矿井降温制冷系统的发展与相关案例

我国煤矿35%的采掘工作面风流温度超过30℃。根据煤炭资源开发和资源保护资料显示，在预测的煤炭资源总储量中73.2%的储量埋深在1000m以下，预测围岩温度39～45℃，处于二级热害区。在国外：西德伊本比伦煤矿现采深达1530m，地温梯度1℃/43m，井底岩温可达60℃，南非斯太总统金矿的工作面深度超过3000m，原始岩温度达63 ℃以上。南非阿曼代巴尔特金矿(Aman-delbult)1号井工作面温度高达55℃。

虽然矿井通风不仅为井下工人提供赖以生存的氧气， 且可以冲淡井下有害气浓度，降低井下温度，是矿井安全生产的重要保障之一。但对于高温矿井，只靠矿井通风不能解决高温热害。所以，传统的矿井通风观念与常规的矿井通风方法已不能彻底解决高温高湿的矿井热害。

为提供可接受的矿井工作环境条件，当开采深度超过矿床极限开采深度，机械制冷降温成为矿井热害治理的必须手段。

1964-1975年，淮南九龙岗矿设计了我国第一个矿井局部制冷降温系统；1982-1987年，山东新坟矿务局设计了我国第一个井下集中制冷降温系统；1995年，山东矿业学院陈平等提出用压气引射器和制冷机结合进行矿井空调；2002年，新汉孙村矿-1100m水平降温工程初步设计，并于2004年该冰冷低温辐射降温矿井空调系统完成。

井下空气环境复杂，制冷剂必须无毒、不可燃和无爆炸危险，由于氟里昂使用的局限性，在有高温蒸汽、高温水等余热的地方可采用吸收式制冷机。新近发展的分离氨系统输冷方式是特制冷循环中的冷凝过程与蒸发过程分别设在地面和井下的一种制冷方式。

矿井空调系统的分类、适用情况及优缺点：

目前矿井空调系统根据热力学特点可分为四类，分别为机械制冷水降温矿井空调系统、冰冷却矿井空调系统、空气压缩制冷空调系统。

(一) 机械制冷水降温矿井空调系统

这些矿井空调系统, 若按制冷站所处的位置不同来分，可以分为以下四种基本类型。

1.井下集中式空调系统

该系统的制冷机设在井下，通过管道集中向各工作而供冷水，系统比较简单供水冷管道短，没有高低压换热器，仅有冷水循环管路。但必须在井下开凿大断面峒室，它给施工和维护带来困难，并且电机和控制设备都需防爆，难度大、造价高。随着开采深度的增加，井下集中空调系统的冷凝热排放则成为突出的问题。这种布置形式只适用于需冷量不太大的矿井。井下集中式空调系统按冷凝热排系统的敷设方式的不同来分类，又可分成四种不同的布置形式：回风流排热、地面冷却塔排热、地下水源排热、几种排热方式混合排热。根据不同的实际情况采用不同的敷设方式。

2.地面集中式空调系统

该系统将制冷站设置在地面，冷凝热也在地面排放，在井下设置高低压换热器将一次高压冷冻水转换成二次低压冷冻水，最后在用风地点上用空冷器冷却风流。这种空调系统有另外两种形式，一种是集中冷却矿井总进风，这种形式，在用风地点上空调效果不好, 而且经济性较差；另一种是在用风地点上采用高压空冷器，这种形式安全性较差。实际上后两种形式在深井中都不可采用。井下冷却风流系统，载冷剂输送管道中的静压很大，所以必须在井下增设一个中间换热装置(高低压换热器)。其中，高压侧的载冷剂循环管道承压大，易被腐蚀损坏，且冷损较大。

