新型礦井通風(fēng)降溫技術(shù)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(tuán)有限公司深井開采實驗室，山東 萊州 261400；2.安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000；3.山東中礦集團(tuán)有限公司，山東 招遠(yuǎn) 265400）

隨著工業(yè)化進(jìn)程的突飛猛進(jìn)，我國的礦產(chǎn)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(yè)原材料、以及70%以上的農(nóng)業(yè)資源均來源于礦產(chǎn)資源［1］。由于需求量的逐年攀升，淺部易開采的礦產(chǎn)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(fā)的重點(diǎn)。初步統(tǒng)計，“十三五”期間我國有近50座金屬礦山進(jìn)入地下1 000 m以下開采，預(yù)計今后10～20 a，將有近一半的金屬礦山進(jìn)入1 000～2 000 m深度開采。隨著開采的深度以及采掘機(jī)械化程度加深，礦井熱害問題日益突出，對采礦業(yè)的生產(chǎn)效率以及施工安全產(chǎn)生重大影響，已成為礦井生產(chǎn)過程中急需解決的重大難題，本文通過對礦井熱害現(xiàn)狀、產(chǎn)生因素以及前人的研究成果進(jìn)行分析，提出了一種新型礦井通風(fēng)降溫技術(shù)，并在山東省招遠(yuǎn)市某金礦二十九中段斜坡道一分段獨(dú)頭作業(yè)面進(jìn)行了測試。

1 礦井熱害現(xiàn)狀

礦井熱害是礦井深部開發(fā)過程中，溫度升高導(dǎo)致礦井內(nèi)熱環(huán)境惡化，從而引起一系列環(huán)境和安全問題。根據(jù)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(jù)此推算，開采深度在1 000～2 000 m深度資源時，工作環(huán)境巖石溫度將達(dá)到40～50℃。我國向深部開采的平均速度達(dá)到8～12 m/a，東部開采速度最快達(dá)到10～25 m/a［2］。目前，部分金屬礦山井下環(huán)境溫度已經(jīng)出現(xiàn)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(dá)到70℃，如表1所示［3］。

井下高溫、高濕的作業(yè)環(huán)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(jīng)性疾病等）、生產(chǎn)效率下降、事故發(fā)生率增加、機(jī)械設(shè)備壽命縮短等。長時間在井下高溫、高濕環(huán)境下工作的工人，會破壞人體的產(chǎn)熱和散熱之間的平衡，從而導(dǎo)致人體不舒適反應(yīng)，礦井熱環(huán)境溫度過高會使人體溫度自動調(diào)節(jié)功能紊亂，容易出現(xiàn)胸悶、頭昏、乏力、呼吸不暢、注意力分散、反應(yīng)遲緩等癥狀，嚴(yán)重的甚至?xí)斐伤劳?。?jù)前蘇聯(lián)和德國調(diào)研資料介紹，礦內(nèi)作業(yè)環(huán)境的氣溫超標(biāo)1℃，勞動生產(chǎn)率則下降6%～8%；當(dāng)氣溫超過28℃時，事故發(fā)生率將增長20%［4］，我國《煤礦安全規(guī)程》第101條規(guī)定“采掘工作面的空氣溫度超過30℃，必須停止作業(yè)”［5］。深部高溫問題直接制約我國深部資源的有效開發(fā)利用，研究高溫礦井環(huán)境控制技術(shù)與設(shè)備對保證我國礦產(chǎn)資源持續(xù)穩(wěn)定的供應(yīng)起著至關(guān)重要的作用。

2 礦井熱害形成因素及治理現(xiàn)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(jī)電設(shè)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(fā)生熱交換，傳入風(fēng)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(jìn)行熱交換，使礦井溫度升高。

（2）空氣自壓縮放熱：井下風(fēng)流形成的空氣柱壓力，在向井下流動過程中位能不斷轉(zhuǎn)化成焓，焓增時會吸收熱量使井下風(fēng)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(fā)吸熱以及圍巖散熱會消耗一部分自壓縮產(chǎn)生的焓增，井下風(fēng)流的溫度會隨著季節(jié)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(guān)［8］。水溫、水量越大，井下溫度就越高，當(dāng)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(shù)，其大小與管道的內(nèi)徑、外徑以及材料的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)；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(fēng)流的平均溫度。

（4）機(jī)電設(shè)備放熱：隨著礦井開采規(guī)模的不斷增大，井下的裝機(jī)數(shù)量不斷增多，礦井機(jī)械化水平不斷提高，機(jī)電設(shè)備產(chǎn)熱已經(jīng)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(jìn)機(jī)械設(shè)備放熱，如采礦機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、混凝土噴射機(jī)、破碎機(jī)；②提升運(yùn)輸設(shè)備的放熱，如卡車、輸運(yùn)機(jī)、提升機(jī)等；③其他設(shè)備的放熱，如電動機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)、燈具等。這些機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行過程中散發(fā)的熱量進(jìn)入風(fēng)流中，使得設(shè)備所在的局部區(qū)域風(fēng)流溫度會快速升高。

