197矿井空调降温技术分析

论文编号：25-048矿井空调降温技术分析西安科技大学冯小凯姬长发摘要：随着矿井开采深度的增加，热害问题越来越突出。

使用传统的通风降温已远远不能满足矿井降温的需要。

本文对国内外现有的人工矿井制冷降温方法，包括蒸汽压缩式循环制冷、基于逆布雷顿循环的空气制冷技术以及新型的冰冷却空调系统等做了简要的阐述，并根据其制冷原理进行分类，介绍了相关的发展现状，提出矿井制冷降温的建议。

关键词：深井热害，空调降温，蒸汽压缩式循环制冷，冰冷却空调系统，空气制冷0 引言随着煤矿开采深度的增加，围岩温度的不断升高，矿井巷道以及开采面的温度也随之不断上涨,热害问题日益严重。

当气温超过28℃后，矿工劳动生产率会迅速下降，身体健康也会受到伤害，同时，严重的威胁井下安全生产[1]。

矿井通风是解决矿井高温的好方法。

风流不仅降低了矿井通道和采掘面的温度，而且带进了充足的氧气、稀释并降低了矿井中有害气体的浓度，保证了矿下工人作业顺利实施。

但随着矿井深度的增加，单单依靠增加矿井通风量已远远不能满足矿井降温的需要。

使用空调制冷设备进行人工制冷，利用人工制冷来降低矿井温度，这样才能有效的满足未来矿井开采的需要。

就目前矿井降温研究和已经被投入使用的人工降温方法来说，高温矿井空调系统根据热力学特点来分有蒸气压缩式循环制冷空调、空气制冷空调、冰冷却空调系统等[2]。

1 蒸气压缩式循环制冷空调蒸气压缩式循环制冷空调就是通过制冷机械制造冷冻水，将冷冻水中的冷量通过不同的方式传递给矿井掘进面、开采面、巷道等需要降温的地方。

通常意义上，这些矿井空调系统, 按制冷站所处的位置不同来分, 可以分为四种基本类型。

1.1 井下集中式空调系统顾名思义，就是制冷机组设置在矿井下的一种降温方式。

由设置在井下的该系统制冷机组, 通过管道集中向各工作面供冷冻水,冷冻水在空冷器等末端设备中将冷量与风流交换，利用冷风风流来降低工作面的温度，吸收了工作面热量的冷风风流变为热风风流，随矿井排风系统排除。

