局部制冷降温技术在三山岛金矿深部巷道掘进中的应用

程力

摘要：针对三山岛金矿深部-1 140 m水平巷道掘进通风不畅导致的高温热害现象，结合井下生产情况，充分利用现有条件，通过计算局部制冷降温系统所需冷负荷，并综合考虑制冷机组、散热装置相对位置（井下-1 140 m水平）及冷凝热排放途径（水仓低温涌水）等，设计出适合于井下-1 140 m水平生产、通风条件的井下集中式制冷降温，井下水仓涌水排放冷凝热的人工制冷降温方案并进行了试运行。试运行期间，周围环境温度降至32 ℃左右，作业环境温度得到明显改善。局部制冷降温技术为矿山深部开采集中式制冷降温系统的远景规划提供了工程经验，也为类似工程提供了参考。

关键词：深部开采;局部制冷;冷负荷;冷凝热;空冷器

引 言

山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿（下称“三山岛金矿”）地处山东省黄蓝战略核心区莱州湾畔，是国内唯一一座濒海地下矿山，设计生产规模达到8 000 t/d。根据有关研究测定，三山岛金矿地温梯度2.2 ℃/100 m。随着采矿工作面逐步向深部发展，目前西山矿区-1 140 m水平巷道围岩温度约为52 ℃，涌水温度约为50 ℃。矿井通风及降温研究资料表明，当开采深度及空气温度达到一定极限[1-2]，单纯采用加大风量、加速空气流动换热的单一通风模式解决深部高温热害问题，其通风降温收效甚微，人工（机械）制冷降温将成为深部矿山高温热害治理的必然选择[3-8]。

本次局部制冷降溫技术紧密结合三山岛金矿井下生产情况，充分利用现有条件，拟定在-1 140 m水平3个掘进作业面开展局部制冷降温工程实践，确定制冷系统机组需冷量，设计制冷降温技术方案，通过人工制冷降温措施降低掘进施工作业时的环境温度，为矿山深部开采集中式制冷降温系统的远景规划提供工程经验。

1 工程背景

三山岛金矿西山矿区采用明竖井+盲竖井+斜坡道联合开拓方式，上向水平分层充填采矿法，凿岩台车凿岩，铲运机出矿，分级尾砂充填。目前主要生产采场位于-960 m中段以上，开拓中段位于-1 140 m水平。深部通风采用机械抽出式通风方式，中央两翼对角式通风系统。新鲜风流经进风井、主斜坡道、北措施斜坡道、盲混合井、1620勘探线管缆井和1860勘探线管缆井进入井下各中（分）段，洗刷作业面后，污风由行人通风天井汇入中段回风巷，经盲通风井、深部南回风井、1960勘探线回风井及倒段风井回风至各回风中段，最终经新南风井、老南风井、新北风井、北风井排至地表。

2 工作面冷负荷计算

根据三山岛金矿-1 140 m水平采掘工作面分布情况，并结合GB 50830—2013 《冶金矿山采矿设计规范》第8.8.4条规定：高温矿井采掘工作面风速可取0.5～1.0 m/s，在冷负荷计算中，取0.75 m/s，并假设末端换热器在冷-热交换过程中实际换热风量取通风系统风量60 %，通风系统平均每个掘进工作面需风量约8 m3/s，采用人工制冷降温系统后，每个掘进工作面制冷风量约4.8 m3/s，井下-1 140 m水平3个掘进工作面同时作业总制冷风量约14.4 m3/s。目前掘进工作面进风实测空气温度为35 ℃～40 ℃，相对湿度98 %。

3 制冷降温技术方案

根据三山岛金矿井下生产条件，尤其是矿井通风系统状况及制冷换热后热量排放方式、途径，井下水源、水质条件对制冷方案的限制等因素，结合国内外类似矿山人工制冷降温设计施工经验及有关矿山制冷设备厂家产品性能，决定采用井下集中式制冷降温，井下水仓涌水排放冷凝热的制冷降温系统方案。

3.1 制冷系统组成及设备布置

该方案在井下-1 140 m水平集中布置制冷机组，系统主要设备包括井下制冷机组、井下水仓（天然冷却塔）、冷冻水泵、冷却水泵、排水泵、排水管、空冷器等。制冷机组布置在靠近水仓区域的硐室内，空冷器布置在靠近工作面的掘进巷道内，冷风通过风筒输送至掘进工作面，空冷器随着掘进的推进向前移动。

3.2 制冷原理及冷凝热排放途径

井下水仓相当于一个“天然冷却塔”，制冷机组的冷凝器中制冷剂与冷却水热交换，将冷凝热释放在冷却水中，利用井下水仓的低温涌水，在水仓布置换热器或直接将冷却水混入水仓，将冷凝热排放至-1 140 m 水平水仓（水温40 ℃）中，通过水仓的低温水源吸热，吸热后的水仓水通过排水系统排走，地表采取一定的措施处理后可用于供暖。因此，其也称之为水源热泵，而被冷却的冷却水再次进入制冷机组冷凝器进行换热。

