煤礦井下和地面廠房堆放冰桶降溫制冷技術

童漢宏 李 陽

（淮河能源煤業公司張集煤礦，安徽 淮南 232174）

井工煤礦存在部分高溫工作面，壓入式通風的掘進開拓工作面和獨頭巷道高溫非常明顯。據實際體驗觀測：井下-690 m 底抽巷獨頭巷道，長1600 m，一路Φ800 mm 風筒供風，各型鉆機5 臺鉆孔施工，7～9 月，地面氣溫26～36 ℃，巷道氣溫維持在36 ℃左右，10 月地面氣溫13～22 ℃，巷道氣溫維持在33 ℃左右。鉆機操作人員只穿著短褲，通班流汗水直流，還要間歇用水管全身澆水。鉆機附近靠巷道幫壁使用三塊0.9 m×1.7 m 鋼筋網彎折綁扎作為骨架，頂部和四周覆蓋舊風筒布，搭設一個臨時微型避暑站，內設壓風控制閥吹壓風，并同時采用2 寸膠管引風筒壓風吹，人員輪換進入緩解一下高溫酷熱。如果是正在巖巷綜掘機掘進的工作面，綜掘機等機電設備散熱，工作面氣溫達到38～40 ℃。有效快速對高溫工作面制冷降溫，改善高溫工作面工作環境，對礦井安全、高效生產有重大意義。

1 煤礦井下降溫技術特點分析

現在煤礦針對井下高溫治理有非人工制冷、人工制冷兩種方式。非人工降溫有通風降溫、預冷進風流、隔絕熱源、疏干含熱水層、個體防護等措施。非人工降溫效果有限，有一些高溫工作面采用非人工降溫，達不到需要的效果時，采用人工制冷。人工制冷降溫常用井下集中制冷降溫、地面集中制冷降溫、地面井下二級聯合集中制冷降溫、單工作面制冷降溫、工作面堆放冰塊降溫等。集中制冷降溫技術在已運行的礦井深部高地熱礦井運行取得較好效果，但是那些無集中制冷的礦井，季節性和局部的高溫工作面，以及雖然運行集中制冷，無法全面覆蓋到的工作面、硐室，還需要更加靈活的降溫方式。集中制冷降溫還存在建設周期長，建設和運行費用過高的問題。有的采用單工作面制冷降溫技術設備，但是受巷道空間制約，降溫設備能力有限，進氣源依然是礦井巷道較熱空氣，熱交換過程產生的高熱氣體還在礦井風流內，其本身機電設備額外增加散熱，降溫效果受限。井下不宜使用有毒窒息性制冷劑更限制了降溫效果。有采用大量水霧化降溫的，造成本工作面供水嚴重不足，生產停滯。采用在工作面堆放冰塊降溫方法，冰塊供應量不足，化水量大，存放時間短，大量運輸搬運堆放難度大，堆放量受到限制，融化后及時更換難度大，對工作面降溫作用有限。為了增加一種靈活易行對高溫工作面降溫的技術方法，研究了井下、井上大量擺放冰桶，冷卻礦井風流的人工制冷降溫技術[1-2]。

2 井下巷道堆放大量冰桶冰窖式降溫

2.1 井下巷道堆放冰桶降溫原理

在高溫工作面巷道堆放較大數量桶裝冰塊，冰塊融化冷卻氣流，降低高溫工作面風流溫度。在地面大量加工制作冰桶，冰桶經過冷藏車運輸及人力少量攜帶方式到工作面。如圖1，在底板、幫壁長距離堆放，頂板、兩幫懸掛等方式擺放在巷道內，堆放大數量冰桶后的巷道形成冰窖效應，冷卻巷道內高溫氣體。依據融冰速度，定期更換融化的冰桶，維持冰窖效應。由于冰桶對冰塊的包裝，擺放堆積快速靈活，堆放數量、擺放地點可以更加適應巷道狀況，運輸裝卸簡便快速，冰塊融化速度變慢。

圖1 高溫工作面全空間懸掛堆放冰桶降溫布置示意圖

2.2 冰桶加工制作

裝冰的桶采用特制高強度抗靜電阻燃塑料桶或薄鐵皮桶，容積5～25 L，冰桶強度滿足多層堆放，經得起井下扔摔（井下盛裝高分子加固化學材料的專用塑料桶可以復用制作冰桶）。準備充足數量桶后進行制冰，桶內注入適量水，放入制冰機進行制冷結冰，結冰出制冰機后扭緊桶蓋，冰桶直接裝專用車運輸入井或臨時先存放冰庫等待裝車。根據條件冰桶可以在地面礦井自己建設制冷車間制備，也可以從附近冰工廠定制。冰桶經保溫冷藏車運輸到礦，轉運入井到高溫工作面擺放。

