倪少军，赵新宇

国家能源集团宁夏煤业公司麦垛山煤矿 宁夏灵武 751400

随着我国经济的快速发展，煤炭作为我国能源支柱仍占有重要地位。煤炭资源的不断开发，矿井的深度开采成为必然趋势，由此加剧了矿井热害的严重程度。矿井热害是指煤矿井下的大气环境温度和相对湿度超过一定限度时，影响井下作业的正常进行和矿工身体健康的现象。

造成矿井热害的原因主要有井巷围岩放热、机电设备放热、煤岩氧化放热、运输中煤炭及矸石放热、井下热水放热等。长期在高温环境下工作，不仅降低矿工的劳动效率，还会对矿工的生命健康造成威胁[1-5]。资料显示，以目前《煤矿安全规程》规定的温度为基准，矿内环境温度每增加 1 ℃，矿工的生产效率就会下降 6%～ 8%。矿井热害已经成为危害矿井深度开采的重大灾害之一[6]。

矿井降温方式归纳起来主要有两类[7-10]：一为非人工制冷措施，如改变矿井通风路线、增大风量、改革采煤方法及管理顶板以减少热源散热、井下热水治理等；二为人工制冷降温，也称为矿井空气调节，即在地面或井下安装制冷机组，并将制取的冷量输送到采掘工作面等需冷地点。一般在地温为 31～ 37℃时，热害不太严重情况下，采用非人工制冷方法可以解决热害问题，也有采用冷却服等个体保护方式[11]，但目前仍在探索阶段，尚未得到广泛应用。在地温达到 37 ℃ 以上时，单靠非人工制冷措施不能解决热害问题时，应采用人工制冷降温措施。

从制冷机组服务的范围来看，人工制冷降温方法分为集中制冷与局部制冷两大类。其中，集中制冷降温又分为地面集中制冷、井下集中制冷和井上下联合制冷 3 类。无论哪一种集中制冷方法，均需采用大型制冷设备制取冷水，通过长距离输冷管道将冷水输送到采掘工作面，并与风流进行热交换来降低工作面空气的温度。集中制冷降温设备投资和工程费用都非常巨大，长距离输冷和多个换热环节造成冷量损失巨大、效率低下、运营费用高。

因此，在需要制冷降温工作面数量少、需冷量小、井下排热条件好的矿井，采用简单可靠、易于移动的局部降温系统具有明显的优越性。

笔者对麦垛山矿井高温区的分布情况和机电设备的散热情况进行了采集和分析，确定了采掘工作面的需冷量，采用 ZLF-450 制冷机组组成井下局部降温系统，通过具体实施考察了该局部降温系统的应用效果。研究结果可为深井热害的治理提供新思路。

1 地温及热源分析

1.1 矿井概况

麦垛山井田位于宁夏回族自治区中东部地区，距银川市约 70 km。整个井田呈北西—南东向条带状展布，南北长约 14.0 km，东西宽约 4.5 km，勘探区面积约为 65 km2。2015 年 8 月，麦垛山煤矿 130606 首采工作面投入试生产。该工作面在掘进和设备安装过程中都出现了高温热害现象，结合邻近矿井的降温经验，采取了加大工作面风量的措施，但效果并不明显，采煤工作面最高温度仍然高达 33 ℃。井下高温热害已经成为制约矿井安全生产的突出问题。

1.2 地温分布

围岩放热是导致矿井高温产生的主要原因之一。矿山地温的具体分布受埋深、地质构造、地下水活动和局部热源等多种因素影响。分析统计不同位置和深度条件下矿区的高温区的分布，对于矿井热害治理具有重要的指导意义[12-13]。依据《煤炭资源勘探地温测量的若干规定》中的要求，矿井热害分为 2 类：一级热害区，岩体的初始岩石温度为 31～ 37 ℃；二级热害区，岩体的初始温度 ≥ 37 ℃。麦垛山井田属地温异常区。根据全井田 49 个测温孔资料统计，孔底温度达 31 ℃ 以上的钻孔有 44 个，一级和二级热害区占总测温孔的 89%，其中，孔底温度达 37 ℃ 以上为 19个，二级热害区占测温孔数的 38%。因此，麦垛山井田热害区占比较高，对其采取降温措施势在必行。

