难，并且效果不好。(六)、井下水源热泵空调机优点：与局部降温机基本相同，但增加板式换热器和后水处理后，可利用矿井采区涌水或井底水仓内的中温水排热，系统简单，投资
15、少。缺点：井下水质较差时，板式换热器容易堵塞，影响正常机组排热，维修量大。井下排热，部分热量会污染进风流，致使降温效果不好，造成能量损失，增加运行成本。机组运行热泵工况，设备、管路温度高，要求工作环境高，通风量大。井下涌水量有限，排热有限，故对需冷量较大的矿井不适用。(六)、矿用空气制冷机优点：设备简单，体积小、重量轻、安装维护方便。以压缩空气为动力，不需要电，不会产生静电和机械火花，无防爆问题，安全性好。 压缩空气来源不受限制，既可以来自矿井压缩空气供气系统，也可与专用的井下防爆空压机配套，无污染。制冷速度快，制冷量的大小可进行无级调节； 排热用水直排井下水沟或水仓。缺点：制冷小，单台制冷量
16、不大于 50kw，只适用于需冷量小的掘进工作面。压缩空气的过程会产生空气压缩热，若在井下会污染进风温度，增加电耗。附属设备较多，在压缩机在井下使用，需要经常清理过滤器。维护量大。制冷能效比较小。（七） 、冰冷降温系统优点：可充分利用水的融解热，在输送同样冷量时，冰的输送量为水的 1/41/6。因此，可选用较小的管径，动力消耗亦小，在进风井筒中安设保温输冰管即可实现输冰。南非输冰管路采用 pvc管路，重量较轻。地面至井底输冰为开式系统；井底不要安设藕合装置或高低压换热器。井底采用特殊的防堵装置，能够安全将地面片冰输送至融冰池，正常输冰管不存在高压，安全性高。片冰落到融冰池内，与工作面回水直接接触
17、，能够充分热交换，传热效率较高，不像高低压换热器存在铜管，影响传热效率。下放的片冰融化后可用于井下防尘喷雾，减少地面防尘水的消耗量，不必再通过排水泵排到地面。冰具有蓄冷功能，在制冷、制冰机停运后，融冰池内形成低温水，即冰水混合物 13，仍可继续循环一段时间供冷。也可单独用保温冰车或冰袋，将冰送至采掘工作面进风侧融化降温。制冰设备对水质要求不高，采用矿井水处理后的中性水即可，取水水源可很方便解决。只需在排热循环水系统中增加软化水装置。缺点：能耗比小，运行电耗大，相比同制冷量的冷水系统，耗电量增加 1/3。地面制冰、输冰设备和立井保温输冰管路为开式系统，部分冷量被进风流吸收，形成中途冷损，部分虽为
18、有益冷损，但冷损较大，影响井下融冰池混合水温。采用片冰，相比冷水温度低，故中间冷损较大。地面长距离输冰设备技术不够成熟，相比冷水系统管路输水事故率较高。地面制冰设备体积较大，供电负荷大，故地面机房土建投资高，电气设备多，投资多。辅机设备多，相互关联，长时间运转，一台出现故障会影响整个制冰系统正常运转。系统庞大，充注氟利昂较多，加之系统阀门较多，维护不及时，漏点多，每年加氟量大，年维护费用高。冬季运转，不能利用环境温度减少电能消耗，每年耗电量大。输冰管不能兼用矿井防尘管，而地面集中式或防尘水降温方式可以共用。不能利用下放片冰的自然静压实现远距离输送。以上几种矿井降温方式各存在优缺点，地面集中式、
19、井下集中式、冰冷降温系统，系统较复杂，初期投资大，安装维修工程量大，适应于制冷量大于 5000kw 以上的大型矿井降温，其他矿井降温方式适应于需冷量在 3000kw 的一些小型生产矿井。就投资而言，投资较少时应选择局部移动式机、水源热泵空调机、矿用空气制冷机， ，并且它具有移动方便，安装维修简单等优点，对于矿井个别高温地点，能够很好解决现场热害问题。但设备应选择具有矿用安全标志的产品，并且单位制冷量的投资较高。中等投资选择防尘水降温方式，具有施工期的优点，并且可以增加二期工程，新增高低压换热器和一趟输冷水管，转化为地面集中式。投资较大的可采用地面集中式、井下集中式或冰冷降温系统，但可采取分期实施。但对于每个矿井的现场情况不一样，应根据矿井具体情况进行技术经济性比较，选择适用于本矿井最优的一种降温方式。另外，各大煤矿科研机构对高温矿井热害治理技术与设备，还处于研究试验阶段，没有确定哪种降温方式、降温设备是最节能、最可行的、可以推广的技术。另外，随着水源热泵的推广，低品位热能的成功应用，矿井涌水和矿井回风余热用于地面井口供暖和洗浴等，今后相信一定会实现深井地温热能的综合利用，既改善了井下的工作环境，又能将井下的热能用于地面供热。