这种系统比较于井下集中式空调系统，制冷机不需要采取防爆措施，排热方便，冷损失小，水头压力小，易安装，便于运行管理。但此系统形式年运行时间不短、供冷距离短、要求水量大、冻水温差小，这些缺点严重制约了其在深井的应用。当矿井非预期的继续向下开采的时候，该系统能够很方便的拓展成井下地面联合的矿井空调系统。此系统在1995年6月27日在孙村矿试运转，试运行后，因各方面原因一直未在运行。根据经验，应该是设备管道本身的质量和现场安装质量上出现问题。

3.井上、下联合的混合空调系统

这种布置形式是在地面、井下同时设置制冷站, 冷凝热在地面集中排放。它实际上相当于两级制冷，井下制冷机的冷凝热是借助于地面制冷机冷水系统冷却。因井下的最大限度的制冷容量受制于相应的空气和水流的回流排热能力，所以通常需要在地表安装附加的制冷机组。这就使得混合系统成为深井冷却降温的必要。地下5000m处不同采深的矿井采用的矿井冷却空调系统和矿井设计的成本可以被专家确定，这些被确定的成本数据及实践表明深井降温最经济的深井冷却系统是地表制冷机组和地面制冷机组联合的混合冷却系统。

该系统中设备布置分散，冷媒循环管路复杂，操作管理不便。但是它可提高一次载冷剂回水温度，减少冷损；可利用一次载冷剂将井下制冷机的冷凝热带到地面排放，这样就决定了此系统能承担大负荷，这些是井下集中式和地面集中式所缺少的品质。

4.井下分散局部空调系统

从一定意义上讲：当实际矿井工程中只需要在几个点并且点点相隔较远时，如某几个单独的工作面需要降温，这时分散局部空调系统是一种高效经济的降温措施。局部空调系统在我国应用得比较广泛，在平顶山矿区，五矿己二采面采用一台制冷量为300kW的防爆制冷机组向己15-23071采而供冷，利用井下回风排放冷凝热，效果明显，平均降温幅度4 ℃；四矿戊九采而空调系统，采用一台制冷量为500kW的制冷机组向戊九采区的戊s-19140采而供冷，很好地满足了降温需求。新集一矿210807工作面降温, 都是采用的此系统形式并取得良好的效果。

(二) 冰冷却矿井空调系统

由于机械制冷水系统的水路系统的大压力的局限性，近年来国内外使用了新型的冰冷却矿井空调系统。所谓冰冷却空调系，就是利用地面制冰厂制取的粒状冰或泥状冰，通过风力或水力输送至井下的融冰装置，在融冰装置内，冰与井下空调回水直接换热，使空调回水的温度降低。冰冷却降温系统由制冰、输冰和融冰三个环节组成。

该系统有其独特的优点。首先，从井下用泵打回的水量只是水冷却系统水量的1 /4，这大大节约成本；其次，输送到空气冷却器的水和冰直接热交换，具有很高的热交换效率，能产生1℃的冷水，这样输送到空气冷却器的水量需求明显减少，从而减少了冷冻水泵的输送能耗；最后，能够很顺利的克服常用矿井空调系统的高静水压力和冷凝热排放困难等问题。

实际冷却系统的对比评价证明：目前3000m以下的矿井降温系统，即使在地表制冰费用不扉，其最经济的选择方案是在地表安装机组制取冰供井下用。这些都表明冰冷却矿井空调系统的远大的应用前景。

南非Harmony金矿在1986年第一个采用冰冷却系统进行矿井降温。现在因为矿井的关闭，降温系统不再运行。最成功的矿井冰冷却降温系统是已经成功运行10年的ERPM矿井系统。ERPM系统的运行提供了宝贵的经验和信息，它适合于任何其他矿井冰输送系统。任何冰冷却系统的一个重要问题是管道的机械设计。专家发现冰塞延着管道形成并在管道末端激烈释放。冰塞的这种运动引起管道激烈的振动，从而导致对管道支撑的严重冲击，特别是当管道和支撑有足够的空间时冲击更具有破坏力。当使用低压塑料管时，通过精密的支撑设计使得冲击力降到最小是非常重要的。另外一个重要的问题是管道堵塞，主要发生在管道的末端，它可以通过适当的监控措施来避免。

