矿井热源分析及降温技术研究和发展

柴会来 王建学 王景刚 鲍玲玲

(1.河北工程大学城市建设学院，河北 邯郸 056038；2.北京矿大节能科技技术有限开发公司，北京 100083)

矿井热源分析及降温技术研究和发展

柴会来1，2王建学1，2王景刚1鲍玲玲1

(1.河北工程大学城市建设学院，河北 邯郸 056038；2.北京矿大节能科技技术有限开发公司，北京 100083)

矿井热源分析及降温技术对深井开采有重要意义。从矿井巷道内岩体放热、矿石氧化放热、机电设备放热、井下热水放热及局部热源放热5方面分析煤矿热害来源。将矿井降温技术分为传统降温技术和现代降温技术2大类型，评述各降温技术原理、特点及应用现状。机械制冰降温仍然存在运冰和融冰技术难题。机械制冷水降温技术应用成熟，已经成为现行矿井降温的主要手段；瓦斯发电制冷降温技术有机地结合了煤矿瓦斯排放和治理井下热害问题，实现了能源的合理利用；分离式热管降温技术适应大型化换热设备，冷、热流体完全分隔开，且系统循环不需要外加动力。另外，提出了现行矿井降温技术的一些改进方法及研究趋势。

矿井热害 高温热源 降温技术 瓦斯发电 分离式热管 发展趋势

矿井热害就是井下空气的温度、湿度、风速达到一定状态后，出现人体散热散湿困难，感到闷热，体温升高、头晕、虚脱等中暑症状，甚至出现死亡的灾害。伴随国民经济迅猛发展，煤炭需求与日俱增，煤矿向纵深开采趋势毋庸置疑；矿井巷道周围岩体和空气温度随矿井深度增加而不断升高，据我国煤田地温观测资料统计，地温梯度为0.02～0.04 ℃/m[1]，矿井热害问题是客观存在的现象。热害问题严重影响井下工人健康和工作效率，情况严重则可能引发矿井恶劣事故，造成巨大人身财产损失。为井下营造良好的工作环境已成为矿井开采亟待解决的问题，煤矿深井降温技术研究已然是国内外学者研究的重要领域。

1 井下热源分析

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，进行矿井热源分析是矿内风流热力状态预测和矿井热害防治的基础，是必须要做好的准备工作[2]。

(1)巷道岩体放热。矿井开采工程中影响矿井热环境的直接因素是井巷地质地热条件。大量观测资料显示，地热是导致矿井高温热害的主要因素。围岩放热是矿井主要热源之一，矿井地温梯度主要受岩石导热系数与大地热流值的影响，温度梯度与矿井深度决定了岩体具体温度值。其热量主要自岩体深处及裂缝水通过热传导和对流传递给井巷，最终井下空气与巷道岩体进行热交换后温度升高。

(2)矿石氧化放热。硫化矿、煤、煤尘、碎石等发生电化学反应时会放出热量，它们是造成矿井内氧化放热的主要热源，但是在一般情况下，1个回采工作面的氧化放热量不超过30 kW。

(3)矿井机电设备放热。现代化开采技术的应用使采矿工程化水平不断提高，机电设备装机容量急剧加大，设备运转的放热已经成为风流温升的一个重要因素，在井下回采工作面热害影响明显。

(4)井下热水传热。矿井热水主要来自于地下涌水、巷道渗水和淋水，这类热水活动强烈多为脉状或裂隙脉状，当与井巷内风流间进行复杂热质交换后即发生矿井热害，介于其中有些热量参量无法准确确定，影响矿井热力计算精度[3]。

(5)局部热源放热。①炸药爆破时放热，据资料显示[4]，井下工作面爆破时常用的2号岩石硝铵炸药的爆破热为3 639 kJ/kg，这是相当大的一部分热量；②水泥水化时放热；③井下工作人员及照明设备等放热；④风流自压缩热。

2 矿井降温技术应用

2.1 传统矿井降温技术

传统矿井降温技术根据制冷耗能方式不同可概括为机械制冷和非机械制2类。非机械方式主要有通风降温、控制井下热源以及个体防护技术；而机械制冷方式主要有机械制冷水、制冰降温以及空气压缩制冷降温技术。目前，在大多数浅层矿井热害治理中非机械制冷式降温措施应用较为成熟。

2.1.1 通风降温技术

通风降温技术在热害问题较轻的矿井中应用较为普遍，有改进通风方式、避开局部热源、加强通风、预冷进风风流等方法。一般情况下采用下行风可以降低工作面的风温1～2 ℃[4]；可以采用减少风阻、防止漏风、加大风机能力等方式加强通风，但是风量的增加不是无限制的，根据相关经验，最经济的通风量为巷道空间体积的0.56～0.84倍，井下工作面掘进风速一般以1～1.5 m/s为宜，风速过大会引起岩粉飞扬。

