王詩祺 王 美

(西安科技大學能源學院)

隨著我國礦井開采深度不斷提高，高溫深井越來越多，高溫熱害嚴重影響了井下工作人員的健康狀況和工作設備的高效運行，在很大程度上影響了礦井安全生產。對于煤礦深井開采而言，礦井熱害嚴重時極有可能誘發(fā)煤巖自燃。我國煤礦煤層按自燃傾向性可分為4個區(qū)，即華北煙煤自燃區(qū)、東北褐煤-煙煤自然區(qū)、西北低變質煙煤自燃區(qū)和華南高硫煤自燃區(qū)[1]。由于褐煤著火點低，褐煤賦存越多的礦井越易發(fā)生煤巖自燃，因此治理礦井熱害也是防止煤巖自燃的重要舉措。我國于2005年起實施的《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定生產礦井掘進面空氣溫度不得超過26 ℃，機電設備硐室的空氣溫度不得超過30 ℃。一般將礦井相應區(qū)域溫度超過《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的氣溫上限而導致的危害統(tǒng)稱為礦井熱害。本研究結合近年來我國煤礦深井開采熱害治理研究成果，對熱害成因進行分析，對熱害治理技術措施進行總結和評價，并就該領域的發(fā)展方向進行討論。

1 礦井熱害成因

(1)地面大氣溫度變化。從地表流入井下的氣流溫度隨著地表大氣溫濕度的變化而變化，地表大氣溫度的日變化和季節(jié)性變化都是周期性的，但季節(jié)性溫度變化對熱害的影響更為嚴重。對于原巖溫度在28 ℃以上的礦井，巷道圍巖調熱圈對夏季風溫的調節(jié)作用隨著原巖溫度的升高而減弱，出現(xiàn)季節(jié)性熱害現(xiàn)象[2]。

(2)風流自壓縮。流體自壓縮是空氣在深井內由于自身重力作用將位能經過摩擦作用轉換為熱能產生溫升的過程。位能在其中具有決定性作用，即采深越大，風流受到的壓力變化越大，風流自壓縮引起礦井內部溫升便越大。在無其他外部熱源的情況下，井巷深度每增加102 m，由于風流自壓縮產生的熱量會使其溫度升高1 ℃[3]，而實際的溫升值也與礦井內空氣的含濕量有關。

(3)圍巖與風流熱交換。在同一地區(qū)，井下未被發(fā)掘的巖石溫度隨著距離地表的深度加大而上升，其上升速度(地溫梯度)主要取決于巖石熱導率和大地熱流值。我國煤礦根據(jù)大地熱流場，可將熱害區(qū)分為東部、中部、西北和滇藏熱害區(qū)[1]，開發(fā)強度較高的東部和中部熱害區(qū)地熱流平均值分別為60，50 mW/m2。隨著采深不斷增大，原始巖溫會不斷升高，從而產生熱害。圍巖與風流熱交換是一個非穩(wěn)態(tài)的傳熱過程，井巷掘進后，圍巖不斷向風流傳熱，而自身溫度會不斷降低，使其傳熱能力下降，直至最終與風流溫度幾乎相同。在許多深井中，圍巖原始溫度高是造成礦井高溫的主要原因。

(4)井巷內熱水放熱。井巷內熱水放熱有2種形式：一是涌出的熱水可通過對流傳熱方式直接加熱風流；二是涌出的熱水加熱上部巖體，巖體將熱量傳遞給風流。

(5)礦區(qū)中礦巖氧化放熱。硫化礦、煤礦都存在氧化放熱現(xiàn)象，但煤炭的氧化放熱并不能對井下溫度造成顯著影響，當含硫礦床或煤層中含有大量硫化鐵時，氧化放熱量會達到相當大的程度。

(6)機械電動設備放熱。該類熱量包括了提升設備除了做有用功以外的以各種形式散失的熱量，通風機電動機消耗的全部電能轉化為熱能的熱量，輸給水泵的電機消耗的電能和水泵軸承摩擦消耗的熱量以及燈具電能全部轉換為熱能的熱量。

(7)運輸大巷中煤炭和矸石散熱。運輸中煤炭和矸石的放熱會導致風流干球溫升與濕增，為圍巖散熱的另一種表現(xiàn)形式。

(8)水泥水化放熱。礦用硅酸鹽水泥主要用作煤礦采空區(qū)充填材料，水泥與水拌和發(fā)生的水化反應為放熱反應，其放出的熱量成為水化熱。

(9)人員放熱。井下工人的勞動放熱量主要取決于其工作的持續(xù)時間和繁重程度，休息時人體散熱量為0.09～0.12 kW/人，輕度體力勞動時人體散熱量為0.25 kW/人，中等體力勞動時人體散熱量為0.275 kW/人，繁重體力勞動時人體散熱量為0.47 kW/人[4]。

