機(jī)械制冷降溫技術(shù)在礦井熱害治理中的應(yīng)用研究

李鵬達(dá)（河南理工大學(xué)能源學(xué)院,河南　焦作　454003）

機(jī)械制冷降溫技術(shù)在礦井熱害治理中的應(yīng)用研究

李鵬達(dá)
（河南理工大學(xué)能源學(xué)院,河南焦作454003）

2013年以來，煤炭產(chǎn)能過剩，部分煤炭企業(yè)出現(xiàn)虧損，煤炭的重要位置已被石油取代，但煤炭因儲量巨大，加之煤炭氣化等新技術(shù)日趨成熟，煤炭還將成為生產(chǎn)生活中不可替代的能源之一。隨著綜采機(jī)械化的提高，開采深度的增加，地?zé)釂栴}日益突出，已形成了煤礦一類新的災(zāi)害—礦井熱害。采用機(jī)械制冷降溫技術(shù)可有效降低井下溫度。本文從礦井熱源入手，研究了幾種常見的機(jī)械制冷降溫系統(tǒng)。

機(jī)械制冷降溫技術(shù)；礦井熱害防治技術(shù)；降溫系統(tǒng)

礦井熱害嚴(yán)重影響礦工的身心健康和生產(chǎn)進(jìn)度，已成為與礦井水、火、瓦斯、粉塵、頂板并列的六大災(zāi)害之一。因此研究礦井降溫技術(shù)對于保障廣大礦工的身心健康,提高作業(yè)生產(chǎn)效率具有重要的意義。

《煤礦安全規(guī)程》第一百零二條規(guī)定：“進(jìn)風(fēng)井口以下的空氣溫度必須在2℃以上；生產(chǎn)礦井采掘工作面空氣溫度不得超過26℃，機(jī)電設(shè)備硐室的空氣溫度不得超過30℃；當(dāng)空氣溫度超過時，必須縮短超溫地點(diǎn)工作人員的工作時間，并給予高溫保健待遇；采掘工作面的空氣溫度超過30℃、機(jī)電設(shè)備硐室的空氣溫度超過34℃時，必須停止作業(yè)；新建、改擴(kuò)建礦井設(shè)計(jì)時，必須進(jìn)行礦井風(fēng)溫預(yù)測計(jì)算，超溫地點(diǎn)必須有制冷降溫設(shè)計(jì)，配齊降溫設(shè)施”。

1　礦井熱害

礦井熱害是指礦井內(nèi)溫度超過人體正常熱平衡所能忍受的溫度，導(dǎo)致礦工勞動效率低下，生產(chǎn)事故增加等現(xiàn)象。

地?zé)帷C(jī)電設(shè)備放熱和煤炭硫化礦石氧化放熱等因素都會使礦井溫度升高。其中地?zé)崾堑V井高溫的主要原因，隨著礦井深度的增加，,巖石溫度也隨之升高，井巷圍巖散熱量可達(dá)礦井總熱源的一半；機(jī)械設(shè)備放熱也是一個重要熱源，綜采機(jī)械化采煤工作面的機(jī)電設(shè)備功率很大，有的甚至超過1000KW，可使工作面溫度上升很多；煤炭氧化散熱量可達(dá)230KW，在采掘工作面的運(yùn)輸巷道里尤為突出，也是工作面高溫的一個原因。

礦井熱害的危害主要有：

1.1影響健康

人在井下高溫環(huán)境中工作，由于產(chǎn)熱、受熱量大，人體保持熱平衡比較困難。一旦人體通過輻射、對流、傳導(dǎo)以及蒸發(fā)散熱的方式不能及時地將體內(nèi)多余的熱量散發(fā)出去，多余的熱量就在體內(nèi)蓄存起來，導(dǎo)致體溫升高。隨著體溫的升高會伴隨產(chǎn)生頭痛、頭暈、耳鳴、惡心、嘔吐以及暈厥等。在熱害嚴(yán)重的高溫礦井，還會出現(xiàn)熱擊、熱痙攣、熱衰竭等癥狀。

1.2影響勞動效率

在高溫高濕環(huán)境下作業(yè)，隨著勞動強(qiáng)度的加大，加在人體的熱負(fù)荷也相應(yīng)增多，當(dāng)熱負(fù)荷超過一定限度時，人首先會感到悶熱不舒適，進(jìn)而產(chǎn)生疲勞，使勞動效率下降。

1.3影響安全

礦工在高溫環(huán)境下工作，容易煩燥、瞌睡、注意力不集中，從而給生產(chǎn)造成了很大的安全隱患，使事故發(fā)生率增加。

1.4影響設(shè)備正常運(yùn)行

礦井里的機(jī)電設(shè)備都有其適用的溫度、濕度范圍。當(dāng)溫度、濕度超過其限值時，會影響其工作效率。另外高溫高濕環(huán)境會使礦井里的機(jī)電設(shè)備散熱困難，以致發(fā)生故障。

