矿井降温技术的50年历程.pdf

第3 4 卷增刊 煤 矿 安 全 2 o 0 3 年9 月 煤 矿 安 全 技 术 发 展 与 贡 献 文章编号 1 0 0 34 9 6 X 2 0 0 3 Z K一0 0 2 8 0 5 矿 井 降 温 技 术 的 5 0年 历 程 瓦斯 通风 防 灭 火安 全研 究所 煤炭科学研究总院抚顺分院， 辽宁 抚顺 1 l 3 0 0 1 摘要 文章论述了矿井降温学科从 1 9 5 4 年立项研究到 2 0 0 2 年的发展历程 ， 系统介绍了5 O年 来所取得 的科研成果 ， 并从我 国采矿 生产的现状和发展 ， 提 出了矿 井降温技术发展 的远景规 划． 。 关键词 矿井降温； 矿 井热环境 ； 矿 山地热 ； 矿 井微气候 中图分类号 T D7 2 7 文献标识码 C 1 概述 在我们热烈庆祝煤炭科学研究总院抚顺分院 建院 5 0周年之际， 矿井降温技术的科研工作也渡 过了 5 O个 年头 。5 0年 来 ， 矿 井降温科 研工作 在 原煤炭工业部和国家煤矿安全监察局的支持下， 在分院的正确领导下 ， 取得 了丰硕 的科研成果 ， 为 国家的煤矿安全事业作出了突出的贡献 。 矿井降温实质上是个环境问题， 是个劳动保 护问题 ， 同时也是个安全 问题 。它充分 体现 了党 和政府对广大矿工身体健康的关怀。在发达国家 矿井降温被认 为是个人道 主义 问题 ， 是个关系到 社会稳定 的问题 。 5 O 年来， 我院共完成重大科技项 目2 2项， 重 大科技咨询项 目1 8 项， 其中有 5 项成果获得国家 及省部级科技进步奖， 获得国家专利 1 项 ， 有 2 3 项成果填补了我国矿井降温技术的空白。 矿井降温技术科研工作的发展大致分为 3 个 阶段 1 1 9 5 4 1 9 7 5年 ， 为学 习、 试验 、 观测 和基 础资料积累阶段。在这一阶段中， 我院的矿井降 温专家们先后在抚顺、 淮南、 平顶山、 北票、 合山以 及丰城等矿区进行了长期的、 系统的矿井热环境 观测研究和综合降温 技术试验 ， 为我 国矿井降温 工作的进一步发展 打下了坚实 的基础 ， 积 累了丰 富的经验。 2 1 9 7 6 -- 1 9 9 0年 ， 为全 面发展 出成果 出人 才 阶段 。在这一阶段 ， 矿井降温工作全面展开 ， 涌 2 8 现出了一大批矿井降温科研骨干， 在矿井热环境、 矿井热交换理论及其在采矿工程中的应用， 以及 矿井降温技术等的研究方面取得了高水平的多项 科研成果 。 3 1 9 9 1 2 0 0 3年， 为科研成果 的推广应用 和进一步提高、 完善的阶段。在这一阶段中， 对已 取得的矿井热力学理论和降温技术等科研成果进 行推广应用及完善和提高。在新汶、 平顶山和丰 城等矿区取得了较好效果 。 ． 为适应矿井 降温技 术全面发 展 的需要 ， 1 9 8 7 年 9月组建了以我院为依托的全国性的学术组织 中国煤炭工业劳动保护科学技术学会矿井降 温专业委员会。矿井降温专业委员会组建至今 2 0 0 3 年 ， 共召开了 1 3 次全国性的学术交流会， 与会人数达 5 2 4人次， 交流论文 9 5篇， 出版著作 两部， 即 矿山热害与热害治理 和 矿井空调技 术 ， 参加了 煤炭工业百科全书 安全卷的编写工 作。为普及矿井降 温的基本 知识 ， 先后举 办 了 3 期矿井降温技术培训班， 培训了中、 高级科技人员 1 0 4人 。 2 矿井降温的基础理论研究 矿井降温的基 础理论涉及到工 程热力学 、 流 体力学、 地热学、 地质学及水文地质学、 劳动卫生 学及环境工程学等多种学科。