礦井降溫制冷系統的發展與相關案例

我國煤礦35%的采掘工作面風流溫度超過30℃。根據煤炭資源開發和資源保護資料顯示，在預測的煤炭資源總儲量中73.2%的儲量埋深在1000m以下，預測圍巖溫度39～45℃，處于二級熱害區。在國外：西德伊本比倫煤礦現采深達1530m，地溫梯度1℃/43m，井底巖溫可達60℃，南非斯太總統金礦的工作面深度超過3000m，原始巖溫度達63 ℃以上。南非阿曼代巴爾特金礦(Aman-delbult)1號井工作面溫度高達55℃。

雖然礦井通風不僅為井下工人提供賴以生存的氧氣， 且可以沖淡井下有害氣濃度，降低井下溫度，是礦井安全生產的重要保障之一。但對于高溫礦井，只靠礦井通風不能解決高溫熱害。所以，傳統的礦井通風觀念與常規的礦井通風方法已不能徹底解決高溫高濕的礦井熱害。

為提供可接受的礦井工作環境條件，當開采深度超過礦床極限開采深度，機械制冷降溫成為礦井熱害治理的必須手段。

1964-1975年，淮南九龍崗礦設計了我國第一個礦井局部制冷降溫系統；1982-1987年，山東新墳礦務局設計了我國第一個井下集中制冷降溫系統；1995年，山東礦業學院陳平等提出用壓氣引射器和制冷機結合進行礦井空調；2002年，新漢孫村礦-1100m水平降溫工程初步設計，并于2004年該冰冷低溫輻射降溫礦井空調系統完成。

井下空氣環境復雜，制冷劑必須無毒、不可燃和無爆炸危險，由于氟里昂使用的局限性，在有高溫蒸汽、高溫水等余熱的地方可采用吸收式制冷機。新近發展的分離氨系統輸冷方式是特制冷循環中的冷凝過程與蒸發過程分別設在地面和井下的一種制冷方式。

礦井空調系統的分類、適用情況及優缺點：

目前礦井空調系統根據熱力學特點可分為四類，分別為機械制冷水降溫礦井空調系統、冰冷卻礦井空調系統、空氣壓縮制冷空調系統。

(一) 機械制冷水降溫礦井空調系統

這些礦井空調系統, 若按制冷站所處的位置不同來分，可以分為以下四種基本類型。

1.井下集中式空調系統

該系統的制冷機設在井下，通過管道集中向各工作而供冷水，系統比較簡單供水冷管道短，沒有高低壓換熱器，僅有冷水循環管路。但必須在井下開鑿大斷面峒室，它給施工和維護帶來困難，并且電機和控制設備都需防爆，難度大、造價高。隨著開采深度的增加，井下集中空調系統的冷凝熱排放則成為突出的問題。這種布置形式只適用于需冷量不太大的礦井。井下集中式空調系統按冷凝熱排系統的敷設方式的不同來分類，又可分成四種不同的布置形式：回風流排熱、地面冷卻塔排熱、地下水源排熱、幾種排熱方式混合排熱。根據不同的實際情況采用不同的敷設方式。

2.地面集中式空調系統

該系統將制冷站設置在地面，冷凝熱也在地面排放，在井下設置高低壓換熱器將一次高壓冷凍水轉換成二次低壓冷凍水，最后在用風地點上用空冷器冷卻風流。這種空調系統有另外兩種形式，一種是集中冷卻礦井總進風，這種形式，在用風地點上空調效果不好, 而且經濟性較差；另一種是在用風地點上采用高壓空冷器，這種形式安全性較差。實際上后兩種形式在深井中都不可采用。井下冷卻風流系統，載冷劑輸送管道中的靜壓很大，所以必須在井下增設一個中間換熱裝置(高低壓換熱器)。其中，高壓側的載冷劑循環管道承壓大，易被腐蝕損壞，且冷損較大。

這種系統比較于井下集中式空調系統，制冷機不需要采取防爆措施，排熱方便，冷損失小，水頭壓力小，易安裝，便于運行管理。但此系統形式年運行時間不短、供冷距離短、要求水量大、凍水溫差小，這些缺點嚴重制約了其在深井的應用。當礦井非預期的繼續向下開采的時候，該系統能夠很方便的拓展成井下地面聯合的礦井空調系統。此系統在1995年6月27日在孫村礦試運轉，試運行后，因各方面原因一直未在運行。根據經驗，應該是設備管道本身的質量和現場安裝質量上出現問題。