2004年孙村煤矿采用了冰冷却辐射降温空调系统获得了巨大的成功，并把这项工程的技术和经验成功地推向市场。

(三) 空气压缩式制冷矿井空调系统

空气制冷空调有涡轮式空气制冷、变容式空气制冷、涡流管式空气制冷和压气引射器制冷等形式；由于后三种形式使用的局限性, 使得涡轮式空气制冷是目前最常用的矿井空调系统。

空气压缩制冷循环的制冷系数、单位质量制冷工质的致冷能力均小于蒸汽压缩制冷系统，在产生相同制冷量的情况下，空气压缩式制冷系统需要较庞大的装置，并且单位制冷量的投资和年运行费用均高于蒸汽压缩式系统。因此，全矿井采用空气压缩式制冷系统降温的矿井降温的矿井很少。

涡轮式空气制冷利用压缩空气经过涡轮绝热膨胀做功，从而使空气制冷。1993年7月，平顶山矿务局科研所和609研究所大胆借鉴空气制冷技术在航空、制氧、石油等工业上的成功应用经验，联合研制成KKL-101无氟空气制冷机，为我国矿井空调开辟了一条新的途径。

涡轮式空气制冷机系统用空气制冷机作为高温矿井空调终端，它相当于冷水机组系统中的空冷器，其优点如下：系统简单，没有高低压换热器和空冷器，输冷管道少，承压小，材质要求低，施工技术难度低等；空气制冷机本身无需电力驱动，无防爆问题，空气既是制冷剂又是载冷剂，取之不尽，用之不竭，又无环境污染问题，在高温、高沼气煤矿具有很好的应用前景。但也有其缺点：该系统需要矿井具有充足的压缩气源，与蒸气压缩式空调系统相比投资和年运行费用较高。

矿井制冷降温技术现状：

井下集中制冷降温：井下集中制冷降温是将集中制冷站直接建在井底，将制冷机组提供的6℃冷冻水通过输冷管道送至各个工作面空冷器冷却空气，冷冻水经空冷器热交换后温升至12℃回到制冷机组，制冷机组冷凝热由冷却塔排放至回风巷，利用回风带走冷凝热。

地面集中制冷降温：在副井井口附近地面建集中制冷站，将制冷机组提供的冷冻水通过输冷管道送至井底经过热交换器减压换热后回到地面制冷机组，冷凝热由地面冷却塔直接排放到大气中，井底热交换器提供的6℃二次冷冻水通过输冷管道送至各个工作面空冷器冷却空气，冷冻水经空冷器热交换后温升至12℃回到换热器。

地面制冰站降温：在副井井口附近设地面集中制冰站，在站内由螺杆制冷压缩机组通过压缩制冷剂进行蒸发吸热释放冷量给制冰机，由立式内刮圆柱状制冰机组制取-5℃的片冰，经过输冰螺旋输送机将片冰送至井口，通过在井筒中敷设的输冰管路（管路入口安装漏斗和闸门），送至井底融冰池，与融冰池中的水混合后变成3℃～5℃低温冷水。再由井底融冰硐室内供冷水泵沿输冷管路将低温冷水送至采掘工作面。通过布置在采掘工作面的空冷器和喷淋方式对进入采掘工作面的风流进行降温，空冷器16℃～17℃的回水经回水管回至井底融冰池内再次融冰，另一部分用于工作面防尘和喷淋降温，不再回流。制冰机组的冷凝热由地面冷却塔直接排放。

丁集煤矿制冷降温系统：

丁集煤矿隶属于淮沪煤电有限公司。井田地质储量12.79亿吨，可采储量6.4亿吨。矿井设计生产能力500万吨/年，矿井服务年限92年，2007年12月份建成投产。

丁集煤矿地质构造复杂，断层多，开采条件复杂，为典型的“三高一深”矿井，即高瓦斯、高地压、高地温，深井开采，还有冲击地压的倾向性，被淮矿集团公司列为开采难度最大矿井之一。