因此，矿山井下水仓低温涌水具备冷凝热排放（稀释散热）条件，可作为井下降温方案优选条件。

3.3 制冷系统布置要求

由于受F3断层附近热水影响，-1 140 m水平有一段热水区域，其环境温度达50 ℃，因此决定采用固定式水冷机组+移动式空冷器+局部通风结合的掘进工作面制冷降温方案。

局部制冷机组采用相对固定式，压缩机、蒸发器组成一个整体，散热器单独为一个整体。末端增加一套冷冻水循环，且空冷器随工作面推进进行移动，并延长冷冻水管路。由于冷冻水管路阻力随长度的增加逐渐增加，因此要求冷冻水泵运行工况采用变频技术调控。

3.4 制冷降温系统

根据制冷降温系统要求，设计井下集中式制冷降温，井下水仓涌水排放冷凝热的方案，结构示意图和原理示意图分别见图2、图3。

3.5 主要设备材料

根据-1 140 m水平掘进工作面局部降温服务范围及工作面总需冷量，结合设备防腐等要求，系统主要设备材料见表1。

3.6 制冷机组模块化组合及应用

制冷降温系统涉及到地温地热、水文地质、采矿、通风、设备、成本、管理等多方面因素。系统投入运行后，应以一个作业点为基本单元，通过下列途径实现制冷设备多个作业地点模块化组合。

1）制冷机组“化整为四”。制冷机组选用8台压缩机，每2台压缩机为一组合，对应1个钛合金壳管式换热器、1台板式蒸发器，整个主机形成4个单元组合，可同时运行，也可单个运行。在实际工作中根据需要可任意开启一个单元组合，压缩机工作模式为25 %、50 %、75 %及100 %，可大量節约运行费用。

2）空冷器+轴流风机“灵活组合”。空冷器+轴流风机设计为6台，单台制冷量为150 kW，风机为2×11 kW，送风量为4 m3/s。6台空冷器+轴流风机可以任意组合布置，满足不同采掘作业面要求。

3）冷冻水泵采用变频控制。根据作业实际情况调节水量，减少能耗，4台冷冻水泵对应4个主机单元组合，可满足不同要求。

4）针对-1 140 m水平热水段作业面热害明显区域，可分配多台空冷器对该处联合降温;对作业面断面小，环境温度偏低的区域，可按实际情况分配空冷器进行降温。

5）制冷系统可通过延长冷冻水管、增加冷冻水泵服务相邻作业中段降温，供冷区域可选择性高，适合井下供给多个工作面的人工制冷降温。

4 工程应用

三山岛金矿西山矿区-1 140 m水平巷道围岩温度约为52 ℃，涌水温度约为50 ℃，环境温度37 ℃左右，相对湿度90 %左右。为改善井下作业环境，降温设计范围是-1 140 m水平3个掘进作业面（最终作业面距离制冷机组约2 000 m），矿区-1 140 m水平制冷降温系统布置见图4。

根据设计方案，建立了西山矿区-1 140 m水平巷道掘进集中式制冷降温系统，经现场试运行4个单元组合中的1个，周围环境温度降至32 ℃左右，作业环境温度得到明显改善。但是考虑系统设备所处环境存在高含盐量卤水，氯离子质量浓度高达24 000 mg/L，为保障系统的长期运行，目前正对系统进行防腐措施设计，待防腐措施工程完成后，将进行系统的正式运行。

5 结 语

局部制冷降温系统方案设计紧密结合三山岛金矿西山矿区井下-1 140 m水平生产条件，计算空气经过作业点后的焓值变化量和需冷量（冷负荷），设计了适合于井下-1 140 m水平生产、通风条件的井下集中式制冷降温，井下水仓涌水排放冷凝热的制冷降温系统方案。为保证系统正常使用，在做好防腐措施的同时，仍须注意3点：一是水仓冷水源保证得到及时更新，热水能及时通过水泵排至地表;二是建立水仓监控系统，随时了解井下流入水仓的涌水水质、水温、涌水量;三是主机进水侧设计1台除砂器，在除砂器出水口，主机进水口之间安装水处理器，避免冷凝器出现结垢现象，影响正常使用。

[参 考 文 献]

[1] 刘何清，吴超，王卫军，等.矿井降温技术研究述评[J].金属矿山，2005（6）：43-46.

[2] 黄寿元，侯玉强，吾冷峻.矿井深部热害分析及治理研究[J].现代矿业，2011（10）：24-27.

[3] 陈柳，杨岚.深井降温技术研究述评[J].煤炭技术，2016，35（1）：152-154.

[4] 李新成，周世霖，苏建军，等.基于Ventsim软件的深井高温矿床通风降温模拟[J].现代矿业，2014（8）：117-119.

[5] 陈亚利.浅析新庄矿井下降温系统的选择[J].煤炭工程，2015，47（8）：27-29.

[6] 刘召胜，朱坤磊，周育，等.极厚大矿床深井开采通风降温技术研究[J].金属矿山，2016（6）：144-148.

[7] 石乃敏，潘爱民，沈雁醒.某金属矿山深部开采人工制冷降温技术方案分析[J].中国矿业，2016，25（7）：161-165.

[8] 黄寿元，赵晓雨，李刚，等.金属矿山深井人工制冷降温系统模式分析[J].金属矿山，2018（5）：165-171.