改善深井热环境技术

刘华伟 乔景顺

(黄淮学院，河南驻马店 463000)

1 概述

随着开掘深度的增加，深井中作业平面的温度也相应渐渐升高。因此，改善井下热环境，确保深井作业人员有一个适宜的工作环境，就显得十分必要和迫切。针对于深井冷控的研究表明，目前存在着四种井下冷控技术，即中央空调技术、冰冷控技术、降温制冷技术、热电与乙二醇技术。现在，分别将这四种技术作如下介绍。

1.1 中央空调技术

首个中央空调冷控系统于1929年在前苏联第一次投入使用，该技术的工作原理与办公场所使用的空调基本相同。在这个冷控系统中，从热泵中排放的冷却水的温度会通过喷射装置而逐渐降低。有时，通过局扇通风，水温会相对变得更低。热泵中的冷冻水流经空气冷却器，在这里，吹向作业平面的热风的温度会由于热风与冷冻水之间的热传递而降低。实践证明，该技术在应用过程中地上中央冷控系统的弊端是深度大、气压高、成本高;地下中央冷控系统的弊端是散热难度大、制冷效果差、运作成本高。

1.2 冰冷控技术

南非于1976年首次提出了冰冷控方法、冰冷控系统的研究与应用。1986年首次应用该系统来进行制冷。该技术具有一定的作用。

冰冷控系统的运作程序是:1)冰机生成出粒状或土块状的冰;2)这些冰被传输至地下融冰池，并通过来自作业平面的喷雾冷却水而融化成水;3)冷却水流至作业平面，水温通过喷雾的作用从而得到降低。该系统包括制冰系统、冰传输系统、融冰系统三个子系统。该技术在实际应用过程中存在着以下几个弊端:冰传输管道易受堵塞;作业平面的潮湿度会受喷雾冷却的影响而增加;运作成本较高。

1.3 空气冷却技术

运用空气压缩来达到冷却的效果是一种新方法。在1989年南非已经采用了空气压缩制冷系统。

其制冷过程是:1)空气被压缩成液体，并被传输至深井;2)这些液体汽化为气体，并流至空气制冷机;3)通过空气制冷机生成出低温空气，并吹向作业平面。该技术在使用过程中需要确保有足够的压缩空气，同时，其制冷效果由于压缩空气吸热容量的局限性而受到了很大的限制，运作成本高，无法满足大型煤矿的制冷需求。

1.4 热电与乙二醇技术

2007年，热电与乙二醇制冷技术在中国首次投入使用。该技术通过双级制冷，将坑口电厂的余热转化为冷却的乙二醇溶液，继而将之传送至热交换器，在这里，水溶液和乙二醇溶液之间会进行热交换，随后，冷却水会流至空气冷却器以降低吹向作业平面的空气的温度。该系统充分利用坑口电厂的余热，达到了节约能源资源和降低污染排放的效果;比冰冷控系统节约25%～33%的运作成本;运行操作稳定，制冷效果好。但须同时具备坑口电厂和两步制冷程序这两个条件;冷能量提取量少;器械设备操作难度大;运行成本高。

2 高温转换机械系统的新理念与新技术

在对上述四种技术以及深煤井具体情况进行分析的基础上，我们研发出了高温转换机械系统，并在若干煤矿上得到了成功的应用。期间，就深井热环境的改善我们开发了六大技术，即作为冷源的矿井突水、作为冷源的在不同高度的水循环、作为冷源的卧式水循环、高温矿井突水的资源化利用、地热异常利用技术、热与冷源循环利用技术。

2.1 作为冷源的矿井突水

高温转换机械制冷系统是针对于改善深井热环境而研发的。其工作原理是从各层次矿井突水中提取冷源，并与吹向作业平面的高温空气进行热交换，从而达到使深井作业平面的气温和潮湿度降低的效果。作为冷源的矿井突水的工作原理如图1所示。

该系统由上循环系统、下循环系统、空气循环系统三部分组成。其中，前两者属于闭式水循环，其循环介质是水，而后者属于开式水循环。在该系统的运作过程中所导致的能量损失必须予以考虑。制冷工作站的设计必须充分考虑来自于深井作业平面的热负荷，应提供充足的冷能以确保降低作业平面的气温。

2.2 作为冷源的在不同高度的水循环

随着采矿深度的不断增加，深井中的高气温和热危害也相应地变得愈加严重。当需要更多的冷负荷和充足的冷源而矿井突水却又十分有限时，制冷需要是很难得到满足的。针对此种情况，我们开发出了作为冷源的在不同高度的水循环技术(如图2所示)。其工作原理为:将制冷工作站的水通过可降低水温的口径窄而长的导管从乙池传送至丙池，然后再将温度下降的水传送至冷却水蓄池(甲池)，这样，关于在不同高度的水循环的制冷系统就形成了。