(10)風動機具壓縮空氣放熱。由于壓縮空氣在井下溫度較高，且用量較低，該部分熱量經?？梢院雎圆挥?。

(11)其他原因。包括炸藥爆炸、巖層移動等原因，由于作用時間短，不會對井下氣候條件產生顯著影響，可以忽略不計。

2 礦井熱害治理方法

2.1 非制冷降溫方法

2.1.1 通風降溫

通風降溫屬于增強風與圍巖的對流傳熱過程，為強化傳熱，可采用以下方法：

(1)在相關規(guī)范允許的風速范圍內，可以通過增加風量的方式降低風流溫升和圍巖放熱強度，減少通風阻力，防止漏風，提高風機功率[5]。

(2)礦井通風系統(tǒng)應盡可能縮短進風路線長度，進風路線越長，風流沿途與圍巖傳熱量越多，風流溫度升高便越大。礦井通風方式分為中央式、對角式、區(qū)域式、混合式4種基本類型，不管何種通風方式，進風路線越短，降溫效果越好。

(3)采用下行通風方式，風流路線從高水平巷道流入低水平巷道，使得上行通風系統(tǒng)中的圍巖散熱和機電設備散熱不到達工作面而被直接帶出巷道，從而改善了工作面的環(huán)境狀況。一般來說，相對于上行通風方式，下行通風方式可使溫度較高的工作面溫度降低約3 ℃[6]。

(4)開采工作面的通風形式一般可以分為U型、E型、W型、Z型和Y型，其中W型和Y型均設置有2條進風道，相比其他通風形式，該2種通風方式的通風阻力較小，采空區(qū)漏風也有一定程度下降，有助于改善井下作業(yè)環(huán)境[7]。相對于Y型通風方式，W型通風方式能夠增加工作面的風量，高溫深井中應盡可能設計采用該型通風方式[8]。

2.1.2 減少熱源

減少熱源可以從減少圍巖散熱、減少礦巖氧化放熱、減少熱水放熱、減少機電設備放熱等方面考慮。

(1)減少圍巖散熱。任森[9]提出了一種新型圍巖隔熱材料，并將其覆蓋于巷道圍巖表面，再在隔熱材料上安裝蛇形管道的換熱袋，管內以空氣作為工作介質，管外充水，實踐表明，有助于減少圍巖傳熱量。

(2)減少礦巖氧化放熱?？蛇x擇抑制氧化的物質降低氧化速度，針對硫化礦巖低溫即可氧化自燃的特性，崔伯林等[10]通過在CaO、NaCl等堿土金屬鹽類或堿類物質中加入有機物，特別是加入表面活性物質，可使礦巖表面活性面積明顯減少，從而可以達到抑制礦巖氧化放熱的目的。

(3)減少熱水散熱。采用隔熱管道超前疏導熱水，將高溫排水管敷設于回風道。

(4)減少機電設備放熱?？蛇x用風扇對機電硐室進行獨立通風[11]。

2.2 制冷降溫方法

礦井降溫技術發(fā)展已有80余年歷史，1920年在巴西的莫勞·約理赫金礦建立了世界上第1個礦井空調系統(tǒng)；1923年英國彭德爾頓煤礦第1次在采區(qū)安設制冷機冷卻采面；1953年在洛伯爾格礦井下安裝大型風流冷卻設備；20世紀60年代南非大型礦井開始采用集中式空調降溫方式；1985年11月南非首次采用冰做載冷劑；1989年南非金礦建成了壓縮空氣制冷空調系統(tǒng)；同年波蘭研制出渦流管式空氣制冷裝置[12]。我國于1964年首次在淮南九龍崗礦安裝了礦井局部制冷降溫系統(tǒng)[13]；1981—1985年，山東孫村煤礦在井下設計安裝了首套集中式降溫系統(tǒng)，隨后平頂山八礦在井下安裝了集中式制冷系統(tǒng)；1992—1995年，山東孫村礦設計了地面集中降溫系統(tǒng)；1995年，陳平[14]提出礦井壓氣式空調系統(tǒng)；2002年，孫村煤礦采用井下集中式降溫系統(tǒng)；2007年，平煤四礦建造了熱—電—乙二醇礦井制冷系統(tǒng)；同年何滿朝研發(fā)的HEMS降溫系統(tǒng)被應用于夾河煤礦中，總體而言，我國礦井降溫技術近年來得到了不斷完善和發(fā)展。

