张传余 朱学胜 陈 成

(铜陵有色金属集团铜冠矿山建设股份有限公司)

沙溪铜矿井下掘进工作面局部降温技术的应用

张传余 朱学胜 陈 成

(铜陵有色金属集团铜冠矿山建设股份有限公司)

随着金属矿山资源日益深部化，深立井及超深立井施工过程中的矿井热害问题也日益突出，以沙溪铜矿千米深井为例，首先分析了地面送风风流余热、围岩传热、井下岩石爆破余热、井下设备散热等热源源头，然后根据国内外煤矿、金属矿建井期的降温经验，采用3种降温方式对比分析，确定了掘进工作面实施矿井排水散热的局部制冷降温方案。因掘进工作面局部降温送冷风距离长，利用热力学理论及经验公式定量分析了冷风输送量及送风温度对降温效果的影响，降温后风流的实测参数表明理论分析方法正确有效。根据降温前后风流温、湿度的实测对比分析，表明矿井排水散热的局部制冷降温可有效消除井下掘进工作面的热害影响，具有较好的借鉴意义。

深井开拓 局部降温 冷水机组 冷风量

随着资源开采量的增大，大多数金属矿山转入深部开采，地温大幅度升高，造成日益严重的矿井热害问题，严重影响了矿井的安全生产效率与矿工的身体健康[1]。因此，金属矿山深井热害的治理技术成为矿山安全生产技术的重要研究方向。

1 矿井概况

沙溪铜矿为一基建矿山，位于安徽庐江县泥河镇内，所在地属亚热带湿润季风型气候，年平均气温为15.5 ℃，最高气温为38.7 ℃，相对湿度为75%～80%。工业矿石赋存标高为+51.38～-1 056.41 m，基建期间主井、副井、北风井、南风井和进风井同时开凿，立井地面标高约+51.4 m，井底设计标高为-970 m，已基本完成，刚开始水平巷道的开拓作业。基建前期通风网络没有贯通时采用压入式通风，在每个立井地面设3台轴流扇风机，分别采用3支风筒送至井下；井下每个掌子面设局扇抽吸井下出风口的风流送至掘进工作面，回风经水平巷道、立井井筒排至地面；地面风机风量为550～250 m3/min，风压为1 100～6 000 Pa，井下局部通风扇风量为14 400～26 800 m3/h，风压为3 776～2 648 Pa。井下岩温为35 ℃，送风距离长，漏风量大，实测各个工作面的风量约180 m3/min，通风效果较差，水平巷工作面及沿巷积聚较多余热，使得水平巷道与工作面空气干球温度达37 ℃，相对湿度为80%，远高于安全规程中的规定值；且掘进作业时，燃油机车尾气没有及时排出，空气品质较差，影响工人的身体健康与开拓掘进的效率；由于基建的特殊条件，通风量很难加大。因此，对水平巷道掘进工作面采取合理的通风降温措施势在必行。

2 水平巷道掘进工作面局部降温系统

2.1 热害分析

矿井热害治理的关键是确定产生热害的原因，通过对沙溪铜矿井下掘进工作面的实地调研，根据相关文献分析其热害主要由以下几个方面构成[2-5]：

(1)地面压入式送风风流余热。送风风流余热包含两部分，其一为高温的地面风流余热，其二为空气高位势能转化的热能。矿井地处亚热带湿润季风型气候区，地面进风气候参数呈季节性和昼夜性变化；而矿井基建期间，在日平均干球温度高于28 ℃、相对湿度为80%时，再经风筒送至井下，不考虑空气的压缩热，风流的温、湿度会有一定程度增加，对于掘进工作面也成为了一重要的热害源。压入式通风系统中，空气自地面下降千米后到达井下，空气的千米势能在输送中转化为空气的内能，使得空气焓值增加，形成降温冷负荷。2014年夏初，副井-850 m 水平现场测试井下送风出口干球温度为30 ℃，相对湿度为85%。

(2)围岩传热。由于地球内热造成的地温特性，使得千米深井下的岩壁初温较高，该矿千米下实际测得的初试岩温达到35 ℃，岩壁干燥，与风流温差换热，形成热害。

(3)井下岩石爆破余热及井下设备散热等。井下开拓中岩石爆破，其余热排至风流中将延续数小时才能由通风系统排走，而井下掘进运输设备运行中的散热也排至风流中，造成风流温、湿度升高，形成热害。

