某高寒高海拔铜矿井口防冻加热系统设计

张继业

（1．河南理工大学安全科学与工程学院，河南 焦作 454000；2．中国恩菲工程技术有限公司 北京 100038 ）

1 高海拔矿山条件

《全国矿产资源规划（2016～2020年）》中规划建设103个能源资源基地，划定了267个国家规划矿区，部分矿山分部在西藏、青海、新疆、云南这些高海拔省份。例如云南迪庆州普朗铜矿矿区海拔高度3600m～4500m；西藏昌都市玉龙铜矿矿区海拔高度4560m～5124m，西藏拉萨市驱龙铜矿区海拔高度4350m～5407m。复杂多样的高原地理气候环境（气压低、含氧量少、气候寒冷、温差大），极大的影响和制约高海拔矿山地下开采生产。同时根据《金属非金属矿山安全规程》第 6.4.1.7 条，为保障采矿生产安全，各通风平硐硐口进风温度须≥2℃，考虑到矿区冬季漫长严寒，矿井进风必须加热防冻。

例如云南迪庆州普朗铜矿采暖期长达179天，冬季室外温度长期低于 0℃，矿井平均进风干球温度-12℃，主要运输平硐巷道顶底板长期有地下水渗出，进洞 200m 内如不进行供暖加热，巷道顶底板长期处于冰冻状态，影响矿山正常生产。

2 矿井加热技术现状

矿井井筒防冻加热技术在煤矿中应用较为广泛，传统的加热技术为用热源通过换热器将进风空气温度提高到2℃以上，保证矿井防冻效果。热源可由已煤炭、油、燃气为燃料的锅炉房提供，亦可用电能直接供热提供。锅炉系统初投资较大，管理、运行、维护费用较高，而且燃烧也会对环境造成污染。

根据国家能源政策、节能标准一贯的指导方针，具有工业余热和区域供热作为热源时应优先采用。矿井通风系统的风流冲洗井下工作面后将有毒有害气体由回风井巷排出，同时也将井下人员、机具作业产生热量以及井巷岩壁积蓄的低温热能排出[1，2]。通过回风源热泵技术回收这部分低温热能来加热水，储存热量可以循环利用，也是国家大力提倡的节能方式，以其低耗、易维护等优点得到了一定的推广。

在高寒高海拔矿山，由于气压低、含氧量少，以煤炭、油、燃气作为燃料的矿井加热方案并不经济适用，只能选择以电加热、回风源热泵提供能量的加热方式。

3 某高寒高海拔铜矿矿井井口加热系统设计

3.1 设计条件

（1）矿井通风系统概况。该矿采用平硐开拓胶带运输，中段采用有轨运输，自然崩落法开采，设计开采规模1250万t/a。根据该矿通风系统的特点，设计采用多级机站通风方式，总需风量为647m3/s。新鲜风流经3850m风平硐、3600m进风平硐、3660m有轨运输平硐和3720m无轨平硐进入井下，由辅扇和通风构筑物负责分配风流，污风经3700m回风平硐、南回风井和3540m胶带运输平硐排出地表[2]。通风系统示意图如图1所示。

根据在Ventsim VisualTM软件中，将系统风机参数、通风构筑物、通风监测点与矿山实际进行解算，各硐口满负荷工况最大风量见表1。

（2）经查询铜矿所在地区气象资料，该矿区冬季空气调节室外计算温度为-8.6℃，相对湿度60%，极端最低温度平均值-27.4℃。实际测定冬季矿井进回风参数平均温度为8℃。

图1 通风系统示意图

表1 各硐口满负荷风量

（3）井口加热需热量计算。为满足冬季进风温度高于2℃，需通过井口加热器对进入井口的空气（室外温度计算值取-12℃，相对湿度60%）进行加热，运用矿井井口加热量计算公式[3]计算各进风井口防冻加热所需热量见下表：