丁集矿热害极为严重。根据地质勘探钻井测温结果表明，现生产的-900m水平地温均在42℃，为二级热害区。每年的高温季节，受地面高温影响，井下温度随地面大气参数昼夜呈周期性变化，加剧了井下热害程度，采掘工作面进风温度达30～34℃，回风温度达36～40℃，采煤工作面上隅角高达45℃，湿度始终在95%以上。

在热害治理上，2007～2008年夏季，矿山采用在采煤工作面堆放冰块降温、发放大量的冰冻饮用水和防暑降温药品、发放劳保短裤、增加采煤工作面风量、加强局部通风、采用大气降温机降温等各种方式，但效果均不明显。

矿井降温系统主要包括地面制冷系统和井下供冷系统，是热电冷联供项目的子系统。为了保证系统的安全性能，丁集煤矿经多方调研比较，最终选择了德国西马格特宝公司的井下降温系统。

地面制冷系统主要流程为：冷媒回水→蒸汽型溴化锂制冷机→离心式电制冷机→冷媒水循环泵→冷媒供水。系统总制冷装机容量为21MW。

制冷机的供回水温度18℃，由蒸汽型双效溴化锂冷水机组加离心式冷水机组串联的两级制冷装置实现。

第一级为蒸汽型双效溴化锂机组，将冷媒水由18℃降至5℃，选用3台冷功率5000kw的蒸汽型双效溴化锂冷水机组；

第二级为离心式冷水机组，将冷媒水由8℃降至2.5℃，选用3台2000kw的离心式冷水机组。由一台蒸汽型双效溴化锂机组加一台离心式冷水机组组成一个制冷单元，二个单元运转，一个单元备用。

井下供冷系统：

井下供冷系统。主要由高低压转换及分配系统、井下末端降温设备和管路组成。

其系统流程为：地面冷媒水供水→三腔冷媒分配器（PES）→输冷供水管→东西部采区分配站→空冷器→输冷回水管→二次循环水泵→三腔冷媒分配器→地面冷媒水回水。

井下降温末端设备主要由局部扇风机、空冷器、过滤器、仪表阀门、配电及控制设备等组成。其中空冷器是实现供冷系统对工作面风流进行降温除湿的关键设备，丁集矿目前使用的是德国产冷功率为300KW和400KW的空冷器。

井下供冷管道的主干管经主井井筒引入-826m制冷峒室，筒径直径为400mm。管道采用塑套钢预制输冷管，其内层为无缝钢管，中间层为聚氨酯保温层，外护层为高密度聚乙烯管，具备抗阻燃、抗静电、保温性能强特点。

目前，丁集矿井下共有15个头面进行生产作业，其中包括2个采煤工作面，4个煤巷掘进和9个岩巷掘进面。按照2010年井下降温工作目标，采用三种布置方式供冷，共安装空冷器25个，实现了高温采掘工作面全覆盖。

丁集煤矿热电冷联供项目由瓦斯发电及余热利用、矿井集中降温两部分组成。项目从2006年12月开始筹划，至2008年5月地面工程开工建设，至2009年6月矿井集中降温系统建成并向井下供冷，2011年3月首台高浓度瓦斯发电机组实现并网发电运行。

主要设计参数：瓦斯发电先期总装机功率3.6MW，每小时消耗100％纯CH4瓦斯气量1200m3，可利用发电机产生的余热产生饱和蒸汽3t/h；降温系统总制冷装机容量为21MW。

主要设备配备：2台单机功率1800KW（奥地利颜巴赫）高浓瓦斯发电机组，3台单机制冷功率5MW（印度特迈斯）蒸汽式溴化锂制冷机组，3台单机制冷功率2 MW（约克）离心式电制冷机组，1套交换能力为17.3 MW（德国西马格特宝）井下三腔冷媒分配设备。

