石乃敏，潘爱民，沈雁醒

(1.广西现代职业技术学院，广西 河池 547000；2.广西高峰矿业有限责任公司，广西 南丹 547205)



某金属矿山深部开采人工制冷降温技术方案分析

石乃敏1，潘爱民1，沈雁醒2

(1.广西现代职业技术学院，广西 河池 547000；2.广西高峰矿业有限责任公司，广西 南丹 547205)

摘要：据实测，某金属矿井开采深度千米以下的-200m中段的气温高达33.950C，深井高温热害已严重制约了该矿的安全高效开采和深部资源开发。由于该矿所采取的一般通风方法降温效果有限，为改善井下作业环境，必须采取相应的人工制冷降温技术措施。本文分析了该矿井下主要热源及其危害，通过对热源散热量的理论计算，运用矿井空调技术，对以冷水、冰作为冷源的地面集中降温系统分别进行了设计，并对这二种冷媒集中制冷系统进行技术经济分析。以冰作为冷源在深矿井集中降温系统中，其技术经济优势比较明显，也是以后深矿井降温的一个发展方向。

关键词：深矿井降温；冷水输冷制冷技术；冰输冷制冷技术

广西某金属矿山的浅部矿产资源已开采完毕，现进入深部开采，开采深度已达近1000m。随着矿井的开采深度逐年增加，矿井通风网络复杂，通风困难，致使矿井深部风量不足、作业区气温偏高等问题日趋严重。据实测，该矿-200m水平巷道平均空气温度33.95℃，已超过了我国《金属非金属矿山安全规程》中规定的气温要求。高温致使矿井内环境恶化，危及工人身体健康，造成劳动生产率下降和生产成本升高，影响矿山安全生产，制约了深部资源的综合开采。高温热害已成为矿山安全高效生产的主要灾害，矿井降温技术已成为采矿技术中的一个重要领域，开展高温矿井降温技术研究及应用具有重要现实意义[1]。

1矿山概况

该矿采用充填采矿法，当前采矿活动主要分布在-200m水平上下。105#矿体是该矿开采的主要对象，矿体位于48#～56#勘探线之间，埋藏深度±1km，属于典型的深井开采。105#矿体金属矿物主要是锡石、磁黄铁矿、脆硫锑铅矿、铁闪锌矿、黄铁矿等，矿石中Sn、Pb、Zn、Sb 4种金属综合品位在20%以上，是国内外罕见的多金属特富矿体。矿体围岩为巨厚层状的生物礁灰岩，矿体和围岩都属于完整性好、抗压强度高的硬质岩石[2]。

矿山采用竖井、斜井联合开拓，采用“两进两回”中央进风两翼回风的通风系统。随着矿井通风水平的进一步加深，通风系统存在通风路线长、通风断面小、通风阻力大、漏风量大等问题。由于岩(矿)体放热和空气自压缩升温将随矿山开采深度的增加而增加，加之井下通风系统通风降温能力有限，造成采掘工作面风温偏高，气温普遍在30℃以上，高温热害严重。

2矿井高温原因及危害

造成该矿深部井下高温有客观因素和主观因素。客观因素是地下有热源，主要是矿岩体放热、地下水放热、地表大气状态变化及空气自压缩放热；其次是机电设备放热、爆破热、人体散热等，这些热源造成了矿井气温升高。主观控制上的因素，主要是通风效果不良，深部风量不足，风流分配不合理，通风井巷部分断面偏小，通风系统复杂，排热排湿困难。

矿井深部高温(气温≥30℃)、高湿(相对湿度≥80%)对人体、生产效率、机电设备的影响和危害是显然易见的。工人在高湿热环境中较长时间的作业，致使人体水盐代谢出现紊乱，会发生中暑、热虚脱等疾病，损害人体健康。同时，人的中枢神经系统容易失调，感到疲劳、周身无力和心情烦躁，诱发安全生产事故，劳动生产效率也大大降低[3]。井下机电设备在高温高湿环境里，容易被腐蚀老化、绝缘性能降低，容易发生设备故障，存在安全隐患。