这些学科的相互渗 透便形成了矿井降温的基本理论， 即矿山热力学 理论 。 2 ． 1 基 础 理论 的研 究路 线 维普资讯 第3 4 卷 增刊 煤 矿 安 全 2 0 0 3 年9 月 1 认真学 习专业基 础理论和 国外 的研究成 果 。1 9 5 4 --1 9 7 5年 ， 主要是 学习原苏联的一些科 技著作， 特别是乌克 兰科 学院工程热 物理研究所 的谢尔班院士、 克列姆捏夫院士等的著作。通过 学习， 使 我 们 建 立 了矿 山 热 力 学 的基 本 概 念。 1 9 7 5 年之后， 原联邦德国矿 山研究院的福斯教 授、 乌利希博士等发表了许多科技论文和著作， 使 我们学到了矿井热交换理论的研究方法， 以及现 代科技成果在矿井降温中的应用。 2 深入生产现场进行 长期观测和资料积累。 1 9 5 4年 以来 ， 我们先后在抚顺 、 淮南 、 合 山、 丰城 、 平顶山、 新汶以及北票等矿区， 建立了矿内热环境 观测系统 ， 进 行 了长期 、 连续 观测 ， 积 累了丰富 的 原始资料。同时， 还先后进行了全国矿井地温和 高温热害普查 ， 基本 上掌握 了全 国矿井 高温热害 的现状。 3 实验室试验研究 。实验室 的试验研究是 非常必要的科研手段。为了加强实验室建设， 我 们先后在国内考察了上海同济大学空调实验室和 建工部空调技术研究所的实验室， 考察了德国矿 山研究院 D MT 空调实验室。在此基础上， 我们 于 1 9 9 3年在分院实验基地建立了矿井空调实验 测试 系统 。进行矿用制冷空调设备 的热工性能和 流体力学性能测试 ； 隔热 管道及材料 的热工性 能 测试 ； 以及各类 仪表 的性能校 验等。这是 我 国采 矿工业 系统独一无二的矿井空调实验室 。 2 ． 2 矿 井降温的理论成果 5 0年来 ， 我们的理论成果主要有 以下几个方 面 1 建立 了矿井热 交换 理论体 系。在矿井生 产系统形成之后 ， 整个矿井便形成 为一个开 口的 热力系统 ， 矿井热交换理论就 是描述这一 系统 中 热交换特征 。如 风流通过井巷的热质交换规律 ； 井巷围岩与风流间的不稳定热交换特征； 矿内煤 炭 、 硫化物 以及有机物质的氧化放热特征 ； 矿井涌 水 的放 、 吸热和散湿特征 ； 矿 内运输 中的矿物和矸 石的放热特征 等。5 0年来 ， 我们通 过大量的现场 测试研究 和实验 室试验 ， 基本 上掌握 了上述规律 和特征 ， 建立了矿井热交换的理论系统。 2 建立了矿山地热学的理论体系。矿山地 热学主要是研究矿区地温场的分布特征， 岩体的 热传导规律和岩石 的热物理性质 ， 基本上掌握了 岩体热传导的基本规律 ； 井巷围岩调热圈温度场 变化特征 ； 地壳 最上层地温场 的特征及其影 响因 素， 钻孔的热平衡理论； 地热来源， 影响区域地温 场的因素 ； 岩石 的热物理性 质 以及矿井水 文地质 学与地热学的相互关系等。 3 建立了矿井制冷降温系统的热力学基础。 矿井制冷降温系统是由制冷 、 输冷、 传冷和排热 4 大部分组成 ， 并构成了一个热力系统。掌握了系 统各个组成要素的热力学特征及各个要素的优化 组合 。 3 矿井降温的实用技术研究 5 0年来 ， 我们在矿井降温的实用技术研究方 面始终处在国内领先、 国际先进水平 ， 主要成果如 下 。 3 ． 1 矿 内风流热力状 况预测技 术 所谓矿内风流热力状况预测， 就是在新矿井、 新水平投产之前 ， 根据矿井的热环境条件， 预先测 算 出矿内的热力状况 。