浅谈深井开采中的深井降温

浅谈矿山深井降温技术发展趋势

摘要:深井开采矿山随着开采深度的不断加深单凭自然通风降温有时已经不能满足通风降温的需要，为此各种各样的降温方法，非制冷降温、人工制冷水降温、制冰降温、空气压缩制冷降温技术等等均被尝试，甚至为此工人们把常规的空调技术发展应用到深井开采当中而出现了矿井空调系统，对于各种深井降温方法有一个简介与应用。

关键词：深井开采；人工制冷；矿井降温

概述

岩层离地表越深，温度越高;矿山开采深度增大，岩温也随之增高，这是众所周知的现象。岩温是深井矿山作业面气温升高、工作面作业条件恶化的主要原因之一。温度在深井开采时的重要性，与它和人体所适应的温度有关。人是通过皮肤散发热量来维持平衡，故必须保证通风风流的温度要低于标准要求的28 ℃(新标准为26 ℃)高于28 ℃就应采取某种形式的降温措施。一般认为，当矿井内工作面的空气干球温度超过30 ℃，就称为高温工作面，矿井内出现终年持续的高温工作面并影响到采掘的正常进行，就认为出现了矿井热害。人在湿热的空气中作业时间较长，人体大量出汗，大量氯化钠、水溶性维生素、矿物盐随之排出，正常的水盐代谢被破坏，从而可能出现热痉挛，就会发生中暑、昏倒、呕吐和湿疹等疾病，人的某些机能就会出现故障，导致事故增加。据日本调查统计，30 ~37 ℃的工作面较30 ℃以下的工作面事故率增加1．5 ～2．3 倍同时井下高温条件还将引起劳动生产率下降。据南非统计资料表明温

度超过标准1 ℃时，工人的劳动效率降低7 % ～10 %。当然，矿井的气候条件好坏，不仅仅取决于温度的高低，在很大程度上还取决于含湿量与空气流动速度，因为人体的湿热感觉与汗液的蒸发难易程度密切相关。同样的温度，湿度大就会感到闷热;相同的温度与湿度，有风就会感到凉爽。因此，美国原矿业局采用“实效温度”这一概念，规定其不超过26．7 ℃。所谓“实效温度”是指考虑了湿度和风速的指数。深井开采矿山高温热害的防治措施主要有隔绝热源、减湿和增湿降温、通风降温、人工制冷空调等。通常认为开采深度不超过1 600 m 的情况下，可以通过通风降温就能达到目的，而超过1 600 m 就要采取人工制冷措施。人工制冷按设备位置和制冷剂类型分为:地面集中空调系统、井下集中空调系统、井上下联合空调系统和井下分散局部空调系统;按载制冷剂类型又可分为以水为载冷剂的矿井空调和以冰为载冷剂的矿井空调等［1 －3 ］。1.深井开采人工制冷技术

1．1 地面集中空调系统

地面集中空调系统分为地面冷却风流系统和井下冷却风流系统［4 ］。地面冷却风流系统全部设备在地面，对矿井总进风流进行冷却，缺点是低温风流不断被井下热源加热，降温效果差。故仅适用于开采深度小、风流距离短的高温矿井。井下冷却风流系统制冷机位于地面，载冷剂(冷水或盐水)通过隔热管道被送到井下采掘工作面的空冷器。由于从地面到井下的高差大，载冷剂管道中的静压很大，所以必须在井下增设 1 个中间换热装

置(高低压换热器)，其中高压侧的载冷剂循环管道承压大，易被腐蚀损坏，且冷损失较大，如图1 所示。

1．2 井下集中空调系统

制冷机设在井下，通过管道集中向各工作面供冷水。优点是供冷管道短，减少了沿途损失;无需高低压换热器，仅有冷水循环管路，系统简单。缺点是必须在井下开凿大断面硐室，施工维护不便;机电和控制设备需要防爆，难度大，造价高;井下空调系统冷凝热排放困难［5 ］。井下集中空调系统如按冷凝热排放地点不同来分，又有2 种不同的布置形式:一是制冷站设置在井下，并利用井下回风流排热，如图2 所示。

1—压缩机2—蒸发机3—冷凝器4—节流阀5，15—水池

6，7，14—水泵8—冷却塔9—冷却水管10—热交换器

11，13，17—冷水管12—高低压换热器16，18—空冷器

图 1 地面集中空调系统示意图

1—压缩机2—蒸发机3—冷凝器4—节流阀5—水池

6—冷水泵7—冷却水泵8—冷却塔9—冷水管10—空冷器

图 2 制冷站设置在井下时井下排放冷凝热示意图

1—压缩机2—蒸发机3—冷凝器4—节流阀5，11—冷水泵

6，9，12—冷水管7—冷水池8，10—空冷器13—高低压换热器

14—冷水管15—冷水泵16—冷却塔17—换热器

图 3 制冷站设置在井下时地面排放冷凝热示意图

1 ～4—制冷机5—空气预冷器

6—高低压换热器7 ～9—空冷器10—冷却塔

图 4 井上下联合空调系统示意图

这种布置形式具有系统比较简单，冷量调节方便，供冷管道短，无高压冷水系统等优点。山东新汶矿业集

团有限公司孙村矿曾采用这种布置方式。但由于井

下回风量有限，当矿井需冷量较大时，井下有限的回

风量就无法将制冷机排出的冷凝热全部带走，致使冷

凝热排放困难，冷凝温度上升，制冷机效率降低，制约

了矿井制冷能力的提高，所以这种布置形式只适用于

需冷量不太大的矿井。二是制冷站设置在井下，但冷

凝热在地面排放，如图3 所示。这种布置形式虽可提

高冷凝热的排放能力，但需在冷却水系统增设1 个高

低压换热器，系统比较复杂。

1．3 井上下联合空调系统

井上下联合空调系统制冷机分别设在地面和井下，兼具地面和井下2 个系统的特点。缺点是布置分散，冷却循环管路复杂，操作管理不便。这种布置形式是在地面、井下同时设置制冷站，冷凝热在地面集中排放，如图 4 所示。该系统实际上相当于二级制冷，井下制冷机的冷凝热是借助于地面制冷机冷水系统冷却。

1．4 井下分散局部空调系统

井下分散局部空调系统的制冷机可以移动，仅供1 个或局部高温场所空调使用。优点是冷量传输距离小，冷损失少;投资少;移动灵活，缺点是冷凝热难排放。故仅适用于小范围的降温空调。

1．5 以水为载冷剂的矿井空调

以水为载冷剂的矿井空调是最普遍的一种矿井空调形式，由制冷机组、输冷管道和末端装置组成。通过制冷机组制备出冷水，再把冷