矿井降温技术研究现状及展望

(霍州煤电集团公司三交河煤矿，山西 临汾 041000)

0 引 言

目前，世界各主要采煤国家相继进入深部开采，开采深度的逐步增加，地温也随之升高。德国和俄罗斯的一些矿山开采深度已达1 400～1 500 m；南非卡里顿维尔金矿开采深度达3 800 m,竖井井底已达地表以下4 146 m；加拿大超千米的矿井有30座，美国有11座[1]。到2005年，我国煤矿的平均采深达650 m左右。随着开采深度的增加，井下气温急剧升高，成为影响正常和安全生产的主要灾害。

造成矿井气温升高的热源很多，就世界范围看，矿井高温热害的主要因素有地热、采掘运机电设备运转时放热，运输中的矿物和矸石放热，以及风流下流时自压缩放热等四大热源。就个别矿山而言，矿内高温水涌出、强烈氧化等也可能形成该矿高温热害的主要因素[2]。

在高温环境中，人的中枢神经系统容易失调，从而感到精神恍惚、疲劳、周身无力、昏昏沉沉，这种精神状态成为事故的原因。在高温矿井中，一般生产率均较低，有的矿山其相对劳动效率仅为30%～40%[3]。《煤矿安全规程》明确规定：采掘工作面空气温度不得超过30 ℃，机电硐室的空气温度不得超过34 ℃，并且，当上述两工作地点的空气温度超过30 ℃和34 ℃时，必须停止作业。

根据国务院最新规定，井下作业地点的空气温度不得超过26 ℃。因此,矿井降温技术已成为采矿技术中的一个重要领域。

1 矿井降温技术研究现状

矿井降温技术虽然已有80余年的历史，但迅速发展和较广泛地应用仅是近30年的事。1920 年在巴西的莫劳·约理赫金矿建立了世界上第一个矿井空调系统, 在地面建立了集中制冷站。英国是世界上最早在井下实施空调技术的国家, 1923 年英国的彭德尔顿煤矿第一个在采区安设制冷机, 冷却采面风流。德国于1924 年在拉德博德( Radlod ) 煤矿的地面安设一台冷冻机, 1953 年在洛伯尔格矿井下安装大型风流冷却设备。巴西莫罗维罗( MorroVelno) 矿和南非的鲁滨逊深井于20 世纪30 年代采用集中冷却井筒入风流的方法降温, 60 年代南非便开始了大型矿井集中式空调降温[4]。70 年代苏联、日本等国矿井开始应用制冷降温。1977年原苏联研制成移动式矿用制冷机, 在煤矿和金属矿的独头掘进巷道中应用。1985年11月, 南非在世界上首次用冰做载冷剂冷却空冷器的冷却水, 该系统的制冷能力达628 MW。1989年, 南非一金矿建成压缩空气制冷空调系统, 将空气在地面压缩为液态, 通过管道输送到井下, 首先膨胀成气态后, 再进入空气制冷机, 排出的低温空气冷却工作面的风流。同年, 波兰研制出涡流管式空气制冷装置, 在煤矿掘进工作面试用, 取得了一定的空调效果。

早在20世纪70年代, 我国曾研制过压气引射器和涡流管制冷装置。1993年7月, 平顶山矿务局科研所和原中国航空工业总公司第609研究所联合研制成KKL101矿用无氟空气制冷机。1995年, 山东矿业学院陈平等提出用压气引射器和制冷机结合进行矿井空调。在此之前, 我国采用的制冷设备主要是以氟里昂和氨为制冷剂的冷水机组[5]。

近几年内，我国矿井降温技术的研究发展迅速，广泛应用于全国各个大型煤矿。具有代表性的一些技术列举如下：

2003年，张朝昌等人[6]针对高温矿井独头掘进工作面的高温热害问题，首次提出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。

2004年，金学玉[7]针对淮南矿区井下局部热害严重，恒温水源充沛的特定条件，提出利用恒温水源进行矿井降温的设想；并从理论上进行了可行性分析计算；对依靠自然动力运行进行校核后,初步构思了恒温水源进行矿井降温系统。

2004年，陈平[8]提出采用压缩空气供冷的新型矿井空调系统能够沿采煤工作面均匀供冷，工作面内的温差小，能有效地解决当前我国矿井集中空调中存在的实际问题。而且系统简单，应用灵活，可应用于需冷量不太大的小型矿井降温系统。