礦山通風(fēng)由于過程比較漫長，在進(jìn)風(fēng)段和用風(fēng)段的熱源存在差異，進(jìn)風(fēng)段主要由空氣自壓縮產(chǎn)熱和圍巖放熱這兩種熱源產(chǎn)熱，其中空氣自壓縮產(chǎn)熱占主要部分，用風(fēng)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(fēng)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(xiàn)狀

礦井制冷技術(shù)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(shù)降低深井溫度，而非人工制冷技術(shù)主要通過增大通風(fēng)量或優(yōu)化通風(fēng)方式、控制熱源散熱以及將風(fēng)流冷卻后再通入井等方式達(dá)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(shù)，其中以井下集中式空調(diào)系統(tǒng)、人工制冰空調(diào)、壓縮空氣制冷以及熱電冷聯(lián)產(chǎn)空調(diào)降溫等技術(shù)為代表［12］，這些降溫技術(shù)雖然在一定程度上降低了井內(nèi)溫度，但由于這些技術(shù)普遍存在設(shè)備體積龐大、制冷散熱量處理機(jī)構(gòu)復(fù)雜、移動困難，降溫設(shè)備一般只能固定在井下的某一位置，輸送冷風(fēng)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(fēng)降溫技術(shù)

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

3.1 通風(fēng)降溫技術(shù)組成

井下高溫?zé)岘h(huán)境通風(fēng)降溫除塵技術(shù)是由潮濕環(huán)境除塵機(jī)組、除濕機(jī)組、制冷機(jī)組3個部分組成，其系統(tǒng)圖如圖1所示。該技術(shù)將3個機(jī)組有機(jī)結(jié)合，使它們之間合理匹配。

（1）除塵機(jī)組。除塵機(jī)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(fēng)機(jī)組成。井下環(huán)境中高濃度潮濕粉塵、高溫氣體經(jīng)過濾料過濾后，井下作業(yè)環(huán)境中的粉塵濃度能降低到國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。且濾料采用多褶結(jié)構(gòu)，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(jī)組。除濕機(jī)組由熱交換器、風(fēng)扇、盛水器、機(jī)殼、除濕劑、風(fēng)箱及控制器組成。由風(fēng)扇將潮濕空氣抽入除濕機(jī)內(nèi)，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(jī)外，不斷循環(huán)該過程降低空氣中水分，實現(xiàn)空氣的除濕過程。

（3）制冷機(jī)組。壓縮式工業(yè)制冷機(jī)由壓縮機(jī)、空冷器、蒸發(fā)器、軸流風(fēng)機(jī)這4個主要部分構(gòu)成。先向機(jī)內(nèi)水箱注入一定量的水，通過制冷系統(tǒng)將水冷卻，冷卻水通過水泵送入需要冷卻的設(shè)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(huán)達(dá)到降溫的作用。冷卻水溫可根據(jù)要求自動調(diào)節(jié)，不僅節(jié)約用水，還能有效降低設(shè)備產(chǎn)生的熱量。

3.2 技術(shù)原理

首先，井下潮濕的高溫含塵氣體進(jìn)入除塵室，在濾料的慣性碰撞、截留、擴(kuò)散等作用下除去氣流中顆粒物，凈化空氣；凈化后的空氣進(jìn)入除濕室，當(dāng)潮濕空氣通過除濕機(jī)，根據(jù)空氣濕度與溫度變化關(guān)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(dá)到除濕的目的；干燥后的空氣進(jìn)入空氣冷卻室，通過蒸發(fā)器把熱空氣冷卻后送到作業(yè)面達(dá)到除濕、降溫的目的，該技術(shù)有效地將除塵、除濕、降溫協(xié)調(diào)統(tǒng)一，工藝流程圖如圖1所示。

3.3 技術(shù)特點(diǎn)

本技術(shù)綜合了當(dāng)前地面集中制冷技術(shù)與井下局部制冷技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，集成設(shè)計了移動式通風(fēng)降溫制冷裝置，相比于其他深井通風(fēng)降溫技術(shù)，具有以下特點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)簡單，裝置安裝簡便。其中制冷裝置采用模塊化結(jié)構(gòu)，在井下實行模塊化組合，整個系統(tǒng)實現(xiàn)了除塵、除濕、降溫的有機(jī)結(jié)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(jī)組產(chǎn)生的動力推進(jìn)風(fēng)流運(yùn)動，制冷機(jī)組產(chǎn)生熱量為除濕機(jī)組提供動力，實現(xiàn)能量綜合利用，能量有效利用效率達(dá)到99%以上。

