深井降温系统

摘要：随着煤炭需求量的增加、采矿技术的发展，矿井的开采深度不断加大，地温也逐渐的升高，引起矿井的高温热害问题。因此，高温热害是矿井生产向深部发展过程中不可避免的问题，是矿井的自然灾害之一

关键词：数值模拟；冷却水；保温层

中图分类号： O241 文献标识码： A

1我国资源开采现状

能源的合理开发和利用已成为目前国内外越来越重要的问题，能源的优先发展战略越来越受到各国重视。经过改革开放20年的发展，我国已经成为世界上最大的能源生产国和能源消费国之一，一次能源生产总量位于美国和前苏联之后居世界第3位，一次能源消费总量位于美国之后居世界第2位。随着我国经济建设的加速发展和改革开放的不断深入，对能源的需求量也越来越大，对能源的依赖程度也越来越高，据《2006年全国及地方国民经济和社会发展统计公报》。中国是一个富煤、少气、缺油的国家。

1.1 深井热害问题

地表表层的温度受地面温度的影响呈周期性的变化，但这种影响随着深度的增加而逐渐减弱。到一定深度，这种影响基本消失，从而地温保持恒定。恒温带是变温带与增温带的分界面。由于恒温带的深度大都只有十余米或数十米，而矿井生产的深度大都为数百米，甚至超千米，远远深于恒温带的深度。随着采深的增加，地温也逐渐的升高，当地温超过某一温度时，就将引起矿井的高温热害问题。因此，高温热害是矿井生产向深部发展过程中不可避免的问题，是矿井的自然灾害之一。

1.1.1 深井热害分类及特征

矿山地温场属于地壳浅部范畴，它受深部地热背景和地区地质结构的影响，也受到其它因素的干扰，如地下水的活动和局部热源的干扰。因此不仅处于不同大地构造单元和不同深部地热背景条件下，地区地温状况有所不同，就是处于同一大地构造单元内和相同深部地热背景条件下，由于地壳浅部地质结构的差异，地温场也存在差异。当有强烈干扰因素存在时，会引起地温场的明显变化。

1.1.2 深井热害问题概述

随着矿井开采深度的增加，矿井中高温热害问题变得越来越严重，其主要表现在以往生产水平还未出现高温的矿井，开采深度增大到某一水平可能出现高温和目前水平局部出现高温高湿的矿井，在该深度水平开采，可能出现更加严重的高温热害两个难题。而且随着矿井开采深度的增加，机械化程度也越来越高，由此产生的机械散热也愈来愈大，矿井中高温热害问题将显得愈来愈突出。所谓矿井高温，是指矿井下气温超过30℃ 。矿井热害不仅影响井下作业人员的工作效率，影响矿山的经济效益，而且严重地影响井下作业人员的身体健康和生命安全，严重地影响矿山的安全。

1.2 热害控制的意义

（1）深井热害控制的安全意义

深井热害控制的安全意义在于在矿内创造一个安全的生产环境。我国《煤矿安全规程》规定：“采掘工作面的空气温度超过30℃，必须停止作业” ，高温高湿的作业环境，尤其是当风温高于30℃时，矿工某些疾病的发病率明显上升，易产生高温中暑、热晕并诱发其它疾病以及神经中枢系统失调，从而造成职工防护能力降低，严重影响生产安全。

（2）深井热害控制的健康意义

深井热害控制的健康意义在于在矿内创造一个良好的劳动环境，以保护矿工的身体健康。人在湿热空气中劳动，短时间内可能只有不舒适感，但长时期以后，就可能发生某些疾病。人们长期在矿井下高温环境中作业，高温可能使人产生一系列生理功能的改变：

