申志妍

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，礦產(chǎn)資源的需求量越來(lái)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(kāi)采向深部的延伸逐漸成為金屬礦山開(kāi)采的一個(gè)重要趨勢(shì)。礦山深部開(kāi)采過(guò)程中，高溫高濕的熱害問(wèn)題越來(lái)越凸顯。當(dāng)?shù)V體埋藏深度達(dá)到1500 m時(shí)，溫度將達(dá)到36℃～50℃，甚至更高。熱害的控制成了深井礦山開(kāi)采亟待解決的問(wèn)題，目前較為常用的方式是加大井下通風(fēng)量。然而，隨著礦井開(kāi)采深度的增加，加大井下通風(fēng)量越來(lái)越困難。近年來(lái)井下制冷降溫慢慢進(jìn)入了人們的視野。目前，深井金屬礦山制冷在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用還不夠普遍，國(guó)內(nèi)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(tǒng)，招金礦業(yè)夏甸金礦的制冷降溫系統(tǒng)等。在國(guó)外，深井制冷在南非有一些應(yīng)用先例。本文主要對(duì)南非某金礦的深井制冷進(jìn)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(qū)，是一座金礦。該礦區(qū)已有一百多年的開(kāi)采歷史，由于多年的開(kāi)采，該地區(qū)的采金業(yè)正在逐年減產(chǎn)，礦體的開(kāi)采也逐漸向深部延伸。該礦井于 1986年開(kāi)始開(kāi)采，1998年由于種種原因被關(guān)停，原主豎井深度為1375 m。目前擬重新啟動(dòng)該項(xiàng)目，由于淺層礦體資源已開(kāi)采殆盡，主豎井開(kāi)采深度將繼續(xù)向深部拓展。隨著礦井開(kāi)采深度的增加，井下溫度升高，勢(shì)必會(huì)影響操作人員的健康及安全生產(chǎn)，因此，需要設(shè)置降溫制冷系統(tǒng)。

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(kāi)采及巖石破碎產(chǎn)生的熱量；井下設(shè)備散熱等，例如鉆機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)、照明、地下水以及人員等產(chǎn)生的熱量。

在礦井早期的開(kāi)采過(guò)程中，利用井下通風(fēng)即可消除余熱。當(dāng)?shù)V井深度繼續(xù)向下拓展時(shí)，需要啟動(dòng)深井制冷系統(tǒng)。

3 深井制冷系統(tǒng)方案

本方案包括地表集中制冷系統(tǒng)和地下局部制冷系統(tǒng)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(zhǎng)。地表集中制冷系統(tǒng)用于滿(mǎn)足礦井壽命周期內(nèi)的冷負(fù)荷。但是，對(duì)于井下部分風(fēng)流遠(yuǎn)端巷道以及發(fā)熱量大的工作面，通過(guò)保溫管道將地面制冷站制得的冷凍水送至地下相應(yīng)位置供給空氣冷卻器運(yùn)行，或者在地表將冷風(fēng)溫度進(jìn)一步降低并送至井下，這些工程的造價(jià)過(guò)高。對(duì)于這些極端部位，可通過(guò)地下局部制冷系統(tǒng)進(jìn)行二次降溫。

3.1 地表集中制冷系統(tǒng)

地表集中制冷系統(tǒng)的組成為：冷凍水系統(tǒng)+冷卻水系統(tǒng)+補(bǔ)水系統(tǒng)。地表集中制冷機(jī)房設(shè)置在進(jìn)風(fēng)豎井附近，冷凍機(jī)、水泵、水處理設(shè)施等置于制冷機(jī)房?jī)?nèi)。冷卻塔放置在室外?？諝饫鋮s器設(shè)置在進(jìn)風(fēng)豎井井口處。各設(shè)備通過(guò)管道連接在一起，系統(tǒng)工作流程敘述如下。

冷凍水系統(tǒng)：冷凍機(jī)制得的冷凍水，水溫為4℃，送至地表空氣冷卻器，到達(dá)地表空氣冷卻器的水溫會(huì)升高5%～10%，在地表空氣冷卻器內(nèi)通過(guò)噴淋，將室外空氣冷卻，該部分經(jīng)過(guò)冷卻的低溫空氣與部分室外未經(jīng)冷卻的空氣混合后，送至井筒內(nèi)。經(jīng)過(guò)噴淋過(guò)程后的水溫升高至11℃，回到冷凍機(jī)內(nèi)重新制取低溫冷凍水。在空氣冷卻器的出口處，設(shè)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(tǒng)：冷凍機(jī)出口的高溫水，水溫為36℃，進(jìn)入開(kāi)式冷卻塔，在冷卻塔內(nèi)冷卻后，水溫降至28℃，再回到冷凍機(jī)。冷卻塔進(jìn)風(fēng)溫度為28℃dB/18℃WB。

補(bǔ)水系統(tǒng)：冷卻塔的冷卻水由于蒸發(fā)、飄散等原因，會(huì)有一定損失，冷卻塔需要補(bǔ)水。此外，空氣冷卻器內(nèi)，由于空氣從噴淋室流過(guò)，會(huì)形成一部分凝結(jié)水落入空氣冷卻器底部，故空氣冷卻器內(nèi)的水量會(huì)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(nèi)多余的水送回冷卻塔繼續(xù)使用。地表制冷系統(tǒng)流程如圖1所示。

3.2 地下局部制冷系統(tǒng)

與地表集中制冷系統(tǒng)類(lèi)似，地下局部制冷系統(tǒng)也由冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)3部分組成。

但是，地下局部制冷系統(tǒng)的所有設(shè)備需要放置在井下開(kāi)鑿的設(shè)備硐室內(nèi)，硐室的開(kāi)鑿費(fèi)用將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地表制冷機(jī)房的建設(shè)費(fèi)用。另外，由于該礦井內(nèi)涌水水質(zhì)較差，如果直接用于制冷系統(tǒng)的補(bǔ)水，將會(huì)對(duì)制冷機(jī)的壽命產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，地下制冷系統(tǒng)需要配備化學(xué)水處理裝置，對(duì)制冷系統(tǒng)所需的補(bǔ)水進(jìn)行預(yù)處理，以保證補(bǔ)水不會(huì)造成冷凍機(jī)盤(pán)管的嚴(yán)重結(jié)垢等。地下制冷系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 地表制冷系統(tǒng)

圖2 地下制冷系統(tǒng)流程

4 結(jié)論

（1）隨著開(kāi)采的進(jìn)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(shè)置地表集中制冷系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮礦井的開(kāi)采情況，合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)中各設(shè)備的容量，避免造成前期設(shè)備的能力過(guò)大以及后期設(shè)備的容量不足等情況。

（2）本設(shè)計(jì)方案中，地表集中制冷系統(tǒng)的送風(fēng)量與井下通風(fēng)量密切相關(guān)。制冷設(shè)備的計(jì)算及選型應(yīng)充分考慮該因素。

（3）地下局部制冷系統(tǒng)的投資及建設(shè)復(fù)雜程度遠(yuǎn)高于地表集中制冷系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中，以地表集中制冷系統(tǒng)為主，地下局部制冷系統(tǒng)為輔。

（4）礦區(qū)生產(chǎn)水水質(zhì)較差，作為制冷系統(tǒng)補(bǔ)水的水源時(shí)，對(duì)冷凍機(jī)等設(shè)備的壽命影響較大。