3.井上、下聯合的混合空調系統

這種布置形式是在地面、井下同時設置制冷站, 冷凝熱在地面集中排放。它實際上相當于兩級制冷，井下制冷機的冷凝熱是借助于地面制冷機冷水系統冷卻。因井下的最大限度的制冷容量受制于相應的空氣和水流的回流排熱能力，所以通常需要在地表安裝附加的制冷機組。這就使得混合系統成為深井冷卻降溫的必要。地下5000m處不同采深的礦井采用的礦井冷卻空調系統和礦井設計的成本可以被專家確定，這些被確定的成本數據及實踐表明深井降溫最經濟的深井冷卻系統是地表制冷機組和地面制冷機組聯合的混合冷卻系統。

該系統中設備布置分散，冷媒循環管路復雜，操作管理不便。但是它可提高一次載冷劑回水溫度，減少冷損；可利用一次載冷劑將井下制冷機的冷凝熱帶到地面排放，這樣就決定了此系統能承擔大負荷，這些是井下集中式和地面集中式所缺少的品質。

4.井下分散局部空調系統

從一定意義上講：當實際礦井工程中只需要在幾個點并且點點相隔較遠時，如某幾個單獨的工作面需要降溫，這時分散局部空調系統是一種高效經濟的降溫措施。局部空調系統在我國應用得比較廣泛，在平頂山礦區，五礦己二采面采用一臺制冷量為300kW的防爆制冷機組向己15-23071采而供冷，利用井下回風排放冷凝熱，效果明顯，平均降溫幅度4 ℃；四礦戊九采而空調系統，采用一臺制冷量為500kW的制冷機組向戊九采區的戊s-19140采而供冷，很好地滿足了降溫需求。新集一礦210807工作面降溫, 都是采用的此系統形式并取得良好的效果。

(二) 冰冷卻礦井空調系統

由于機械制冷水系統的水路系統的大壓力的局限性，近年來國內外使用了新型的冰冷卻礦井空調系統。所謂冰冷卻空調系，就是利用地面制冰廠制取的粒狀冰或泥狀冰，通過風力或水力輸送至井下的融冰裝置，在融冰裝置內，冰與井下空調回水直接換熱，使空調回水的溫度降低。冰冷卻降溫系統由制冰、輸冰和融冰三個環節組成。

該系統有其獨特的優點。首先，從井下用泵打回的水量只是水冷卻系統水量的1 /4，這大大節約成本；其次，輸送到空氣冷卻器的水和冰直接熱交換，具有很高的熱交換效率，能產生1℃的冷水，這樣輸送到空氣冷卻器的水量需求明顯減少，從而減少了冷凍水泵的輸送能耗；最后，能夠很順利的克服常用礦井空調系統的高靜水壓力和冷凝熱排放困難等問題。

實際冷卻系統的對比評價證明：目前3000m以下的礦井降溫系統，即使在地表制冰費用不扉，其最經濟的選擇方案是在地表安裝機組制取冰供井下用。這些都表明冰冷卻礦井空調系統的遠大的應用前景。

南非Harmony金礦在1986年第一個采用冰冷卻系統進行礦井降溫?，F在因為礦井的關閉，降溫系統不再運行。最成功的礦井冰冷卻降溫系統是已經成功運行10年的ERPM礦井系統。ERPM系統的運行提供了寶貴的經驗和信息，它適合于任何其他礦井冰輸送系統。任何冰冷卻系統的一個重要問題是管道的機械設計。專家發現冰塞延著管道形成并在管道末端激烈釋放。冰塞的這種運動引起管道激烈的振動，從而導致對管道支撐的嚴重沖擊，特別是當管道和支撐有足夠的空間時沖擊更具有破壞力。當使用低壓塑料管時，通過精密的支撐設計使得沖擊力降到最小是非常重要的。另外一個重要的問題是管道堵塞，主要發生在管道的末端，它可以通過適當的監控措施來避免。