该项 成果先后 于 1 9 8 4年 获得煤炭部科技进步二等奖， 1 9 8 5 年获国家科技 进步三等奖。我们的预测方法 已列入 采矿设计 手册 和 中国煤炭工业百科全书 。预测精度达 到世界先进水平。经对几个矿井的预测值与实测 值 比较结果见表 1 。 表 1 采掘工作面热力状况预测值与实测值比较 表 1 中实测值为投产后实际测试的数值。由 表 1可见 ， 我们 的预测误差 在 0 ． 5 ～1 ． O *C， 而 同 时期 ， 国外的预测精度在 1 ． 5 ℃， 达到了国际先进 水平 。 3 ． 2 按热力学因素确 定矿床的极 限开采深度 在矿井开拓、 开采系统设计中， 不采用制冷降 温措施时， 仅靠加大矿井通风强度的方法来保证 采掘工作面风温不超限的最大开采深度称为矿床 29 维普资讯 第3 4 卷增刊 煤 矿 安 全 2 o o 3 年9 月 极限开采深度。这一成果获 1 9 9 9年度中国煤炭 工业科技进步奖 ， 它对深部矿床 的经济有效开采 具有重大意义。 3 ． 3 矿井制冷 降温系统的设计研 究 1 1 9 6 4 m 1 9 7 5年 ， 在 淮南 九龙 岗矿设 计 了 我国第一个矿井局部制冷降温系统， 为我国制冷 降温技术的发展奠定了基础。 2 1 9 8 2 1 9 8 7年 ， 在 山东新汶 矿务 局设计 了我国第一个井下集中制冷降温系统 投资 6 0 0 万元 ， 在制冷技术 、 供冷及保冷技术、 传冷技术以 及利用井下回风流排热技术等方面都为我国开创 了先例， 获得山东省科技进步一等奖。 3 1 9 8 6 1 9 9 1年 ， 承担 了国家 “ 七 五” 科 技 攻关项 目， 在平顶 山八矿设计 了我 国第 二个井 下 集中制冷降温系统 投资 1 0 0 0 万元 ， 1 9 9 1 年通 过 国家鉴定 ， 达国内领先 ， 国际先进水平 ， 获 1 9 9 2 年度能源部科技进步二等奖 。 4 1 9 9 2 -1 9 9 5年， 在山东新汶矿务局设计 了我国第一个矿井地面集中制冷降温系统 投资 2 3 0 0万元 。该系统引进了国外 的先进技术装 备， 设计制冷能力为 7 4 0 0 l 【 W， 为亚洲最大的矿 井制冷降温系统。 达到了国际先进水平。 5 2 0 0 2 年， 新汶孙村矿 一1 1 0 0 m水平降温 工程初步设计 。 3 ． 4 矿 井降温技术装备 的研 制 矿井降温的技术装备主要有矿用制冷 、 空调 设备， 矿用空气冷却器 ， 矿用供冷管道的保冷技术 以及矿用水冷却装置等。 1 矿用水冷表面 式空气冷却器 的研制 。我 们先后研制了多种矿用水冷表面式空气冷却器 ， 其技术特征见表 2 。 2 矿用可移动喷淋式空冷器的研制 o ．由于 表 2 矿 用水冷表面 式空冷器 的技术特征 井下空气较污 浊 ， 表 面式 空冷器热交换 表面很容 易污染 ， 且难于预防和清洗。因此 ， 目前发达国家 正在试 图用 “ 喷淋式 ” 空冷 器代替 “ 表 面式 ” 空冷 器。 我们于 1 9 9 8年研制 出了我 国第一 台矿用可 移喷淋式空冷器 ， 其 主要技术 特征是 型号 KP L 一 1 2 0型 ； 产 冷 量 1 2 8 l W ； 冷 却 风 量 2 0 0 ／ rai n ； 冷水量 1 2 ／ h 。 3 矿用制冷空调设备 的研制。1 9 6 5年 以 来 ， 我们先后研制 了 5种型号 的矿 用制冷空调设 备， 其技术性能达到国内领先、 国际先进水平。