① 体温调节发生障碍，主要表现为体温和皮温升高；

② 盐、水代谢现出紊乱，有机体的机能受到影响；

③ 神经系统、循环系统、消化系统和泌尿系统等均会因高温机体大量失水，改变正常的功能，甚至致病。

纵观国内外的矿井降温技术，总体上可以分为非人工降温和人工制冷降温技术两大类，其中非人工降温技术是指矿井还未进入深部开采之前所采用的传统降温方法，而人工制冷降温技术则是利用先进的科学技术来解决日趋严重的热害问题的技术方法。

（1）集中空调技术

集中空调降温系统根据布置形式逐渐发展为地面集中式、联合集中式及井下局部分散式，但地面集中式空调系统载冷剂循环管道承压大, 易被腐蚀损坏, 且冷损较大；在用风地点上空调效果不好,经济性较差，安全性较低；此外，供冷距离短，要求水量大，冷冻水温差小。井上、下联合的混合空调系统是在地面、井下同时设置制冷站, 冷凝热在地面集中排放，但在深部矿井降温中制冷容量受制于空气和水流的回流排热能力, 所以通常需要在地表安装附加的制冷机组，操作复杂，造价高。而局部分散式空调系统设备布置分散, 冷媒循环管路复杂, 操作管理不便。以上问题严重制约了其在深井降温中的应用。

（2）冰冷却技术

冰冷却系统的研究与应用主要以南非为主，1976年南非环境工程实验室提出了向井下输冰供冷的方式，1986年南非Harmony金矿首次采用冰冷却系统进行井下降温，取得了一定的降温效果。所谓冰冷却降温系统, 就是利用制冰机制取的粒状冰或泥状冰（块状冰要经过片冰机加工）, 通过风力或水力输送至井下的融冰池，然后利用工作面回水进行喷淋融冰，融冰后形成的冷水送至工作面，采取喷雾降温。冰冷却降温系统由制冰、输冰和融冰三个环节组成。

（3）压缩空气制冷技术

南非某金矿曾在1989年建成一套压缩空气制冷空调系统，其原理是将空气在地面压缩为液态，输送到井下，膨胀成气态后进入空气制冷机，利用其排出的低温空气冷却工作面风流。近几年国内提出的一种新型的压缩空气降温模式，即直接采用压缩空气作为供冷煤质，向采掘工作面喷射降温。

该技术首先把坑口瓦斯发电厂发电产生的余热输送到溴化锂制冷机里进行一级制冷，再进入乙二醇螺杆制冷机里进行二级制冷，制取-3.4℃至-5℃的乙二醇溶液。冷却的乙二醇溶液通过供冷管道送入井下换冷供应室冷却水，被冷却的水经空冷器产生凉风，送入高温工作面，进行工作面降温[

1.6 以矿井涌水为冷源的HEMS降温系统的研究进展

目前我国矿井降温系统和水冷却系统的技术，基本上是沿用德国的集中空调降温技术，引进国外的制冷机组，进行矿井降温，价值高昂，系统实施后能耗大，运行费用太高，有些已停止运行。

近年来，随着我国制冷空调技术的发展，对矿用空调制冷机进行了研究，开发出了一批国产矿用制冷机，但整个降温模式没有本质的变化。而冰冷却系统在我国目前还没有形成工业化利用，最近几年一些科研院校针对冰冷却系统降温模式、融冰输冰技术及其经济性分析展开了研究，但针对我国矿井特点仍需要进一步探索。

国家重点基础研究发展计划（973计划）项目首席科学家、部级重点学科岩土工程学科带头人何满潮教授近年来一直致力于地热资源可持续利用技术的研究，取得了一系列成功的理论体系及实用技术成果，提出了地热工程非线性设计理论和中低焓地热工程一体化设计方法。在这样的背景下，结合目前所领导的科研团队正在进行的深部工程研究及最新进展，提出了深井开采高温热害控制新技术，结合国家973计划项目现场科研示范工程进行了深井降温HEMS系统研发和现场实施。HEMS降温系统可以有效降低深井开采高温工作面的温度和湿度，开辟了深井热害控制技术领域的新篇章。

参考文献

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