2005年，王德银等人[9]针对平顶山煤业集团公司五矿井下高温热害严重等特点,通过近8年的应用和不断完善，成功研制出了性能优良的矿用防爆螺杆冷水机组及控制设备系列降温设备,实现了矿井降温设备国产化、实用化。

2006年，何满朝等人提出运用地层储冷井下降温技术, 把低焓地热能和风能结合起来, 将冬季空气的冷能储存在浅部地层中, 辅以井上及井下换能系统, 解决井下热害问题[10]，并以夹河矿为例进行了可行性分析，从理论上证明了利用此技术进行深部矿井热害治理是一条行之有效的途径。一年后，他们又发明了一种矿井涌水为冷源的深井降温系统[11]，该系统通过对矿井涌水的自用，充分利用了地层能，保证了资源的可持续利用和发展，整个生产系统实行闭路循环，无污染，最大程度地减少了废气废物的排放，有效地保护了生态环境。

2007年，张亚平等人[12]针对目前矿井降温措施的缺点, 在分析分离热管原理的基础上, 提出了分离式热管用于矿井降温的构思，并进行了理论上的可行性分析。

2008年，何满朝等人[13]针对国内外矿井降温技术存在的问题，提出了以矿井涌水作为冷源的深井开采高温热害控制HEMS 技术，运用提取出的冷量与工作面高温空气进行换热作用，降低工作面的环境温度及湿度。并将该技术与夹河矿深井降温工程相结合，建成了国内第一个控制深井热害的深部科学与工程实验室(DUSEL)。

2008年，杨丽等人[14]提出了一种井下降温的新技术，此法是将人工制冷水降温法和制冰技术结合起来的，把输往井下的冷水改成冰，把水在井下的循环改成冰的循环，把制好的冰集中运输到井下然后再输送到各个工作间进行制冷的方法—冰直接降温系统。

2008年，褚召祥等人提出压气结合蒸发冷却技术进行矿井降温的思路[15]，并分析了蒸发冷却对于提高降温效果的作用，经过理论分析，对于矿井某些局部热害(如高温掘进工作面)采用压气系统降温, 理论上完全可以达到降温目的；结合蒸发冷却能够更好的改善其降温效果，较好的解决集中式空调降温方式所存在的一些余角、死角问题, 作为矿井人工制冷降温的一种辅助方式, 提高矿井的整体降温效果。四年后，他们又提出一种矿井高温回采工作面内实现长时间均匀供冷的系统和方法[16]，可以避免在采取降温措施后工作面产生冷热分布不均的问题，并且最大程度地降低降温工作对工作面正常生产的影响。

2009年，李勇等人[17]针对高温矿井热害降温系统引入了集中控制加强系统的管理和监控，提高运行效率，减少了设备运行中的故障延长了设备的使用寿命。

2009年，刘鹏[18]初步构思了采用天然冷源(恒温水)及冷水机组联合运行的方式进行矿井降温。该系统是将天然冷源(恒温水)降温系统与机械制冷水降温空调系统中的地面集中式空调系统有机的结合，其特点是可以弥补恒温水源不足，对于地下恒温水源储量不够充沛的地区，可以在非高温季节采用地表水或地下水直接提供到水塔而在高温季节采用冷水机组进行深冷的方法，对系统进行辅助供冷以满足负荷要求。

2009年，卫修君等人[19]利用瓦斯发电后的烟气余热作为矿井降温制冷动力,首次提出了采用热—电—乙二醇低温制冷解决井下高温问题的模式及理论。

通过在平煤四矿应用，取得了国内最好的降温效果，并在运行成本、可靠性上取得重大突破。

2010年，赵雄飞[20]通过对辰州矿业沃溪坑口井下排热降温的问题进行分析，根据国内外高温矿井热害治理经验和新的通风理念、矿山现有情况, 提出利用风、水排热的构想和综合治理方案。

2011年，董凯军等人[21]针对井下热负荷很大而空间位置狭小的问题，在前期研究的基础上提出一种冰浆潜热输送矿井空调，利用冰浆的可流动性、潜热大的特点，可以大大提高冷量的输送密度，减小管道和换热器的尺寸，节省空间，同时可根据不同的工作条件在三种工况下自由切换。该系统在初投资及运行费用上都比传统的矿井空调大幅下降，具有良好的经济性。

