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S e ri e s N o ． 3 48 J u n e 2 0 0 5 金 属 矿 山 ME T AL MI NE 总 第3 4 8期 2 0 0 5 年第 6 期 安全 与环保 矿井降温技术研 究述评 刘何清 吴 超 王卫军 陈世强 1 ． 中南大学； 2 ． 湖南科技 大学 摘要将矿井降温技术分为非人工制冷降温技术 、 人 工制冷水降温技术 、 人工制冰降温技术和空气压缩式 制冷技术 4 种类型。评述了非人工制冷降温技术的降温幅度及应用局限性 ， 并认为抽 出式 通风改为压入式通风 、 增加风量的降温机理 、 调温巷道有效影响范围等方面还需要进一步研究。总结了人工制冷水降温技术存在的问题 及研究进展 ， 并认 为人工制取冷水降温是一项 比较成熟的降温技术 ； 人工制冰降温技术正处在研究阶段 ， 特别是输 冰技术和融冰技术还有待进一步探讨 ； 与蒸汽压缩式制冷技术相 比较， 空气压缩式 制冷设备制冷系数低 、 体积大 、 投资大 ， 研制的压力引射器 、 涡流管等设备多用于局部降温。另外 ， 简要评述 了空冷器 的发展 ， 提 出将“ 一次水温” 系统改为“ 二次水温” 系统 ， 以延长表面式空冷器被污染周期的设想 。 关键词矿 井降温技术研究综述 Re v i e w o f M i n e Te mp e r a t u r e Dr o p Te c h n o l o g y I A u H e q i n g Wu C h a o Wa n g We i j u n C h e n S h i q i a n g 1 ． C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ； 2 ． H u n a n U n i v e r s i t y o f S c ／ e n c e a n d T e c h n o ／ o g y Ab s t r a c t D r o p t e m p e r a t u r e t e c h n i q u e s I 1 【 T I ’ i n u n d e r g r o u n d mi n e s a r e c l a s s i fi e d i n t o f o u r t y pes ， n a me l y ，D T Y s o f n o n ． a r t i fi c i a l r e f rig e r a t i o n，a r t i fic i al c o o l e d wa t e r ，a r t i fic i al i c e a n d c o mp r e s s i o n a i r ．T h e t e mper a t u r e d r o p r ang e a n d a p p l i c a t i o n l i mi t a t i o n s of DT T of n o n ． a r t i fic i al r e f r e g e r a t i o n a r e d i s c u s s e d ．I t i s c o n s i d e r e d t h a t f u r t h e r i n v e s t i g a t i o n s h o u l d b e ma d e o n t h e c h a n g e o f a n e x t r a c t i n g v e n t p a t t e r n i n t o a c o mp res s i n g o n e ，t h e me c h an i s m of t e mper a t u r e d rop b y i n c r e asi n g a i r fl o w r a t e and t h e e ff e c t i v e i n fl u e n c e r a n g e of t e mper a t u r e a d j u s t i n g d r i ft ．