3国内外矿井人工制冷降温技术研究现状

国外对深井开采高温的研究始于16世纪。1740年，法国人曾对金属矿地温进行实时观测。18世纪末，英国人开始进行矿井巷道围岩温度观测。进入20世纪以来，世界各国对矿井岩温的观测和理论上的研究越来越多，积累了大量的技术数据与观测资料，取得了令人瞩目的技术成果。20世纪70年代，南非、西德、苏联及日本等国家，采用以氟利昂为制冷剂的压缩制冷机来解决矿井工作面高温问题。1985年，南非在世界上首次用冰做载冷剂冷却空冷器的冷却水，该系统的制冷能力达628 MW。1989年，南非一金矿建成压缩空气制冷空调系统，通过管道输送被压缩成液态的空气到井下，经膨胀后与工作面风流掺混，实现对工作面风流的冷却。同年，波兰研制出了涡流管式空气制冷装置，在掘进工作面试用，取得了一定的空调效果。目前，德国在高温矿井采用机械制冷措施、技术上均居世界领先地位[4]。

我国深井开采降温研究工作始于20世纪50年代，煤炭科学研究院抚顺研究所对部分高温矿井开展了地温测试工作，同时还试验研制研发了空冷器等降温设备。60年代，我国开始采用局部制冷空调，武汉冷冻机厂研制出JK-T70型矿用移动式冷水机组。1993年，平顶山矿务局科研所和原中国航空工业总公司第609研究所联合研制成KKL101矿用无氟空气制冷机。1995年，山东新汶矿务局建立了我国第一个矿井地面集中制冷降温系统，设计制冷能力为7400kW，为亚洲当时最大的矿井制冷降温系统。2004年新汶矿业集团通过对南非金矿降温技术的考察，引进了矿井制冰输冰制冷降温系统，在孙村矿建立了我国第一个制冰输冰制冷降温系统[5]。

目前，国内深矿井降温工程所采用的技术主要有机械制取冷水降温技术、机械制冰降温技术、空气压缩式制冷技术以及热-电-乙二醇降温技术。

4某矿井人工制冷降温技术方案

近年来，该金属矿山进行了多次通风系统改造，如在-200～-174m水平开掘一脉外回风斜井，完善深部通风网络，并通过其它补掘回风巷、增设辅扇、修扩通风断面、封闭旧巷道等措施，提高采掘工作面风量，工作面的气温有所下降。其所采取的非人工制冷降温措施，虽然经济实用，但受到诸多因素的制约，其效果有限，一般只能使井下气温平均下降2℃左右，远远满足不了采掘工作面的降温需求。据实测，该矿-150m水平空气平均温度32.6℃，-200m水平为33.95℃，对于该矿-150m水平以下开采区域，利用一般的通风降温方法已无法达到改善作业环境的要求，必须采取相应的人工制冷降温技术措施，才能使采掘工作面的空气温度达到矿山安全规程的要求。

4.1提出方案

人工制冷降温是目前国内外普遍采用的深矿井降温措施。根据现有矿井机械制冷主机安装的位置，有地面集中式降温系统，井下集中式降温系统，地面、井下联合降温系统，井下局部(移动)降温系统[6]。选择矿井降温系统，要根据矿井高温热害的实际情况以及结合不同矿井空调系统的优缺点进行选择，经综合考虑国内现有制冷技术水平，对该矿-150m水平以下开采区域，拟设计地面站冷水输冷制冷降温系统和冰输冷制冷降温系统。

方案一，地面站冷水输冷制冷降温系统。该方案是在地面建制冷站，由冷媒水管道利用重力送冷水到高低压换热器实现换热与泄压，二次冷媒水再在高低压换热器与空冷器间流动，送往工作面的空气流经空冷器实现工作面降温。

方案二，地面站冰输冷制冷降温系统。人工制冰降温技术就是利用将制冰机制取的粒状冰或泥状冰，经输冷系统输送至融冰装置，在融冰装置内，冰与水直接换热，产生接近O℃的冷水，冷水经井下输配管路送到工作面，经空冷器与工作面风流换热，达到降温目的[7]。

4.2方案的计算分析与选择

4.2.1计算依据

据调查，该矿井下高温热害最为严重的是独头探采巷道。以下分析计算以独头探采巷道作为制冷降温巷道计算的依据。巷道断面3.55m×2.95m，周长为14m，断面面积为14m2，巷道长度选取20m，空气密度取1.20kg/m3。实测岩体温度为35℃。