2011年，时继虎等人[22]借鉴国内外天然制冰的相关资料, 提出了用于矿井降温制冷的天然制冰降温技术。通过建立冰池喷淋制冰和蓄冰模型，从理论上分析了天然制冰技术的可行性。

2011年，袁君[23]发明了一种矿井散热回收降温系统，包括闭式冷却塔、热能回收装置、热能回收装置循环水泵、压力交换器、压力交换器循环水泵、制冷降温装置、风机和井下降温机组循环水泵，全部采用模块化设计，集合了集中制冷和分散制冷的优点，可以达到良好的井下降温效果。同时采用热能回收技术，将制冷机产生的热量全部回收利用，回收的热量可以为地面提供洗澡用热水及冬季办公区采暖，可以完全省去锅炉。

2012年，张和平等人为了解决现有制冷空调不能满足深井、高温、大型矿降温的需求等问题，发明了一种矿用大温差乙二醇空调装置[24]，该装置的特点是采用乙二醇载冷剂以及大温差乙二醇制冷机组，配套高效换热器、空气冷却器，地面冷源提供大温差(16℃)的乙二醇载冷剂。系统具有制冷量大，空调效果好，节能等优点。同年，他们还发明了一种矿用冬季降温自然冷却空调装置[25]，通过利用冬季自然环境的低温，不开制冷机组便能获得冷源，满足高温矿井的降温需求。

对上述研究进展进行一个简单的分析：

到目前为止，国内外有关矿井降温的技术主要可以分为两大类：

(1)采用非机械的制冷降温措施，包括选择合理的矿井通风系统和通风方式，增大采掘工作面的风量，减少采空区漏风，隔绝热源，减少巷道中的湿源，煤层预冷，冰块降温，个体防护等。

(2)采用机械制冷降温措施，即对井下工作环境进行空气调节[17]。非人工制冷措施虽然经济实用,但受到诸多因素的制约,其效果有限,一般只能降低2 ℃左右,远远满足不了采掘工作面的降温需求。根据目前应用实践,矿井降温最有效的方法还是人工制冷降温[26]。

人工制冷降温的方法主要有机械制取冷水降温技术、机械制冰降温技术、空气压缩式制冷技术、天然冷源(恒温水)空调系统、热管降温技术、深井HEMS降温系统以及热—电—乙二醇降温冷却技术。

机械制取冷水降温技术按制冷站的位置可分为四种：井下集中式、地面集中式、井上井下联合集中式、分布式[27]。井下集中式系统比较简单，供水冷管道短，没有高低压换热器，仅有冷水循环管路。但必须在井下开凿大断面峒室，并且电机和控制设备都需防爆，难度大，造价高，冷凝热排放也困难。这种布置形式只适用于需冷量不太大的矿井。地面集中式系统比较于井下集中式空调系统，制冷机不需要采取防爆措施，排热方便，冷损失小，水头压力小，易安装，便于运行管理。但此系统形式年运行时间不短、供冷距离短、要求水量大、冻水温差小, 这些缺点严重制约了其在深井的应用。井上井下联合集中式系统设备布置分散，冷媒循环管路复杂，操作管理不便。但是它可提高一次载冷剂回水温度，减少冷损；可利用一次载冷剂将井下制冷机的冷凝热带到地面排放，这样就决定了此系统能承担大负荷, 这些是井下集中式和地面集中式所缺少的品质。当实际矿井工程中某几个单独的工作面需要降温，这时分布式空调系统是一种高效经济的降温措施[28]。分布式空调在我国应用比较广泛，如在平煤十矿[29-30]、淮南潘三煤矿[31-32]、新汶矿业集团华丰煤矿[33]、徐州三尖河煤矿[34]的实践应用中，都达到了良好的降温效果。

机械制冰降温技术就是利用将制冰机制取的粒状冰或泥状冰, 通过风力或水力输送至融冰装置，在融冰装置内，冰与井下空调回水直接换热，使空调回水的温度降低。冰冷却空调系统一般采用地面集中式，按照冰的形态可分为两种：一种是以固态冰形式输送；一种是以流态的冰浆形式输送。近几年机械制冰降温技术的研究主要有2005年郎庆田等人设计的矿井冰冷降温系统中的井下融冰池[35]和矿井冰冷低温辐射降温系统[36]，2008年胡春胜等人设计的矿用冰冷降温系统，2009年董凯军等人设计的矿井降温系统及降温方法[37]，以及2011年冯自平设计的冰浆矿井空调井上井下联合降温系统[38]。