2　人工機(jī)械制冷

礦井降溫可以通過增加風(fēng)量、采用集中開采、后退式采煤法、傾斜長壁采煤法，疏干熱水等方法來進(jìn)行降溫，這些方法屬于非人工機(jī)械制冷措施，非人工機(jī)械制冷措施經(jīng)濟(jì)適用，但其制冷效果有限，最有效的還是人工機(jī)械制冷降溫。

人工機(jī)械制冷可以分為制冷水降溫系統(tǒng)、制冷冰降溫系統(tǒng)、空氣壓縮制冷降溫系統(tǒng)；人工制冷水降溫系統(tǒng)按照空間布置位置的不同，還可以分為地面集中式、井下集中式、井上下聯(lián)合式和分散式三種。

制冷裝置設(shè)在地面,優(yōu)點(diǎn)是維修管理方便,排熱容易,適用于風(fēng)量大、巷道短、采深不大的礦井。對于大型深礦井,因?yàn)楣苈烽L,冷損大,效果差,不經(jīng)濟(jì),所以不宜采用這種方式。制冷機(jī)放在井下,一般為移動式的,目前我國用于井下的移動式制冷機(jī)有空調(diào)制冷量為6萬大卡/小時(JKT-20型)和20萬大卡/時（JKT-70型）兩種,制冷原理相似。其優(yōu)點(diǎn)是縮短了冷媒管路,降低了管內(nèi)壓力,解決了冷損大和管道安全問題，缺點(diǎn)是移動頻繁，管路維修不便。

2.1人工制冷水降溫系統(tǒng)

人工制冷水降溫系統(tǒng)是通過冷凍水供冷、空冷器冷卻風(fēng)流來達(dá)到降溫目的。該礦井降溫技術(shù)按制冷站所處位置不同又可以分為地面集中式、井下集中式、井上下聯(lián)合集中式和分散式三種。

地面集中式降溫系統(tǒng)：制冷站設(shè)在地面，通過換熱器將冷凍水由高壓換成低壓，并輸送到用冷地點(diǎn)用空冷器冷卻風(fēng)流以達(dá)到降溫目的；井下集中式降溫系統(tǒng)：制冷機(jī)設(shè)在井下，沒有換熱器，只有冷水循環(huán)管路，供水管道短，便于維護(hù)，但其設(shè)備占用空間大，施工維護(hù)都難度較大；井上下聯(lián)合集中式的特點(diǎn)是在地面、井下都設(shè)置制冷站，借助于地面冷水系統(tǒng)冷卻降溫；井下分散式是在井下局部地區(qū)設(shè)置小型制冷站進(jìn)行局部降溫。

2.2人工制冷冰降溫系統(tǒng)

人工制冷冰降溫系統(tǒng)主要通過冰的融化吸熱進(jìn)行降溫，冰與水直接接觸換熱，換熱效率高。人工制冷冰降溫系統(tǒng)由冰的制備、冰的輸送和冰的融解3個環(huán)節(jié)組成。冰的制備形狀一般有有粒狀和泥狀，不同形狀冰和不同的輸送位置應(yīng)采用不同的輸送方式，粒狀冰可采用風(fēng)力輸送，泥狀冰只能采用水力輸送。冰的輸送環(huán)節(jié)中輸送管道易堵塞和破裂，冰的融化環(huán)節(jié)中冰的融化速率不好控制等問題都是制冷冰降溫系統(tǒng)的難點(diǎn)。

2.3空氣壓縮制冷降溫系統(tǒng)

空氣壓縮制冷降溫系統(tǒng)的載冷劑為空氣，廉價(jià)易得。根據(jù)氣體絕熱膨脹過程原理可知，壓縮空氣在膨脹過程中，會發(fā)生吸熱反應(yīng)，吸收環(huán)境熱量使空氣溫度降低，從而達(dá)到一定的降溫效果。

空氣壓縮制冷降溫的優(yōu)點(diǎn)是可以利用礦井比較系統(tǒng)的壓氣管道，從而節(jié)省了其他制冷方式所需的機(jī)械設(shè)備費(fèi)用，另外壓氣制備系統(tǒng)簡單，成本低，有利于生產(chǎn)。缺點(diǎn)是在產(chǎn)生相同制冷量的情況下，空氣壓縮制冷系統(tǒng)所需的裝置龐大，壓氣量有限，制冷量難保證。

通過以上的論述，非人工機(jī)械制冷是采用加強(qiáng)通風(fēng)、改進(jìn)通風(fēng)方法以及疏干熱水等措施來進(jìn)行降溫，但其降溫效果有限，僅適用于礦井熱害不嚴(yán)重的礦井，不能在井下大規(guī)模應(yīng)用。人工機(jī)械制冷降溫由制冷、輸冷、傳冷和排熱四個環(huán)節(jié)所組成，可以有效降低井下溫度，但其投資大,運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高,而且礦井瓦斯、地壓等問題給礦井降溫設(shè)備也提出了更嚴(yán)格的要求。

李鵬達(dá)（1985—）男，河南省伊川人，在職研究生，助理講師，教師，研究方向：機(jī)械電氣自動化。