受太阳辐射和地热的综合作用，地壳沿垂直方向形成 3 个温度变化带：变温带、恒温带和增温带。地层浅部为变温带，受太阳辐射和地表气流影响，呈现年周期变化；变温带下部为恒温带，深度一般在 10 m以上，受地表气流的影响较弱，温度基本不随时间变化；增温带温度随深度呈近似线性增加。麦垛山井田开采深度较深，目前已达到 730 m。根据 44 个有一级热害区的钻孔统计，地温值为 31 ℃ 最浅的点孔垂深为 500.14 m (相当于标高 954.50 m)，最深的点孔垂深为 848.78 m (相当于标高 552.05 m)；地温值为 37 ℃最浅的点孔垂深为 637.70 m (相当于标高 816.94 m)，最深的点孔垂深为 931.64 m (相当于标高 448.91 m)。钻孔孔深与孔底温度之间关系如图 1 所示。由图 1 可知，仅在孔深为 760 m 处孔底温度为 28.9 ℃，其余位置均高于 31 ℃，最高甚至超过了 40 ℃，由此也说明了采取降温措施的必要性。

图1 钻孔孔深与孔底温度之间的关系Fig.1 Relationship of drilling depth and bottom temperature

1.3 矿井机电设备

目前，煤矿开采的机械化程度越来越高，装机功率越来越大，大功率的机电设备向周围环境放热，对进入采煤工作面的风流形成加热作用，成为主要热源之一。麦垛山煤矿实现了高度机械化采煤法，综采工作面机电设备装机容量达到 6 285 kW，主要机电设备功率如表 1 所列。由于通风能力有限，局部机电设备发热严重。

表1 主要机电设备功率Tab.1 Power of main electromechanical equipments

1.4 采掘工作面需冷量

根据 GB 50418—2017《煤矿井下热害防治设计规范》，采掘工作面需冷量[14]

式中：Q为采掘工作面的需冷量，kW；G为采掘工作面的通风质量流量，kg/s；i1、i2分别为处理前、后采掘工作面风流的焓，kJ/kg。

麦垛山煤矿 130606 采煤工作面夏季 8 月份工作面回风口实测最高干球温度为 33 ℃，相对湿度接近95%。降温前后采煤工作面气象参数如表 2 所列。

表2 降温前后采煤工作面气象参数Tab.2 Meterological parameters on mining face before and after cooling

经计算，该采煤工作面的需冷量为 1 216.95 kW。考虑到输冷过程中的冷量损失，附加系数按 1.1倍，则制冷站冷负荷应不小于 1 339 kW。

2 麦垛山煤矿井下降温技术实施

矿井降温系统有不同的安装方式和运行方式。目前常用的矿井降温系统主要有 4 类：地面集中式、井下集中式、井上井下联合式、井下局部分散式[15]。地面集中式适用于全矿井制冷降温，但需在井底进行高低压转换，输冷管道长，冷量损失大，且需安装大直径管道；井下集中式适用于全矿井或采区的多个采掘工作面制冷降温，但需要在井下建设大面积的硐室，且对设备有防爆要求，设备的安装和维护比较困难；井上井下联合式适用于全矿井制冷降温，但其系统复杂，设备分散而不便于管理；井下局部分散式具有安装灵活、管程较短、冷量损失小、容易搬迁重复使用等特点[16]，在高温矿井中逐渐得到较为广泛的应用。

井下局部机械制冷降温是将整体制冷机组布置在采区内部或采区附近，对 1 个或多个采掘工作面进行降温的方式。已有文献[17-19]分别对不同型号的井下可移动式局部制冷机组的应用进行了分析。在采煤工作面，可以在进风顺槽内安设局部制冷机组，直接制冷降低进入工作面的风流温度，进而改善采煤工作面作业环境。

井下局部降温制冷设备体积小、质量轻、投资小、建设周期短，可设于平板车上，安装、移动、拆卸方便，无需凿掘专门硐室。根据矿井实际情况，该矿热害防治采用 3 用 1 备机组串联组合方式进行局部降温。

2.1 系统工艺

一般情况下，局部移动式制冷机组的制冷系统主要由制冷主机 (包括电动机、压缩机、冷凝器、膨胀节流阀、控制箱) 及蒸发器、局部风机、胶质风筒、柔性波纹管等组成 (见图 2)，冷凝热的排放主要由冷凝器、冷却器、冷却水泵、冷却水管及冷却水箱等完成。

图2 制冷系统Fig.2 Cooling system

压缩机将吸收过热负荷的低压气态制冷剂吸入并压缩为高压高温蒸汽，通过冷凝器将热量传递给冷却水，同时制冷剂变为低温高压液体，通过膨胀阀节流，变为低温低压气液两相混合物进入蒸发器，其中的液态制冷剂在蒸发器中蒸发制冷 (吸热)，而安装于蒸发器进风端的风机则不断吸入周围环境中的热空气与蒸发器进行热量交换，通过与蒸发器连接的胶质风筒将冷风送到采煤工作面，从而达到降低环境温度的目的。在蒸发器内吸热后的制冷剂以低压气态进入压缩机再次进行循环。吸热后的冷却水被送到冷却站，通过冷却器把热负荷传给采区回风，由矿井回风系统排往地面大气。其中，冷凝器中冷凝热的排放是影响制冷降温效果的关键。

