热害矿井降温技术研究及应用.pdf

第 2 6 卷第 5 期 2 0 1 2年 l 0月 制冷与 空调 Re fri g e r a t i o n a n d Ai r Co n d i t i o n i n g Vb1 ． 2 6 NO． 5 0c t ．2 O1 2． 4 4 4 4 49 文章编号1 6 7 1 ． 6 6 1 2 2 0 1 2 0 5 ． 4 4 4 ． 0 6 【 摘要】 【 关键 词】 中图分类号 热害矿井降温技术研究及应用 黄寿元 刘 辉 林育华 1 ． 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司 马鞍山 2 4 3 0 0 4 ； 2 ． 山西冀中能源集团矿业有限责任公司 太原0 3 3 0 1 2 ； 3 ． 湖南煤业集团有限公司周源山煤矿 资兴4 2 3 4 0 4 分析了矿井热湿源分布、高温高湿热害对矿井安全生产的影响及非人工制冷降温的主要措施及特 点，阐述了矿井空调降温的主要类型及基本原理。结合周源山煤矿深部热害治理工程实践，基于 周源山煤矿通风系统现状及含有丰富的涌水冷源这一天然优势，制定了提取矿井涌水冷源的 HE MS矿井空调降温方案。在深部开采过程中，从矿井涌水中提取冷量，将冷量传输至深部工作 面，与高温高湿空气进行热湿交换，从而降低工作面温度、湿度，改善作业环境。 热害；通风降温；矿井空调降温；热湿交换 T D7 2 7 文献标识码A Re f r i g e r a t i o n Co o l i ng Te c hno l o g y a nd Appl y i n He a t Har m M i ne Hu a n g Sh o u yu a n Li u Hui Li n Yu h u a 1 ． S i n o s t e e l Ma a n s h a n I n s t i t u t e o f Mi n i n g R e s e a r c h C o ．， L t d ， Ma a n s h a n ， 2 4 3 0 0 4 ； 2 ． S h a n x i J i z h o n g E n e r g y Gr o u p Co ． ， L t d ， T a i y u a n ， 0 3 3 01 2 ； 3 ． Z h o u y u a n s h a n mi n e o f H u n an C o a l I n d u s t r y G r o u p C o ． ， L t d ， Z i x i n g ， 4 2 3 4 0 4 [ Ab s t r a c t ] A n a l y z e t h e d i s t r i b u t i o n o f h e a t a n d h u mi d i t y , i n fl u e n c e o f t h e h i g h t e mp e r a t u r e a n d h u mi d i ty o n mi n e s a f e t y ， a n d the ma i n me a s u r e s a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f n o n i n t e r r u p t i n g r e f r i g e r a t i o n c o o l i n g ，t h e n e x p l a i n t h e ma i n typ e s o f mi n e a i r c o n d i t i o n i n g ’S typ e s and t h e i r b a s i c p r i n c i p l e s ． Co mb i n e d wi th d e e p h a r m e n g i n e e r i n g p r a c t i c e ， b ase d o n mi n e v e n t i l mi o n s y s t e m and r i c h i n mi n e i n fl o w a s t h e n a t u r a l a d v ant a