傳統(tǒng)降溫系統(tǒng)根據(jù)制冷站的安裝位置可以分為井下集中空調系統(tǒng)(制冷機設于井下)、地面集中式空調系統(tǒng)、井上下聯(lián)合空調系統(tǒng)(制冷機分別設置于地上和地下)、井下分散式局部空調系統(tǒng)(可移動式空調系統(tǒng))。地面集中式空調系統(tǒng)可以分為地面冷卻風流系統(tǒng)(全部設備安裝于地面)和井下冷卻風流系統(tǒng)(制冷機設置于地面)[15]。根據(jù)載冷劑的不同可以將礦井空調制冷技術分為蒸汽壓縮式、空氣壓縮式、人工制冷水、人工制冰空調降溫技術[16]。該類降溫方法在我國已得到了廣泛應用，但隨著近年來礦井熱害日益嚴重，傳統(tǒng)制冷降溫方法的能效比低、制冷效率低、降溫效果不明顯等不足日益顯現(xiàn)，在此背景下，一批新型的礦井降溫方法得到了研究和應用。

2.2.1 HEMS降溫系統(tǒng)

對于涌水量大的高溫深井，HEMS系統(tǒng)是一種能源循環(huán)利用、環(huán)保高效的降溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過提取高溫礦井涌水中的冷量，獲得低溫水與工作面的高溫空氣換熱和更高溫的水給地面供熱(圖1)。夾河煤礦采用了HEMS降溫系統(tǒng)，采煤工作面溫度降低了4～6 ℃。其原理是將25 ℃礦井涌水作為冷源，通過HEMS-Ⅰ制冷工作站制取-1 ℃水和38 ℃水，其中38℃水可以作為地面供熱用水，-1 ℃ 水經過管路變?yōu)? ℃，再通過HEMS-PT壓力轉換工作站水溫變?yōu)? ℃，5 ℃水再經過管路變?yōu)? ℃，6 ℃水在HEMS-Ⅱ降溫降濕工作站與30 ℃風混合，將18 ℃的風流輸送至工作面上，從而達到降溫效果；6 ℃ 水升溫至11 ℃后，經過管道變?yōu)?2 ℃，12 ℃水通過HEMS-PT壓力轉換工作站水溫變?yōu)? ℃，5 ℃水再經過管道變?yōu)? ℃水返回HEMS-Ⅰ制冷工作站實現(xiàn)上下2個循環(huán)過程。根據(jù)該降溫系統(tǒng)，我國建立了第一個深部科學與工程實驗室(DUSEL)，該實驗室是為了供國內外學者研究深部礦物能源問題而建立的現(xiàn)代化實驗室，我國夾河煤礦配合DUSEL研究中心與調度室的實時監(jiān)控，在深井制冷方面取得了顯著的實踐成果[17-19]。

圖1 HEMS系統(tǒng)工作流程

2.2.2 冰制冷降溫系統(tǒng)

冰制冷降溫系統(tǒng)通過在地面制取冰塊/冰片/冰粒/冰泥，并將其通過垂直輸冰立管輸送至井下蓄冰池，取蓄冰池中0 ℃冷凍水作為綜采面換熱和井下噴淋、打鉆機械等輔助用水，空冷器換熱后的回水返回至蓄冰池起到融冰作用。該系統(tǒng)較冷水系統(tǒng)而言需水量更少、能效比高、設備功率小，因此更加節(jié)能。平煤六礦和孫村煤礦采用的降溫系統(tǒng)便為冰制冷降溫系統(tǒng)，其主要的制冷設備均安裝于地面，井下僅有水泵、空冷器等少量設備，整個系統(tǒng)維護方便，可滿足安全生產要求[20-23]。冰制冷降溫系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2 冰制冷降溫系統(tǒng)工作流程

2.2.3 熱—電—乙二醇制冷系統(tǒng)