局部制冷机组工作主要由 2 个循环构成。

(1) 制冷剂循环 液态制冷剂 (R407C) 经节流阀减压后在蒸发器中吸收冷冻水的热量，由液态蒸发为气态，低温低压的气态制冷剂经压缩机压缩，形成高温高压 (1.6 MPa，85 ℃) 的过热气体排至冷凝器，与冷却水换热后再形成高压液态制冷剂，完成 1 个循环。

(2) 冷却水循环 冷却水通过主机冷凝器侧吸收制冷剂中的热量升温至约 40 ℃，用冷却水管道输送至冷却器与回风流进行换热，冷却水温降至约 30 ℃再返回制冷机组冷凝器侧，完成 1 个循环 (见图 3)。经过冷却器的回风流被加热后，通过 130606 回风巷经由回风井排至地面。

图3 冷却水循环Fig.3 Circulation of cooling water

冷却器采用 2 级冷却方式：1 级冷却采用风冷，依靠风通过传导方式带走冷却器盘管内流体的热量；2 级冷却采用风冷和喷淋冷却，风与喷淋水接触，在风冷的同时，通过与冷却器表面上的喷淋水蒸发换热和对流换热带走传热管内流体的热量，显著增强了冷却器的热交换效果。

冷却器的出风口处设有 S 形挡水板，湿热空气经脱水后排出机外。冷却器运行中，喷淋循环水的水温会略有上升，但通过补充一定的水量，水温会稳定在接近进风温度。喷淋水的消耗量仅为单位流量的0.01%～ 0.02%。

2.2 制冷机组及配套风机选型

2.2.1 制冷机组选型

根据计算的冷负荷，选用 4 台 ZLF-450 型移动式局部制冷机组组成制冷站，3 用 1 备，对 130606 采煤工作面进行制冷降温。制冷机组主要由 1 台制冷主机、1 台蒸发器及 1 台冷却器 3 部分组成，主要技术参数如表 3 所列。

表3 制冷机组主要技术参数Tab.3 Main technical parameters of cooling engine set

2.2.2 配套风机的选型

蒸发器型号为 ZLF-450F，3 用 1 备，与制冷主机运行方式一致。蒸发器的通风阻力为 1 150 Pa，所选风机风量为 800 m3/min，功率为 2×30 kW，电压为 1 140/660 V，全压大于 1 250 Pa。

冷却器型号为 LQ-600，3 用 1 备，与制冷主机运行方式一致。冷却器的通风阻力为 1 000 Pa，所选风机风量为 815～563 m3/min，功率为 2×37 kW，全压为 1 364～6 161 Pa。在风量为 840 m3/min 时，风机全压大于 1 100 Pa。

2.3 实施方案

局部降温系统安装布置如图 4 所示。制冷站设在 130606 辅助运输巷距离工作面约 500 m 处，靠近措施巷。制冷站有 4 台 ZLF-450 型制冷主机、4 台蒸发器及配套的 4 台风机，均落地安装。与蒸发器连接的 2 趟输送低温冷风的风筒出口距离工作面分别为50 m 和 150 m (见图 5)。制冷站采用 3 用 1 备的运行方式，也可根据实际的需冷量，采用 4 用或 2 用 2 备等多种灵活的运行方式。随着工作面的回采进度，制冷站可根据现场条件定期 (2～4 个月) 回撤 1 次，既能保证工作面的降温效果，又可减少制冷设备移动次数，不影响安全生产。

图4 采煤工作面降温系统布置示意Fig.4 Layout of cooling system on mining face

图5 工作面制冷机组布置方式Fig.5 Layout mode of cooling engine set on mining face

冷却站主要有 4 台 LQ-600 型排热冷却器及与之相配套的风机、水泵和水箱等设备，集中设在 130606工作面辅助运输巷跨巷段与主水平回风大巷西侧交叉位置。该处巷道空间大，场地平整，可直接放置冷却站设备，无需掘进专门硐室，且距总回风巷较近，排热方便。据现场实测，该处回风风量达 1 800 m3/min，风温为 26～28 ℃，满足冷却站排热要求。

制冷主机距冷却器 3 000 m，需铺设 2 趟长度为3 000 m 的冷却水管，合计为 6 000 m。冷却水循环管路铺设在 130606 工作面辅助运输进风巷道内，由于从冷凝器出来的冷却水温度约为 40 ℃、从冷却器返回的水温约为 30 ℃，因此 2 趟冷却水管均需做保温隔热处理。保温管 (见图 6) 采用一次性整体浇注成型工艺，工作管、保温层、外保护管三者紧密结合在一起，保温隔热效果好，且具有良好的防水、防潮综合性能。保温层采用导热系数小的聚氨酯硬质泡沫塑料，厚度为 40 mm；外保护管为“双抗”高强 PVC塑料管，壁厚为 8 mm。保温管每根长为 6 m，质量轻，便于井下运输与安装。

