制冷降温技术在三山岛金矿热害控制中的应用

王明斌 许 峰 周 伟

（1.山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司）

近年来，我国金属矿山开拓深度接连突破千米，千米矿井的时代即将到来［1］。开采深度的增加带来了深部高温、高湿问题［2-3］。我国的平均百米地温梯度为1.6～3.0 ℃，千米深井原始岩温高达35～40 ℃［4］，空气湿度接近饱和，环境温度远超《金属非金属矿山安全规程》规定（＜28 ℃）。高温、高湿作业环境极大地影响井下作业人员工作效率，易诱发工人中暑、湿疹、皮肤溃烂等疾病，导致事故率和设备故障率升高，严重限制了矿产资源的持续发展［5］。

与地表空调制冷降温技术相比，井下密闭环境中空调产热无法逸散，导致热量积聚，加剧深井热害。矿井制冷降温技术的难点在于换热系统的研发［6-7］。本研究以某金矿深部开拓热害环境为研究对象，根据矿山地质条件和开拓作业面分布，研究局部制冷降温技术，以期改善作业面环境，为其他深部矿井热害治理提供参考。

1 矿山热害现状

三山岛金矿作为国内唯一一座滨海开采矿山，其开拓深度接近1 000 m，经地质低温梯度检测，每百米地温上升2.5～2.8℃，深部-960 m围岩温度高达30～32 ℃，加之局部热水涌出，作业面空气相对湿度为95%～99%，温度在42～45 ℃。参照《矿井降温技术规范》（MT/T 1136—2011）第4.1.3 条款规定，属于三级热害矿井（采掘工作面空气温度≥32 ℃）。对于三级热害矿井，除加强通风、提高风速外，还应采取人工制冷降温措施。

为改善深部高温高湿作业环境，以-870 m 中段为热害分界水平，增大-870 m 中段以下通风量至228 m3/s，但三山岛井下机械化程度高，无轨设备运行多，机械散热量大，经浅部送入深部的新鲜风流温度高达32 ℃，因此，依靠增大深部通风量实现热害控制效果有限，故需采取制冷降温措施。

2 制冷降温系统工艺设计

2.1 掘进作业面冷负荷计算

将作业面温度降低需提供冷源，冷源的负荷与井下放热量有关，围岩放热量计算需已知围岩原始温度、风流温度以及围岩表面换热系数等基本参数，其中，原始岩温需要一定深度的钻孔测温，围岩表面换热系数受围岩岩性、热导率、围岩表面潮湿、通风暴露时间、空气流动特性等多因素综合影响。

围岩表面换热系数准确值由科学现场试验、实验室分析或理论公式推导可得，在工程应用过程中难以得到准确的换热系数，故本研究采用忽略围岩换热系数的黑箱法来计算井下掘进作业面空气的焓值变化量，计算方法如下：

式中，Qj为计算需冷量，kW；M为空气质量流量，kg/s；ΔH为高差，m；ρ为空气密度，取1.2 kg/m3；V为经过工作面空气体积流量，m3/s；i1为进风空气比焓，kJ/kg；i2为出风空气比焓，kJ/kg。

三山岛金矿-960 m中段掘进作业面有3处，每处需风量为4.8 m3/s，掘进工作面进风实测空气温度为32～35 ℃，相对湿度为98%，进风空气风温为35 ℃，进风空气比焓值i1为127 kJ/kg，出风口温度值降低至27 ℃，出风空气比焓值i2为86.5 kJ/kg，空气密度ρ为1.2 kg/m3。经计算，制冷降温所需冷负荷为699.84 kW，考虑机组自身产热换热，取系数1.2，制冷负荷为840 kW。

2.2 制冷降温系统设计

2.2.1 换热系统设计

井下布置制冷机组，系统主要设备包括井下制冷机组、井下水仓（天然冷却塔）、冷却水泵、排水管、蒸发器等。制冷降温系统的换热分为2级换热，第一级换热为制冷机组冷却剂与空气换热，换热发生在蒸发器与冷凝器间，蒸发器内装有冷却剂，制冷机组风机取环境高温空气，经蒸发器将空气的热量带走，降低空气热量。第二级换热为冷凝器换热，冷凝器的冷却剂吸热后温度上升，利用井下具备的水仓低温涌水，在水仓布置换热器或直接将冷却水混入水仓，将冷凝热排放至水仓中，水仓涌水再经排水泵排出，如图1所示。

2.2.2 水仓排热设计

考虑到井下封闭环境以及有害物质的排放，结合三山岛金矿滨海特点，选择冷却水为冷凝器换热。据现场地质环境监测，-960 m 中段有多个涌水地点，其中一个涌水点温度为40 ℃，涌水量为50～60 m3/d。以该涌水点为依据设计排热水仓，该水仓分为凉水仓和热水仓，设计水冷机组排水量为180 m³/h，水冷机组总凉水仓抽取凉水进行换热，换热后的热水排至热水仓，为防治水仓水过热，布置排水泵，将水仓内的高温水排至矿井排水系统，实现热水外排。

2.2.3 装备防腐蚀设计

三山岛金矿地下水腐蚀性较大，制冷机组的蒸发器、冷凝器以及回冷机等主要设备采用耐腐蚀、耐磨材料制作，冷却器管道采用钛合金材质壳体（碳钢管衬塑）。空冷器制冷部分采用铜翅片换热器，并对铜翅片换热器进行整体防腐处理，空冷器外壳采用不锈钢316材质。配套局扇壳体采用环氧树酯防腐，并喷涂防锈漆进行表层处理。电机采用高效防水电机，以防矿井空气侵蚀电机涂层，采用变频控制。空冷器及局扇底座采用整体热镀锌工艺。

2.3 送风设计

在-960 m 水平运输大巷开凿制冷机组硐室，从盲混合井取风，3 个掘进作业面距离制冷机组约2 000 m，工作面污风通过南风井回风，制冷机组及送风路线布置如图2所示。

制冷机组制造的冷空气需用风筒送至-960 m 水平作业面，风筒远距离送风会造成较大的温升。本设计采用移动空冷器送风，在末端增加换热器—空冷器以及一套冷冻水循环，且空冷器与轴流风机为一个整体，随工作面推进而移动，并延长冷冻水管路，冷冻水管路阻力逐渐增加，要求冷冻水泵运行工况采用变频技术调控。空冷器结构如图3所示。

3 现场应用

三山岛金矿于-960 m 中段运输大巷安装制冷机组，利用移动空气器对3 个掘进作业面输送冷风，经现场检测，制冷机组进风口温度为32 ℃，出风口温度为24 ℃，移动空冷器进风口温度为26 ℃，出口温度为25 ℃，掘进作业面温度为26～27 ℃，实现了作业面温度小于28 ℃，制冷机组功能参数如表1所示。

4 结论

（1）利用黑箱法计算得出，三山岛金矿-960 m 中段掘进工作面空气温度由31～32 ℃降低7～8 ℃，相对湿度由98%降低至78%，所需冷负荷为699.84 kW，考虑机组自身产热换热取系数1.2，制冷负荷为840 kW。

（2）根据换热原理，研究2级换热系统，并利用滨海矿山井下低温涌水地质特点设计水仓换热制冷降温系统，采用移动空冷器送风方式实现-960 m 水平3个掘进作业面低温送风。

（3）方案实施后，-960 m 的3 个掘进作业面总进风量为15 m3/s，出风口温度为25 ℃，作业面温度由32 ℃降低至26～27 ℃，深井热害得到控制。