新型礦井熱害防治系統(tǒng)及其可行性分析

任 森

(1.內(nèi)蒙古科技大學礦業(yè)工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010;2.內(nèi)蒙古煤炭安全開采與利用工程技術研究中心，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

新型礦井熱害防治系統(tǒng)及其可行性分析

任 森1,2

(1.內(nèi)蒙古科技大學礦業(yè)工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010;2.內(nèi)蒙古煤炭安全開采與利用工程技術研究中心，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

隨著地下礦開采深度的不斷增加，礦井熱害問題日益突出，不僅威脅井下作業(yè)人員的健康，而且嚴重影響勞動效率及企業(yè)的經(jīng)濟效益。通過對傳統(tǒng)制冷工藝的深入研究，在分析以往人工制冷措施利弊的基礎上，提出了一種新型的礦井熱害防治系統(tǒng)，該系統(tǒng)由2部分組成，分別運用了傳熱學及熱力學的相關原理。第一部分是覆蓋在制冷巷道圍巖表面的隔熱材料，作用是降低圍巖熱輻射及與制冷系統(tǒng)配合延緩空氣升溫。第二部分是一套人工制冷系統(tǒng)，是在傳統(tǒng)空氣壓縮制冷循環(huán)的基礎上合理改進而來。該系統(tǒng)以制冷巷道作為制冷對象，將原有的換熱方式改為2股氣流的混合，在不影響井下風量和風速的前提下，降低制冷巷道中的風流溫度。該系統(tǒng)不僅使制冷效果得以顯著提高，而且簡化了系統(tǒng)組成，降低了施工及運行管理的技術難度，同時減少了資金投入，節(jié)約了生產(chǎn)成本，而且系統(tǒng)安全性也相對更高。

礦井熱害 制冷系統(tǒng) 制冷巷道 隔熱材料

1 系統(tǒng)簡介

隨開采深度增加，礦井中空氣及巷道周圍巖體的溫度會逐漸升高，當?shù)V井內(nèi)環(huán)境氣溫超過人體正常熱平衡所能承受的溫度，將會導致勞動效率降低，事故頻率增加，健康受損，甚至中暑休克。因此，工作條件惡化，勞動生產(chǎn)率降低，職業(yè)病威脅是深部開采所面臨的一個新的嚴重問題。針對這一問題國內(nèi)外許多學者做了大量研究工作，其中最為有效的治理方法是采取井下人工制冷，雖然該方法相較其他方法降溫效果更為明顯，但由于“性價比”往往不能令人滿意而未能得到廣泛采用。筆者提出的新型熱害防治系統(tǒng)在傳統(tǒng)形式上做出很大改進，目的是在提高制冷效果的基礎上簡化系統(tǒng)。該系統(tǒng)的基本組成及工作原理如下。

1.1 基本組成

新型熱害防治系統(tǒng)主要由覆蓋巷道圍巖的隔熱材料及空氣壓縮制冷系統(tǒng)2部分組成。為保證良好的制冷效果并盡可能降低系統(tǒng)造價，在系統(tǒng)施工之前需要在靠近井下工作面附近位置確定一段長度約20 m的巷道，作為“制冷巷道”(相當于蒸發(fā)器)，也就是制冷對象，整套制冷裝置安放位置以及覆蓋隔熱材料的圍巖均在制冷巷道。

(1)覆蓋在井下圍巖上的隔熱材料應在綜合考慮隔熱效果、力學性能、防水性、耐火性能以及材料價格等多方面因素的基礎上來確定。具體的條件有導熱系數(shù)小(達到絕熱材料的要求)、密度小、吸水性差且能夠抵御水的浸泡、不燃燒且具有一定耐火極限、便于加工成型及定型、安裝后具有一定強度和韌性。只要能同時滿足這些條件，均可以按照施工要求，將其加工成具有特定尺寸的規(guī)則形狀或沒有規(guī)則形狀的漿料，覆蓋在圍巖上。

(2)制冷系統(tǒng)的組成見圖1。

圖1 井下制冷系統(tǒng)結(jié)構Fig.1 Schematic diagram of underground refrigeration system

由圖1可知該新型制冷系統(tǒng)主要由壓氣機、冷凝器、膨脹機以及“制冷巷道”組成，其中，制冷巷道取代了傳統(tǒng)的蒸發(fā)器，但二者性質(zhì)沒有本質(zhì)區(qū)別，只是改變了原來的換熱方式，不僅合理地簡化了系統(tǒng)組成，而且顯著提高了制冷效果。