按工作面最低排尘风速0.15m/s，每个工作面的供风量为2.1m3/s(2.5kg/s)，同时需冷工作面为10个，则制冷供风量约为30m3/s(36kg/s)。

4.2.2设计冷负荷估算

该矿深部矿体是以地热和空气自压缩热为主要热源的高温矿井，绝对放热量应以空气自压缩热、围岩散热、人员放热、机械设备放热等热源估算，见式(1)～(4)。

空气自压缩热计算见式(1)。

(1)

式中：MB为通过井巷的风量(kg/s)；g为重力加速度，取9.81(m/s3)；Z1、Z2为井巷始、终端的标高(m)。

围岩散热计算见式(2)。

6.1×10-3×14×20×(35-28)≈12kW

(2)

人员放热计算见式(3)。

Q3=n×q=6×0.275=1.65kW

(3)

式中：n为井巷作业人数，按6人计；q为人均发热量，查有关手册，按0.275kW计。

机电设备放热计算见式(4)。

Q4=φ×N=0.496×8=3.9kW

(4)

式中：φ为机电设备运行放热比例系数，取0.496；N为机电设备实耗功率(kW)

则所需制冷负荷为热源的总放热量见式(5)。

10×(22+12+1.65+3.9)=395kW

(5)

考虑负荷系数1.2、冷量损失7%，则设计冷负荷见式(6)。

Q=1.2×395+1.2×395×7%≈507kW

(6)

4.2.3地面站冷水输冷制冷降温系统初步分析

地面站冷水输冷制冷降温系统主要由冷水机组、冷却水系统、高低压换热设备、末端设备(空冷器)等部分组成。其中，冷水机组和冷却水系统布置在地面，高低压换热器与末端设备分设在井下。系统图见图1。通过对冷水机组、冷媒水流量、冷却塔排热量和冷却水泵功耗、空冷器流量功耗、回水水泵的功耗、输冷管道管径等计算选型分析，综合拟选冷水输冷制冷降温系统主要设备及询价结果见表1。

图1　冷水输冷制冷降温系统图

4.2.4地面站冰输冷制冷降温系统初步分析

冰冷却空调系统一般采用地面集中式，将融冰池建在-50m水平。其冰输冷制冷降温系统主要由制冰系统(包括压缩机、蒸发器、冷凝器)、水系统(冷却水塔、水泵)、融冰系统末端设备三部分组成，系统图见图2。

经过计算选型分析，综合拟选冰输冷制冷降温系统主要设备及询价结果见表2。

表1　地面站冷水输冷制冷降温系统拟选主要设备及询价

表2　地面站冰输冷制冷降温系统拟选主要设备及询价

图2　冰输冷制冷降温系统图

4.2.5方案分析

4.2.5.1地面站基建工程费

地面站建筑为占地600 m2的两层建筑物，共1200m2。按1650元/m2的造价概算，地面站基建工程费用为198万元。

4.2.5.2输冷管道井建工程费

在200m水平以下无竖井，为实现冷媒(冷水或冰)短距离输送，在200m水平至-200m水平建立专用的输冷管道竖井。断面按5 m2计。工程量为V1=400×5=2000 m3。

-50m水平至-200m水平新建断面3 m2、长100m的输冷管专用巷道，则10个需冷点总连接管道水平巷道工程量为V2=10×100×3=3000 m3。

按平均300元/m3直接掘进费计算，总直接工程费为：5000×300=150万元。

4.2.5.3经济比较

由以上两种方案对工程和设备的分析，按电价0.6元/kW·h，年制冷运行时间为300天，估算运行费用见表3。

表3　二种方案费用比较

4.2.6方案选择

从表3可知，方案一比方案二节省前期投资270万元，但方案二的年运行费用比方案一少近65.7万元。按系统运行10年计，则可节约运行费用657万元，在维护费用相同的条件下，方案二比方案一总节约费用387万元。