g e o f Z h o u y u ans h a n mi n e ， t o e x t r a c t t h e c o l d b y t h e H E MS h i 曲 t e mp e r a t u r e e x c h a n g e ma c h i n e r y s y s t e m c o o l i n g s y s t e m． I n t h e p r o c e s s o f d e e p mi n i n g ， t o e x t r a c t t h e c o l d f r o m mi n e i n fl o w , the n t r ans p o r t t h e m t o t h e wo r k i n g f a c e ， t o ma k e h e a t a n d h u mi d i t y e x c h a n g e b e t we e n t h e a i r flo w an d s u r r o u n d r o c k ， r e d u c e t h e a i r t e mp e r a t u r e an d h u mi d i ty, S O as t o i mp r o v e the wo r k i n g e n v i r o n me n t ． [ Ke y wo r d s ]H e a t h a r m； Mi n e v e n t i l mi o n c o o l i n g ； Mi n e a i r c o n d i t i o n i n g c o o l i n g ； H e a t and h u mi d i ty e x c h ang e 0 引言 空气温度、湿度 、风速三要素构成了矿井气候 环境，当井下风流温度 、湿度、风速达到一定状态 后 ，致使人体散热散湿困难 ，工人感到闷热，进而 出现体温升高、头晕、虚脱、呕吐等中暑症状 ，甚 至死亡的自然灾害为矿井热害【 l l 。矿井 向深部开拓 延伸 中，随着地温的升高及采掘机械化程度 的提 高， 井下热湿源数量增多， 且随着通风线路的增加， 通风阻力增大 ，通风系统复杂，排热排湿 困难 ，高 温高湿热害矿井逐年增a n t 。高温高湿热害是矿井 向深部开拓延伸中普遍面临而不可避免的 自然灾 害， 开展热害矿井降温技术研究及应用具有重要现 作者 通讯作者简介黄寿元 1 9 8 3 一 ，男，硕士，工程师，E ma i l h u ang s h o u y u a n 2 0 0 4 1 6 3 ． c o m 收稿 日期 2 0 l 1 ． 0 8 ． 1 1 第 2 6卷第 5期 黄寿元，等热害矿井降温技术研究及应用 4 4 5 实意义 。 1 矿 井热湿源分布及危害 矿井热环境 下， 能够 引起矿井气温升高的影响 因素统称为热源 。矿 井湿度通常采用相对湿度表 示，矿井最适宜 的相对湿度为 5 0 ％6 0 ％t 引 。据我 国煤矿 的调查， 矿井下空气相对湿度常年在 8 0 ％以 上， 采煤工作面一般为 9 0 ～1 0 0 ％， 总回风巷为9 5 ～ 1 0 0 ％。矿井 向深部开拓延伸，地温 逐渐升高，围 岩热不断地从 内部传 给巷道壁 ，不断地对风流加 热，围岩散热是造成井下高温的主要热源 。空气 自 压缩并非热源 ，因为风流在重力作用下向深部流 动，风流位能转换为风流的焓值 ，并不是 由外部热 源输入产生 。但随着千米深 的矿井 日益增加 ，已成 为影响矿井风流热力状态的一个重要 因素， 是引起 矿井高温 的主要原因之一。 图 1为矿井热湿源分布 不包括热水型矿山 。 图 1 矿井热湿源分布图 F ． 1 M i ne h e a t a n d mo i s t u r e d i s t r i b u t i o n 高温高湿 的井下作业环境， 直接影响作业人 员 的身体健康，使人体注意力、判断力以及协调反应 能力下降，进而影响工人工作效率 ， 使得矿井劳动 生产率下降，导致事故率的上升。