2.2 基建矿井降温技术

2.2.1 降温方案

根据国内外各类矿井基建期间降温经验，井下水平巷道主要有3种降温方案：

方案Ⅰ,地面制冷站制冷风，由空气处理设备制取冷风输送至井下工作面降温。

方案Ⅱ，地面制冷站制冷水，输送至井下工作面，工作面局部降温设备冷却风流降温。

方案Ⅲ，掘进工作面局部制冷系统制冷，空气处理设备冷却风流降温。

方案Ⅰ中冷风输送过程温差换热与漏风的冷损失较大，导致地面制冷负荷偏大，为后两种的2倍以上，不节能且送至井下的冷风参数较难满足降温的需求；方案Ⅱ中立井内需要重新敷设2条保温水管，由于千米高差，现有空冷器承压达不到要求，必须增设高低压转换装置，增加了造价，延长了工期；方案Ⅲ中局部降温设备直接设于井下工作面附近，制冷负荷小，安装管道工程量小，且可以借助井下冷源排出冷凝热，降低造价。沙溪铜矿基建期间主井、副井、回风井通风网络没有贯通，立井掘进与水平巷道掘进同时进行，水平巷道通风量小，井底具备适量的矿井排水，因此，该矿水平巷道的局部降温选用方案Ⅲ，利用矿井水排热局部降温。

2.2.2 局部降温系统

局部降温系统的主要组成部分为矿井水冷却系统、制冷站、空冷器、风筒送冷风系统。主要功能：

(1)矿井水冷却系统。本矿井下排水测试水温为25 ℃，最大流量为45 m3/h，可用于井下制冷系统的散热冷源。但矿井水具有一定腐蚀性，采用不锈钢板式换热器与冷水机组的冷却水换热。根据冷水机组及运行工况，计算出冷凝侧排热量为380 kW，矿井水进出板式换热器的温度为25，35 ℃，冷却水设计进出水温度为37，32 ℃，局部降温系统制冷排出的热量全部由矿井水排至地面，解决了井下难于散热的问题。此外，如果矿井排水量略微不足，采用旁通部分回水与供水混合的措施解决制冷系统的散热。矿井水排至地面后可以作为水源热泵系统的低温热源，为地面洗浴热水提供加热源。

(2)制冷站。选用YS-300型井下局部降温冷水机组，额定制冷量为300 kW。由于矿井水流量不稳定以及很多不确定因素，选用冷凝温度较高的制冷剂R134a，冷凝温度可达60 ℃，冷冻水进出水温度设计工况为12，7 ℃，冷却水与冷冻水管道均保温。

(3)空冷器。为减少冷冻水的输送冷损失及节省管道，空冷器靠近冷水机组布置。选用2台额定制冷量为150 kW表冷式空冷器，由于建井期间总送风量小，每个掘进工作面可分配的风量也较小，为保证工作面的降温效果，空冷器的出风干球温度必须低于18 ℃，因此空冷器选择串联两级冷却，使得风流温度逐步降低，从而达到设计要求；空冷器设计有定期喷洒清污的喷头。

(4)风筒送冷风系统。空冷器设在局扇出口，设计最小送风量为240 m3/min，采用保温风筒，百米漏风率低于3%，最大送冷风距离为800 m。

降温系统工艺流程：在井下水平巷道附近设置制冷站，冷水机组往空冷器输送7 ℃左右的冷冻水，将干球温度32 ℃的风流冷却到18 ℃左右，然后由风筒送至一个掘进工作面，保障工作面区域内的风流干球温度为28 ℃，相对湿度为85%左右。工艺流程见图1。

图1 水平巷道掘进工作面局部降温系统工艺流程

2.3 冷风输送及送风效果分析

局部降温系统设计实施中，为降低投资成本，没有另凿硐室，而是利用原有巷道安装降温设备，并且节省了冷冻水输送管道，因而冷风输送距离相应增大。水平巷道开拓掘进的最远距离约800 m，风筒送冷风的距离约800 m，而国内外矿井降温风筒输送冷风的最大有效距离为500 m，因此，需要研究冷风量、冷风送风温度对输送距离及降温效果的影响。

