煤礦井下機械制冷降溫系統的應用探討

張俊寶

（山東東山王樓煤礦有限公司，山東 濟寧 272063）

Research and Exploration | 研究與探索·探討與創新

煤礦井下機械制冷降溫系統的應用探討

張俊寶

（山東東山王樓煤礦有限公司，山東 濟寧 272063）

隨著氣候的變化和經濟的發展，人們對煤炭的需求不斷增加，礦井開采量也隨之加大，開采工作面的環境熱害嚴重威脅到資源的正常開采，有大部分工作面的氣溫甚至達到28攝氏度，給煤礦開采作業人員的身體健康造成極大的威脅，機械制冷降溫系統的應用能夠對溫度實施有效的控制，本文就這種系統在煤礦井下的應用進行分析。

煤礦；機械；制冷降溫系統；應用

0 引言

目前采用的礦井降溫方法大多都是人工制冷以及通風降溫的方式，通過這些方式來改革采煤工藝以及煤壁注水預冷煤層現狀，這種措施雖然經濟實用，但是受到眾多因素的制約，發揮的作用有效，通常只能夠降3攝氏度的溫度，難以滿足采掘工作面的基本要求。機械制冷降溫系統的應用可以有效解決采掘工作面高溫問題。

1 制冷方式的選擇

制冷方式的選擇通常有兩大難點，首先，由于井下的高溫點分布比較分散，具有較多的熱源種類，并且這些熱源種類在不斷的發展變化，難以對熱量有效計算。其次，降溫系統布設井下需要大量的冷量，冷凝熱的排放相對困難。礦井下制冷降溫的主要方式有兩種，其中一種是空氣壓縮式制冷，還有一種是蒸汽壓縮式制冷。蒸汽壓縮式制冷主要是利用液體在氣化過程中吸收熱量的方式來制冷，氣化過程中的液體需要吸收大量的熱量，這種熱量往往被稱為液體的氣化潛熱量。

液體吸收的熱量往往是來源于被冷卻的對象。液體氣化制冷可以分為機械壓縮式制冷、吸收式制冷以及噴射式制冷，礦井下制冷系統的應用都是以機械壓縮式制冷為主要的制冷方式。機械壓縮式制冷包括三個部分的內容，分別是冷凝器、壓縮機以及蒸發器，通過管道可以將這三個部分連成一個統一的封閉式系統。與蒸汽壓縮式制冷不同，空氣壓縮式制冷為氣體的逆向循環系統，高壓氣體在遇熱的情況下就會出現膨脹，對膨脹機造成一定的影響，使機內溫度降低。

根據制冷站的安裝位置以及冷卻地點可以將蒸氣壓縮式制冷降溫系統分為四種方式，兩兩相互對應，有地面集中制冷和井下集中制冷，還有局部分散式制冷和上下聯合式制冷。井下集中式制冷顧名思義就是設置在井下的制冷方式，在這種制冷中，通常是由不同的管道向工作面供水。如圖1所示，為井下集中式制冷系統。

圖1 井下集中式制冷系統

這種系統相對簡單，只有單一的冷水循環管道，不需要實施管道的轉換。但是這種制冷方式的缺陷在于需要在井下開鑿大斷面峒室，施工和維護的難度會增大。地面集中空調系統又被分為地面冷卻風流系統和井下冷卻風流系統兩種，這種系統需要在井下增設高低轉換裝置。井上下聯合系統具有井下和地面兩個系統特點，不便于操作管理。井下局部分散式系統僅僅可以供局部高溫場所使用，適用范圍相對較小。

2 壓縮機的應用和防護

壓縮機是機械制冷降溫系統的心臟，一定程度上能夠決定系統運行的性能和壽命。在礦用制冷量為100kW的范圍內，通常使用的壓縮機類型有兩種，其中一種是活塞式壓縮機，還有一種是螺桿式壓縮機。

螺桿式壓縮機的可靠性較高，在發展和使用過程中已經取代了傳統的往復式壓縮機，尤其是雙螺桿式壓縮機的應用受到更多人的青睞。壓縮機的使用中，最注重其安全性能。

作為特殊設備的壓縮機，在運轉中難免會出現一些異常，需要采取有效的防護措施加以控制，避免因為機械異常狀況的出現對壓縮機造成的損壞。壓力保護是壓縮機安全防護中的首要工作，主要的壓力保護方式包括壓縮機吸排氣壓力的保護以及潤滑油壓力保護兩種。