据前苏联和德国 的调研资料介绍，矿 内作业环境气温超标 1 ℃，劳 动生产率则下降 6 ～8 ％，当气温超过 2 8 ℃时，事 故发生率将增长 2 0 ％； 日本北海道 7个矿井的调查 结果表 明3 0 ～3 7 ℃工作面比 3 0 ℃以下工作面的 事故率增加 1 ． 1 5 ～2 ． 1 3倍。 2 热害治理措施 2 ． 1 非人工制冷措施 图 2 热害治理主要措 施 F i g ． 2 c o n t r o l He a t h a r m m e a s u r e s 一 般说来， 非人工制冷以其投资和运行成本相 对于人工制冷在短期内要少得 多， 因此矿井应结合 矿井 的具体情况，重视非人工制冷方法，与矿井空 调降温相结合 ， 共 同改善矿井气候环境。图 2为矿 井热害治理的主要措施 。 表 1中为非人工制冷的一 般措施及各措施的主要特点。 表 1 非人工制冷措施 T a bl e 1 No n a r t i fic i a l r e f r i g e r a t i o n m e a s u r e s 降温方法 特点 通风 降温 首选 控制热源 一 般增加工作面风量，能改善通风效果，但并不是风量越大通风效果越好，风量不可以无限增加。 通风量的增加，主扇能耗等运行成本相应地增加。此外，受井巷断面的限制，风量的加大造成风速的增 加 ，粉 尘飞扬，作业环境受到负面影响 。 采取同流通风或下行通风 倾斜煤层 ，风流方向和运煤方向一致、机电设备都布置在回风侧时，进 风侧和采煤工作面减少了煤岩的运输、电机车机电设备的热源。风流从岩温较低的、已被冷却的水平进 入工作面，可减少风流在风路上的吸热量。在～般情况下，采用下行通风可使工作面的风温降低 1 ～2 ℃。 围岩散热主要采用隔热物质喷涂岩壁，减缓围岩的传热『4 】 。当井下围岩温度大于 3 5 “ C，可使巷道 内的温度降低 3 ～4 ． 5 ℃，采煤工作面温度降低 2 ～3 ℃。围岩散热只能减缓而不能消除，隔热层的作用在 一 定的时间后消失。 机电设备散热尽量将工作面的辅助设备布置在回风侧；机电硐室建立独立的回风系统；安装辅助 风机，局部散热；使用高效率的机电设备等。 爆破热及时排出热量，实行爆破时间与井下人员的工作时间分开。 4 4 6 制冷与空调 2 0 1 2年 风流通过一段喷淋巷道，利用巷道的地温水与风流进行热交换，达到降温 目的。 预冷入风流 利用恒温层温度最低的特点，使风流经过岩层温度较低的巷道，风流与围岩进行热交换，达到降温 的目的。 个体防护 其他 在矿井局部高温区域，不宜采取风流冷却措旌 时，可 以采取个体防护。 煤层注水预冷煤体、采用合理开拓系统、充填方法、选择适当的充填材料。 2 ． 2 人工制冷措施 矿井空调降温过程遵循热力学第二定律 ， 通过 制冷剂从低温冷却剂 水、空气 、冰中不断吸取 冷量，再将冷量通过载冷剂 水或者空气散发到 温度较高的作业地点， 从而降低作业区域的环境温 度 。 矿井空调降温是空调应用技术发展的一个新领 域 。 人工制冷降温是 目前国内外普遍采用的降温措 施 ，根据矿井空调系统的热力学特点，可以分为空 气压缩式制冷、 人工制冰 降温式制冷降温和人工制 冷水降温。图 3为我 国煤矿空调降温工程进展 。 1 9 6 4 -1 9 7 5 焦 淮南九龙岗矿设计了我国第一个矿井局部制冷 降温系统，为我国制冷降温技术的发展奠定了 基础。同期在北票台吉矿、湖] 7 1 1 矿也进行了 降温试点。 一 生 1 I 山东新汉矿务局设计了我国第一个井下集中制 t s - s 年 H鹭 囊 籍 甬 蔷 墨 集 鎏 蒡 言 篡 J I 到了国内先进水平。 ] I 承担国 家 “ 七五 科技攻关项目， 在平顶山 八 1 9 8 8 , ,- 1 9 9 2 年 H矿设计实施我国第二个井下集中 制冷降 温系统， I I 获1 9 9 2 年度能源部科技进步二等奖。 1 9 9 3 ～ 1 9 9 5 焦 山东新汉矿务局设计了我国第一个矿井地面集 中制冷降温系统。该系统引进了国外的先进技 术装备，设计制冷能力7 4 0 0 k W，其技术达到 了国际先进水平。 t 9 瑚 o 年H 篆 奉 茔 藉 畲 誊 翥 萎 嘉 馨 ] I 新汶孙村矿建立我国第一个制冰输冰制冷降温 2 0 0 2 - 2 0 0 4 H系统， 2 0 0 4 年该项目 获得中国煤炭工业技术三 l I 等奖。 