2.1.2 控制井下热源技术

由于井下空气的自压缩而引起的温升及巷道岩体散热、机电设备运转放热、矿石氧化放热等被称为可控热源，带走井下热量的唯一手段是通过风、水的流动。但是当到达工作面的风、水温度升高后，就会影响风、水带走工作面热量的能力，无法实现预期的降温效果，因此，控制这一部分热源具有重要意义。对于巷道岩体散热可以采用阻热降温技术，将巷道热源阻挡在巷道围岩外部，降低向巷道内部放热，成本较低，施工简单，该技术尤为适合高热巷道，同时可配合人工制冷降温技术。经巷道工业性试验，采用玻璃微珠保温砂浆作为巷道阻热层材料，巷道热量散热率降低了36%[5]，隔热效果显著。

2.1.3 个体防护技术

鉴于某些矿井巷道内气候条件相对恶劣，不能用风流冷却技术，需要工作人员穿上冷却服，实施个体防护。该技术使用方便，适合井下设备操作人员及生产管理者，且技术成本低，较其他制冷方式降低80%左右。目前，各国都在争相开展冷却服研制工作，例如，南非加尔德-来特公司研制的干冰冷却背心、美国ILC公司制造的以液体介质和冰水作为制冷介质的波罗太空背心、德勒格尔公司的液体介质和CO2干冰混合背心等。目前南非、美国等国家在该项技术方面走在前列[6]。

2.1.4 机械制冷水降温技术

机械制冷水降温技术在近30 a发展迅速，现已经成为矿井降温的主要措施，根据系统制冷站安放位置、载冷剂循环方式,井下风流冷却点等可将其分为井下集中式、地面集中式、井上下联合集中式、井下局部分布式这4种。

井下集中式(见图1)是将制冷机安装在矿井下，通过输水管道给各用冷工作面集中供冷，技术实施简单；地面集中式(见图2)可分为地面冷却风流系统和井下冷却风流系统，前者制冷设备均位于地面，后者仅制冷机位于地面，空冷器位于采掘工作面；井上下联合集中式相当于矿井上下制冷系统的混合应用，集中了两者的优点，但是操作较为复杂；井下局部分布式(见图3)制冷机可以灵活移动，输冷距离短，应用方便。德国实践表明[7]：井下局部分布式适合负荷小于2 MW的矿井，而负荷大于2 MW的矿井适合采用集中式；目前，在集中式系统应用中，国外研制的一种新型水能回收高低压转化器，其温度跃升可以从4～6 ℃降到0.2 ℃。

2.1.5 机械制冰降温技术

机械制冰降温技术(见图4)主要是利用冰的溶解热来制取冷却水，然后通过管道把冷却水送到井下各用冷工作面，系统包括制冰、运冰、融冰以及排热4部分。实验研究表明[8]，一般通过管道运冰，相同冷负荷下运冰量只占输冷冻水量的1/4～1/5，所以管径要小很多，将大大减少占用巷道内空间。融冰过程是该系统的一个非常重要的环节，它关系到能否获得稳定的低温水及水流量。机械制冰降温技术尚未成熟，如何提高融冰速度、减少融冰槽体积、运输中管道堵塞、冷量损失等问题尚需进一步改进。

图1 井下集中式系统流程Fig.1 Schematic diagram of the underground centralized system

图2 地面集中式系统流程Fig.2 Schematic diagram of the ground centralized system

图3 局部分布式系统流程Fig.3 Schematic diagram of the partly distributed system

图4 机械制冰系统流程Fig.4 Schematic diagram of the ice manufacturing systems

2.1.6 空气压缩制冷降温技术

空气压缩制冷降温技术是将空气作为冷媒质，直接向井下工作面喷射制冷。该系统为逆卡诺循环系统，可分为定压循环、定容循环和回热循环3种方式。系统相对简单，施工技术难度也较低，没有高低压转化器和空冷器，输冷管道数量相对较少，但是制冷设备较庞大，且需要矿井具有充足的压缩气源，投资和运行费用也相对较高，所以该技术应用较少，鉴于该技术采用空气作为制冷剂和载冷剂，不会带来环境污染问题，其在高温、高瓦斯矿井中应具有较广阔前景。

2.2 现代降温技术

现代科技飞速发展，对能源合理利用和环境要求的提高，矿井降温技术也不断得到改进和完善，一些现代矿井降温技术应运而生。

2.2.1 瓦斯发电制冷降温技术

2.2 放射诊断科医生建议 通过X光显影，明确了导管线和电极线的位置及走向，导管末端位于上腔静脉第7后肋，在右心耳外侧，电极导线放置在右心房。当患者体位发生较大变化时，导管尖端会向右心房端前进2～3 cm，为安全起见，建议拔出PICC导管2 cm，让导管尖端位置远离右心房，避免两者相互影响。

