夏甸金矿深部开采制冷机组应用实践

宝海忠 姜 云 居伟伟 赵武鹍(.招金矿业股份有限公司夏甸金矿;2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室；4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

夏甸金矿深部开采制冷机组应用实践

宝海忠1姜 云1居伟伟2，3，4赵武鹍2，3，4
(1.招金矿业股份有限公司夏甸金矿;2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室；4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

夏甸金矿开采延伸至-652 m水平以下，通风系统已无法满足通风降温的需要，井下高温热害日益严重。为此，在深部高温开采工作面采用空气制冷和水制冷降低工作面温度，改善工作面环境，取得了较好的效果，为深部高温矿山降温提供了有益的借鉴。

深井矿山 高温热害 制冷

山东招远夏甸金矿位于招远市南20 km处，是招金集团的主要矿井，2013年矿石开采量达160万t，黄金产量达4 t。由于该矿-652 m水平以上矿脉资源即将枯竭，目前正在-720 m水平开拓。开拓中受到井下高温干扰，经过现场实测，-700 m水平和-740 m水平掘进风筒出口处温度已达33.8 ℃，回风竖井掘进头温度已达32.8 ℃，相对湿度均达到100%，超过国家(GBl 6423—2006)《金属非金属矿山安全规程》 26～28 ℃的采掘作业地点气象条件规定,存在高温热害问题。

岩温是深井矿山作业面气温升高、工作面作业条件恶化的主要原因之一。井下高温对工人劳动效率和人身健康有极大影响，环境温度升高，工人生产效率明显下降。据前苏联调查资料，以井下气温26 ℃ 为基准，气温每升高1 ℃，劳动生产率下降6%～8%；南非高温金矿，当井下气温高于30 ℃，相对湿度大于90%时，作业人员中开始出现中暑现象；原西德高温矿井，在气温高于28 ℃，相对湿度大于90%的高温高湿环境中，作业人员的心情烦躁不安，注意力不集中，反应能力差，事故发生率增加约20%。因此深井高温矿井降温是提高劳动生产率、安全生产的必然选择。

1 热源分析

1.1 地 热

参考纬度与之相近的山东东营地区恒温带温度深度,地温梯度参考纬度与之相近的山东淄博奎山地区的梯度，取0.02 ℃/m,计算夏甸矿各水平地温,见表1。

表1 夏甸矿各水平地温值

由表1可见，夏甸矿开采到-700 m水平时地温已达到33 ℃以上，根据煤炭系统热害等级划分原则，夏甸矿井下高温属一级热害区[1]。

1.2 机电设备散热

本矿区井下采、掘、运等各生产环节机械化程度较高，根据理论计算和实际测量, 电气设备在运行中有20%的能量将转化为热能散发到空气中，柴油机散发到空气中的热能更是达到其输出机械能的200%[1]。经统计，全矿井下累计电机设备散热量为550 kW，柴油机设备散热量6 242 kW以上。考虑到设备不可能同时运行的因素，最大班同时运行的柴油机设备散热量高达2 192 kW。由此可见，井下柴油机设备散热量是井下高温的重要热源之一。

2 井下制冷方案

目前矿井降温技术主要分为非人工制冷降温技术、空调制冷降温技术两类。理论研究和生产实践表明，当围岩温度达到一定高度，风量增加到一定程度后，非人工制冷降温技术降温幅度受到限制，无法解决热害问题[2]。夏甸金矿井下热害降温应主要采用矿井空调制冷降温技术。

矿井空调制冷降温系统根据冷却介质的不同可以分为风冷式降温和水冷式降温以及制冰降温；根据降温区域划分，可分为井下局部降温和整体降温；根据制冷设备的摆放位置又可分为井上集中式、井下集中式和井下移动式[3]。

井下移动式方案，制冷机采用分散式局部制冷降温，布置灵活，可根据负荷需要进行调节，无需引入水管。

2.1 -652 m水平以下环境现状

根据估算，-652 m岩温为31.99 ℃，对井下的热环境影响较小,-652～-720 m水平岩温逐步升至33.5 ℃，对采掘工作面的影响开始显现。

现场实测，地面温度29 ℃，混合井-652 m水平新风温度为28.4 ℃，说明浅层较低的地温消除了井筒中空气压缩热的影响，与估计的该地区地温梯度基本吻合。

根据夏甸金矿提供的资料，-652 m以下水平的主要热源为生产运输设备。统计资料表明-652 m 以下各水平共有铲运机4台，输出功率为58～95 kW，最大班同时工作的铲运机有3台；-652 m 以下各水平共有运输卡车7台，输出功率为90～176 kW，最大班同时工作的运输卡车有6台。经计算，最大班工作时仅柴油机车的发热量达到2 372 kW。-652 m以下水平最大班生产人员达到12人，人体散热量约5.64 kW。

井下-652 m水平以下有掘进和运输。其中掘进主要受地热影响，运输主要受地热和柴油机散热双重影响。

当入井风温为31.1 ℃、相对湿度为75%运输工况时，井下-662～-700 m水平以下环境温度达到36.6～39.5 ℃，相对湿度约98%，因此井下-652 m 水平以下必须采取降温措施。