2004年孫村煤礦采用了冰冷卻輻射降溫空調系統獲得了巨大的成功，并把這項工程的技術和經驗成功地推向市場。

(三) 空氣壓縮式制冷礦井空調系統

空氣制冷空調有渦輪式空氣制冷、變容式空氣制冷、渦流管式空氣制冷和壓氣引射器制冷等形式；由于后三種形式使用的局限性, 使得渦輪式空氣制冷是目前最常用的礦井空調系統。

空氣壓縮制冷循環的制冷系數、單位質量制冷工質的致冷能力均小于蒸汽壓縮制冷系統，在產生相同制冷量的情況下，空氣壓縮式制冷系統需要較龐大的裝置，并且單位制冷量的投資和年運行費用均高于蒸汽壓縮式系統。因此，全礦井采用空氣壓縮式制冷系統降溫的礦井降溫的礦井很少。

渦輪式空氣制冷利用壓縮空氣經過渦輪絕熱膨脹做功，從而使空氣制冷。1993年7月，平頂山礦務局科研所和609研究所大膽借鑒空氣制冷技術在航空、制氧、石油等工業上的成功應用經驗，聯合研制成KKL-101無氟空氣制冷機，為我國礦井空調開辟了一條新的途徑。

渦輪式空氣制冷機系統用空氣制冷機作為高溫礦井空調終端，它相當于冷水機組系統中的空冷器，其優點如下：系統簡單，沒有高低壓換熱器和空冷器，輸冷管道少，承壓小，材質要求低，施工技術難度低等；空氣制冷機本身無需電力驅動，無防爆問題，空氣既是制冷劑又是載冷劑，取之不盡，用之不竭，又無環境污染問題，在高溫、高沼氣煤礦具有很好的應用前景。但也有其缺點：該系統需要礦井具有充足的壓縮氣源，與蒸氣壓縮式空調系統相比投資和年運行費用較高。

礦井制冷降溫技術現狀：

井下集中制冷降溫：井下集中制冷降溫是將集中制冷站直接建在井底，將制冷機組提供的6℃冷凍水通過輸冷管道送至各個工作面空冷器冷卻空氣，冷凍水經空冷器熱交換后溫升至12℃回到制冷機組，制冷機組冷凝熱由冷卻塔排放至回風巷，利用回風帶走冷凝熱。

地面集中制冷降溫：在副井井口附近地面建集中制冷站，將制冷機組提供的冷凍水通過輸冷管道送至井底經過熱交換器減壓換熱后回到地面制冷機組，冷凝熱由地面冷卻塔直接排放到大氣中，井底熱交換器提供的6℃二次冷凍水通過輸冷管道送至各個工作面空冷器冷卻空氣，冷凍水經空冷器熱交換后溫升至12℃回到換熱器。

地面制冰站降溫：在副井井口附近設地面集中制冰站，在站內由螺桿制冷壓縮機組通過壓縮制冷劑進行蒸發吸熱釋放冷量給制冰機，由立式內刮圓柱狀制冰機組制取-5℃的片冰，經過輸冰螺旋輸送機將片冰送至井口，通過在井筒中敷設的輸冰管路（管路入口安裝漏斗和閘門），送至井底融冰池，與融冰池中的水混合后變成3℃～5℃低溫冷水。再由井底融冰硐室內供冷水泵沿輸冷管路將低溫冷水送至采掘工作面。通過布置在采掘工作面的空冷器和噴淋方式對進入采掘工作面的風流進行降溫，空冷器16℃～17℃的回水經回水管回至井底融冰池內再次融冰，另一部分用于工作面防塵和噴淋降溫，不再回流。制冰機組的冷凝熱由地面冷卻塔直接排放。

丁集煤礦制冷降溫系統：

丁集煤礦隸屬于淮滬煤電有限公司。井田地質儲量12.79億噸，可采儲量6.4億噸。礦井設計生產能力500萬噸/年，礦井服務年限92年，2007年12月份建成投產。

丁集煤礦地質構造復雜，斷層多，開采條件復雜，為典型的“三高一深”礦井，即高瓦斯、高地壓、高地溫，深井開采，還有沖擊地壓的傾向性，被淮礦集團公司列為開采難度最大礦井之一。