2 0 0 6 年在平煤六矿地表建立制冰站，对一综采 工作面和掘进头实施人工制冰系统降温，2 0 0 7 年该项目获中国煤炭工业科学技术三等奖。 图 3 我国煤矿空调降温工程进展 F i g ． 3 De m e s t i c a l mi n e a i r c o n d i ti o n i n g e n g i n e e r i n g p r a c t i c e 2 ． 2 ． 1空气压缩式制冷 空气压缩式制冷降温 的基本原理是利用压缩 空气作为供冷媒质 ，直接 向采掘工作面喷射制冷。 1 9 8 9年南非金矿建成了压缩空气制冷系统。1 9 7 3 年煤科院抚顺分院研制 了 Y P - I O 0型环缝式压力引 射器、涡流管制冷器；1 9 9 3年平顶山矿务局和原中 国航空工业总公司 6 0 9研究所联合研制了 KKL 1 O 1 型矿用无氟空气制冷机 。矿井空气压缩式制冷 降温 在技术上具有显著的优点，系统简单，应用灵活且 运行经济合理，能够有效地解决我国当前矿井集中 降温 中存在的问题，可用金属或橡胶软管沿工作面 布置管路进行喷射制冷，工作面冷量分布合理均 匀，降温效果好【 5 】 。由于压缩空气 的吸热量有 限， 该技术适用于需冷量不大的小型矿井降温 。同时， 空气压缩制冷循环相对于人工制冷水降温 ，制冷系 数小，单位制冷量的投资和年运行费用高【 6 ] 。 2 ． 2 。 2人工制冰降温 人工制冰 降温是利用制冰机制取粒状冰块， 在 风力或水力作用下输送至井下的融冰池， 然后利用 工作面回水进行喷淋融冰， 融冰后的冷水以喷雾形 式对工作面降温 。人工制冰降温包括制冰、输冰 、 融冰的 3个主要环节。 人工制冰降温 的研究与应用 主要以南非为主 ，曾在 1 9 7 6年南非环境工程 实验 室提出井下输冰供冷方式 ，1 9 8 6年南非 Ha r mo n y 金矿首次采用冰冷却系统进行井下降温 ， 取得 了一 定的降温效果，现在 已经停止运行，最成功的矿井 冰冷却降温系统是 E R P M E a s t R a n d P r o p r i e t a r y Mi n e s 系统。 我国于 2 0 0 4年在孙村煤矿采用了人 工制冰降温空调系统并获得预期降温效果。 冰冷却 降温 系统主要是利用冰 的融化潜热降 温 ， 获得相同冷量所需的冰量仅为水冷系统水量的 l ／ 5 ～1 ／ 4 。通过冰与水的直接接触换热，换热效率 高， 送入空冷器的水量相应减少， 减少 了水泵 的输 4 4 8 制冷与空调 且对矿工的身心造成极大伤害，频繁出现 中暑、昏 厥等事故。 3 ． 2 矿井热害治理方案 近几年来周源 山煤矿进行 了多次通风系统改 造 ，如通过掘进新副井进风，增加新的回风井一 南 风井 ，安装对旋轴流式主扇，改中央式通风方式为 两翼对角式通风系统，以及补掘专用 回风巷，扩修 采区及工作面回风道，封 闭微风巷道 ，增加并联风 路，采用下行通风等措施取得了一定的效果，提高 了采掘工作面的风量 ，降低了矿井通风阻力，工作 面的气温有所降低。 矿 山并对高温掘进工作面采用 了局部的矿井空调降温， 但 因移动式矿井空调器的 运行成本及矿井实际情况 ，降温效果并不显著，不 得不停用 。 因此， 随着矿井通风水平的进一步加深 ， 生产规模的扩大，通风路线加长，围岩散热进一步 增加 ， 造成采掘工作面风温仍然较高，在夏季采掘 工作面风温仍然普遍高于 3 0 ℃。 根据 以上分析 ， 周源山煤矿深部开采中的出现 的高温高湿热害， 利用一般 的通风降温方法已无法 达到改善作业环境的要求， 必须采用矿井空调降温 技术治理高温高湿热害问题。 表 2为矿井空调降温 方案的优缺点比较 ， 最后采用方案 3 。 在方案 3中， 一 6 5 0 m 水平工作站加入 H E MS - T三防换热器，在 有效地保护 H E MS I 机组的前提下 ， 提取矿井涌水 中的冷量 ，并保证高效热交换率【 8 】 。周源山煤矿采 用矿井涌水降温技术流程如图 7所示。 图 7 周源 山煤矿降温流程示意图 F i g ． 