公式中：Q——进风所需加热热量， kw；

α——热量损失系数，井口房不密闭时，α=1.05～1.10

Th——冷、热风混合后空气温度，取2℃；

Tw——室外平均冷风进风温度，取-12℃；

V ——进风风量，m³/s；

Cp——空气定压比热，Cp=1.01kj/kg·℃

ρ——空气密度，kg/m³；

表2 进风加热需热量表

故为满足矿山井口防冻需求，在空气调节室外平计算温度为-12℃时将进风温度加热到2℃，矿山井口总加热量为8555kw。

（4）回风井口可提取热量核定。经实测未加热前3700m回风平硐及南回风井回风空气平均密度为0.851 kg/m³，干球温度为8℃，相对湿度60%；如运用回风源热泵技术回收此部分低温余热，机组排出回风温度为1℃，相对湿度95%。可查得此过程焓差为：7.6Kj/kg。

回收回风热量可根据公式[4]：

式中：Qh——回收热量，kw；

△i——焓值差，kj/kg；

ρ——空气密度，kg/m³；

V ——回风风量，m³/s；

根据热泵机组选型参数COP取计算值为3.57，则机组可提供的高位热能为：

根据上式计算各个回风出口可提取热量为：

表3 不同回风出口可提取热量表

3.2 矿山井口加热系统设计

由于矿区所在区域地处高海拔，环保要求高，且无煤炭、燃油、燃气等能源条件，可供使用能源仅为电能。为达到节能环保的设计理念，根据矿山实际通风网络及系统布置位置，方案设计主要采用在回风井设置回风源热泵机组回收回风余热，通过热水循环泵和热水管网将热量输送至进风硐室，通过水-空气换热机组对进风进行预热，设置软水装置和定压补水装置。热泵机组不足热量采用电加热器补足。系统示意图如图2所示。

图2 回风源热泵机组加热系统示意图

根据现场实际情况设计为：

（1）3850m进风斜坡道与南回风井结合设置一套独立的空气源热泵预热系统：此两处进回风硐口位于矿体南侧山坡，距离较近。为提取南回风井回风余热量，选配MAS130型风冷螺杆热水机组5台（制热量510kw），MAS90型风冷螺杆热水机组1台（制热量350kw），加热循环水系统，供回水温度50℃/45℃输送至3850进风斜坡道；在3850m进风斜坡道井口设置水空气换热器（单台供热量690kw），不足热量由电加热器补足。

热泵机组系统装机功率为967kw，电加热器500kw，合计1467kw，可节约加热能耗2066kw。

（2）3600m进风平硐与3700m回风平硐结合设置一套独立的空气源热泵预热系统：此两处进回风硐口位于矿体北侧山坡，距离较近。选配MAS130型风冷螺杆热水机组3台（制热量510kw），MAS90型风冷螺杆热水机组1台（制热量350kw）提取3700m回风平硐回风余热量，3600m进风平硐设置3台水空气换热器（单台供热量630kw），不足热量由4台电加热器补足；热泵机组系统装机功率为650kw，电加热器功率2000kw，合计2650kw，可节约加热能耗675kw。

（3）3720m无轨平硐及3660m有轨运输平硐由于布置在矿体西侧，距离其它硐口较远，分别设置电加热空气预热机组对进风加热；

（4）3540m胶带运输平硐由于可回收热量较小，且与其它硐室距离较远，从经济角度考虑，不布置余热回收。

（5）控制系统：在室外、进风硐口、回风硐口设置温度监控测点，通过PLC对热泵机组及电加热器集中控制，根据进风温度变化进调节风井口加热器开启数量，来保证进风温度维持在2℃以上，防止结冰。

4 设计方案运行费用分析

根据以上设计方案，将3850m进风斜坡道井口加热能耗由约3533kw降低至1467kw，3600m进风平硐井口加热能耗由约3325kw降低至2650kw。按照冬季每天运行10小时，每年运行100天计算，年节省电量可节省289万KWh，按0.35元/KWh的工业用电电费计算，每年可节省运行电费101.15万元。

由于空气源热泵热泵运行几乎不需要维护、值守，每年可节省设备维护成本约10万元，人工成本16万元。

5 结论

（1）项目设计对矿井井口加热热量和回风余热提取热量进行了解算，提出了井口加热防冻系统方案；

（2）项目设计有效的解决了高寒、高海拔矿山供热形式单一、供热热效率的难题，采用回风源热泵技术回收矿井回风低焓热能，用于井口防冻和空气预热，节约了大量能源，减少排放，是绿色矿山建设的一个方面。

（3）本项目为高寒高海拔有色金属矿山，有独特的地理及区位优势，经济和社会效益明显，可在类似条件下推广应用。