空气压缩式制冷空调有涡轮式空气制冷、变容式空气制冷、涡流管式空气制冷和压气引射器制冷等形式；由于后三种形式使用的局限性, 使得涡轮式空气制冷是目前最常用的矿井空调系统。由于空气压缩制冷循环的制冷系数、单位质量。

制冷工质的制冷能力均小于蒸汽压缩制冷系统，在产生相同制冷量的情况下，空气压缩式制冷系统需要较庞大的装置，并且单位制冷量的投资和年运行费用均高于蒸汽压缩式系统，因此，全矿井采用空气压缩式制冷系统降温的矿井是屈指可数的。

天然冷源(恒温水)空调系统是利用恒温的地下水, 作为空调循环系统的冷源对矿井进行降温的方法。如2011年刘增辉等人设计的利用恒温含水地层进行矿井降温的系统[39]。

热管降温技术作为分离氨系统的一种变形，其实质是：中央制冷站设在地表，热管的冷凝热由中央制冷机排除，而热管的蒸发器设于井下，用于制取井下降温用的冷媒水。其特点是制冷站设在地表，维护管理方便；冷媒水井下循环利用。

深井HEMS降温系统是针对深井开采高温热害控制所研发的一套工艺系统,上文提到的何满朝在2008年提出了以矿井涌水作为冷源的深井开采高温热害控制技术，运用提取出的冷量与工作面高温空气进行换热作用，降低工作面的环境温度及湿度。

热—电—乙二醇降温冷却技术，就是利用矸石电厂的蒸汽余热,通过溴化锂吸收式冷水机组一级制出5. 2 ℃的乙二醇低温水。溴化锂机组制出的低温冷媒水再进入螺杆式乙二醇机组二级制出-3. 4 ℃的乙二醇高压冷媒水,冷水通过保温管道输送到井下换冷硐室,乙二醇冷媒水在换冷硐室内通过高低压换冷器,把冷量置换给低压侧的普通水冷媒介质后,通过回水管路重新进入溴化锂机组循环使用,形成高压冷媒回路。冷媒水经高低压换冷器换冷后通过进水管道到达采掘工作面空冷器,进行能量交换[40]。

2 发展及应用前景

随着高温矿井数量的不断增多，矿井制冷降温技术在矿井中的应用会越来越广泛。

(1)人工制冷水降温技术经过几十年的实践，已经发展成为一种比较成熟的矿井降温技术，不论是过去还是将来，都将是矿井降温技术的主流。井下系统的冷凝热排放问题和地面系统高低压转换的温度跃升问题还需各国研究机构不断努力。

(2)冰冷却降温系统由制冰、输冰和融冰3个环节组成。正是由于这3个环节还处在研究探讨过程中，使得冰冷却降温系统还没能得到广泛应用。从冰的融化到矿井降温系统能否获得稳定的低水温和稳定的水流量，如何提高融冰速度、减小融冰槽体积需要研究; 适合不同冰制备方式的制冰设备的开发和研制也有待提高。

(3)今后，矿井降温应更多的从系统工程、经济性和新技术的角度来考虑。尽量做到节能、节电和绿色环保。如在非人工制冷措施不能满足矿井降温需求时，再考虑利用机械制冷降温的措施。

3 结束语

随着矿井开采深度的不断增加，矿井机械化程度会越来越高，矿井热害的问题也会更加突出，采取降温措施势在必行。从一定角度来说，矿井降温技术的发展决定了矿井开采能力未来的发展。矿井高温、高尘、高湿度的环境以及狭小的井下空间，都为矿井降温增加了一定的困难，它要求矿井在降温的同时需综合考虑各种问题，以求提供给工人舒适的工作环境。此外，每一种高温矿井的降温方法都有它独有的适用条件，在实际应用应考察各个矿井的实际状况，充分利用矿区的特点和有利条件，在实践中不断总结经验，找出合适的、行之有效的矿井降温方法。

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