图6 保温管结构示意Fig.6 Structural sketch of insulation pipe

130606 采煤工作面局部降温设备 (冷却站) 660 V电源取自 130604 工作面机巷绕道新设移变 KBSGZY-630/10/0.69 630 kVA 低压侧，高压电力电缆接至 13采区变电所高爆 5203 号 PBG50-10Y。高压电力电缆采用 MYPTJ-10 kV 3×50+3×25/3+3×2.5 mm2型矿用屏蔽监视型橡套软电缆，低压电力电缆采用MYP 型矿用移动屏蔽橡套软电缆。井下电压等级为10 kV 及 660 V。

3 实施效果分析

采用 ZLF-450 局部降温机组后，综采工作面的中部降温效果如图 7 所示。由图 7 可以看出，当需冷量为 1 MW 时，采用 3 用 1 备方案运行，工作面空气的温、湿度都会降到最低，降温效果最好；当需冷量为 1.8 MW 时，4 台制冷机组同时运行，环境空气的温、湿度也能达到设计要求，但此时 4 台机组达到最大运行负荷。

图7 局部降温效果Fig.7 Local cooling effects

ZLF-450 型局部制冷机组安装前和运行 3 个月后，分别对采煤工作面温、湿度进行了测量。测量位置如表 4 所列，测量结果如图 8 所示。当蒸发器出风温度为 17.0 ℃ 时，风筒出口温度分别为 21.0 ℃和 22.5 ℃，采煤工作面上部最高温度由 32.5 ℃ 降低到 31.0 ℃，相对湿度降低了 9%；采煤工作面平均干球温度由 31.0 ℃ 降低到 27.5 ℃，平均降低 3.5 ℃，相对湿度平均降低了 10% 以上。虽然没有达到《煤矿安全规程》第 655 条规定的生产矿井采掘工作面空气温度不得超过 26 ℃，但井下降温是为工作人员创造舒适的工作环境为目的，因此笔者认为应采用等效温度作为井下工作环境的衡量标准。GB 50418—2017《煤矿井下热害防治设计规范》附录中推荐了等效温度计算方法，国外的井下降温设计也是以等效温度作为评价标准。

图8 工作面局部降温系统使用前后温度及相对湿度Fig.8 Comparison of temperature and relative humidity on mining face before and after application of local cooling system

表4 温、湿度测量点位置Tab.4 Location of temperature and humidity test points

等效温度teff是人体对环境温度的感觉指标，与空气的干球温度ta、湿球温度tf、风速v相关。当干湿球温差不大于 5 ℃、湿球温度为 25～35 ℃、风速为 0.5～3.5 m/s 时，可通过下式计算：

以人体对井下 -800 m 处静风状态、28 ℃ 饱和空气的感觉为例，当风速为 1.5 m/s、相对湿度为 90%、干球温度为 30.2 ℃ 时，以及当风速为 2.5 m/s、相对湿度为 90%、干球温度为 30.9 ℃ 时，人体感觉与上述举例气象条件相当。德国等国在井下降温设计中取最高等效温度不超过 32 ℃，淮南矿业集团所属高温矿亦采用此种评价方法作为井下降温设计依据，设计回采工作面上隅角等效温度不大于 32 ℃，下隅角等效温度约为 23 ℃，在实际运行中取得满意的效果。

麦垛山矿局部降温系统实施后，工作面平均等效温度降低至 26 ℃ 以下，明显改善了工作面工作条件，保护了职工身心健康，推动了矿井的安全高效生产。职工出勤率及工作效率明显提升，经济效益也明显提升。

4 结语

通过对麦垛山煤矿地温及设备运行散热情况进行综合分析，在对工作面需冷量进行计算的基础上，提出了采用 ZLF-450 型局部制冷机组对采煤工作面进行降温的方案，制冷机组采用 3 用 1 备并联运行模式。冷凝热通过冷却器采用风冷加喷淋水蒸发 2 级排热方式，显著提高了热交换效率。多台机组联合运行，可根据工作面需冷量变化，实时对机组进行组合运行调节，使采煤工作面达到了良好降温效果，有效解决了采煤工作面热害问题。该降温系统可直接作用于采煤工作面，安装灵活，送冷距离短，冷量损失小，易于移动，可重复使用，大大降低了投资成本，可为大埋深矿井消除热害问题提供借鉴。