T h e p rob l e ms i n D rI T I ’ of a r t i fi c i al c ool e d w a t e r a n d t h e a d v a n c e i n i t s r e s e a r c h are s u mma r i z e d ．I t i s c o n s i d e r e d t h a t t h e D TY of a r t i fi c i al c oo l e d wa t e r i S c o mp a r a t i v e l y mu t u r e w hi l e t h e DTY of a r t ific i al i c e i s n O W u n d e r i t s res e a r c h s t a g e a n d e s pe c i all y t h e r e l a t e d i c e t r a n s p o r t a t i o n a n d me l t i n g t e c h n i q u e s n e e d f u rth e r i n v e s t i g a t i o n ．C o mp a r e d wi t h t h e I 1 【 T I ’ of s t e a m c o mp res s i o n．t h e D 1 【T I ’ o f a i r c o mp r e s s i o n h as l o we r c ool i n g e ff i c i e n c y ，l a r g e r e q u i p m e n t v o l u me a n d g r e a t e r i n v e s t me n t ．The ref o re e q u i p m e n t s u c h as p r e s s u r e i n j e c t o r and t u r - b i n e ． p i pe e t c ．are mo s t l y u s e d i n l o c al t e mp e r a t u r e d rop ．I n a d d i t i o n，t h e d e v e l o p me n t of air c ool e r i s d e s c ri be d ．I t i s p r o - pos e d t o c h a n g e“d i r e c t wa t e r r e t u rn’ ’i n t o“i n d i r e c t wa t e r r e t u rn ”s y s t e m S O as t o p r o l o n g t h e c o u n t e r pol l u t i o n pe ri o d of an e x t e ri o r c o l l e r ． Ke y wo r d s Un d e r g r o u n d mi n e s ，Drop t e mp e r a t u r e t e c h n o l o g y，Re s e a r c h r e v i e w 防治矿井热害技术 自2 0世纪 2 0年代即已兴 起 ， 至今已有 8 0余年的历史； 但是， 迅速发展并广泛 应用是在 2 0世纪 7 0 年代以后。在各国科技工作者 的共同努力下， 用于防治矿井热害的技术 已经取得 了巨大成就 ， 并在矿井开采过程中起着重要作用。 纵观国内外矿井降温技术 ， 可分为非人工制冷 降温技术， 人工制取冷水降温技术 ， 人工制冰降温技 术和空气压缩式制冷技术。 