在機械運轉的過程中，會因為一些因素的影響導致其排氣壓力不斷增加，為了避免這種現狀的出現，可以設置高、低壓力控制器來加以控制。為確保壓縮機各部件的潤滑功能得到更好地保障，必須設置潤滑油壓差控制器。

除此之外，還需要做好溫度保護工作，可以在排氣口設置有效的溫控器，對溫度進行控制，這樣就能夠避免溫度變高對制冷劑造成的影響，還可以減輕溫度過高對電路造成的損壞。

3 制冷劑和潤滑油的選擇和應用

3.1 制冷劑的選擇應用

但選擇的制冷方式為蒸汽壓縮式制冷時，作為系統中循環流動介質的制冷劑可以實現能量的轉換和傳遞。現在常用的制冷劑為鹵代烴。礦用裝置中使用的制冷劑對環保性和使用效率的要求較高，更重要的是要確保制冷劑使用的安全性。

制冷劑的泄露容易導致安全事故的發生，因此，制冷劑的選擇需要考慮到其爆炸性、毒性以及燃燒性特征。

根據制冷劑的特性可以將制冷劑分成三個不同的組別，其中一種是無害、不易燃的制冷劑，還有一種是易炸、腐蝕性較強的制冷劑，最后一種制冷劑與空氣中的化學物質混合就會發生爆炸。在有熱害的礦井中，絕大部分瓦斯爆炸就是制冷劑的選擇出現問題。因此，需要根據制冷劑的具體特征以及適用場合選擇合適的制冷劑。

3.2 潤滑油的應用

潤滑油是制冷系統中的重要材料。在壓縮制冷系統中，潤滑油和制冷劑會直接接觸，一部分潤滑油就會被卷入制冷管道當中，隨著制冷劑的循環而出現循環。

選擇的壓縮機是封閉式的壓縮機時，其內部的潤滑油會與電動線圈中的有機材料接觸，對壓縮機的相關部件不斷產生潤滑效果，這樣就可以減少部件之間的摩擦力，降低摩擦起熱的現象，從而起到制冷的作用，可以提高整個系統的運行效率。

4 空冷器的選擇及具體應用

空冷器本身是一種熱交換器，主要作用就是將流過其表面的氣流進行冷化，最終實現降溫的作用。這種系統在井下局部分散式機械制冷降溫中的應用同蒸發器有著很大的相似之處。

通常情況下，礦用空冷器主要分為兩種，其中一種是直接接觸式空冷器，還有一種就是表面是空冷器。后者具有結構緊湊、體積小以及應用方便等多種優勢，在礦井下制冷系統中的應用備受青睞。為增強表面是空冷器的換熱效率，往往通過在其肋管上增加翅片的方式增加換熱面積。

但是這種方式會受到井下惡劣條件的影響，最終導致其效率難以得到很好地發揮。為了適應礦井下惡劣的條件，一些國家將表面式空冷器改為光管式空冷器，采用沖洗泵配合這種空冷器，才能夠使其更好地適應井下的環境。

而直接接觸式空冷器的主要優勢在于換熱效率高，但是這種空冷器的靈活性較差，在井下制冷系統中的使用受到很多限制。此外，還需要對空冷器的材質進行選擇，一般選擇銅和不銹鋼作為熱交換器的材料，這些材料的熱導系數比較大，在井下應用能夠發揮更好地作用。

結束語

近年來，煤礦開采量不斷增多，高溫礦井的數量也不斷增加，有效降低井下溫度成為人們關注的重點問題。我國常用的降溫方式主要是優化通風系統，還有通過預冷進風風流的方式進行降溫，這些降溫方式在礦井熱害治理中的應用已經比較成熟。但是這些措施的降溫幅度有限，難以起到徹底的降溫效果。

機械制冷降溫系統的應用能夠改變傳統的降溫方式，從而提升煤礦井下作業的效率，減少對礦井工作人員的身體損害，使他們能夠在安全的環境中作業，對煤礦開采整體質量和水平的提升有很大的保障。

[1]李鵬達.機械制冷降溫技術在礦井熱害治理中的應用研究[J].山東工業技術，2015,(4):62～62.

[2]李廣印，鞏超.千米深井局部降溫系統技術的應用[J].科技傳播，2012,(10):165～167.

[3]馮德清，趙向東，陳洲，等.深部開采局部降溫技術在徐莊煤礦的應用[J].工礦自動化，2013,39(3):92～97.

[4]李名劍，關皓銘，馬宇，等.煤礦掘進工作面局部降溫系統的應用[J].大科技，2015,(15):152～153.

TD727

A

1671-0711（2016）11（上）-0162-02