南非某矿山深井制冷初探

申志妍

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 引言

随着世界经济的发展，矿产资源的需求量越来越大，地表及浅层矿体资源品位逐步降低甚至枯竭，使矿山的开采向深部的延伸逐渐成为金属矿山开采的一个重要趋势。矿山深部开采过程中，高温高湿的热害问题越来越凸显。当矿体埋藏深度达到1500 m时，温度将达到36℃～50℃，甚至更高。热害的控制成了深井矿山开采亟待解决的问题，目前较为常用的方式是加大井下通风量。然而，随着矿井开采深度的增加，加大井下通风量越来越困难。近年来井下制冷降温慢慢进入了人们的视野。目前，深井金属矿山制冷在国内外的应用还不够普遍，国内主要有铜陵有色冬瓜山铜矿的金属矿山集中制冷降温系统，招金矿业夏甸金矿的制冷降温系统等。在国外，深井制冷在南非有一些应用先例。本文主要对南非某金矿的深井制冷进行一些探讨。

1 矿井概况

该矿井位于南非东部低山丘陵地区，是一座金矿。该矿区已有一百多年的开采历史，由于多年的开采，该地区的采金业正在逐年减产，矿体的开采也逐渐向深部延伸。该矿井于 1986年开始开采，1998年由于种种原因被关停，原主竖井深度为1375 m。目前拟重新启动该项目，由于浅层矿体资源已开采殆尽，主竖井开采深度将继续向深部拓展。随着矿井开采深度的增加，井下温度升高，势必会影响操作人员的健康及安全生产，因此，需要设置降温制冷系统。

2 井下热源

井下热源主要由以下几部分组成：井下岩壁放热；自压热；开采及岩石破碎产生的热量；井下设备散热等，例如钻机、水泵、风机、照明、地下水以及人员等产生的热量。

在矿井早期的开采过程中，利用井下通风即可消除余热。当矿井深度继续向下拓展时，需要启动深井制冷系统。

3 深井制冷系统方案

本方案包括地表集中制冷系统和地下局部制冷系统2部分。井下所需的制冷量随着矿井使用年限的增加而逐步增长。地表集中制冷系统用于满足矿井寿命周期内的冷负荷。但是，对于井下部分风流远端巷道以及发热量大的工作面，通过保温管道将地面制冷站制得的冷冻水送至地下相应位置供给空气冷却器运行，或者在地表将冷风温度进一步降低并送至井下，这些工程的造价过高。对于这些极端部位，可通过地下局部制冷系统进行二次降温。

3.1 地表集中制冷系统

地表集中制冷系统的组成为：冷冻水系统+冷却水系统+补水系统。地表集中制冷机房设置在进风竖井附近，冷冻机、水泵、水处理设施等置于制冷机房内。冷却塔放置在室外。空气冷却器设置在进风竖井井口处。各设备通过管道连接在一起，系统工作流程叙述如下。

冷冻水系统：冷冻机制得的冷冻水，水温为4℃，送至地表空气冷却器，到达地表空气冷却器的水温会升高5%～10%，在地表空气冷却器内通过喷淋，将室外空气冷却，该部分经过冷却的低温空气与部分室外未经冷却的空气混合后，送至井筒内。经过喷淋过程后的水温升高至11℃，回到冷冻机内重新制取低温冷冻水。在空气冷却器的出口处，设汽水分离器，将夹带的水重新送回空气冷却器底部的水池。

冷却水系统：冷冻机出口的高温水，水温为36℃，进入开式冷却塔，在冷却塔内冷却后，水温降至28℃，再回到冷冻机。冷却塔进风温度为28℃dB/18℃WB。

补水系统：冷却塔的冷却水由于蒸发、飘散等原因，会有一定损失，冷却塔需要补水。此外，空气冷却器内，由于空气从喷淋室流过，会形成一部分凝结水落入空气冷却器底部，故空气冷却器内的水量会增加，空气冷却器与冷却塔之间有一根连通管，该管道可将空气冷却器内多余的水送回冷却塔继续使用。地表制冷系统流程如图1所示。

3.2 地下局部制冷系统

与地表集中制冷系统类似，地下局部制冷系统也由冷冻水系统、冷却水系统、补水系统3部分组成。

但是，地下局部制冷系统的所有设备需要放置在井下开凿的设备硐室内，硐室的开凿费用将会远远高于地表制冷机房的建设费用。另外，由于该矿井内涌水水质较差，如果直接用于制冷系统的补水，将会对制冷机的寿命产生严重的影响，地下制冷系统需要配备化学水处理装置，对制冷系统所需的补水进行预处理，以保证补水不会造成冷冻机盘管的严重结垢等。地下制冷系统如图2所示。

图1 地表制冷系统

图2 地下制冷系统流程

4 结论

（1）随着开采的进行，矿井不断向深部延伸，井下需要的制冷量随着矿井的延伸而逐渐增加。在设置地表集中制冷系统时，应充分考虑矿井的开采情况，合理设计系统中各设备的容量，避免造成前期设备的能力过大以及后期设备的容量不足等情况。

（2）本设计方案中，地表集中制冷系统的送风量与井下通风量密切相关。制冷设备的计算及选型应充分考虑该因素。

（3）地下局部制冷系统的投资及建设复杂程度远高于地表集中制冷系统。本设计中，以地表集中制冷系统为主，地下局部制冷系统为辅。

（4）矿区生产水水质较差，作为制冷系统补水的水源时，对冷冻机等设备的寿命影响较大。