熱—電—乙二醇制冷系統(tǒng)是利用低濃度瓦斯發(fā)電的高溫煙氣余熱，采用乙二醇作為冷媒的低溫制冷系統(tǒng)，可針對不同的熱害情況選擇相應的工作模式。該系統(tǒng)利用瓦斯發(fā)電的余熱通過溴化鋰機組制成5.2 ℃乙二醇溶液，通過乙二醇機組繼續(xù)降溫乙二醇溶液至-3.4 ℃，降溫后的乙二醇溶液通過換熱器進行換熱，換熱器的低溫水輸送至空冷器給井下工作面降溫，降溫后的回水通過換熱器導入溴化鋰機組進行再利用(圖3)，該過程可根據(jù)具體熱害情況進行相應調節(jié)[20]。該降溫系統(tǒng)運行成本低廉，工作穩(wěn)定，適用于各種熱害的礦井，降溫效果較好。平煤四礦采用熱—電—乙二醇制冷系統(tǒng)后，采掘工作的面溫度降低了7～8 ℃。

圖3 熱—電—乙二醇制冷系統(tǒng)工作流程

2.2.4 礦井移動式冰蓄冷空調

礦井移動式冰蓄冷空調是冰冷卻技術和移動式空調技術相結合的產物，從進風巷道傳入的熱濕空氣通過風筒被輸送至空調器降溫后，再將冷空氣輸送至工作面。將制冷站制取的冰塊置于儲冰箱內并連接空調水系統(tǒng)，儲冰箱與空調泵車管道連接，經過換熱后的回水經過儲冰箱降溫后，再通過供水水泵輸送回空調器進行循環(huán)，多余的水通過噴嘴將霧化水噴入局部巷道對空氣進行降溫除塵。該系統(tǒng)各部分都安裝于礦車上，處理后的空氣可以直接送入工作面，既減小了處理冷負荷，又提升了熱濕交換效率。該型降溫設備便于安裝和管理，可以重復使用，投資小，可滿足采掘面復雜環(huán)境的降溫要求[24]。

2.2.5 分離式熱管降溫除濕技術

礦井濕源包括由地表大氣及井下含水量引起的自然濕源以及采掘過程中的冷卻降溫和降塵用水導致的蒸發(fā)散熱、采區(qū)充填溢流水蒸發(fā)散熱、排水設施蒸發(fā)散熱等因素引起的人為濕源[25]。對于高溫高濕礦井，空冷器時常無法高效除濕，由于礦井除濕耗冷量顯然多于降溫的耗冷量，分離式熱管降溫除濕技術是集降溫與除濕作用于一體的技術方法，在地表制冷站布置熱管的冷凝段，井下圍巖處布置熱管的蒸發(fā)段，可實現(xiàn)新風二次降溫除濕和回風的降溫除濕，有助于大幅提升井下工作人員的舒適性(圖4)[26]。

圖4 分離式熱管降溫除濕技術流程

2.2.6 載/蓄冷功能性充填體相變降溫

充填采礦法是一種應用于圍巖不穩(wěn)固、地表需要保護或開采高品位礦床的常用方法，充填的目的是保護巖層，保護地表，提供繼續(xù)回采的平臺，確保最大限度的回收礦產資源[27]。王美[28]等提出了一種載/蓄冷(CLS)功能性充填方法，其充填材料中加入了具有降溫性能的載/蓄冷介質，對于國內外應用廣泛的上向水平分層充填法，其降溫過程可以分為3個階段，降溫初期充填體降溫能力最強，制冷性能最佳，降溫中期充填體降溫能力下降，制冷性能一般，后期采場開采完畢，開始上部礦體開采時，原先的充填體降溫吸熱過程結束，再將新的載/蓄冷功能材料送入采空區(qū)，便可繼續(xù)進行采場降溫。這對載/蓄冷介質的性質提出了較高要求，選用的充填材料應能夠通過相變吸收大量潛熱，并且相變溫度須滿足礦井降溫、礦井工作人員的舒適性、化學性質穩(wěn)定、成本低廉等要求。載/蓄冷功能性充填體相變降溫方式大大降低了敷設傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的費用，傳熱效率較高，有助于降低自燃性礦床發(fā)生火災的概率。

2.2.7 蓄熱充填體深井吸附降溫

對于深井充填體，陳柳等[29]提出了一種利用充填體的熱能通過轉輪除濕機對礦井空氣進行減濕處理的思路，包括空氣處理系統(tǒng)、充填采熱系統(tǒng)和礦井水系統(tǒng)3個部分?？諝馓幚硐到y(tǒng)將經過3級表面式冷卻器降溫和2級轉輪除濕機交叉除濕獲得的低溫低濕空氣送入采區(qū)工作面；充填采熱系統(tǒng)中的熱源可與空氣進行換熱；天然的低溫礦井水經過處理泵入3級表冷器，與高溫空氣換熱后的高溫回水可作為排水熱利用。該系統(tǒng)采用充填熱源來降低礦井空氣濕度，利用地下礦井水降低礦井空氣溫度，充分利用了礦井自然條件，因此大幅降低了礦井降溫系統(tǒng)能耗，可有效實現(xiàn)礦井降溫除濕，其工作流程如圖5所示。