1.2 工作原理

在制冷巷道的圍巖上覆蓋隔熱材料，減少熱輻射，有效降低圍巖散熱量，同時降低對流換熱系數(shù)，避免制冷巷道內(nèi)的混合空氣升溫過快。

該制冷系統(tǒng)采用空氣壓縮制冷循環(huán)的原理，在此基礎上加以改進，將“蒸發(fā)器”部分去除，取而代之以“制冷巷道”，壓氣機將吸入的空氣絕熱壓縮成高溫高壓空氣后，送入冷凝器中進行定壓放熱，體積縮小，變成高壓低溫空氣后又進入膨脹機進行絕熱膨脹，最終變成低溫低壓空氣后與井下主風流混合，制冷巷道內(nèi)混合空氣的一部分又作為壓氣機的進氣從而構成工作循環(huán)。膨脹機產(chǎn)生的低溫低壓空氣與巷道主風流混合后，一方面補充壓氣機吸入的風量，另一方面降低制冷巷道內(nèi)的空氣溫度，從而達到防治井下熱害的目的。

2 制冷效果理論分析

空氣壓縮制冷理想循環(huán)由4個熱力學過程組成，其參數(shù)坐標圖如圖2所示。

圖2 理想循環(huán)各階段的p-v圖和T-s圖Fig.2 P-v & T-s diagram of each stage of the ideal cyclep—壓強；v—體積；T—溫度；s—熵

以L8-60/8型空氣壓縮機為例，其進氣和排氣參數(shù)如表1所示。

表1 L8-60/8型空氣壓縮機技術參數(shù)Table1 Technical parameters of L8-60/8 type air compressor

壓氣機單位時間內(nèi)從制冷巷道吸入一定量的混合空氣后，經(jīng)過1～2的絕熱壓縮過程，將這部分氣體壓縮成溫度約430 K，壓力為0.8 MPa的壓縮空氣；然后進入冷凝器定壓放熱，變成壓力為0.8 MPa，溫度約為360 K(冷卻效果比較理想)的空氣，體積進一步縮小，即2～3過程；再在膨脹機中經(jīng)過絕熱膨脹，變?yōu)榈蜏氐蛪嚎諝猓唧w參數(shù)值取決于膨脹機的技術參數(shù)。從膨脹機出來的冷空氣經(jīng)過與主風流混合膨脹后，體積與壓氣機進氣量相等，從而保證了井下風壓風量的穩(wěn)定及循環(huán)的持續(xù)，且混合空氣的溫度亦可以滿足制冷效果的需要。

混合后制冷巷道內(nèi)的空氣溫度可以按照下面的公式計算。依據(jù)能量守恒定律，2股風流混合發(fā)生熱交換，高溫風流放熱量等于低溫風流的吸熱量，因此，

(1)

溫度變化范圍不大的情況下兩邊的定壓容積比熱可視為相等，于是有

(2)

根據(jù)上式，在已知t1,V1和t2,V2的情況下，即可求得

(3)

利用上述公式也可以在已知混合后空氣溫度的情況下反推膨脹機出口的空氣溫度t2。例如：為了系統(tǒng)更加經(jīng)濟合理地運行，可以將制冷巷道的空氣溫度設定為26 ℃，再以此為目標進行設備選型及運行管理，這種情況下就需要用上述公式反推膨脹機出口溫度。

3 技術可行性分析

3.1 施工技術

為了能夠反復利用，節(jié)約成本，覆蓋圍巖的隔熱材料可以做成一定規(guī)格的標準單元，一方面使得安裝時便于拼接，另一方面轉(zhuǎn)移時也可以快速拆卸。還有一種建議就是利用導熱系數(shù)小、便于成漿、能快速凝固且相對廉價的材料做成漿料，采用噴漿的方式將隔熱材料噴涂在制冷巷道的圍巖上，這種施工方法優(yōu)點是不用反復拆裝，節(jié)省時間和人力，缺點是一次性使用會造成材料的浪費，同時使成本上升，而且對材料加工性能要求更高。

