矿井空调技术研究现状与新思路*

彭 云，陈品崟

(紫金矿业集团股份有限公司，福建 龙岩 364200)

0 引言

矿业是我国的龙头行业，采矿业的健康发展与我国经济发展密不可分，保障矿井安全和井下作业人员的健康极其重要，因此矿井的空调问题备受关注[1]。

我国矿井数量众多、情况复杂，在北方大部分地区，冬季寒冷，室外温度较低，采矿作业时，进风井巷如有淋水，易造成结冰现象，影响提升运输，不利于生产安全。井下工作环境温度过低，还会影响作业人员的健康。《煤矿安全规程》要求进风井口以下的空气温度(干球温度)不得低于 2 ℃[2]。另外，我国部分矿井采深已达800～1 000 m，并且仍以每年8～12 m的速度向下掘进。国外已有较多矿山进入深部开采，部分矿井采深甚至超过3 000 m，如南非某金矿即将进入4 500～5 000 m的地下深部开采[3-4]。随着开采深度的增加，矿井将不可避免地面临地温逐渐升高的问题，且还受到围岩、机电设备和空气自压缩产热等影响，导致矿井深部形成了异常高温的作业环境[5]。

解决低深度矿井的冬季新进风预热升温问题，回收利用低温余热资源加热新风，实现绿色节能目标，符合我国可持续发展战略。我国有上百个金属矿井存在深部高温环境问题，有60余个矿井的采掘工作面风温超过30 ℃[6-7]；尤其是在500～1 000 m采深的矿井中，高温矿井占比高达63%[8-9]，因此对深热矿井采取降温措施，有助于我国矿业摆脱采深限制，实现健康稳定发展。

1 矿井空调技术研究现状

1.1 矿井余热回收技术

SMITH等[10]于1996年针对加拿大某金矿提出了利用空气源热泵来回收矿井回风余热为矿井提供辅助供热的方案，设计了余热回收系统，同时在理论上计算分析了可回收能量和投资回收期，并探讨了余热回收技术的可行性。

我国由朱晓彦[11]在2006年开发了矿井回风热能回收技术：在矿井回风巷道内布置间壁式换热器，然后将水源热泵产生的高/低温水送入换热器内，通过水在换热器内的流动与矿井回风进行热交换，从而回收回风中蕴含的能量。但该技术采用的是间接接触式换热，回风与水的换热温差较小，换热效率低，若要大量回收回风中的热量则需要较大的换热面积，从而使得该技术受到空间限制；并且矿井回风湿度大，粉尘含量高，间壁式换热器容易被腐蚀，清洁也比较困难。2014年，仲继亮[12]研发了“矿井回风余热回收装置”，该装置设置了导风筒和类似填料式冷却塔的丝团换热器，该换热器可使空气与水充分换热，但会增大通风阻力。

目前，大部分研究是对矿井回风余热利用技术的系统设计、可行性及经济性评价，或利用计算软件对初步设计的污风废热回收系统及装置进行数值模拟分析，再根据分析结果修正初步设计，但由于计算软件内置的传热及流体理论计算模型与矿山实际条件存在偏差，致使大多数矿井污风废热回收利用系统及装置的热回收效果不理想。

1.2 矿井降温技术

20世纪20年代，高温矿井热害防治技术开始出现；20世纪70年代后，随着矿井开采的愈发深入以及对矿井作业人员生命安全的重视，该技术得以迅速发展。在全球科研人员的不懈攻关下，高温矿井热害防治理论及技术研究取得了丰硕成果，在矿井安全开采中起到了重要作用。矿井降温技术按技术类型可分为人工制冷降温技术、人工制冰降温技术、空气压缩式制冷技术和非人工制冷降温技术。

1.2.1 人工制冷降温技术

英国是世界上第一个使用人工制冷技术为矿井降温的国家。自20世纪20年代起，英国Pendleton煤矿在采区使用了制冷机，有效地降低了采区的风流温度。20世纪30年代，巴西的Morovero矿、南非的Robinson矿将风流送入集中冷却井筒，得到了温度较低的风流，有效降低了矿井内的温度。20世纪60年代，南非使用了大型的矿井集中空调，用以调节井下温度；20世纪70年代，国内外人工制冷降温技术受到越来越多的关注，得到了迅速发展。目前，矿井人工制冷降温技术主要采用的是蒸汽压缩制冷机组，该技术已经渐趋成熟，得到了广泛使用。该降温技术制冷效果佳、成本较低，已成为矿井降温的主要手段。

1.2.2 人工制冰降温技术

20世纪80年代初，南非等国家开展了冰冷却降温技术[13-14]。1985年，德国的Meript矿井首次应用了冰冷却降温系统[15-16]。人工制冰降温技术的特征如下：

a.制冰降温通过冰与水直接接触，可以直接吸收水中的热量，换热效率高，因此通过水泵输送进入空冷器的水量得以大大减少，降低了输送能耗[17-18]。

b.冰冷却降温技术主要是利用冰的融化吸收井下热量，以达到降温目的。吸收同样的热量，水冷却系统所需的水量是冰冷却系统所需冰量的4～5倍。

c.冰冷却降温技术主要考虑的是制冰、输冰和融冰三个环节，由于该技术还处在技术突破以及成本控制的关键时期，因此尚未得到广泛应用。

1.2.3 空气压缩式制冷技术

我国煤炭科学研究总院抚顺分院在1973年研发了涡流管制冷器、YP-100型矿用环缝式压力引射器；南非某金矿于1989年建成了压缩空气制冷空调系统；1993年，中国航空工业总公司第609研究所联合平顶山矿务局研制了我国首台KKL101型矿用无氟空气制冷机。