1 非人工制冷降温技术 从矿井开拓部署到工作面生产的每个环节都可 能对矿井风流的温度产生或多或少的影响， 归纳起 来可分为如下几个方面 矿井开拓部署和采区巷道 布置 、 采矿方法及顶板管理方式、 通风量。 1 ． 1 矿井开拓部署和采区巷道布置的影响 1 ． 1 ． 1 矿井开拓部署的影响 矿井通风系统的基本型式有中央式 、 两翼对角 式、 分 区式。 目前 ， 煤矿主要采用 中央式、 两翼对角 风井排风和分区风井排风几种型式。如果改变传统 的矿井通风方案， 采用两翼或分区风井进风 ， 则可大 国家自然科学基金资助项 目 编号 5 0 4 9 0 2 7 4 。 刘何清 1 9 6 4一 ， 男， 中南大学在读博士， 湖南科技大学能源与安全 技术学院教授， 4 1 1 2 0 1湖南省长沙市。 4 3 维普资讯 总第 3 4 8 期 金 辞 2 0 0 5年第 6期 大缩短进风路线长度 ， 两翼式的进风路线长度 比中 央式可缩短 5 0 ％ ， 3个分区的进风路线长度 比中央 式可缩短 6 7 ％。据资料报道 ， 在风速相同时 ， 大巷 的终端风温两翼式比中央式约低 2 ． 1～6 ． 3℃ ， 分 区式比中央式约低 2 ． 3～9 ． 6℃。 1 ． 1 ． 2 将进风流布置在低温岩层中的降温措施 将进风流布置在低温岩层 ， 对矿井降温有一定 的作用。例如， 新汶矿务局孙村煤矿试验研究表明 一 2 1 0 m水平 岩层温度 2 1 ． 5℃ ， 夏季风流通过巷 道 1 k m， 降温 1 ． 9 2℃； 而在 一 6 0 0 m水平 岩层温度 3 4 ． 9℃ ， 夏季风流通过巷道 1 k m， 升温 0 ． 5 6℃。 湘西金矿的研究表明 当3 8℃的地面空气经过恒温 层附近的低温 1 7℃ 废弃巷道后 ， 风流温度 降到 1 7 ． 2 9 5℃ 实验巷道长度 3 5 0 m， 风速为0 ． 5 m ／ s ； 而经过竖井流进井下同一标高处的风流温度为2 1 ． 8 ℃。说明经过低温岩层预冷的风流较正常的竖井进 风流温度低 4 ． 5℃。 1 ． 1 ． 3 下行风降温措施 可以分为 2种方案 一是采区或采煤工作面局 部下行风， 二是整个通风系统风流倒流。 国内外大量的实践和试验研究表明， 将采煤工 作面改为下行风， 对解决局部温度偏高是一项行之 有效的措施 ， 可使工作面的风温降低 1～5℃。焦 作矿业学院与平顶山六矿合作研究， 得 出了“ 对于 机电设备散热为主要 因素的回采工作面， 采用下行 风是一种经济有效的措施” 的结论。 关于整个通风系统风流倒流的方案， 目前还没 有发现有资料报道。 1 ． 1 ． 4 小结 根据上述分析认为， 将矿井主要扇风机的工作 方式改为压人式， 并将压人式主扇设在两翼或分 区 风井 ， 将水平运输大巷， 主、 副井变为回风通道 ， 人员 的进出、 大量的机电设备处在高温 、 污浊、 高瓦斯浓 度的回风流中， 将增加矿井的不安全隐患。因此， 这 种通风系统是否可行 ， 有待深入研究探讨。 将进风巷道布置在低温岩层中的措施 ， 本文认 为 多水平生产的矿井， 利用处在上部水平低温岩层 中的废弃巷道进风是一种可行的降温方案。至于在 低温岩层中专门开设调温巷道进风， 应进行详细的 技术经济比较。因为 ， 一是调温巷道的降温幅度是 有限的 ， 而开掘 1条巷道的投资可能是很可观 的。 二是调温巷道开掘在恒温带附近的岩层中， 才可能 有较大的降温幅度 ， 但是调温巷道距用风地点多远 4 _ 4 ． 才能对用风地点风流的降温起到积极作用， 还有待 进一步研究。 1 ． 2 采煤方法及顶板管理方法对风流温度的影响 在开采条件相同的情况下， 后退式采煤法较前 进式采煤法漏风小 ， 有效风量大， 更有利于降温 ； 倾 斜长壁采煤法较走向长壁采煤法通风路线短。 全面充填法管理顶板较全面垮落法管理顶板更 有利于风流降温 ， 特别是充填温度较低的物质。