2.3.1 风筒送风温升计算分析

井下风流经空冷器冷却处理至干球温度td1，相对湿度95%左右的空气经风筒输送，风筒周围环境温度高于风流温度，风流将吸收周围环境的热量，造成冷量损失。

经空气设备处理后，风流经风筒输送至掘进工作面，冷风流产生冷量损失Q1的计算公式为

Q1=CMS(td2-td1) ,

(1)

式中，Q1为风筒得热量，W；C为比热，取1 005 J/(kg·℃)；MS为送风量，根据有效风量率取值[4]，kg/s；td2为风筒出口温度，℃；td1为空气处理设备出口温度，按原先设计取值，℃。

根据传热学原理，不考虑质交换的情况下，风流温升计算公式为

Δtd=LAKd(te-ti)/CMS,

(2)

式中，Δtd为风筒传热温差引起的温升[6]，td2-td1，℃；L为风筒长度，m；A为风筒周长，m；Kd为风筒壁传热系数，W/(m2·℃);te为水平巷道内环境温度，35 ℃；ti为风筒内温度，td1+Δtf,Δtf为风机热量引起的温升，℃。

井下通风局扇设在空冷器前，在输送空气时，其引起的温升计算公式为[6]

Δtf=P/(ρCηf) ,

(3)

式中，P为风机全压，Pa；ρ为风流密度，1.26 kg/m3；ηf为风机全压效率，0.75。

掘进头风机出口处温度为

td2=td1+Δtd+Δtf.

(4)

风筒送风长度取800m，送风量为240m3/min，经计算,不同空气处理温度下的掘进头风筒出风的温度见表1。

表1 不同处理温度下对应风筒出风口的温度 ℃

空气处理设备送风温度1416182022出口温度20.622.823.624.525.8

经计算得出冷风输送800m后的风流最大冷损约54.8kW，其中风筒内含湿量不变，工作区域风流干球温度为32.5 ℃，相对湿度达85%以上。可见，较小风量情况下保温风筒输送800m后，降温效果受到很大限制。

2.3.2 输送冷风量与输送距离的计算分析

送风距离为800m，调整送风量为300和360m3/min。根据热力学原理，送风状态满足下式：

(5)

式中，MS为送风量，kg/s；Q为冷负荷，kW；hs为井下设计温度的比焓，kJ/kg；hc为末端风筒送风的比焓，kJ/kg。

不同送风温度下能使工作面区域空气温度为28 ℃，相对湿度为85%时，经计算，送风量为300 m3/min，空冷器出风温度只有低于16 ℃才能满足要求；送风量为360 m3/min，只有低于18 ℃才能满足要求。此外，2种风量下，根据风筒温差传热温升与风机电机温升的计算原理，得出能使工作区域达到控制环境参数的送风距离，见表2。根据矿井现有送风量与降温的需要，本矿水平巷道掘进工作面降温送风量设计为360 m3/min。

表2 300，360 m3/min时不同温度下的送风距离

3 局部降温系统实施效果及分析

3.1 降温效果测试结果

本矿北风井-770 m水平巷道掘进工作面局部降温系统于2014年7月下旬初步调试运行，连续运行至副井与风井井下通风网路贯通，共2个月，保证了全年最高平均气温下的开拓掘进工作的完成。

局部降温系统运行时，实测冷水机组运行参数为冷凝器进出水温度50.2，46.8 ℃，冷冻水进出水温度14.2，9.3 ℃。风流流经空冷器后得到充分的冷却，空冷器前后温度降低了12.2 ℃,且空气相对湿度达到了94%，达到了设计要求；因井上气温升高导致井底风筒送风温度较降温前升高了1 ℃，降温前后工作面空气温度降低了6 ℃，并且相对湿度降低了10%左右，极大地改善了掘进工作面的热湿环境。通过-770 m水平巷道内风流在降温前后的测试数据(表3)可以看出，降温系统基本达到设计要求，冷风送风效果略微高于预期，工人劳动效率显著提高。