空气压缩式制冷循环的制冷系数小于蒸汽压缩式制冷循环的制冷系数。同时，由于空气的比热容较小，蒸汽压缩式制冷系统单位质量制冷剂的制冷能力强于空气压缩式制冷系统。 因此，空气压缩式制冷系统需要更多的设备才能达到与蒸汽压缩式制冷系统同样的制冷效果。从成本上看，空气压缩式制冷系统单位制冷量的投资和年运行费用高于蒸汽压缩式制冷系统。由于制冷效果一般且成本较高，全矿井采用空气压缩式制冷系统降温不太现实。

1.2.4 非人工制冷降温技术

非人工制冷降温技术可以降低风流温度，但降温幅度有限。如今矿井向下掘进深度不断增加，井下温度也随之升高，非人工制冷降温措施无法满足深井采掘工作面的降温需要，因此在必要情况下，应当利用制冷效果更佳的人工制冷降温技术。

2 矿井空调技术研究新思路

2.1 热管换热器回收矿井余热

热管换热器是目前矿井余热回收的一种新型设备，热管是利用其内部的工作流体相变来传递热量的，导热性较强，其由热管外壳、工作流体和液芯(管芯)组成。作为封闭式传热元件，热管被抽真空并充满所需量的工作流体，形成封闭的外壳[19]。由一定数量的热管组成的热管换热器在工业余热回收方面与传统的换热器相比，有较多优势[20]:

a.无运动部件且无需外部额外施加动力，可靠性高。

b.冷热气流之间存在固体壁面，解决了横向渗流的问题。

c.传统的间壁换热器只要其中1个换热元件损坏，就必须停机检修，而热管换热设备则不会，它是二次间壁换热，单根热管一旦损坏，两种换热流体就不可能混合，不会影响整体的换热效果，无需停机维护，可以实现高效的现代化大规模生产。

d.该装置简单紧凑，适用温度范围广，它在低温方面可以到达零摄氏度以下，在高温方面甚至可以达到数千摄氏度。

e.该装置可以向任意方向传递热量，热阻小，通过较小的温差即可获得较高的传热率，且轴向表面温度均匀，可根据需要调整热管冷、热两侧热阻的相对大小，控制热管壁温，有效防止腐蚀发生。

f.通过热管进行管外换热，避免了传统换热器通过管壳进行换热，使热管换热器的布置、安装灵活，故障少，维修方便，同时也解决了普通换热器不能灵活处理粉尘的问题。

目前热管换热器已在航天、电子工程等领域得到了广泛应用，而在矿井回风余热回收上，一般采用重力式热管换热器。未来应加强热管换热效率提升的研究。

2.2 内循环节能型矿井空调系统

现有矿井空调技术存在一个缺陷，即冬季回风井高温空气排放至外界或夏季低温空气排放至外界，造成了大量的热能或冷能浪费。

冬季时，高寒地区外界超低温空气进入矿井后经井口加热装置加热，流入井下井巷系统及采场内，经井下原岩地温及深部地热加热后，流向回风段(回风井)，绝大部分矿井回风段内高温空气直接流向外界，少部分矿山在回风井进行了余热提取利用，因此现有技术从回风井流入自然界的风流温度远高于自然界空气温度，造成了大量的空气热能浪费。

夏季外界高温热空气进入矿井后，被浅部低温围岩降温后排至回风井；高温热害矿井经常规降温系统降温冷却后经采矿工作面高温围岩加热后排至回风井；但据统计，国内外高温热害矿井及常规矿井绝大部分回风井常年温度在18 ℃左右，而夏季的外界温度甚至超过30 ℃，因此矿井排出的“低温空气”到高温外界中造成了冷能浪费。

为保障矿井安全生产，应改善矿井空气质量并根据需求调节适宜的气温。高寒地区冬季需对进风井口的入井风流进行加热，预防矿井入风井口结冰而影响行人及运输安全；深部地热矿井在夏季需对矿井风流进行降温，避免工人因高温而影响工作效率甚至导致热射病[21-26]。

矿井空调系统作为矿井通风系统的组成部分，在所有矿井生产单元系统中占有极其重要的位置。为了保证矿井的安全生产，矿井空调系统这一具有动态性的系统必须能够保持长时间的最佳运行状态。然而，在实际生产活动中，各种因素影响了矿井通风及空调系统的正常运行及其功能的发挥[27-29]。

综上，提出了内循环节能型矿井空调系统，其特征为：冬季提取回风段风流热能使回风井出风温度等于(或不高于)外界空气温度、提取的热能用于矿井进风井防冻及矿井风流加热；夏季提取回风段风流冷能使回风井出口风流温度等于(或不低于)外界空气温度、提取的冷能用于矿井风流降温；矿井进风温度、出风温度等于外界空气温度，矿井内部风流温度冬季高于外界空气温度、夏季低于外界空气温度；矿井空气冬季热能、夏季冷能不外排，在矿井内循环利用[30]。

3 结语

在国家推出“互联网+”行动指南和“机械化减人、自动化换人”专项行动的大背景下，矿井通风智能化研发迎来前所未有的发展机遇，未来应充分利用现代物联网技术、通信技术和自动化技术实现矿井通风与空调的数字化、自动化。

内循环节能型矿井空调系统技术符合国家节能减排产业政策和经济发展要求，技术先进，投资压力小，节能效果显著，可获得国家节能减排补贴资金支持，或采用合同能源管理的方式减轻企业投资压力，在热害严重、涌水量大、水温高的矿井中具有重大的应用价值。