2.3 冰桶降溫在巷道和工作面堆放形式

冰桶到工作面后，人力卸車堆放在空閑的底板上，多層長距離堆放。巷道兩幫和頂板空閑的空間可以采用吊掛的方式布置冰桶，吊掛時提前加工直徑6 m 鋼筋箱體式籠子，固定在巷道頂板和兩幫，把10～15 L 小型的冰桶裝入其中。冰桶內的冰塊在工作面高溫氣體加熱下，緩慢融化冷卻，形成冰洞效應，實現對工作面降溫。除上述巷道布置冰桶，還可以在工作面巷道內堆放冰桶圍成圍墻，形成一個小的封閉空間，供工作面高溫作業人員輪番交替進入圍墻內暫避防中暑。還可以在工作面安裝1 m寬×1.8 m 高×1.5 m 長的木板房或鐵皮房，房內擺放冰桶，供工作面高溫作業人員輪番交替進入小冰房內暫避防中暑。高溫工作面擺放一定數量冰桶后，根據化冰速度，定期根據冰塊融化情況，對化水的冰桶進行置換，新制的冰桶替換融化的，維持巷道未融化冰桶數量。融化的冰水根據情況倒入水溝或灑在巷道底板上，空桶上井循環制作冰桶。為方便更換冰桶，工作面巷道內底板一側可以整礦車或整集裝箱車放置冰桶，整車擺放，整車更換。

冰桶法降溫還可以在礦井主要進風大巷進行大批量整車擺放，定期更換維護，從而部分降低礦井巷道進風溫度，更有利于高溫工作面降溫。

2.4 個體小冰桶和冰背心降溫方法

制作5～15 L 的小冰桶還可以采用人力攜帶的方式到工作面，更加靈活簡便。每班入井時，每人攜帶一桶冰，到工作面集中擺放，或存放在小空間封閉的特制木板房里，班中作業人員間隔一定時間，進入相對低溫的木板房里休息一段時間，防止中暑。還可以為下井人員準備一些降溫冰背心，裝入碎冰或冰水，穿在身上進行降溫防暑，冰背心交替循環裝冰使用。上井時，帶空桶去循環制冰。

3 礦井進風井地面廠房堆積冰桶降溫技術

利用冰桶法堆放冰塊靈活快速，數量不受制約，更換簡便，同時在地面進風井廠房車間內，采用多排多架多層堆放大批量冰桶。將礦井整體進風溫度降低，實現地面井下聯合的方式進行礦井集中制冷。地面進風井車間廠房堆積冰桶冷卻進風氣流，要對氣流進行人為調控，使得風流接觸冰桶面積和距離適當加大，或建設專用冷卻降溫進風通道擺放冰桶，以增強降溫效果。地面廠房內，擺放更換冰桶可以采用機械化作業，堆放量和更換周期優于井下堆積，無需井筒提升，井下巷道運輸。地面廠房堆放冰桶冷卻全礦井進風氣流，對于夏季全礦井制冷降溫效果更佳。

4 冰塊吸熱計算

每千克0 ℃的冰，溫度升高到20 ℃向環境吸熱q吸：

式中：T0為0 ℃；T20為20 ℃；C水為水的比熱容，4.2 kJ/kg；C冰熔為0 ℃冰融化比熱容，336 kJ/ kg。

常壓下，C空氣為空氣的比熱容，1.003 kJ/kg；空氣的密度ρ=1.29 kg/m3。

根據熱量公式Q=cm△t可得，1 m3空氣降溫1 ℃需要釋放的熱量：Q=1.003×1.29×1=1.293 87 kJ/ m3。

如果每立方空氣溫度由35 ℃降到25 ℃，Q放=Q×（35-25）=12.938 7 kJ/m3。

每千克0 ℃的冰，溫度升到20 ℃變成水，可以將V立方35 ℃空氣冷卻到25 ℃。

V=q吸/Q放=420 kJ/12.938 7 kJ/m3=32.46 m3

設風流量為800 m3/min，則日消耗冰為：

（800×60×24）/32.46=35 489.83 kg。

5 結論

冰桶堆放降溫法，熱交換充分，熱交換效率高，對高溫工作面降溫效果明顯。冰桶降溫法適用于零散高溫工作面，適用于不宜建設或未建設集中制冷的礦井，能達到采煤、掘進、開拓工作面、各類巷道、硐室全過程全覆蓋。冰桶法降溫，建設和運行費用低廉，無需井下另建硐室，無需安裝大量管路，不增加額外散熱的機電設備，無需增加操作設備，檢修維護方便。井下冰桶法對高溫工作面降溫，簡易快速靈活，降溫能力和效果大于普通放置冰塊法降溫。