其 性能指标见表 3 。 3 0 4 水冷却装 置的研制 。当制冷站设 在井下 时， 排热将是制冷降温系统的技术关键。我们先 后在新汶、 平顶山等矿区设计 了利用井下回风流 排热的水冷却装置， 取得了良好的排热效果 。排 热效率达 8 0 ％以上 ， 通风阻力仅为 9 0 ～1 2 4 P a ， 达到世界先进水平。 3 ． 5 保冷管道 的研 制 在以冷水为载冷剂的矿井供冷系统中， 管道 保冷是提高系统经济效益的技术关键。1 9 8 4年 以来， 我们先后研制设计了4 种保冷管道， 其技术 特征如表 4 。这四种保冷管道 的技术水平达 到国 内领先 、 国际先进水平 。 维普资讯 第3 4 卷增刊 煤 矿 安 全 2 o o 3 9月 3 ． 6 矿 山热力学理论在采矿 和安全工程 中的应 用 2 O世 纪 8 0年代 以来 ， 由于采矿生 产 向深部 和集中化发展， 以及大功率采掘设备的使用， 世界 各国都把矿井热环境条件作为决策采矿生产技术 的一个重要因素。同时， 在矿井的各种灾害 如火 灾、 瓦斯及粉尘爆炸、 水灾等 的酝酿期 隐蔽状 态 和发生期都将使 矿井 的热力状 态 如压 力 、 温 度、 焓等 参数发生明显变化， 因此 8 0年代以来 ， 我们在矿山热力学理论的应用方面， 取得的各项 科技成果有 1 按矿井热环境条件确定矿井开拓和生产 系统 以及开采程序和回采工艺 ； 2 以矿井热交换理论为基础解算矿井通风 网络 ； 3 根据 矿井灾变通 风的热交换理论 ， 预测 、 预报矿井各种 自然灾害的发生和灾情 的控制。 3 ． 7 矿 山地热 学的应 用 1 根据岩体热传导理论和观测研究， 在我国 首先确立了利用井下浅钻孔和炮眼测试岩石原始 温度 的方法。 2 以钻孔热平衡理论为基础， 建立了稳态、 近似稳态和简易深钻孔测温方法 。 3 根据井巷围岩的热传导理论， 对井巷围岩 调温 圈， 进行 了长期 的观 测和研 究 ， 研究 结果 显 示 ①岩体温度随着距岩壁距离的增加而逐渐接 近于岩体的原始温度， 围岩调热圈的厚度一般稳 定在 1 0 2 0 m； ②井巷围岩调热圈的厚度在井巷 通风初期变化较快 ， 随着通风时间的延长 ， 变化逐 渐减小 ， 一般通 风 1年后变换缓慢 ， 通风 1 O年后 基本上稳定在某一厚度内， 由于井巷从进风侧到 回风侧 风温与岩 温差逐渐减少 ， 所 以调 热圈 的厚 3 1 维普资讯 第3 4 卷增刊 煤 矿 安 全 2 0 0 3 年9 月 度逐渐变薄 ； ③调 温圈是 由一 系列类似 同心 圆的 等温 曲面组成 ， 但是 ， 由于受热 流方 向性 的影 响 ， 圈内等温面之间的距离通常不相等， 如巷道底部 等温面较顶部密集。 4 深部地温预测方法。根据地层构造 、 地热 场分布和热传导理论， 建立了井田深部地温预测 的数学模型， 预测精度可达 1 ～2 ℃， 达到国际先 进水平 。 3 ． 8 局部制冷 空调装 置及个体防护服的研制 1 YP一 1 0 0型 矿 用 环 缝 式 压 气 引 射 器 1 9 7 3 年研制 。以压缩空气为动力 ， 用于井下作 业地点的局部提高风速 有降温作用 ， 增强人体 的舒适感。同时， 也可以用于井下局部处理瓦斯。 其主要 技术参数 压缩空气 耗量 0 ． 5 9 ～4 ． 9 m 3 ／ mi n ， 压力为 0 ． 3 --0 ． 4 MP a ； 引射系数 1 4 --3 3 ； 引 射风量 1 3 ～7 0 m 3 ／ mi n 。 2 涡流管制冷器 1 9 7 3年研制 。