7 Th e p r o c e s s o f a i r c o n d i ti o n i n g o f Zh o u y u a n s h a n mi n e 表 2 矿井空调降温方案比较 Tabl e 2 Compar i s o n of ai r c o ndi t i oni ng pl ans 编号 方案 缺点 优点 空气压缩式制冷 利用压缩 空气作 为 1 供冷媒质， 直接向采掘工作面喷射制 冷 。 人工制冰降温在地表建立制冰站， 在副井筒铺设输冰管道， 一 6 5 0 m水平 井底车场 或一 8 0 0 m 水平掘进 新的融 冰池，再铺设冷冻管道至各采区。 矿井涌水降温 技术 采用 以矿井涌水 为冷源的 HE MS降温技术。从矿井 3 涌水 中提取冷量， 选 择一个 典型的采 煤工作面和两个典型的掘进头作为 降温示范地，解决矿井热害问题。 ③ ①技术 可 靠 ， 系 统 简 单 ； ② 应 用 灵 萼 工 制 冷 水 降 温 ； ④ 矿 井 涌水冷能未能利用 ⋯一 ⋯。。 一 。～ ’ 。 ① 能 热 井涌水天热低温冷量； ② 短 ； ⑧冷量损耗小 ； ④热 热能输送至地面， 节能环 4 结论 1 分析矿井热湿源，掌握矿井热湿源分布 ， 从源头上寻找热害产生的原因， 是进行高湿热害治 理的首要途径 。 2 当采用非人工制冷措施一般在加大工作 面风量情况下都无法解决深部高温高湿热 害问题 时，才考虑采用人工制冷降温一矿井空调降温技 术，因矿井空调降温系统其投资与运行成本均较 矿路为 用管化 利 送 转 。 ① 输 害 保 性凝 压 冷 承 ③ 的 ； 备高 设求 对要 梗 备技 设 ② 换 ； 投 转 求 一 低 高 难 高 更 困 用 出 放 使 提 排 第 2 6卷第 5期 黄寿元，等热害矿井降温技术研究及应用 4 4 9 上接第4 3 9 页 【 4 】 Na n g F e i P ．F u z z y AH P a p p r o a c h f o r s e l e c t i n g t h e s u i t a b l e b r i d g e c o n s t r u c t i o n m e t h o d [ J ] ．A u t o ma t i o n i n C o n s t r u c t i o n , 2 0 0 8 ， 1 7 8 9 5 8 9 6 5 ． 【 5 】 王平利， 胥海伦． 基于 多元 评价函数 的空调冷热源方 案 优选 分析[ J 】 ． 制冷 与空调， 2 0 0 2 ， 1 6 3 1 6 1 8 ． 【 6 】6 蒋华． 基于层次分析法的图书馆空调冷热源方案优选 [ J 】 _ 河海大 学学报 ， 2 0 0 5 ， 3 3 1 1 0 8 1 1 0 ． [ 7 】 刘颖， 张小松． AH P法在空调冷热源方案选择中的应用 [ J 】 ． 东南大学学报， 1 9 9 8 ， 2 8 增t q J 5 6 6 0 ． 【 8 】8 裴清清， 张定军， 李冰． 空调冷热源方案的多指标决策技 术及应用[ J ] ． 湖南大学学报， 1 9 9 7 ， 2 4 2 7 5 7 9 ． [ 9 】 王长庆， 张志新． 利用层次分析法优选空调冷热源的选 择[ J 】 _ 上海建设科技， 2 0 0 7 ， 3 4 卜4 4 ． 【 1 0 】S a a t y T L ． T h e a n a l y t i c h i e r a r c h y p r o c e s s [ M] ． Ne w Y o r k M c Gr a w- Hi l l ，1 98 0． 【 l 1 】姜启源， 谢金星， 叶俊． 数学建模[ M】 ． 北京 高等教育出版 社， 2 0 0 3 ． 常青． 某办公建筑暖通空调工程设计[ D 】 ． 常州 常州工 学 院， 2 0 0 8 ． 王道富， 谢 骏． 基于理想点的空调冷热源方案优选【 J J 0 冷与空调， 2 0 0 9 ， 9 6 1 8 2 0 ． 严德隆， 张维君． 空调蓄冷技术[ M】 ． 北京 中国建筑工业 出版社， 1 9 9 7 ． 徐伟． 地源热泵 的经济性分析【 E B ／ O L ] ．h t t p ／ ／ w w w． a s i a p u mp ． c n ／ h t m l ／ 2 0 0 7 0 6 2 6 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