整个系统比较简单，供冷冻水的管道短,且仅有冷水循环管路。

但在矿井下放置制冷机组，就必须在井下开凿大断面的峒室, 这给施工和维护带来困难, 并且电机和控制设备都需防爆保护, 很不经济。

随着开采深度的增加, 冷凝热的排放问题日益突出。

井下集中式空调系统主要有一下几种冷凝热排放方式: 回风流排热、地面冷却塔排热、地下水源排热、几种排热方式混合排热，不管是那种排热方式，效果都不是很理想。

回风流排热和地下水源排热过程中一部份热量又释放到矿井中，造成井下集中降温效果下降。

地面冷却塔排热需要铺设冷却水管道，成本增加不少。

所以，这种布置形式只适用于需冷量不太大的矿井。

1.2 地面集中式空调系统在矿场地面上设置制冷站,制冷机组整体布置在井上，通过供冷管道将冷量输送到矿井中，从而达到降温的目的。

由于制冷机组设置在地面上，不存在井下集中式空调系统中的冷凝热排放问题。

但由于输送冷量的距离增加，管道也随之变长。

随之而来的是输送管道中的静压很大，需要在井下设置高低压换热器将一次高压冷冻水转换成二次低压冷冻水, 最后在用风地点上用空冷器冷却风流。

比较于井下集中式空调系统,地面集中式空调系统的优点就在于制冷机排热方便, 冷损失小, 水头压力小, 易安装, 便于运行管理。

但此系统形式供冷距离长、要求水量大、冷冻水因沿程冷量衰减而温差小、年运行时间比较长，这些缺点严重制约了其在深井的应用。

1.3 井上.下联合的混合空调系统这是继井下、地面式空调系统后，综合之前二者优点的混合空调形式。

在地面、井下同时设置制冷站, 做到冷凝热在地面集中排放。

这种布置形式实际上相当于两级制冷, 井下制冷机制冷后所产生的冷凝热是借助于地面制冷机制备的冷冻水系统冷却。

因为井下的最大限度的制冷容量受制于相应的空气和水流的回流排热能力, 所以在地表安装附加的制冷机组以保证冷凝热的排出。

这就使得混合系统可以不受自然条件影响，可以负担更大的冷负荷，得以在深井中使用。

从投资产出来说，地表制冷机组和地面制冷机组联合的混合冷却系统是蒸气压缩式循环制冷空调深井降温最据性价比的。

但整个系统设备比较分散，管路复杂且相对较长；相当于两套制冷循环系统同时运作，增加了初投资和运行成本。

1.4 井下局部空调系统使用防爆的移动式空调制冷机对需要降温的区域进行降温。

空调机先冷却水, 再用管路供给冷凝器,经冷水冷却后的空气用风扇经双层隔热风简送至工作面。

方便，可移动性，制冷量小是局部空调系统的特点。

总的来说，蒸气压缩式循环制冷空调应用于矿井降温形式多样，可以根据矿井的不同实际情况来选择最合适的降温方式。

虽然其各种系统组成都有不同的缺陷和不足，但现今，蒸气压缩式循环制冷空调依然是国内外使用最为广泛的矿井降温系统。

2 井下常用的空调系统2.1 空气制冷空调空气制冷空调有透平膨胀制冷、涡轮式空气制冷等形式。

基于逆布雷顿循环的空气制冷技术是利用高压空气经过膨胀机降压降温，从而得到制冷效果的一种制冷方法，目前已广泛地应用于航空、制氧、石油等工业领域中。

透平膨胀制冷利用井下作业所用高压空气作为制冷工质,通过透平膨胀机等熵膨胀降温,来达到降温除湿的目的，其系统流程简单,技术可靠[3]。

如图1所示，地面上的空气压缩机将大气压缩至采矿工程中所要求的0.5 MPa(状态1)的作业气，引取其中一部分作为空调气体经管道输送至板翅式换热器A，在这里气体温度降低，同时析出部分水分；为了防止空气中的水分在低温时析出影响透平膨胀机性能，同时降低膨胀机入口温度，使水分尽可能完全析出，将从换热器A出来的空气紧接着再送入换热器B进一步冷却并干燥，到达状态3时，空气虽然仍然是湿度饱和，但是由于温度极低，压强高，所以绝对含湿量降至最低；空气再次经过换热器A得到复温，随后进入透平膨胀机；经过空气制冷系统的核心部件──透平膨胀机后(状态5)，空气的温度和压力大大降低，经过换热器B后温度有所提升；随后，状态6的冷空气与一部分矿井内的湿热空气在空气混合器C内进行混合并送入空调区域。

图1 空气制冷空调系统示意矿井中使用空气制冷技术所设计的系统结构简单紧凑，没有高低压换热器和空冷器，输冷管道少，承压小，具有施工技术难度低的优点。

空气制冷技术相比其他的井下空调技术，空气除湿性能好，空气含氧量大大增加。

但空气制冷系统制冷量小，在系统运行管理和控制方面有较高的要求，而且相比其他的制冷方法，投资和运行费用偏高。

2.2 冰冷却空调系统冰冷却空调系统是近几年才使用的一种新的降温系统，主要原理是利用冰的溶解热,通过冰的溶解把水冷却到0℃,然后把冷冻水送到各个工作面进行降温。

与蒸气压缩式循环制冷空调相比，最大的不同就在于冷量输送介质的改变。

冰冷却空调系统依靠冰来运输冷量。

在地面制冰厂制出的冰经空气动力输送装置输送到垂直输冰管道入口处,冰依靠自身重力到达井底水平管道口,在水平管道口处冰依靠相互间的挤压作用使后面冰的势能转变为前面冰的动能,这样冰可以在水平管道中继续向前运动,最终被输送到融冰槽。