2.2 机组安装位置

根据工作原理的不同，风冷机组必须距离回风井较近，水冷机组必须距离水仓较近。经考察,选择将风冷机组放置在-740 m水平55102线处，水冷机组放置在-652 m水平551线处。风冷机组使用φ400 mm的风筒输送冷风至552线天井联巷，使用φ600 mm的风筒输送热风至542回风井；水冷机组使用φ400 mm的风筒输送冷风至55101线进路， -652 m 水平538水仓取水至机组，换热后的水排至538水仓。

2.3 制冷机组技术数据

(1)风冷机组。①配置2台压缩机，制冷量75.2 kW，风机输入功率9.6 kW/台，合计19.2 kW；②制冷排热量30 000 m3/h，内部风阻35 Pa，热风进风温度32 ℃，出风温度44 ℃；③制冷机制冷量5 400 m3/h，内部风阻10 Pa，冷风进风温度32 ℃(相对湿度95%)，出风温度21.5 ℃；④冷风采用JK58-1No4/5.5 kW局部通风机和φ400 mm的风筒输送，热风采用2台FDNo6.3/2×30 kW局部通风机和φ600 mm的风筒输送。

(2)水冷机组。①配置2台压缩机，制冷量75.2 kW，压机输入功率6.6 kW/台，合计13.2 kW；②制冷机冷却水流量15.5 m3/h，冷却进水30 ℃、出水35 ℃；③制冷机冷风量5 400 m3/h，内部风阻10 Pa，冷风进风温度32 ℃(相对湿度95%)、出风温度21.5 ℃；④采用JK58-1№4/5.5 kW局部通风机和φ400 mm的风筒输送冷风。

3 机组应用

2014年5月份，夏甸金矿完成了现场安装调试，开展了为时10 d的井下小型可移动式风(水)制冷机组井下应用试验。

3.1 风冷机组测温数据

风冷机组测温数据见表2、表3。

表2 2014年6月19日-740 m水平测温记录 ℃

地点基础温度(9:30)一次测温(11:30)二次测温(12:30)三次测温(13:30)四次测温(14:20)天井底32.430.230.030.030.0天井联巷口31.829.929.829.829.65520131.730.630.330.330.3冷风筒出口22.822.822.923.023.0热风筒出口48.248.548.548.849.0机组处31.736.036.036.037.0

注：11:00开始巷道内有1台内燃机、2台卡车巡回作业。

表3 2014年6月23日-740 m水平测温记录 ℃

地点基础温度(10:00)一次测温(11:00)二次测温(12:00)三次测温(13:00)四次测温(14:00)天井底31.829.631.031.430.2天井联巷口31.831.030.432.431.85520131.831.231.432.832.2冷风筒出口25.029.026.629.228.6热风筒一侧大巷31.632.23333.432.8机组处31.833.034.035.034.0

注：11:30开始巷道内有1台内燃机巡回作业；制冷机组的入风、出风温差为13 ℃。

3.2 水冷机组测温数据

水冷机组测温数据见表4、表5。

3.3 风冷机组巷道规格

风冷机组巷道容积见表6。

3.4 水冷机组巷道规格

水冷机组巷道容积见表7。

4 结 论

本次试验取机组正常运行4 h数据为参考，风冷机组井巷最大降温2.4 ℃/m3，水冷机组井巷最大降温2.9 ℃/m3，水冷机组更具制冷效果，且安装使用方便、对井下环境的影响优于风冷机组。试验结果表明，制冷机组可以解决深部高温热害问题，为矿山深部开拓的高温问题提供了有益的借鉴和参考。

表4 2014年6月15日-652 m水平测温记录 ℃

地点基础温度(9:40)一次测温(11:30)二次测温(13:30)三次测温(14:30)551进路口30.631.229.630.2551进路内30.828.828.228.0552进路口30.631.629.829.8553进路口30.632.030.431.2554进路口30.632.830.631.2555进路口30.833.031.031.2风筒出口28.027.827.426.2机组处30.631.630.430.2

注：11:00开始巷道内有1台内燃机巡回作业。

表5 2014年6月17日-652 m水平测温记录 ℃

地点基础温度(9:30)一次测温(11:10)二次测温(12:00)三次测温(13:00)四次测温(14:00)551进路口30.529.529.929.729.6551进路内30.829.128.428.027.9552进路口30.629.930.330.630.6553进路口30.630.531.231.530.7554进路口30.630.931.831.530.8555进路口30.631.533.332.230.9风筒出口26.025.524.824.424.2机组处30.430.831.230.830.4

注：11:30开始巷道内有1台内燃机巡回作业

表6 -740 m水平风冷机组试验处巷道容积

表7 -652 m水平水冷机组试验处巷道容积

[1] 刘多文,李许胜,韩宗欣，等.黄金矿山深井制冷通风技术应用研究[J].金属矿山,2013(6):129-133.

[2] 吴丽丽,罗新荣,李 浪，等.高温矿井空调制冷技术概况及发展[J].制冷与空调，2012(12):97-100.

[3] 宋士生,扬中利,刘文波.深井开采矿山人工制冷技术综述[J].黄金,2011(5):34-36.

2014-11-11)

宝海忠(1977—)，男，矿长助理兼安全科科长，265400 山东省招远市夏店镇。