新型矿井通风降温技术装置的试验研究

程 力 张 涛 汪林红 陈宜华 王 岩

（1.山东黄金集团有限公司深井开采实验室，山东 莱州 261400；2.安徽工业大学能源与环境学院，安徽 马鞍山 243000；3.山东中矿集团有限公司，山东 招远 265400）

随着工业化进程的突飞猛进，我国的矿产资源消耗已跻身于世界前列。目前有95%以上的能源、80%以上的工业原材料、以及70%以上的农业资源均来源于矿产资源［1］。由于需求量的逐年攀升，浅部易开采的矿产资源越来越少，采场已由地表向地下延伸，深部开采已成为矿山资源开发的重点。初步统计，“十三五”期间我国有近50座金属矿山进入地下1 000 m以下开采，预计今后10～20 a，将有近一半的金属矿山进入1 000～2 000 m深度开采。随着开采的深度以及采掘机械化程度加深，矿井热害问题日益突出，对采矿业的生产效率以及施工安全产生重大影响，已成为矿井生产过程中急需解决的重大难题，本文通过对矿井热害现状、产生因素以及前人的研究成果进行分析，提出了一种新型矿井通风降温技术，并在山东省招远市某金矿二十九中段斜坡道一分段独头作业面进行了测试。

1 矿井热害现状

矿井热害是矿井深部开发过程中，温度升高导致矿井内热环境恶化，从而引起一系列环境和安全问题。根据前人对地温方面的研究，开采深度每增加100 m，地下的岩石温度将上升2.5～3℃。据此推算，开采深度在1 000～2 000 m深度资源时，工作环境岩石温度将达到40～50℃。我国向深部开采的平均速度达到8～12 m/a，东部开采速度最快达到10～25 m/a［2］。目前，部分金属矿山井下环境温度已经出现30℃以上高温。国外开采时间更早，开采深度更深，矿井温度也越高，最高温度甚至达到70℃，如表1所示［3］。

井下高温、高湿的作业环境将带来一系列问题，例如对劳动者身体造成伤害（中暑、神经性疾病等）、生产效率下降、事故发生率增加、机械设备寿命缩短等。长时间在井下高温、高湿环境下工作的工人，会破坏人体的产热和散热之间的平衡，从而导致人体不舒适反应，矿井热环境温度过高会使人体温度自动调节功能紊乱，容易出现胸闷、头昏、乏力、呼吸不畅、注意力分散、反应迟缓等症状，严重的甚至会造成死亡。据前苏联和德国调研资料介绍，矿内作业环境的气温超标1℃，劳动生产率则下降6%～8%；当气温超过28℃时，事故发生率将增长20%［4］，我国《煤矿安全规程》第101条规定“采掘工作面的空气温度超过30℃，必须停止作业”［5］。深部高温问题直接制约我国深部资源的有效开发利用，研究高温矿井环境控制技术与设备对保证我国矿产资源持续稳定的供应起着至关重要的作用。

2 矿井热害形成因素及治理现状

2.1 矿井热害形成因素

矿井下的热源主要分为：空气自压缩放热、井巷围岩传热、热水放热、机电设备放热4种［6］。

（1）围岩传热：一方面是由于空气向井下流动的过程中与周围岩石存在的温度差而不断发生热交换，传入风流的热量随着岩石温度的升高而增加，另一方面是由于地表温度梯度、太阳的热辐射等与岩石体进行热交换，使矿井温度升高。

（2）空气自压缩放热：井下风流形成的空气柱压力，在向井下流动过程中位能不断转化成焓，焓增时会吸收热量使井下风流的温度增加，增加幅度为9.76℃/1 000 m［7］，其中由于水分蒸发吸热以及围岩散热会消耗一部分自压缩产生的焓增，井下风流的温度会随着季节的变化而变化。

（3）井下热水放热：主要与水温、水量以及排水的方式有关［8］。水温、水量越大，井下温度就越高，当采用管道的方式排水时其传热量可用以下公式求出［9］：

式中，Qw为热水传热量；kw为管道的传热系数，其大小与管道的内径、外径以及材料的导热系数有关；S为管道的表面积，即水与空气的传热面积；tw、t分别表示水流和风流的平均温度。

