矿井降温空调系统的分类及发展现状

中山大学学报论丛,2007年第27卷第2期

SUN Y A TSEN UN I V ERS ITY FO RUM,Vol127　No12　2007

矿井降温空调系统的分类及发展现状3

王　进1,赵运超1,梁　栋2

(1.广州大学土木工程学院,广东广州510006,2.中山大学工学院,广东广州510006)

摘　要:对矿井降温空调系统应用现状做了简要的阐述,讲述了矿井降温空调系统的组成及原

理,在此基础上对各种矿井空调系统进行分类,介绍了各种矿井降温空调系统的优缺点以及应用场

合,最后提出了相关的建设性的结论。

关键词:矿井降温;空调系统;分类;发展

中图分类号:T D727 文献标识码:A 文章编号:100721792(2007)022*******

随着开采深度的增加,机械化程度越来越高,由此出现的机械散热愈来愈大。

据统计,国有重点煤矿平均采深年增加9m,采深大于700m的矿井有50多处,最深矿井已超过1000m[1-2]。现有生产矿井平均以每年11m的速度向深度延伸,并且矿井开采深度每增加100m,采掘工作面风流温度约增加115℃,预计到2010年,我国煤矿35%的采掘工作面风流温度超过30℃。根据煤炭资源开发和资源保护资料显示,在预测的煤炭资源总储量中7312%的储量埋深在1000m以下,预测围岩温度39～45℃,处于二级热害区[3]。国外:西德伊本比伦煤矿现采深达1530m,地温梯度1℃/43m,井底岩温可达60℃,南非斯太总统金矿的工作面深度超过3000m,原始岩温度达63℃以上。南非阿曼代巴尔特金矿(Aman2 delbult)1号井工作面温度高达55℃[4-5]。

虽然矿井通风不仅为井下工人提供赖以生存的氧气,且可以冲淡井下有害气浓度,降低井下温度,是矿井安全生产的重要保障之一。但对于高温矿井,只靠矿井通风不能解决高温热害。所以,传统的矿井通风观念与常规的矿井通风方法已不能彻底解决高温高湿的矿井热害。为提供可接受的矿井工作环境条件,当开采深度超过矿床极限开采深度,机械制冷降温成为矿井热害治理的必须手段[6]。

一、国内外发展状况

矿井空调降温是空调应用技术发展的一个新领域。人工制冷降温是目前国内外普遍采用的降温措施。从世界上第一台制冷机的产生到现在,己有近200年的历史(我国从20世纪50年代末开始制造制冷机),但矿井空调只有80余年的历史,其迅速发展和较广泛地应用仅是近三十几年的事[7]。Rodboel矿最早于1924年安装了第一台地面冷冻机;世界上第一个井下大型制冷站于1929年在Mori o Aelho矿安装;1976年,南非环境工程实验室提供了向井下输冰供冷方式;20世纪80年代中期,南非一些金矿采用冰冷却系统进行井下降温;1985年11月,南非在世界上首次用冰做载冷剂冷却空冷器的冷却水,该系统的制冷能力达628MW。目前,德国也在积极开展此项研究[4]。

3收稿日期:2006-12-06

作者简介:王进(1981-),男,江苏盐城人,工学硕士;通讯联系人:梁栋。

20世纪70年代,我国曾研制过压气引射器和涡流管制冷装置;1964-1975年,淮南九龙岗矿设计了我国第一个矿井局部制冷降温系统;1982-1987年,山东新坟矿务局设计了我国第一个井下集中制冷降温系统;1986-1991年,承担了国家“七五”科技攻关项目,在平顶山八矿设计了我国第二个井下集中制冷降温系统;1992-1995年,在山东新坟矿务局设计了我国第一个矿井地面集中制冷降温系统,设计制冷能力为7400k W,为亚洲最大的矿井制冷降温系统;1993年7月,平顶山矿务局科研所和原中国航空工业总公司第609研究所联合研制成KK L101矿用无氟空气制冷机;1995年,山东矿业学院陈平等提出用压气引射器和制冷机结合进行矿井空调;2002年,新汉孙村矿-1100m水平降温工程初步设计,并于2004年该冰冷低温辐射降温矿井空调系统完成[2,7-8]。

井下空气环境复杂,制冷剂必须无毒、不可燃和无爆炸危险,由于氟里昂使用的局限性,在有高温蒸汽、高温水等余热的地方可采用吸收式制冷机。独联体国家采用溴化锂吸收式制冷机,利用矿井瓦斯燃烧作为热源,此外氨制冷机也被采用[9]。新近发展的分离氨系统输冷方式是特制冷循环中的冷凝过程与蒸发过程分别设在地面和井下的一种制冷方式[5]。

二、矿井空调系统的分类、适用情况及优缺点

目前矿井空调系统根据热力学特点可分为四类,分别为机械制冷水降温矿井空调系统、冰冷却矿井空调系统、空气压缩制冷空调系统。

(一)机械制冷水降温矿井空调系统

这些矿井空调系统,若按制冷站所处的位置不同来分,可以分为以下四种基本类型。

1.井下集中式空调系统

该系统的制冷机设在井下,通过管道集中向各工作而供冷水,系统比较简单供水冷管道短,没有高低压换热器,仅有冷水循环管路。但必须在井下开凿大断面峒室,它给施工和维护带来困难,并且电机和控制设备都需防爆,难度大、造价高。随着开采深度的增加,井下集中空调系统的冷凝热排放则成为突出的问题。这种布置形式只适用于需冷量不太大的矿井。井下集中式空调系统按冷凝热排系统的敷设方式的不同来分类,又可分成四种不同的布置形式:回风流排热、地面冷却塔排热、地下水源排热、几种排热方式混合排热。根据不同的实际情况采用不同的敷设方式。

2.地面集中式空调系统

该系统将制冷站设置在地面,冷凝热也在地面排放,在井下设置高低压换热器将一次高压冷冻水转换成二次低压冷冻水,最后在用风地点上用空冷器冷却风流。这种空调系统有另外两种形式,一种是集中冷却矿井总进风,这种形式,在用风地点上空调效果不好,而且经济性较差;另一种是在用风地点上采用高压空冷器,这种形式安全性较差。实际上后两种形式在深井中都不可采用。井下冷却风流系统,载冷剂输送管道中的静压很大,所以必须在井下增设一个中间换热装置(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,且冷损较大。

这种系统比较于井下集中式空调系统,制冷机不需要采取防爆措施,排热方便,冷损失小,水头压力小,易安装,便于运行管理。但此系统形式年运行时间不短、供冷距离短、要求水量大、冻水温差小,这些缺点严重制约了其在深井的应用。当矿井非预期的继续向下开采的时候,该系统能够很方便的拓展成井下地面联合的矿井空调系统。此系统在1995年6月27日在孙村矿试运转,试运行后,因各方面原因一直未在运行。根据经验,应该是设备管道本身的011