基于制冷降温技术在高温掘进巷道中的应用研究

摘 要：随着开采深度不断加大，许多矿井面临高温带来的严重威胁，巷道中作业场所空气温度明显超过《煤矿安全规程》的相关规定，特别是掘进作业，由于受巷道断面的限制和局部通风装置的制约，供给掘进巷道的风量又不能明显加大，通过加大风量温度下降很小，起不到应有的降温作用。文章采用最新的局部制冷降温技术，在张集煤矿高温掘进作业地点安装TS-300B型煤矿井下局部制冷机组，对如何安设和利用进行了实地应用研究，空气温度下降6～9℃，取得了良好的效果，解决了井下高温问题。

关键词：制冷降温技术；掘进巷道；高温；应用

引言

为保障矿工的身心健康和生产的安全进行，我国的《矿山安全条例》规定：井下工人作业地点的空气温度，不得超过28℃，超过时应采取降温和其他保护措施。同时《煤矿安全规程》规定：采掘工作面的空气温度不超过26℃，机电硐室的空气温度不得超过30℃，空气温度超过时，要采取降温措施。

当采掘工作面ta>30℃，机电硐室ta>34℃时，必须停止工作，采取降温措施。

徐州矿区随着煤炭资源的枯竭，有些矿井不得不向深度开采，工作面温室度越来越高，特别是三河尖矿，张集矿已采到1000米以下，经测井下出水点水温及岩温高达36～39℃，掘进工作面空气温度达到31～32℃，井下局扇吸风侧空气温度达到26～29℃，严重制约着矿井安全生产，致使巷道掘进无法正常进行。

为解决地热灾害问题，曾采取加大迎头风量、降低机电设备散热、缩短作业时间等非人工制冷措施，但不是解决地热危害的根本途径。由于受巷道断面的限制和局部通风装置的制约，供给掘进巷道的风量有限，通过加大风量温度下降很小，通过测试掘进巷道内空气温度只降低了1℃，起不到应有的降温作用。下面就现场如何采用机械制冷进行了一系列应用研究，取得了预想的效果。

1 制冷降温技术

1.1 安装环境

通过现场调查研究决定，在张集煤矿北翼延深轨道下山掘进中采取安装北京鑫源九鼎科技有限公司TS-300B煤矿井下局部制冷机组，用于井下掘进巷道的空气降温。北翼延深采区是张集煤矿2014年后主要生产采区，2012年3月开始掘进，巷道采用锚喷支护，北翼延深轨道下山设计长度为1900m，巷道为拱形巷道，断面为5.2×4.2m ，截止到2013年5月10日已掘进435m，迎头标高达到-830m水平。风机前温度29℃，掘进巷道空气温度超过了31℃，必须采取降温措施，才能生产。

1.2 制冷机组的组成及工作原理

现场安设的TS-300B煤矿井下局部制冷机组，包括压缩机，换热器（冷凝器和蒸发器），制冷元件（主要是节流阀），电控系统等四大部分组成。其工作原理是主机中的压缩机首先将吸收过热负荷的低压气态制冷剂（R407C）吸入，然后压缩为蒸汽，这时的蒸汽不但温度高，压力也大，压缩的高温高压蒸汽通过冷凝器将热量传递给冷却水，制冷剂的温度下降，变成了低温高压液体，这种低温高压状态下的制冷剂再通过膨胀阀节流，压力得到降低，从而变为低温低压的气液两相混合物，这种混合物进入蒸发器。其中的液态制冷剂在蒸发器铜管中蒸发，需要吸收大量热量（称为吸热过程），从而使蒸发器内盘形管温度下降（制冷），掘进工作面的局部通风机与蒸发器一端相连接，开动局部通风机，通过风机的高温风流流经蒸发器内盘形管，进行冷热交换，温度得以持续下降，然后降温的风流通过风袋被送到工作面，从而使工作面温度达到标准值以下。而吸收热量后的制冷剂以低压气态再次进入压缩机进行循环；冷却水通过吸收制冷剂的热量，然后进入冷却水箱，再通过水泵循环进入冷却器内，在冷却器的一侧安设局部扇风机，吸收的热量被排出，冷却水热量释放后再次进入主机中的冷凝器内，从而再次吸收制冷剂中的热量，重复循环，达到降温的效果。TS-300B制冷机组工作原理如图1。