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

（4）裝置能量循環(huán)使用，無復(fù)雜的制冷產(chǎn)熱處理系統(tǒng)，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(yōu)良，投資費(fèi)用低。

4 現(xiàn)場應(yīng)用測試

4.1 項目概況

為驗證移動式通風(fēng)降溫制冷裝置功效，選擇在山東省招遠(yuǎn)市某金礦二十九中段斜坡道一分段獨(dú)頭作業(yè)面進(jìn)行測試。該作業(yè)面原有通風(fēng)方式為：新鮮風(fēng)流從7號盲豎井到達(dá)二十八中段，經(jīng)斜坡道到二十九中段一分段獨(dú)頭作業(yè)面，污風(fēng)排入二十八中段回風(fēng)巷，然后倒段回風(fēng)天井，經(jīng)西風(fēng)井排出地表。

加入通風(fēng)降溫系統(tǒng)后，制冷機(jī)組主機(jī)安裝在7號盲豎井二十八中段東部進(jìn)風(fēng)側(cè)，距測試作業(yè)面150 m處，制冷量為264 kW，電機(jī)總功率82 kW?？绽淦骷?×11 kW局扇風(fēng)機(jī)安裝在通往二十九中段斜坡道上口距主機(jī)50 m處；主機(jī)與空冷器采用保溫管路連接。機(jī)組所需的礦井水由主機(jī)西側(cè)900 m處的二十八中段一處涌水量為36 m3/h的掘進(jìn)面臨時水倉提供，用φ108 mm塑料管路加管道泵輸送至機(jī)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(cè)300 m處的回風(fēng)巷水溝內(nèi)，主機(jī)內(nèi)循環(huán)水與冷媒換熱后形成的冷凍水輸送至空冷器，在與局扇風(fēng)機(jī)新鮮風(fēng)換熱溫度升高后再輸送回主機(jī)繼續(xù)進(jìn)行熱交換，完成一個換熱循環(huán)。新鮮風(fēng)換熱后利用φ800 mm阻燃軟風(fēng)帶送至100 m處的作業(yè)面，污風(fēng)經(jīng)斜坡道到達(dá)二十八中段排入回風(fēng)巷?，F(xiàn)場布置如圖2～圖4所示。

4.2 運(yùn)行結(jié)果分析

獨(dú)頭作業(yè)面安裝好通風(fēng)降溫系統(tǒng)，爆破作業(yè)2 h后，檢測制冷機(jī)組開啟數(shù)據(jù)，然后制冷機(jī)組開啟0.5 h后檢測制冷效果，在相同的檢測地點(diǎn)檢測24 d，檢測參數(shù)為二十九中段一分段巷作業(yè)面和穿脈口開機(jī)前后溫度以及機(jī)組內(nèi)循環(huán)水和水包循環(huán)水的進(jìn)出口水溫，降溫機(jī)組運(yùn)行前后數(shù)據(jù)如表2所示。

結(jié)合表2以及圖5～圖8可以看出，在采用制冷機(jī)組前一分段巷作業(yè)面和穿脈口的平均溫度分別為29.78℃和30.21℃，均大于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大允許的溫度值（分別為26℃和30℃），采用降溫技術(shù)后，作業(yè)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度要求，而機(jī)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(huán)水進(jìn)出機(jī)組的溫度以及機(jī)組內(nèi)部出水溫度和返回水溫度可發(fā)現(xiàn)，出機(jī)組水的溫度遠(yuǎn)大于入機(jī)水溫，機(jī)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(jī)組在制冷的過程進(jìn)行了熱交換，實現(xiàn)了能量的循環(huán)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(jìn)出口溫度差，本設(shè)計大約5℃；Δh為進(jìn)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(dǎo)熱系數(shù)。

根據(jù)上述可算出能量利用率大約為97.2%。

5 結(jié)論

（1）該移動式新型通風(fēng)降溫除塵裝置，在克服傳統(tǒng)技術(shù)設(shè)備體積龐大、制冷散熱系統(tǒng)復(fù)雜、移動困難等難題的同時，實現(xiàn)了除塵、除濕、降溫一體化，解決了當(dāng)前井下通風(fēng)降溫技術(shù)存在的不足。

（2）該技術(shù)實現(xiàn)了能量循環(huán)利用，能量利用率達(dá)到97.2%以上，相比于其他降溫技術(shù)效率提高了40%以上?？蓮V泛用于金屬礦山井下熱環(huán)境以及礦山井下峒室（如水泵硐室、空壓機(jī)站、破碎硐室）、獨(dú)頭巷道作業(yè)的降溫除濕，改善井下工人工作環(huán)境，提高了勞動生產(chǎn)效率。