（4）机电设备放热：随着矿井开采规模的不断增大，井下的装机数量不断增多，矿井机械化水平不断提高，机电设备产热已经成为不可忽略的热源之一。其热源可分为以下3种［10］：①采矿和掘进机械设备放热，如采矿机、掘进机、混凝土喷射机、破碎机；②提升运输设备的放热，如卡车、输运机、提升机等；③其他设备的放热，如电动机、水泵、风机、灯具等。这些机电设备在运行过程中散发的热量进入风流中，使得设备所在的局部区域风流温度会快速升高。

矿山通风由于过程比较漫长，在进风段和用风段的热源存在差异，进风段主要由空气自压缩产热和围岩放热这两种热源产热，其中空气自压缩产热占主要部分，用风段热源由上述4种热源共同作用，占的比例分别为7%、71%、15%和7%。井下通风降温所采取的一系列措施，需充分考虑这些热源的影响。

2.2 矿井热害治理现状

矿井制冷技术包括人工和非人工2种［11］，人工制冷主要通过制冷水、制冰以及压缩空气制冷等技术降低深井温度，而非人工制冷技术主要通过增大通风量或优化通风方式、控制热源散热以及将风流冷却后再通入井等方式达到降温目的。目前用得较多且效果较好的主要是人工制冷技术，其中以井下集中式空调系统、人工制冰空调、压缩空气制冷以及热电冷联产空调降温等技术为代表［12］，这些降温技术虽然在一定程度上降低了井内温度，但由于这些技术普遍存在设备体积庞大、制冷散热量处理机构复杂、移动困难，降温设备一般只能固定在井下的某一位置，输送冷风的路径较长，沿程冷量损失大等问题［13］，除去湿热效果不理想，在使用过程中存在一定的限制。

3 新型通风降温技术

针对当前深部热环境通风降温技术的不足，本研究提出了一种可广泛应用于金属矿井下热环境控制的新型通风降温技术，该技术能够有效解决目前通风降温技术存在的问题，具有设备体积小、移动使用简便、效率高、抗潮湿粉尘的优点，可显著改善操作岗位的工作环境和保护员工的健康。

3.1 通风降温技术组成

井下高温热环境通风降温除尘技术是由潮湿环境除尘机组、除湿机组、制冷机组3个部分组成，其系统图如图1所示。该技术将3个机组有机结合，使它们之间合理匹配。

（1）除尘机组。除尘机组是由除尘箱体、大容尘量多褶滤料（包括DV无纺滤料、波纹过滤元件）、风机组成。井下环境中高浓度潮湿粉尘、高温气体经过滤料过滤后，井下作业环境中的粉尘浓度能降低到国家规定的标准。且滤料采用多褶结构，既增加过滤面积，也提高容尘量，过滤一段时间后取出清洗后可循坏利用。

（2）除湿机组。除湿机组由热交换器、风扇、盛水器、机壳、除湿剂、风箱及控制器组成。由风扇将潮湿空气抽入除湿机内，空气中的水分在通过热交换器后冷凝成水珠，空气干燥后排出机外，不断循环该过程降低空气中水分，实现空气的除湿过程。

（3）制冷机组。压缩式工业制冷机由压缩机、空冷器、蒸发器、轴流风机这4个主要部分构成。先向机内水箱注入一定量的水，通过制冷系统将水冷却，冷却水通过水泵送入需要冷却的设备，吸收热量后冷却水的温度升高再流回水箱，通过形成压缩式冷水循环达到降温的作用。冷却水温可根据要求自动调节，不仅节约用水，还能有效降低设备产生的热量。

3.2 技术原理

首先，井下潮湿的高温含尘气体进入除尘室，在滤料的惯性碰撞、截留、扩散等作用下除去气流中颗粒物，净化空气；净化后的空气进入除湿室，当潮湿空气通过除湿机，根据空气湿度与温度变化关系，利用热交换器将空气中水分冷凝成水滴，降低空气中含湿量，达到除湿的目的；干燥后的空气进入空气冷却室，通过蒸发器把热空气冷却后送到作业面达到除湿、降温的目的，该技术有效地将除尘、除湿、降温协调统一，工艺流程图如图1所示。