该技术首先需要对矿井抽采瓦斯进行除尘过滤、过滤等预处理后，经内燃机发电，然后余热用来进行井下降温，电能并网，从而实现煤矿瓦斯能源综合利用。在取得瓦斯发电效益的同时，利用余热解决了矿井热害治理难题。资料表明[9-11]，淮南矿区瓦斯发电余热吸收制冷(热电冷联供)矿井降温技术以得到广泛应用，最低余热利用温度已近80 ℃。

2.2.2 分离式热管降温技术

分离式热管[12]的工作原理是依靠重力回流形成热虹吸，热管冷凝端在上，蒸发端位于底部并有液池，热量输入时液池内工质受热形成蒸汽，通过绝热段流向冷凝段，蒸汽在冷凝段释放潜热冷凝，最后依靠重力流回蒸发段，属于无吸液芯热管。见图5。

图5 分离式热管原理Fig.5 Schematic diagram of the separate heat pipe

该技术用于矿井降温的主要优点有：

(1)适应大型化换热装置。

(2)可以实现冷、热两流体远程换热。

(3)可以实现冷、热流体完全隔离，彻底杜绝渗漏现象。

(5) 可以通过设计合理的气体流速使其具有自吹灰的能力，适于产尘量大的矿井。

(6)循环不需要辅助动力。

但是，不凝结性气体、蒸发段脉冲振荡、两相流不稳定性、充液率以及腐蚀等不利因素影响需要进行深入定量研究[13]，尤其分离式热管用于矿井环境的特性有待研究。此外，热管的运行还受到各种毛细限、沸腾限及干涸的限制。

2.2.3 深井HEMS降温系统

深井HEMS降温系统是针对深井开采高温热害问题的降温系统，其工作原理是利用矿井各水平现有涌水，通过HEMS系统从中提取冷量，然后将提取的冷量与井下工作面的高温空气进行热交换，降低工作面环境温湿度，同时置换出的热量为地面采暖及洗浴提供热源。

3 矿井降温技术发展趋势与展望

(1)目前，我国矿井降温措施中对于加强通风、遇冷进风风流技术应用较为成熟，井下高温岩体、个体防护技术也有一定的研究。

(2)机械制冰降温技术仍需进一步完善，应加大融冰和输冰技术研究力度，使冰冷却技术得到广泛应用。

(3)深井HEMS技术也只是处于起步阶段，HEMS降温以矿井涌水作为冷源，因此，该项技术主要适用于矿井涌水水源充足的矿井，但其独特的优势在我国深井热害治理研究中也将拥有良好的应用前景。

(4)瓦斯发电制冷降温技术虽在一些矿区取得了较好的应用成果，但多数矿井为低浓度瓦斯，可利用率低，需加大对于低浓度瓦斯资源利用技术的研究，使瓦斯资源得到充分利用。

(5)分离式热管用于矿井降温的尝试是可行的，有其独特的优势，但是输冷管道长、井下电动设备需要防爆，以对分离式热管除进行常规的热力设计外，必须对干涸传热极限和沸腾传热极限等进行校核，研发适用于井下特殊环境的分离式热管。

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(责任编辑 徐志宏)

The Heat Source Analysis and the Research and Development on Air-cooling in Deep Mines

Chai Huilai1，2Wang Jianxue1，2Wang Jinggang1Bao Lingling1

(1.SchoolofUrbanConstruction，HebeiUniversityofEngineering，Handan056038，China;2.CUMTEnergy-ConservationTechnologyCo.，Ltd.，Beijing100083，China)

Mine heat sources analysis and cooling techniques are important for deep mining.Heat hazards in mines were analyzed from five aspects of heat releases from mine tunnel rocks，ore oxidation，the electrical and mechanical equipment，underground heat water and local heat sources.And the air-cooling techniques were classified into traditional cooling technology and modern cooling technology，and their principle，characteristics and application status were discussed respectively.There exists ice transportation and melting issues in cooling technique of ice manufacturing.But，the technique of cooling water is so mature that it has become the main cooling mean.The cooling techniques of gas power generation could eliminate the gas emission and heat hazard in the mine，and realize the utilization of resources in a more intelligent way.The cooling techniques of separate type heat pipe which is suitable for the large-scale heat-exchange equipments completely separated cooled water from warmed fluid without external power.Besides，the development and trend on the current cooling techniques in underground mines were proposed.

Mine heat hazard，High temperature heat source，Cooling technique，Gas power generation，Separate type heat pipe，Development trend

2014-03-02

柴会来(1986—)，男，硕士研究生。

TD724

A

1001-1250(2014)-05-151-04