例 如 ， 日本鹿岛井原煤矿采用全面垮落法管理顶板， 采 空区气温高达7 0℃， 改用风力全面充填法管理顶板 后 ， 工作面的温度下降了 1 0℃。风力充填的降温效 果相当于 1台 7 0 0 k W 的空冷器， 水力充填较风力 充填效果更好 。 1 ． 3 增加风量对风流温度的影响 前苏联乌克兰科学院院士谢尔班 A H， 日本工 学博士平松良雄和前西德埃森矿山研究院的福斯教 授提出的矿内风流温度预测模型， 能够比较明显地 体现增加巷道通风量 ， 巷道风温下降的趋势 ， 从理论 上证明了增加风量具有降温作用。 大量的现场实验也说明增加风量具有较好的降 温作用 ， 可使工作面风流温度降低 1～4℃。日本 学者的试验研究表明， 增加通风量， 则气流温度大幅 度下降， 并且温度的下降程度在通风量达到一定量 时 ， 有急剧加快之势， 如果风量再继续增加 ， 则气流 温度的下降幅度又逐渐缓慢下来， 最经济的通风量 为巷道长度的0 ． 5 6～0 ． 8 4倍。 增加风量是一种简单易行的降温方法 ， 但是其 降温幅度是有限的， 其受进风温度和围岩温度等因 素的影响。当围岩温度达到一定高度时， 增加风量 将不起作用。武汉煤炭设计研究院的梅甫定通过对 国内部分高温矿井的生产水平岩温与工作面气温的 分析 比较得出 “ 原岩温度每增加 1℃， 工作面气温 约增加 0 ． 5℃” ； “ 当生产水平岩温为 3 4 ． 8℃时 ， 综 采工作面的风量增加到 1 7 8 8 m ／ m i n ， 高档普采工 作面的风量增加到 1 5 1 2 m ／ m i n后 ， 采煤工作面的 风温仍在 3 0℃左右” ； 再增加风量也不会使工作面 风温降到我 国 煤矿安全规程 规定 的 2 6℃。因 此 ， 梅甫定认为“ 当生产水平岩温超过 3 5℃时 ， 应 考虑采取其它降温措施” 。联邦德国曾对 u型通风 的采煤工作 面有效温度与岩层温度的关 系进行探 讨， 得出 “ 当岩层温度达 4 0℃时， 工作面有效温度 上升到 3 2℃ 联邦德 国矿内热环境 的允许作业温 度上限 ， 岩层温度每增加 1℃， 有效温度增加 0 ． 7 维普资讯 刘何清等 矿井降温技术研究述评 2 0 0 5年第4期 o C ” ； “ 岩层温度超过 4 0℃， 就不能采用增加风量降 温措施” 。南非麦菲尔逊 M J 也认为， 当原岩温度超 过 4 0℃ ， 必须减少空气量 ， 增加空气冷却度。 2 人工制冷水降温技术 从 2 0世纪 7 0年代， 人工制冷降温技术开始迅 速发展 ， 使用越来越广泛 、 越来越成熟。该种降温技 术已经成为矿井降温的主要手段。 该种矿井降温技术主要有 井下集 中式 、 地面集 中式 、 井下地面联合集中式 、 分散式。德国实践表 明 负荷小于 2 MW 的矿井， 以采用分散式最优 ； 负 荷大于 2 MW 的矿井 ， 才采用集中式 ； 集中式的 3种 型式 ， 又以井上、 下联合集中系统费用最低 ， 地面集 中式系统次之 ， 而以井下集 中式系统最高。我国淮 南煤田谢桥矿 ， 所进行的矿井降温方案的经济技术 比较也表明， 地面集 中式系统的总费用也是最小的 没有考虑井上下联合集 中方案 。上述 2个案例 基本可以说明， 在经济上地面集中式和井上下联合 集中式具有其优越性 ； 而在技术上 3种集中式系统 各有千秋 井下集中式系统的致命弱点是冷凝热排 放困难 ； 地面集中式和井上下联合集中式系统必须 使用高低压转换设备 ， 此设备在冷冻水转换过程 中 会产生 34℃的温度跃升。 针对井下系统的冷凝热排放问题和地面系统高 低压转换的温度跃升问题 ， 各 国研究机构都在进行 不懈努力。井下系统的冷凝热排放 ， 经历过用井下 回风流排热到井下回风流加喷淋水到利用地面制冷 机组的冷冻水排热的过程。地面系统的高低压转换 器 ， 则经历了储水池 、 降压阀、 高低压换热器到高低 压转换器， 其转变的过程实际上是尽可能地消除高 低压转换器温度跃升的过程 ， 国外研制的一种新型 水能回收高低压转换器， 其温度跃升可从一般的 4 ～ 6 oC降低到 0 ． 