瓦斯发电及余热利用系统：丁集煤矿地面瓦斯抽采泵站将抽出的高浓度煤层瓦斯气输送到热电冷联供项目10000M3储气罐内，再由储气罐将定压的瓦斯气输送至其预处理系统，经过过滤脱水增压后输送给高浓发电机组发电，然后以发电机组排出高温烟气作为热源，经配套的余热锅炉产生0.6Mpa饱和蒸汽夏季用于矿井集中降温的蒸汽式溴化锂制冷机组动力，冬季用于矿区地面采暖。

瓦斯发电站所发的电其中一部分用于集中降温所需的电力消耗，多余的部分直接输送到矿井10kV电网上，满足矿井部分电力需求。

热电联供系统示意图：

大规模井下集中降温系统目前国内尚不多见。丁集矿的井下降温系统包括：集控指挥系统，井下制冷单元、高低压转换等各子系统自动运行、闭式循环，实现了大系统集中控制，子系统自动运行。

应用效果实例：

西一采区1262（1）工作面为丁集矿首采工作面，该面走向长1853米，倾向长253米，温度在40℃以上，加之机电设备及落煤产生的热量，实际温度达41℃以上，湿度达100%，是典型的高温热害工作面。2008年高温季节，工作面给人的感觉就是一个大火炉，上隅角温度达45℃以上。安装井下降温系统后，情况有了明显的改善。

西二采区1422（1）采煤工作面，走向长1734米，倾向长240米，热害危害程度与首采面1262（1）相同。2009年，在该面安装了6台（2400KW）空冷器供冷降温，温度降低了3～5℃，湿度降为91%，作业环境得到了极大的改善。2009年的高温季度，该面共生产煤炭81 万吨，平均日产9000吨以上。

1141（3）综采工作面，平均地温40℃，降温前工作面预测温度37℃以上，湿度达95%～100%。该工作面采用进风流阶梯式集中方式降温后，平均温度始终保持在30℃左右，湿度降到92%左右。

1412（1）底抽巷，设计长度2446米，由一路局扇供风，供风距离长，巷道内有6部皮带、1部岩巷综掘机和2台变压器，机械电气设备散热量大。2009年6月份，该工作面温度高达37℃左右，湿度达100％。2009年7月对该巷道实施降温后，迎头温度保持在30℃左右，湿度降到86％左右，作业环境得到明显改善。2009年7月份，1412（1）底抽巷取得了月进尺203米的好成绩。

1412（1）高抽巷，2010年5月份，工作面温度达34℃以上，湿度达92％以上。采用掘进工作面串接直供式降温后，体感温度为27℃左右，湿度降到66％左右。

西二13-1回风大巷，2010年5月份，工作面温度达33℃以上，湿度达96％以上。7月份，采用掘进工作面串接直供式降温后，掘进工作面温度降到25℃左右，湿度降到83％左右。

谢桥、新巨龙煤矿制冷降温系统：

谢桥煤矿位于安徽省颍上县东北部，距颍上县城约20公里，对原有矿井系统实施改扩建，目前矿井生产能力达1000万吨/年。矿井采用主井、集中运输大巷，分石门和上下山开拓方式，共划分为四个采区，即东一、东二、西一、西二，该井田划分两个水平，其中第二水平-900m，平均地温为43℃。

地面制冷系统：

地面制冷系统主要流程为：冷媒回水→蒸汽型溴化锂制冷机→离心式电制冷机→冷媒水循环泵→冷媒供水。系统总制冷装机容量为10994.5KW。制冷机的供回水温度18℃，由蒸汽型溴化锂冷水机组加离心式冷水机组串联的两级制冷装置实现。第一级为蒸汽型溴化锂机组，将冷媒水由18℃降至5℃，第二级为离心式冷水机组，将冷媒水由8℃降至2.5℃。由一台蒸汽型溴化锂机组加一台离心式冷水机组组成一个制冷单元。备用一台1805.5KW离心式冷水机组。