丁集礦熱害極為嚴重。根據地質勘探鉆井測溫結果表明，現生產的-900m水平地溫均在42℃，為二級熱害區。每年的高溫季節，受地面高溫影響，井下溫度隨地面大氣參數晝夜呈周期性變化，加劇了井下熱害程度，采掘工作面進風溫度達30～34℃，回風溫度達36～40℃，采煤工作面上隅角高達45℃，濕度始終在95%以上。

在熱害治理上，2007～2008年夏季，礦山采用在采煤工作面堆放冰塊降溫、發放大量的冰凍飲用水和防暑降溫藥品、發放勞保短褲、增加采煤工作面風量、加強局部通風、采用大氣降溫機降溫等各種方式，但效果均不明顯。

礦井降溫系統主要包括地面制冷系統和井下供冷系統，是熱電冷聯供項目的子系統。為了保證系統的安全性能，丁集煤礦經多方調研比較，最終選擇了德國西馬格特寶公司的井下降溫系統。

地面制冷系統主要流程為：冷媒回水→蒸汽型溴化鋰制冷機→離心式電制冷機→冷媒水循環泵→冷媒供水。系統總制冷裝機容量為21MW。

制冷機的供回水溫度18℃，由蒸汽型雙效溴化鋰冷水機組加離心式冷水機組串聯的兩級制冷裝置實現。

第一級為蒸汽型雙效溴化鋰機組，將冷媒水由18℃降至5℃，選用3臺冷功率5000kw的蒸汽型雙效溴化鋰冷水機組；

第二級為離心式冷水機組，將冷媒水由8℃降至2.5℃，選用3臺2000kw的離心式冷水機組。由一臺蒸汽型雙效溴化鋰機組加一臺離心式冷水機組組成一個制冷單元，二個單元運轉，一個單元備用。

井下供冷系統：

井下供冷系統。主要由高低壓轉換及分配系統、井下末端降溫設備和管路組成。

其系統流程為：地面冷媒水供水→三腔冷媒分配器（PES）→輸冷供水管→東西部采區分配站→空冷器→輸冷回水管→二次循環水泵→三腔冷媒分配器→地面冷媒水回水。

井下降溫末端設備主要由局部扇風機、空冷器、過濾器、儀表閥門、配電及控制設備等組成。其中空冷器是實現供冷系統對工作面風流進行降溫除濕的關鍵設備，丁集礦目前使用的是德國產冷功率為300KW和400KW的空冷器。

井下供冷管道的主干管經主井井筒引入-826m制冷峒室，筒徑直徑為400mm。管道采用塑套鋼預制輸冷管，其內層為無縫鋼管，中間層為聚氨酯保溫層，外護層為高密度聚乙烯管，具備抗阻燃、抗靜電、保溫性能強特點。

目前，丁集礦井下共有15個頭面進行生產作業，其中包括2個采煤工作面，4個煤巷掘進和9個巖巷掘進面。按照2010年井下降溫工作目標，采用三種布置方式供冷，共安裝空冷器25個，實現了高溫采掘工作面全覆蓋。

丁集煤礦熱電冷聯供項目由瓦斯發電及余熱利用、礦井集中降溫兩部分組成。項目從2006年12月開始籌劃，至2008年5月地面工程開工建設，至2009年6月礦井集中降溫系統建成并向井下供冷，2011年3月首臺高濃度瓦斯發電機組實現并網發電運行。

主要設計參數：瓦斯發電先期總裝機功率3.6MW，每小時消耗100％純CH4瓦斯氣量1200m3，可利用發電機產生的余熱產生飽和蒸汽3t/h；降溫系統總制冷裝機容量為21MW。

主要設備配備：2臺單機功率1800KW（奧地利顏巴赫）高濃瓦斯發電機組，3臺單機制冷功率5MW（印度特邁斯）蒸汽式溴化鋰制冷機組，3臺單機制冷功率2 MW（約克）離心式電制冷機組，1套交換能力為17.3 MW（德國西馬格特寶）井下三腔冷媒分配設備。