2 o C。 虽然人工制冷水降温技术存在上述有待进一步 完善的问题， 但经历了几十年的实践 ， 该项降温技术 已经是一种比较成熟的矿井降温技术 ， 不论是过去 还是将来 ， 都将是矿井降温技术的主流， 其它研究只 是对该项降温技术 的完善 ， 不会使矿井降温成本有 较大的降低 ， 也不会使该项降温技术有质的飞跃。 3 人工制冰降温技术 冰冷却降温系统与水冷却降温系统不同之处 ①冰冷却降温系统主要是利用冰的融化潜热降温， 获得相同冷量所需的冰量仅为水冷系统水量的 1 ／ 4 ～ 1 ／ 5 。②冰冷却系统是通过冰与水直接接触换 热， 换热效率高 ， 可获得 1 oC左右的低温冷水 ， 送人 空冷器的水量相应减少， 减少 了水泵 的输送能耗 。 南非某矿山研究机构的试验研究表明， 井下热负荷 为 2 5 MW 的矿井降温系统 ， 采用冰冷却降温系统， 水泵的输送能耗仅为水冷 系统的 2 l ％左右。③冰 冷却降温系统 由制冰、 输冰和融冰 3个环节组成 。 正是由于这 3个环节还处在研究探讨过程中， 使得 冰冷却降温系统还没能得到广泛应用 。 目前 ， 冰的制备不是制约该项技术的问题 ， 国内 外都有制造大型制冰机的能力 ， 可以制备各种形状 、 规格的冰。冰的输送有 2种形式 ， 水力输送和风力 输送。研究表明， 风力输送 比较有利， 水力输送仍然 避免不了水冷系统的高静水压力问题。风力输送要 解决的关键技术是防止输冰管堵塞。南非金矿曾进 行过一次工业性试验 ， 试验矿井 自制冷站到竖井的 水平管道 2 5 0 m， 井筒垂直管道 1 7 9 0 m， 竖井到井 底车场冰水池的水平管道 7 3 0 m， 共计 2 7 7 0 m， 输 冰管径 1 0 0 m m， 试验空气压力约 5 0 0 P a ， 管状冰的 外径 3 2 m m， 长度 4 5 m m， 空气温度 2 0℃。试验表 明， 冰块能相当均衡地以 1 5 t ／ h的流量堆积在距井 底车场 1 1 0 m处 ； 要想持续无阻塞地将冰块输送到 距井底车场 7 3 0 m的冰水池中， 其输冰量只能达到 5 t ／ h 。该项工业性试验表明， 利用管道输送冰块在 技术上是可行的。 冰的融化也是冰冷却系统中一个非常重要的环 节 ， 它关系到能否获得稳定的低温水和稳定的水流 量。南非 S h e e r T J 等人通过融冰试验， 提出了融冰 槽的结构型式 ； 美国S t e w a r t 等人应用有限差分法对 定量冰的融化特性进行了静态研究； 我国河北建筑 科技学院的王景刚等实验研究了粒状冰变冰量时的 融冰时间、 冰水之间的对流换热系数 ， 探讨了连续输 冰条件下， 当进水温度不变时融冰槽 的出水温度与 冰层高度、 冰粒大小 、 水流量等因素的关系 ， 发现其 中冰层高度 、 冰粒直径是影响出水温度的主要因素， 并得出 当冰层高度在 1 0 0 0 m m时， 出水温度可接 近 0 o C。 冰冷却降温技术仍处在试验研究阶段， 特别是 冰的输送和冰的融化技术 目前还很不成熟 ； 南非金 矿工业性试验的输冰量仅能满足 5 M W 以下的热害 矿井降温 ； 要满足更大负荷的矿井要求 ， 压缩空气压 力 、 输冰管径 、 输冰速度等技术参数都有待进一步研 究。关于冰的融化 ， 按现有的研究结论， 对于大负荷 的矿井 ， 融冰槽的直径有可能很大。如何提 高融冰 4 5 维普资讯 总第3 4 8期 金 氍 矿 山 2 0 0 5年第6期 速度， 减小融冰槽的体积等有待进一步研究。 4 空气压缩式制冷技术 1 9 7 3年煤科 院抚顺分院研制了 Y P一1 0 0型矿 用环缝式压力引射器、 涡流管制冷器 ； 1 9 9 3年平顶 山矿务局和原中国航空工业总公司 6 0 9 研究所联合 研制了 K K L 1 0 1型矿用无氟空气制冷机 ； 1 9 8 9年南 非一金矿建成了压缩空气制冷系统。 