3.3 技术特点

本技术综合了当前地面集中制冷技术与井下局部制冷技术优点，集成设计了移动式通风降温制冷装置，相比于其他深井通风降温技术，具有以下特点：

（1）结构简单，装置安装简便。其中制冷装置采用模块化结构，在井下实行模块化组合，整个系统实现了除尘、除湿、降温的有机结合。

（2）制冷量利用率高。因可移动而缩短了输送距离，沿程能量损失较小，除尘机组产生的动力推进风流运动，制冷机组产生热量为除湿机组提供动力，实现能量综合利用，能量有效利用效率达到99%以上。

（3）维修方面。装置采用模块化结构，各模块体积小，可在地面或井下硐室内检修、维护。

（4）装置能量循环使用，无复杂的制冷产热处理系统，效率提高40%以上。

（5）装置集除尘、降温、除湿一体化，工艺流程短，效果优良，投资费用低。

4 现场应用测试

4.1 项目概况

为验证移动式通风降温制冷装置功效，选择在山东省招远市某金矿二十九中段斜坡道一分段独头作业面进行测试。该作业面原有通风方式为：新鲜风流从7号盲竖井到达二十八中段，经斜坡道到二十九中段一分段独头作业面，污风排入二十八中段回风巷，然后倒段回风天井，经西风井排出地表。

加入通风降温系统后，制冷机组主机安装在7号盲竖井二十八中段东部进风侧，距测试作业面150 m处，制冷量为264 kW，电机总功率82 kW。空冷器及2×11 kW局扇风机安装在通往二十九中段斜坡道上口距主机50 m处；主机与空冷器采用保温管路连接。机组所需的矿井水由主机西侧900 m处的二十八中段一处涌水量为36 m3/h的掘进面临时水仓提供，用φ108 mm塑料管路加管道泵输送至机组，再将交换热量后的矿井水用φ108 mm塑料管排至二十八中段西侧300 m处的回风巷水沟内，主机内循环水与冷媒换热后形成的冷冻水输送至空冷器，在与局扇风机新鲜风换热温度升高后再输送回主机继续进行热交换，完成一个换热循环。新鲜风换热后利用φ800 mm阻燃软风带送至100 m处的作业面，污风经斜坡道到达二十八中段排入回风巷。现场布置如图2～图4所示。

4.2 运行结果分析

独头作业面安装好通风降温系统，爆破作业2 h后，检测制冷机组开启数据，然后制冷机组开启0.5 h后检测制冷效果，在相同的检测地点检测24 d，检测参数为二十九中段一分段巷作业面和穿脉口开机前后温度以及机组内循环水和水包循环水的进出口水温，降温机组运行前后数据如表2所示。

结合表2以及图5～图8可以看出，在采用制冷机组前一分段巷作业面和穿脉口的平均温度分别为29.78℃和30.21℃，均大于国家标准规定的最大允许的温度值（分别为26℃和30℃），采用降温技术后，作业面和穿口的平均温度为25.61℃和27.09℃，温度明显降低，都满足了国家标准规定的温度要求，而机组耗用冷量在190 kW左右，仍有20%～30%的利用空间。另外通过比较水仓外循环水进出机组的温度以及机组内部出水温度和返回水温度可发现，出机组水的温度远大于入机水温，机组制冷过后出水温度明显小于送入空冷器后返回水的温度，说明了制冷机组在制冷的过程进行了热交换，实现了能量的循环利用，其能量利用率可利用下式计算：

式中，EC、Ef分别为有效制冷量和冷量损失量；EC+Ef为总的能量；ΔT表示进出口温度差，本设计大约5℃；Δh为进出口高程差；V为出口空气流速；A为出口面积；CP为空气比热容，取1.005 kJ/（kg·K）；ρ为空气密度，取1.247kg/m3；λ为空气导热系数。

根据上述可算出能量利用率大约为97.2%。

5 结论

（1）该移动式新型通风降温除尘装置，在克服传统技术设备体积庞大、制冷散热系统复杂、移动困难等难题的同时，实现了除尘、除湿、降温一体化，解决了当前井下通风降温技术存在的不足。

（2）该技术实现了能量循环利用，能量利用率达到97.2%以上，相比于其他降温技术效率提高了40%以上。可广泛用于金属矿山井下热环境以及矿山井下峒室（如水泵硐室、空压机站、破碎硐室）、独头巷道作业的降温除湿，改善井下工人工作环境，提高了劳动生产效率。