若将方案二的融冰池建在由-50m调整至200m水平，则从200m水平至各需冷工作面空冷器的输冷管道可利用现有的巷道铺设，免掘进直接工程费用150万元。同时，冰-水回水管长度减少250m，冰-水回水管水泵的功耗也将减少。但融冰池至空冷器的管道长度相应增加，这时可以考虑在-200m水平增加一冷媒水缓冲池。空冷器所需冷媒水由冷媒水缓冲池供给，这样既可以利用现有巷道，减少掘进工程量，也可以实现冷媒水的静压转换。

冰冷却降温系统与水冷却降温系统相比有两个优势：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1/5～1/4；②冰冷却系统是通过冰与水的直接接触换热，换热效率高，可获得1℃左右的低温冷水，送入空冷器的水量相应减少，减少了水泵的输送能耗。

经综合考虑投资、运行管理、运行费用等因素，建议使用融冰池建立在200m水平的地面站冰输冷制冷降温系统。

5结语

随着金属矿山开采深度的增加，矿井高温热害问题会越来越严重。为改善井下作业气候环境，提高生产效率，对高温矿井设置空调系统是实现工作区降温的主要技术措施。本文根据该矿热害特点和矿井条件，计算工作面冷负荷，设计冰冷却降温系统与水冷却降温系统。该降温系统同时与传统通风方式有机配合，可实现深部矿井空调降温目的。但制冰降温技术目前还处于试应用状态，在金属矿山实际应用的甚少，深井人工制冷降温存在技术、经济方面的诸多问题，还有待于进一步研究解决，并在实践中不断总结经验，找出合适的、行之有效的矿井降温方法。

参考文献

[1]黄寿元，刘 辉，林育华.热害矿井降温技术研究及应用[J].制冷与空调，2012，26(5)：444-449.

[2]邓金灿，罗一忠，谢学斌.大厂105号矿体深井开采岩爆倾向性研究[J].有色金属：矿山部分，2009，61(5)：37-39.

[3]谭海文.金属矿山深井热害产生原因及其治理措施[J]．黄金，2007，28(2)：20-22.

[4]高志鹏.矿井降温技术研究现状及展望[J]．应用能源技术，2014，203(11)：38-43.

[5]杨德元，杨天鸿．矿井热环境及其控制[M]．北京：冶金工业出版社，2009．

[6]孙永星．淮南矿区深井降温技术应用综述[J]．煤炭工程，2015，47(3)：28-31.

[7]吴丽丽，罗新荣，李浪.高温矿井空调制冷技术概况及发展[J].制冷与空调，2012，26(1)：97-100.

收稿日期：2015-12-07

基金项目：广西高校科学技术研究项目资助(编号：KY2015YB467)

作者简介：石乃敏(1965-)，男，广西河池人，副教授，主要从事矿业工程专业教学与科研工作。Email：shinaimin@126.com； 潘爱民(1963-)，女，广西河池人，副教授，主要从事物理专业(空调与制冷)教学与科研工作； 沈雁醒(1988-)，男，广西大化人，采矿工程师，学士，现任广西高峰矿业公司采矿技术员，主要从事金属矿开采技术工作。

中图分类号：TD727+.5

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)07-0161-05

Analysis of the technical scheme of artificial cooling in a deep mining metal mine

SHI Nai-min1，PAN Ai-min1，SHEN Yan-xing2

(1.Guangxi Modern Polytechnic College，Hechi 547000，China；2.Guangxi Gaofeng Mining Company Limited，Nandan 547205，China)

Abstract:According to the actual survey，the temperature of -200m mining level in a metal mine whose mining depth is about thousand meter has reached 33.95℃，heat disaster in deep wells mining has become the main constraint on safe and effective mining and comprehensive exploitation on deep resources.Because of the ventilation measure taken by the mine at present，its cooling effect is limited.Artificial refrigeration temperature drop measure must be adopted to improve the underground working condition．This paper analyzes the heat resources and their dangers，designs the artificial water cooling and ice-making system on the ground station by theoretically calculating the heat dissipating capacity of the underground heat resources and applying the air-conditioning technology in the mine.The cooling system of cold water and ice solution were designed respectively.an economical and technical analysis of the cooling system with the above two cooling sources are also finished.Using ice as a cold source in the deep mine cooling system has already shown its economical and technological advantages.And it is also a development direction of deep mine cooling.

Key words：deep mine cooling；cold water cooling technology；ice cooling technology