瓦斯發電及余熱利用系統：丁集煤礦地面瓦斯抽采泵站將抽出的高濃度煤層瓦斯氣輸送到熱電冷聯供項目10000M3儲氣罐內，再由儲氣罐將定壓的瓦斯氣輸送至其預處理系統，經過過濾脫水增壓后輸送給高濃發電機組發電，然后以發電機組排出高溫煙氣作為熱源，經配套的余熱鍋爐產生0.6Mpa飽和蒸汽夏季用于礦井集中降溫的蒸汽式溴化鋰制冷機組動力，冬季用于礦區地面采暖。

瓦斯發電站所發的電其中一部分用于集中降溫所需的電力消耗，多余的部分直接輸送到礦井10kV電網上，滿足礦井部分電力需求。

熱電聯供系統示意圖：

大規模井下集中降溫系統目前國內尚不多見。丁集礦的井下降溫系統包括：集控指揮系統，井下制冷單元、高低壓轉換等各子系統自動運行、閉式循環，實現了大系統集中控制，子系統自動運行。

應用效果實例：

西一采區1262（1）工作面為丁集礦首采工作面，該面走向長1853米，傾向長253米，溫度在40℃以上，加之機電設備及落煤產生的熱量，實際溫度達41℃以上，濕度達100%，是典型的高溫熱害工作面。2008年高溫季節，工作面給人的感覺就是一個大火爐，上隅角溫度達45℃以上。安裝井下降溫系統后，情況有了明顯的改善。

西二采區1422（1）采煤工作面，走向長1734米，傾向長240米，熱害危害程度與首采面1262（1）相同。2009年，在該面安裝了6臺（2400KW）空冷器供冷降溫，溫度降低了3～5℃，濕度降為91%，作業環境得到了極大的改善。2009年的高溫季度，該面共生產煤炭81 萬噸，平均日產9000噸以上。

1141（3）綜采工作面，平均地溫40℃，降溫前工作面預測溫度37℃以上，濕度達95%～100%。該工作面采用進風流階梯式集中方式降溫后，平均溫度始終保持在30℃左右，濕度降到92%左右。

1412（1）底抽巷，設計長度2446米，由一路局扇供風，供風距離長，巷道內有6部皮帶、1部巖巷綜掘機和2臺變壓器，機械電氣設備散熱量大。2009年6月份，該工作面溫度高達37℃左右，濕度達100％。2009年7月對該巷道實施降溫后，迎頭溫度保持在30℃左右，濕度降到86％左右，作業環境得到明顯改善。2009年7月份，1412（1）底抽巷取得了月進尺203米的好成績。

1412（1）高抽巷，2010年5月份，工作面溫度達34℃以上，濕度達92％以上。采用掘進工作面串接直供式降溫后，體感溫度為27℃左右，濕度降到66％左右。

西二13-1回風大巷，2010年5月份，工作面溫度達33℃以上，濕度達96％以上。7月份，采用掘進工作面串接直供式降溫后，掘進工作面溫度降到25℃左右，濕度降到83％左右。

謝橋、新巨龍煤礦制冷降溫系統：

謝橋煤礦位于安徽省潁上縣東北部，距潁上縣城約20公里，對原有礦井系統實施改擴建，目前礦井生產能力達1000萬噸/年。礦井采用主井、集中運輸大巷，分石門和上下山開拓方式，共劃分為四個采區，即東一、東二、西一、西二，該井田劃分兩個水平，其中第二水平-900m，平均地溫為43℃。

地面制冷系統：

地面制冷系統主要流程為：冷媒回水→蒸汽型溴化鋰制冷機→離心式電制冷機→冷媒水循環泵→冷媒供水。系統總制冷裝機容量為10994.5KW。制冷機的供回水溫度18℃，由蒸汽型溴化鋰冷水機組加離心式冷水機組串聯的兩級制冷裝置實現。第一級為蒸汽型溴化鋰機組，將冷媒水由18℃降至5℃，第二級為離心式冷水機組，將冷媒水由8℃降至2.5℃。由一臺蒸汽型溴化鋰機組加一臺離心式冷水機組組成一個制冷單元。備用一臺1805.5KW離心式冷水機組。