由于空气压缩制冷循环的制冷系数 、 单位质量 制冷工质的致冷能力均小于蒸汽压缩制冷系统 ， 在 产生相同制冷量的情况下， 空气压缩式制冷系统需 要较庞大的装置 ， 并且单位制冷量的投资和年运行 费用均高于蒸汽压缩式系统， 因此 ， 全矿井采用空气 压缩式制冷系统降温的矿井是屈指可数的。而压力 引射器 、 涡流管制冷器等装置 ， 实际上仅是一种空气 膨胀装置， 它必须与地面空气压缩机联合使用。 5 矿用空冷器的发展 矿用空冷器主要分为两大类 表面式空冷器和 直接接触式空冷器 也称喷淋式空冷器 。表面式 空冷器由于结构 紧凑、 体积小 、 不污染井下工作环 境、 适应性强等优点而倍受青睐。表面式空冷器为 了提高其换热效率 ， 在肋管上增设翅片以增加换热 面积。这种翅片式空冷器由于矿井井下条件恶劣、 粉尘浓度高， 使其很难发挥应有的效率。例如， 1台 在清洁环境下冷却能力为 2 0 0～3 0 0 k W 的翅片式 空冷器 ， 在井下环境很短的时间就积满灰尘 ， 冷却能 力下降到 5 0 ％以下 ， 甚至低至 1 5 ％。因此， 德国等 一 些国家又改用传热效率低的光管式空冷器 ， 以适 应井下恶劣环境； 我国、 南非等一些 国家仍以翅片式 空冷器为主， 而致力于空冷器清洗装置的研制。 直接接触式空冷器具有换热效率高的优点， 但 由于其体积较大， 不及表面式空冷器布置灵活， 因而 限制了它的使用； 但美 国的大多数矿井都采用喷淋 式空冷器 ， 而且使用效果非常好。现在国内外许多 专家又开始致力于研制机动灵活 、 体积小的喷淋式 空冷器， 以适应多种场合的需要。 目前， 矿井空调系统的空冷器多采用一次水温 ， 即冷水机组出水水温， 所有末端空冷器均处于湿工 况下运行， 既起降温作用， 又起降湿作用。正是由于 冷凝水的产生 ， 致使表面式空冷器在高粉尘环境下 极易粘着粉尘 ， 降低表面式空冷器的换热能力。本 文认为 ， 应研究将空冷器改用二次水温， 使表面式空 冷器在干工况下工作 ， 不产生冷凝水 ， 以延长表面式 空冷器的被污染周期。 6 总 结 ． 根据 以上分析 ， 笔者认为如下几个方面有待进 一 步研究。 1 煤矿将两翼抽出式通风或分 区抽 出式通风 改为压入式通风， 可以缩短进风路线长度 ， 可以避开 运输等局部热源； 但其可行性、 降温效果还有待经过 实验研究和实践验证。 2 增加风量具有降温作用 ， 实验和实践证 明 其降温幅度是变化的， 但其降温机理及进风温度 、 围 岩温度和换热特性参数在增风降温 中的影响程度 ， 还有待进一步研究。 3 布置在低温岩层的巷道对降低风流温度有 积极作用 ， 但调温巷道有效作用范围多大、 距用风地 点多远才能对用风地点风流降温起到积极作用也有 待进一步研究。 4 风力输冰克服 了水冷系统的高静水压力， 但大流量的风力输冰技术参数及风力输冰的极限距 离需要进一步研究。 5 冰的融化关系到矿井降温系统能否获得稳 定的低水温和稳定的水流量 ， 如何提高融冰速度 、 减 小融冰槽体积需要研究。 6 将矿井冷冻水系统改为二次水温系统， 使 表面式空冷器在干工况下运行， 以延长表面式空冷 器的使用周期的研究。 参考文献 l 杨洪新．低温岩层预冷人风流技术研究与应用．金属矿山， 2 0 0 1 1 5 2～ 5 3 2 袁强， 石琴谱．回采工作面下行风通风时降温效果及其机理的 研究．焦作矿业学院学报 ， 1 9 9 1 2 、 3 l ～ l l 、 2 9～3 6 3 梅甫定．高温矿井是否进行增风降温 的判别．煤矿设计 ， 1 9 9 2 4 9～ l 2 4 胡春胜．矿井空调现状及评述．煤矿设计， 1 9 9 1 5 3 4～3 9 5 吴先瑞， 彭毓全．德国矿井降温技术考察． 江苏煤炭 ， 1 9 9 2 4 8 ～ l l 6 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