在融冰槽内冰和水进行充分的热交换,产生接近0 ℃的冷水被输送到需要冷却的工作面。

在冰冷却空调系统中，主要由制冷制冰、冷凝散热、输冰融冰和输冷散冷四个有机部分组成。

制冷部分、输冷散冷部分与蒸气压缩式循环制冷空调很相似。

对于冰冷却空调系统来说，其独特和关键技术是冰的制备，冰的输送和冰的溶解这三个部分。

2.2.1 冰的制备冰的制备方法很多，大体可分为动态制冰和静态制冰两大类。

所谓静态制冰是指在冷却管外或盛冰容器内结冰，冰处于相对静止状态;所谓动态制冰是指生成的冰浆或冰晶处于运动状态。

一般来说，矿井降温制冰要求制冰量较大，采用动态制冰比较合适。

根据冰的形状，又分为制取粒状冰和制取泥状冰,采用冰的形状不同决定了整个系统的设备选择。

在山东孙村矿，对其矿用制冷系统考察，感到其使用的动态制冰式机械刮板装置制备粒状冰效果非常好。

制冰主要部件是作蒸发器用的冰筒，冰筒设计成内外套筒结构，制冷工质在内筒和外筒之间蒸发。

在内筒中装有可旋转的机械刮板，由独立电机驱动，刮板紧贴内壁转动刮下冻结在筒壁上的冰层或冰晶，筒内的载冷剂可以用淡水也可用盐水或海水。

用淡水制冰，淡水由设在内筒上方的喷嘴喷入，制冷剂与载冷剂通过内筒壁换热，使载冷剂温度迅速降低，在内筒壁上结成薄薄的冰层，然后利用旋转的刮板刮下后形成片冰。

用这种方法制冰可获得动态片冰，制冰过程连续且制冰量大。

制冰机蒸发温度一般在-15℃一30℃之间，较低的蒸发温度可使冰粒具有较大的过冷度，减小输送过程中冰融化损失，而且便于输送。

2.2.2 冰的输送所制备的冰类型就已经决定了冰输送的方式。

通常，冰的输送方法有传送带输送、风力输送、水力输送和重输送几种。

泥状冰只能采用水力输送,对管道和泵都没有特殊要求,其优点是可以直接利用改造后的冷水管道进行输送。

粒状冰从制冰厂到竖井井口可采用传送带或风力输送,竖井内以及井下到融冰槽的水平段可采用重力输送。

山东孙村矿采用的是螺杆式输送带。

如图2所示，制备的片冰从冰筒中落下，直接进入片冰给料器，打开冰晶给料器的闸门和水平螺旋杆输送机就可以开始输冰了。

螺旋输送机工作时，搅拌机不停止工作可使冰晶之间一直保持疏松状态。

冰晶将比较顺利地被输送到安装在立井垂直管道的喇叭口，进入沿竖井敷设的管道，通过管道利用冰的自重，靠竖井上下的势能差冰晶可以沿水平管道输送相应远的距离后到达融冰池。

图2 冰输送系统2.2.3 冰的融解融冰装置设于井下,其结构分为三部分,冰块放于融冰槽的冰床上,为保证冰床的均匀,需将冰层进行筛动。

工作面回水从上部喷淋下来经过冰层后,流入下部冷水池,冷水池内的接近0 ℃的水送往工作面作为冷冻水,而工作面回水一部分可作为井下辅助用水,另一部分为循环用水重新返回融冰槽如图3所示。

图3 融冰槽示意与普通矿井空调系统相比, 冰冷却空调系统由于利用冰的融解潜热进行降温,所以在同样冷负荷的条件下, 向井下的输冰量仅为输水量的1/4～ 1/5。

由于输冷管道和输送流量减少, 管道投资费用和运行能耗降低, 由管道温升而产生的冷损降低, 所以系统的装机容量和投资费用都大大降低。

它不存在普通矿井空调所难以克服的过高静水压力和冷凝热排放困难等问题, 主要电动设备均在井上, 不需要防爆, 能较好地适应矿井的安全要求。

经过模拟计算，当井下地热条件相当与我国1500m的时候，冰块输冷较水输冷有利。

2.3 其他制冷方法除了以上几种制冷方式，根据制冷行业现用技术以及不同矿区的不同情况，完全可以因地制宜，采用不同的降温方法。

煤矿开采过程中，瓦斯是煤炭开采的伴生资源。

因其含有大量的甲烷,是一种高效的清洁能源。

利用矿井中的瓦斯进行发电,可就地将瓦斯转化为电能。

利用矿井瓦斯发电机组排出的废热进行人工制冷,实现井下降温,集资源综合利用、节约和合理利用能源、矿井热害环境治理于一身。