井下高低壓熱交換系統：

井下高低壓熱交換系統主要由高低壓換熱器（間接交換）及分配系統、空冷器和管路組成。其系統流程為：井下循環水（21℃）→高低壓換熱器（WAT）→輸冷供水管（水溫6℃）→東西部采區分配站→空冷器→輸冷回水管（水溫21℃）→二次循環水泵(變頻)→高低壓換熱器（WAT）。

應用效果：

皮帶順槽空冷器進口空氣溫度33.8℃，濕度53.5%；出口空氣參數20.9℃，濕度73.1%。

皮帶順槽空冷器進口空氣溫度32.4℃，濕度67.1%；出口空氣參數19.3℃，濕度85.2%。

龍固煤礦簡介：

龍固煤礦位于魯西南巨野煤田的中南部，設計生產能力6.00M/a，2013年生產原煤超1000萬噸，主要開采水平為-810m，局部開采深度超過1000m，具有高地熱特征。根據礦井地質資料，平均地溫梯度2.88℃／100ｍ，其中非煤系地層平均地溫梯度2.52℃／100ｍ，煤系地層平均地溫梯度3.23℃／100ｍ。礦井主采３＃煤層，底板溫度平均41.38℃，3＃煤層全部處于一級或二級高溫區。

制冷系統組成：

（1）井下制冷機組

井下制冷機組采用德國WAT公司KM3000機組，單機制冷量可達3300KW，目前安裝九臺機組（一期三臺、二期六臺）。根據《煤礦井下熱害防治設計規范》的要求，當采用井下集中式制冷降溫方式時，制冷機出水溫度不應高于5℃。制冷機組出水溫度確定為3℃，另外，供水與回水的大溫差對整個系統更有利，國外一般為15℃，從設備運行安全性、穩定性及使用情況等方面考慮，采用3℃／18℃的供回水溫差。

（2）冷卻水系統

結合地面冷卻機房的布置，選用兩臺方形橫流塔作為冷卻塔。與井下制冷機組相配套，選用3臺冷卻水循環泵。由于冷卻塔存在蒸發損失、風吹損失及排污損失，且補水要求為軟化水，需計算出需補水量并安裝配套補水設備。在地面打鉆孔，下兩趟冷卻水管，與井下制冷系統相連接，實現冷卻，并在地面排放冷凝熱。

（3）散冷系統

輸冷管采用無縫鋼管，輸冷管的隔熱保冷結構采用塑套鋼預制成型保溫管，其內工作管為無縫鋼管，中間層為聚氨酯發泡保溫層，外護管為雙抗高密度聚乙烯管。將冷水輸送到采掘工作面后，采用空氣冷卻器散冷方式對采掘工作面進行散冷降溫。龍固煤礦采用了德國先進的RWK-450型空冷器，確保了空冷器的散冷效率。

制冷余熱利用系統

井下集中制冷系統充分考慮了能源的有效利用，在冷卻水循環系統中，建立了制冷余熱利用系統，將從井下帶回地面的熱水，充分利用其有效熱能，用于員工冬季供暖及生活熱水等，熱量得到有效利用后，經處理再返回冷卻塔進行冷卻，這樣就節省了部分能源，起到了節能的效果。制冷余熱利用系統如下圖所示。

應用效果：

1、地面埋管式井下集中制冷降溫系統可以自由選擇鉆孔位置，處于冷負荷中心，大大減少冷凍水在輸送過程中冷量損失，井下制冷機組的能效比（４～5）較高，大大節省了系統運行成本。

2、由于冷損最小，末端空冷器設備供水溫度低，降溫效果好，同時還可以節約運行成本。

3、建立了制冷余熱利用系統，在解決了制冷的同時，又為地面提高了熱源，起到了互補的作用。余熱用于員工冬季供暖及生活熱水，節省了一大筆費用，同時，由于利用了一部分熱量，在一定程度上就減少了冷卻塔的負荷，降低了冷卻塔的部分費用。余熱系統將冷卻水循環利用，同時又有簡單的水處理系統，可以有效節約水資源，提高了資源的利用率。

4、該降溫系統使礦井主要作業地點溫度平均降低了8℃，為井下創造了良好的作用環境，具有很大的社會效益和經濟效益。