圖5 蓄熱充填體吸附降溫流程

2.2.8 基于PED的地面集中礦井降溫系統(tǒng)

王玉杰等[30]提出的基于PED的地面集中礦井降溫系統(tǒng)是在地面集中制冷降溫系統(tǒng)的基礎上添加了高低壓轉換裝置(PED)，該裝置的作用是將高壓冷水的壓力降低至能夠供給末端空冷器使用的低壓，同時確保冷水溫度基本不升高。該系統(tǒng)基于自動控制原理實現(xiàn)高壓輸冷、集中供冷和地面排熱的綜合控制，降溫效果較好。此外，該控制系統(tǒng)也可以根據(jù)末端空冷器的出風溫度，調節(jié)進入空冷器的冷水流量，確保井下工作環(huán)境舒適，同時也在最大程度上節(jié)約了冷水流量，節(jié)能效果較好。

2.2.9 個體防護

個體防護方式一般采用降溫服對人體進行直接降溫。人體降溫服是一種通過制冷降溫裝置對人體微氣候區(qū)進行降溫來抵抗外界熱環(huán)境，維持人體熱平衡的服裝。降溫服一般有氣冷降溫服、相變降溫服等類型。礦井熱環(huán)境下個體防護降溫方式初期投資少、使用便利、不受地點約束，應用前景較廣闊。

3 展 望

目前，礦井熱害治理方法主要有非制冷降溫和制冷降溫2類，往往綜合2種方式進行降溫實踐。對于熱害問題嚴重的礦井，以制冷降溫為主，非制冷降溫為輔。在制冷降溫法中較為新穎的方法為利用天然冷源礦井涌水的HEMS降溫系統(tǒng)、利用高品位冷能的冰蓄冷降溫系統(tǒng)、利用余熱的熱—電—乙二醇降溫系統(tǒng)、利用非能動循環(huán)的分離式熱管技術降溫系統(tǒng)以及利用充填體的載/蓄冷降溫系統(tǒng)和吸附降溫系統(tǒng)。通過比較發(fā)現(xiàn)，上述各降溫系統(tǒng)性能各異，適用范圍有所不同，例如對于高濕礦井可以嘗試采用蓄熱充填體深井吸附降溫方法或分離式熱管除濕技術進行處理。對于深井熱害治理，應該根據(jù)礦井實際情況因地制宜地對非制冷降溫方法和制冷降溫方法的組合方式進行綜合優(yōu)化設計。本研究認為深井熱害治理領域的研究方向主要為：

(1)結合礦井可利用資源的特性化降溫系統(tǒng)研究。綜合分析利用天然冷源礦井涌水的HEMS降溫系統(tǒng)和利用余熱的熱—電—乙二醇降溫系統(tǒng)可知，利用礦井環(huán)境中的“冷”和“熱”資源可實現(xiàn)礦井有效降溫，并降低能耗。因此，進一步發(fā)掘礦井環(huán)境中的冷熱源并用于降溫，是創(chuàng)新深井降溫方式的重要途徑。此外，對環(huán)境資源的利用不僅局限于熱能，結合開采工藝特點提出特性化降溫方法是創(chuàng)新深井降溫的另一個重要途徑，如對于采用充填采礦法的礦井，利用充填體并結合蓄冷或吸附降溫方法，能夠有效降低降溫系統(tǒng)能耗及設備投資，但目前該方法仍處于理論、技術研究階段。

(2)降溫系統(tǒng)整體能效及經濟性評價方法研究。面對形式各異的深井降溫方法，選擇綜合性價比最高、綠色、安全的降溫方法是以科學嚴謹?shù)哪苄Ъ敖洕栽u價為前提。而目前針對礦井降溫系統(tǒng)的科學評價方法極為缺乏，普遍參照建筑HVAC(供暖通風與空調)評價機制，導致評價結果無法有效指導礦井降溫系統(tǒng)設計。因此，應該針對現(xiàn)有的礦井降溫方法，剖析其能量轉化和轉移環(huán)節(jié)，制定出一套科學的、可操作性的能效及經濟性評價方法，為礦井降溫設計提供可靠依據(jù)。

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