通过降低环境温度和增大空气流量这两种方式，不仅会使制冷工作站中冷却水的温度下降，而且也会使制冷系统的运转操作变得便宜。

2.3 作为冷源的卧式水循环

这种技术的冷却水箱中有一个流速缓慢的路径，可作为使水冷却的水箱使用。制冷工作站的冷却水通过一个特定的长导管，沿着流速缓慢的路径，被传送至冷却水池，在这里，冷却水同路径、石壁间的空气进行热交换，从而使水得到冷却。冷却后的水可以用来作为制冷系统的冷源，从中提取的冷能会被传输至冷却工作站，以用来冷却吹向深井作业平面的空气，并达到降低气温的目的。卧式水循环的工作原理如图3所示。

这种技术具有以下几个特点:制冷工作站的水沿着流速缓慢的路径可得到冷却;水循环消耗功率低。但是，当路径的环境温度很高时，其冷却效果会明显削弱。针对此，我们可以根据冷能需求和冷却水容积，采取行之有效的措施来增强冷却效果。

2.4 高温矿井突水的资源化利用技术

一旦制冷系统运作，就会产生出热能，这些热能蕴含于矿井水中，随后，高温水被排放到地表。假如我们不循环利用这些高温水并将之排放至河流中，这既会造成资源浪费，更会导致严重的污染。鉴于上述问题，我们研发出了高温水的资源化利用技术。其工作程序如图4所示:首先，通过水处理系统，使高温水达到排放标准，然后将之排输至热提取工作站。从中提取的热能可以作建筑供暖、洗浴之用，这大大地节减了运作成本。

通过该技术的实际应用，清洁性能源(矿井水)取代了污染性能源(煤)。与此同时，也在冷却系统的基础上形成和建立了循环生产系统。利用冷却系统所产生的热量为建筑供暖，实现了热危害的资源化利用。这有助于节约能源资源，降低污染排放，体现了绿色环保设计的理念。

2.5 地热异常利用技术

煤矿中出现的地热异常现象是地质构造和水文地质状况共同作用的结果。以徐州矿业集团的三河尖煤矿为例，在奥陶系含水层中，水温可达到48℃ ～50℃，矿井突水流量为1 020 m3/h，水压在7.6 MPa左右，这显然是很好的地热资源。基于此，我们开发出了地热异常利用技术。其工作原理如图5所示:首先，将高温水从地下抽取出来，然后通过水处理系统，使高温水达到排放标准，最后再将经过处理的水排输至热提取工作站。从中提取的热能可以作建筑供暖、洗浴之用，这大大地节减了运作成本。此外，经过热提取工作站处理后的奥灰水还可以由人工补给到第四系含水层。

该技术是针对地热异常区的资源利用而开发的。为了克服锅炉加热系统的弊端，我们设计和建立了热提取系统(即热提取工作站)。该系统运作成本低，生态环保，有助于节约能源资源和降低污染排放。

2.6 热与冷源循环利用技术

在深井降温的过程中，矿井水的需求量会随着冷负荷需求量的增加而增加，甚至有时无论是在体积(数量)上还是温度上，它都无法满足深井降温的需要。鉴于此，我们开发出了热与冷源循环利用技术。其中，为了降低制冷工作站和热提取工作站之间的水压，我们设计和建立了一个变压站，这样就分别形成了一个卧式闭合水循环(在制冷工作站和变压站之间)和一个立式闭合水循环(在变压站和热提取工作站之间)。在运作过程中，制冷工作站中的高温矿井水可以用作热提取工作站的热源，同时，后者中的低温矿井水又可以用作前者的冷源。该系统的工作原理见图6。

3 结语

在对四种冷却技术及深煤井具体情况进行研析的基础上，我们研发出了高温转换机械系统，并在若干煤矿上得到了成功的应用。期间，就深井热环境的改善，我们开发了六大冷控、加热技术，并对其工作原理进行了分析和阐述。与其他冷控系统相比，该系统运作成本低，生态环保，有助于节约能源资源和降低污染排放。

［1］李华民，付 凯.深井采矿存在的重要技术问题及应对措施［J］.采矿与安全工程学报，2006，23(4):468-471.

［2］Parra MT.Numerical and experimental analysis of different ventilation systems in deep mines.Building and Environment，2006:87-93.

［3］胡春生，周秀龙.孟加拉国巴拉普库利亚煤矿采用的压缩空气制冷技术［J］.煤炭工程，2005(11):35-37.

［4］何满潮.高温转换机械系统冷却技术在深井热危害控制中的应用［J］.采矿科学与技术，2009(3):269-275.

［5］何满潮，曹秀玲，谢 桥，等.旨在减轻深井热危害的资源逐步化利用的理念与技术［J］.采矿科学与技术，2010，20(1):20-27.