表3 沙溪铜矿井下热湿环境测试数据 ℃

降温时间井底风筒出风口干湿球温度工作面空气干湿球温度工作面风筒出风干湿球温度距工作面50m处风流干湿球温度距工作面100m处风流干湿球温度空冷器入口风流干湿球温度空冷器出口风流干湿球温度05-03(降温前)30.6,30.235.5,29.832.9,30.433.8,30.535,30.108-14(降温后)31.7,30.429.5,26.522.8,18.230.0,26.431.2,26.731.4,27.619.2,18.2

3.2 降温系统存在的问题及分析

井下局部降温系统虽然取得较好的效果，但是工作面风流温度没有降到28 ℃，存在问题如下：

(1)工作面通风量没有达到设计要求，实测通风量仅约260m3/min，并且风筒保温厚度偏小，风筒漏风率大，掘进头送风量偏小。

(2)矿井排水温度在全年最高温度期达到 37 ℃ 以上，水量偏少且不稳定，导致冷水机组冷凝温度过高，能效降低，并且冷冻水出水温度偏高使得空冷器出风温度升高，降温效果较差。

(3)工作区域温、湿度得到了较大程度的改善，但金属矿井基建期没有通风网路，使得工作环境中机车尾气残留较多，导致空气品质较差，应增加机械局部排风系统，排出机车尾气。

4 结 语

根据沙溪铜矿特点，采用井下掘进工作面局部降温技术，建立矿井排水散热的局部制冷降温系统，通过分析和应用，基本解决了长距离送冷风及送风温度对降温效果的影响问题，由此确定了在设计送风温度下送冷风量。通过降温实施前后的实测风流热湿参数的对比分析，利用矿井排水散热的制冷降温方案可以在较小成本下有效地解决了局部热害问题，保障了矿井安全建设与生产，提高了掘进工作效率，保证了工人身体健康，有效节省了建井成本，为国内同类基建及生产期高温金属矿井的水平巷道局部掘进工作面的热害治理工作提供了一种成本低、效果好的新降温技术。

[1] 胡汉华.金属矿山热害控制技术[D].长沙：中南大学，2007.

[2] 郭玉强.矿井深部掘进工作面热害的分析与治理[J].山东煤炭科技，2010(4):175-176.

[3] 刘何清.高温矿井井巷热质交换理论及降温技术研究[D].长沙：中南大学，2009.

[4] 袁世伦.深井开采工作面通风与降温技术研究[J].中国矿山工程,2007,36(2):1-3，48.

[5] 项 英.生产所需制冷量及降温系统的研究与应用[D].阜新：辽宁工程技术大学，2011.

[6] 陆亚俊,马最良,邹平华.暖通空调[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

Application of the Local Cooling Technology in the Underground Tunneling Faces of Shaxi Copper Mine

Zhang Chuanyu Zhu Xuesheng Chen Cheng

(Tongguan Mines Construction Co., Ltd., Tongling Nonferrous Metals Group Holding Co.,Ltd.)

With the metal resources is becoming deeper and deeper, the mine thermal pollution problem is increasingly prominent in the construction process of deep vertical shafts and supper deep vertical shafts. Taking the Shaxi copper mine as the research example, firstly, the heat sources such as waste heat of ground wind supply, transfer heat through wall rock, blasting waste heat of underground rock and heat dissipation of underground devices; secondly, based on the cooling experiences of construction of domestic and overseas coal mines and metal mines, the three cooling methods are analyzed, the local cooling scheme that is cooling the tunneling face by the implementation of mine drainage is determined. The local cool wind supply distances of tunneling faces are long, hereby, the influence of the cool wind throughput and supply wind temperature to cooling effects are analyzed quantitatively based on thermodynamics theory and experience formula. The measured parameters of wind after cooling show that the theoretical analysis method is effective. The results of the temperature and humidity of the wind before and after cooling are contrasted and analyzed, the results show that the local cooling scheme by the implementation of mine drainage is contributed to eliminate the heat hazard influence of underground tunneling faces, therefore, it has good reference significance.

Deep-well tunneling, Local cooling, Water chilling unites, Cool wind throughput

2015-03-11)

张传余(1963—)，男，高级技术主管，高级工程师，244000 安徽省铜陵市北京西路29号。