井下高低压热交换系统：

井下高低压热交换系统主要由高低压换热器（间接交换）及分配系统、空冷器和管路组成。其系统流程为：井下循环水（21℃）→高低压换热器（WAT）→输冷供水管（水温6℃）→东西部采区分配站→空冷器→输冷回水管（水温21℃）→二次循环水泵(变频)→高低压换热器（WAT）。

应用效果：

皮带顺槽空冷器进口空气温度33.8℃，湿度53.5%；出口空气参数20.9℃，湿度73.1%。

皮带顺槽空冷器进口空气温度32.4℃，湿度67.1%；出口空气参数19.3℃，湿度85.2%。

龙固煤矿简介：

龙固煤矿位于鲁西南巨野煤田的中南部，设计生产能力6.00M/a，2013年生产原煤超1000万吨，主要开采水平为-810m，局部开采深度超过1000m，具有高地热特征。根据矿井地质资料，平均地温梯度2.88℃／100ｍ，其中非煤系地层平均地温梯度2.52℃／100ｍ，煤系地层平均地温梯度3.23℃／100ｍ。矿井主采３＃煤层，底板温度平均41.38℃，3＃煤层全部处于一级或二级高温区。

制冷系统组成：

（1）井下制冷机组

井下制冷机组采用德国WAT公司KM3000机组，单机制冷量可达3300KW，目前安装九台机组（一期三台、二期六台）。根据《煤矿井下热害防治设计规范》的要求，当采用井下集中式制冷降温方式时，制冷机出水温度不应高于5℃。制冷机组出水温度确定为3℃，另外，供水与回水的大温差对整个系统更有利，国外一般为15℃，从设备运行安全性、稳定性及使用情况等方面考虑，采用3℃／18℃的供回水温差。

（2）冷却水系统

结合地面冷却机房的布置，选用两台方形横流塔作为冷却塔。与井下制冷机组相配套，选用3台冷却水循环泵。由于冷却塔存在蒸发损失、风吹损失及排污损失，且补水要求为软化水，需计算出需补水量并安装配套补水设备。在地面打钻孔，下两趟冷却水管，与井下制冷系统相连接，实现冷却，并在地面排放冷凝热。

（3）散冷系统

输冷管采用无缝钢管，输冷管的隔热保冷结构采用塑套钢预制成型保温管，其内工作管为无缝钢管，中间层为聚氨酯发泡保温层，外护管为双抗高密度聚乙烯管。将冷水输送到采掘工作面后，采用空气冷却器散冷方式对采掘工作面进行散冷降温。龙固煤矿采用了德国先进的RWK-450型空冷器，确保了空冷器的散冷效率。

制冷余热利用系统

井下集中制冷系统充分考虑了能源的有效利用，在冷却水循环系统中，建立了制冷余热利用系统，将从井下带回地面的热水，充分利用其有效热能，用于员工冬季供暖及生活热水等，热量得到有效利用后，经处理再返回冷却塔进行冷却，这样就节省了部分能源，起到了节能的效果。制冷余热利用系统如下图所示。

应用效果：

1、地面埋管式井下集中制冷降温系统可以自由选择钻孔位置，处于冷负荷中心，大大减少冷冻水在输送过程中冷量损失，井下制冷机组的能效比（４～5）较高，大大节省了系统运行成本。

2、由于冷损最小，末端空冷器设备供水温度低，降温效果好，同时还可以节约运行成本。

3、建立了制冷余热利用系统，在解决了制冷的同时，又为地面提高了热源，起到了互补的作用。余热用于员工冬季供暖及生活热水，节省了一大笔费用，同时，由于利用了一部分热量，在一定程度上就减少了冷却塔的负荷，降低了冷却塔的部分费用。余热系统将冷却水循环利用，同时又有简单的水处理系统，可以有效节约水资源，提高了资源的利用率。

4、该降温系统使矿井主要作业地点温度平均降低了8℃，为井下创造了良好的作用环境，具有很大的社会效益和经济效益。