整套空氣壓縮制冷系統(tǒng)的所有設備可以集中安放，不會占用井下太多空間，除了對管道材料的保溫性能要求較高外，無其他技術難度。

3.2 運行管理

(1)運行管理技術難度：設備按照設計方法選型、安裝后運行期間不需要技術支持。

(2)系統(tǒng)的安全可靠性：由于制冷工質(zhì)是空氣，無毒害且沒有燃燒爆炸危險，隔熱材料也不燃燒，因此系統(tǒng)不會給井下安全生產(chǎn)增添隱患，但前提是所有設備必須均已采取井下防爆措施，并使用本質(zhì)安全型電源。此外，為保證系統(tǒng)運行的可靠性，需培訓專人進行維護。

4 經(jīng)濟性分析

為了保障井下工人的身體健康，我國礦山安全方面相關法律明確規(guī)定：“井下作業(yè)地點的空氣溫度不得超過28 ℃；超過時，應當采取降溫或者其他防護措施。”因此，盡管采用井下人工制冷系統(tǒng)會增加生產(chǎn)成本，企業(yè)也不得不進行這部分投入。那么，如何在相同的資金投入下獲得更好的效果無疑也是一種變相的經(jīng)濟效益，而且改善勞動環(huán)境之后，井下作業(yè)人員勞動效率必然會相應提高，從而創(chuàng)高出更高的經(jīng)濟效益。

按照傳統(tǒng)理論建立的井下人工制冷系統(tǒng)造價高、運行管理難度較大，不僅使得生產(chǎn)成本大大增加，而且制冷效果往往不夠理想。本研究所提出的這套系統(tǒng)使用廉價的空氣作為制冷劑大大降低了運行成本，此外系統(tǒng)沒有蒸發(fā)器不僅進一步減少了資金投入，而且因為少了中間環(huán)節(jié)的傳熱過程，制冷效果也更加理想。

5 結(jié) 論

隨著開采深度不斷加大，井下熱害問題日益突出，嚴重危害作業(yè)人員的健康，必須通過技術手段進行預防和控制。目前的諸多措施均存在不同程度的缺陷，如系統(tǒng)復雜、投資巨大、運行管理難度高等等。本研究提出的新型熱害防治系統(tǒng)由降低圍巖傳熱和人工制冷2部分組成，通過上述分析不僅原理上可行，而且技術難度不高，運行管理所需的人力以及資金投入也相對較低。目前，該系統(tǒng)的理論研究尚在初級階段，隨著后續(xù)研究的陸續(xù)開展，關于該系統(tǒng)的理論及設計方法將不斷完善，一旦技術成熟投入應用后必將在礦井熱害防治中發(fā)揮巨大作用。因此，對于該系統(tǒng)的深入研究具有很大的理論及實用價值。

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(責任編輯 徐志宏)

New-type Mine Thermal Damage Prevention System and Its Feasibility Analysis

Ren Sen1，2

(1.SchoolofMiningEngineering，InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology，Baotou014010，China;2.TheEngineeringResearchCenterofSafetyExploitationandUtilizationforInnerMongoliaCoalMine，Baotou014010，China)

As underground mining depth increases，mine thermal damages have become increasingly prominent.These threaten the health of mine workers，but also seriously affect labor and economic efficiency of the enterprises.Through in-depth study on traditional cooling technology，based on the analysis of the advantages and disadvantages of previous artificial refrigeration measures，a new mine thermal damage control system was presented.The system consists of two parts，which respectively applies the relevant principles of heat transfer and thermodynamics.The first part is the insulation material，which covers the rock surface of cooling tunnel，and its action is to reduce the rock thermal radiation and delay air warming acting with the refrigeration system.The second part is a set of artificial refrigeration system，which makes some reasonable improvements on the traditional air-compression refrigeration cycle.The cooling of the refrigeration system focuses on the cooling tunnel.This new refrigeration system modifies the original heat transfer into mixing of two fluids，which reduces the temperature of the air flow in the cooling tunnel without influencing the underground air volume and velocity.By this method，the cooling effect can be significantly improved，but also the system component is simplified.And the technical difficulties in the construction and operation management are lowered.The system can reduce capital investment，save the cost of production，and highly increase the security of the system.

Mine thermal damage，Cooling system，Cooling tunnel，Insulation materials

2014-02-06

任 森(1981—)，男，講師。

TD727.5

A

1001-1250(2014)-05-162-04