该制冷器 原用 于冷却车床上 的刀具 ， 我们改进后 ， 用于井下 作业地点局部冷却风流 。 3 K LF P一1型矿 用冷却 服 专 利号 Z L 9 3 2 1 0 3 9 0 。该冷却服以高分子水聚合物为蓄 冷剂， 冰点为 一 4 ℃～一1 0 ℃， 矿工在高温作业环 境工作时穿着 ， 感到舒适 。 3 ． 9 矿 井降温的经济学研 究 矿井降温投资大 ， 运行费用高 。一个 回采 面 的降温工程投资为 2 0 0 --2 5 0万元， 一个矿井的降 温工程投资高达 1 0 0 0 --2 5 0 0万元。在我国 目前 情况下， 吨煤降温成本达 4 ～6元。因此， 如何采 取经济有效的矿井降温方案， 是矿井降温技术研 究工作必须要 解决 的重 大课题 。在这一 方面 ， 研 制了矿井通风降温与制冷降温的最佳组合的经济 数学模型 ； 矿井制 冷降温系统 的各组成 要素 的经 济数学模型及其软件 ， 并提 出了矿 井降温系统各 主要经济指标 的计算方法。 4 矿井降温技术的发展规划 我国是世界上第一产煤大国， 也是高温热害 矿井最多 的国家。据不 完全统计 ， 我国 目前 已有 1 3 0多对矿井采掘工作面风流温度超过 3 0 * 3 ， 许 多矿井的开采深 度超过 8 0 0 m， 其 中新 汶孙 村矿 延深水平的深度达 1 3 0 0 m。在我 国预测的总储 3 2 量中， 有 7 3 ． 2 ％的储量埋深超过 1 0 0 0 m。由此 可见， 矿井降温不仅是 目前亟待解决的问题。今 后矿井降温 的工作也将 是十分繁重 的。为此 ， 我 们特制定如下工作规划 。 1 ／ Ju 强科技队伍建设。科技以人为本， 必须 加强专业 队伍 的建设。根据矿井降温专业的需 要， 要求逐渐配备矿井通风安全、 制冷与空调、 地 质与地热、 劳动卫生以及工程热力学等专业人才。 2 ／ J u 强 实验室建设 。’ 现有 的实验室 已初具 规模 ， 测试试验系统已形成。但还需要完善和提 高 进行已有设备和系统维修， 更新测试仪表 ， 建 立计算机测试系统 。 3 ／ Ju 强专业基础理论研究。进一步观测研 究各种井巷的热交换特征 ， 充实 和完善 矿井热交 换理论 ； 探索井田地温场与地层构造、 水文地质的 相互关系， 为深部地温预测提供科学依据； 深入研 究矿井制冷降温系统的热力学特征， 为系统的优 化设计和运行提供科学依据。 4 加强矿山热力学 的应 用技术研究 。进一 步研究提高矿井热力状况预测的技术水平 ， 特别 是对一些关键 系数 如 围岩与风 流间的不稳定 热 交换系数、 放热系数、 湿度系数、 湿热比等 进行观 测研究； 按矿井热环境条件合理确定矿井生产 系 统和生产工艺 ； 进一 步完善矿井 降温系统 的经 济 数学模 型及其软件 。 5 ／ J u 强矿井降温技术装备的研制。根据我 国矿山的具体情况 ， 今后 1 0年 内应重点研制的降 温装备是 多品种多规格的矿用大中型冷水机组； 矿用移动式系列化 的冷风机组 ； 矿 用可移动喷 淋 式空气冷却器的系列化； 高效可清洗矿用水冷表 面式空冷器 ； 矿用可移 动式水冷却 器和矿用 内隔 热保冷管道等。 6 为我国西部大开发提供科研成果。鉴于 我 国西部地区地热资源和太 阳辐射能较丰富的特 点 ， 我们拟研究开发地热能和太阳能的开发利用 ， 建立地热和太阳能的能量转换系统， 为供暖、 空调 提供热、 冷源。 7 进行劳动卫生学研究。为制定矿内气象 环境的卫生标准提供科学依据。 维普资讯