1.3 制冷机组的相关参数

1.3.1 制冷主机参数

主机型号：TS-300/ZM；制冷量：300kw；制冷剂hfc：R407C.ODP=0；外形尺寸：长度*宽度*高度=3400*820*1280mm；重量：2750kg；电机电压：660V或1140V，50Hz；电机功率：90kw；冷凝器类型：壳管式；冷却功率：380kw；冷却水循环压力：最大40bar；冷却系统：循环式（循环供水）；安全控制装置：ia（ib）-Exia（ib）dI本安型。

1.3.2 空气蒸发器参数

蒸发器类型：TS-300/PB；制冷量：300kw；外形尺寸：长度*宽度*高度=2900*900*1050mm；重量：1600kg；风量：10m3/s；压降：1000Pa；制冷剂循环最大压力：2.5MPa；喷淋喷嘴处压力：1.6MPa。

1.3.3 冷却器参数

蒸发-喷淋冷却器型号：CWW-300；冷却功率：300kw；外形尺寸：长度*宽度*高度=3550*900*1600mm；重量：1850kg；风量：7.5m3/s；冷却水流量：5-10kg/s（18-36m3/h）；冷却循环最大压力：4.0MPa；喷淋供给最大压力：1.6MPa。

2 在现场中应用实践

2.1 制冷机组在现场的安设

制冷机组的具体安设位置非常关键，安设位置的好坏，一是牵涉到安全防爆，二是牵涉到降温效果。三是电能消耗的大小。为此在现场通过比较分析，确定制冷主机安设在北翼延深轨道下山掘进巷道局部通风机旁侧巷道处（专门设置的硐室），空气蒸发器安设在局部通风机出风侧风筒中，冷却器安设在风机处旁侧巷道中。为了更好地让制冷剂循环，增加传输效果，制冷主机和空气蒸发器间采用4寸高压软管来连接。同样制冷主机和冷却器间采用4寸钢管来连接，这样保证了冷却水的循环。水箱中水要不间断供应，它的来源是本地区的防尘水，直接与巷道中防尘管路相连接，作为补水水源。多余热水直接排放到回风巷内水沟内，经水泵排到上一水平，并流到井底水仓内。具体安设情况如图2所示。

2.2 现场调试

安装完成后，分别请相关专家进行调试，正式运行的时间为2013年6月18日。经过对温度的实际监测，张集矿北翼延深轨道下山掘进工作面空气温度下降到24℃，轨道下山距回风巷道入口空气温度下降到27℃，降温效果显著，掘进巷道、掘进工作面作业环境明显改善，工作效率明显的有了很大提升，有效的为矿井的安全稳定生产以及职工人员的身体健康提供了安全保障。

3 结束语

3.1 通过在现场安装了TS-300B型制冷设备后，设备正常运行后，工作面气温条件发生很大变化，满足了矿井空气质量标准，使工作面空气温度下降到24℃，降温效果明显，空气温度下降了6～9℃，有效改善了井下工作地点的气候条件。

3.2 造成矿井温度较高的原因有很多，产生热害的程度也大不一样。因此，在对矿井设计降温时，必须要结合具体的实际情况，针对具体的因素采取措施进行降温处理，做到经济有效安全。本掘进下山采用重新构建巷道安设制冷主机和冷却器，其他地点可根据现场实际，选择已有巷道进行安设。选取的制冷机组型号也可以是TS-400B和TS-450B，依据现场温度的高低来确定。

3.3 在热害处理方面，如果仅仅是依靠加强通风这一措施来达到降低温度的目的，效果是非常不明显的，因此必须考虑人工制冷降温系统的应用。

参考文献

[1]亓晓.矿井热环境预测方法研究及数值模拟系统开发[D].山东科技大学，2010.

[2]侯建军.高温矿井热环境数值模拟及热害控制技术研究[D].河南理工大学，2010.