送相同的冷量,冰的质量流量仅为水的1/5,1吨0℃冰融化为0℃水所散发冷量相当于1吨80℃的水降为0℃。
2.4国内矿井降温工程技术研究现状和水平
(1)矿井降温工程技术发展过程
我国矿井空调工程技术的应用始见于60年代。在60年代初,我国开始采用小型制冷设备对矿井风流进行冷却。1964年淮南九龙岗矿在水平分层假顶工作面和掘进头采用一台苏制4ΦY-10型制冷机进行降温试验,取得了一定的效果。1966年武汉冷冻机厂和抚顺煤研所共同研制了JKT-20型矿用移动式空调器。1979年在JKT-20型的基础上又研制出了JKT-70型矿用移动式空调机组在平顶山一矿使用,使用时配备了4台55KW的空冷器,使工作面温度下降了4~6℃。1980年湖南某金属矿在我国第一个采用了地面集中制冷、井下冷却风流的矿井空调系统。地面设置两台6AW-17型制冷机,产冷量达0.67MW,空冷器的实际供冷量达0.22MW,工作面气温平均降低6~7℃,掘进效率提高78~84%,这是我国矿井集中降温的雏形。1984年山东新汶孙村矿在井下-400m水平建立了我国第一个井下集中制冷系统,设备为两台重庆通用机械厂生产的Ⅱ-JBF50×0型离心式制冷机,制冷量为1.75MW。冷水管道总长为1530m,管道保温材料为EPS可发性聚苯乙烯。空冷器设于工作面进风口,冷凝热利用矿井总回风流排放。由于输冷管路系统处于回风流中,冷损高达45%以上,制冷系统可靠性低、降温效果差。―七五‖期间,平顶山八矿又建立了我国第二个井下集中制冷系统。制冷站设备选用了三台国产的Ⅲ-JBF50×0型离心式制冷机,一台德国产的
WKMZ-1200型螺杆式制冷机组,总制冷能力为0.5MW,实际运转制冷能力为0.24MW。采煤工作面安设两台KBL-150型空冷器,安设位置距工作面进风口100m,掘进工作面安设一台KBL-90型空冷器,安设位置距迎头50~100m。供冷管道为双层隔热管道,隔热材料为聚氨酯泡沫塑料,管道冷损量为5.1%,冷凝热利用矿井总回风流排放,总排放量为0.3MW。降温前,平八矿采掘工作面气温一般为29~32℃,最高时达34℃,降温后,当采煤工作面风量为
600~900m3/min时,风温降低4~6℃,掘进工作面风量为80~130m3/min,风温降低3~6℃。1991年孙村矿在千米立井的地面建立了集中制冷系统,设3台制冷机组,2台国产、1台进口德国机组。但没有进口高低压换热器,地面系统未投入运行。90年代末孙村矿在考察平顶山五矿的井下集中制冷系统后,又在井下-800水平建立了集中制冷系统。2002年新汶矿业集团在总结国内20年的矿井制冷降温经验教训后,考察了南非的地面集中制冰、井下输冰的降温系统,在千米立井设置了地面集中制冰、井下输冰的冰冷低温辐射矿井降温系统。
(2)几种矿井降温工程技术
近年来,针对日益严重的矿井高温灾害,相关专家、学者以及现场工程技术人员相继提出、开发出多种具体、特殊的矿井降温工程技术,详细如下:
1)矿井压气空调系统
矿井压气(压缩空气,简称压气,下同)空调系统是利用压缩空气作为供冷媒质,直接向采掘工作面喷射制冷。该系统是由山东科技大学陈平教授2004年首先提出。由于压缩空气压力高,密度大,比常压空气具有更大的输冷能力,且送达工作面后具有较强的吸热能力。由于输气管道的断面小,在采煤工作面上可用金属或橡胶软管沿工作面全长均匀供冷。且由于压气的膨胀吸热能力强,所需的制冷设备负荷小,工作面进风巷道内不需要安设局部通风机。缺点是仅适用于局部地点的降温,如果全矿井采用此种系统,则能耗大,运行费用高,这制约了
该系统的推广应用[8-9]。
淮南矿业集团首先在潘一南风井开始实施热、电、冷三联产项目,利用矿井抽采瓦斯,进行瓦斯燃烧发电,瓦斯发电机组冷却及尾气余热通过溴化锂吸收制冷机组制冷,实现热、电、冷三联产联供,形成瓦斯发电余热制冷井上集中供冷与井下移动制冷结合的矿井降温格局。谢桥、张集矿也采用了这一模式解决矿井热害问题。
2)2007年,兖矿集团开发的矿井工作面降温系统的冷风制备装置利用冷媒水喷淋实现大风量、大温差、大焓差处理制备冷风,可以减少热交换过程次数,降低传热温差,提高整体效率,减少中间过程冷量损失。该矿井降温工程技术适于立井井筒掘砌时期的降温、可延伸到井底车场开拓时期掘进工作面的降温。,该项技术降温效果良好,可充分利用井筒冻结时期制冷设备,实现资源的重复利
[10-11]
用,推广应用前景广阔。 3)个体冷却
平顶山矿务局科学研究所1993年研制的矿用冷却服,它适合于矿井高温环境作业人员使用。它分冷却层、保冷层和外罩层,在冷却层的前、后面缝制有数个用来盛装蓄冷剂的口袋,蓄冷剂使用前须经冰柜冷冻,可以反复使用。冷却层的外层是保冷层,它的作用是延长蓄冷剂有效持续时间,达到人体在一定时间范围内降温的目的。在保冷层外为外罩层,它通过束紧带来束紧矿用冷却服的下摆口,进一步起到保冷效果。KL-FP-1型矿用冷却服(专利号:ZL93210390)[12]。
2006年江苏省徐州市陈宁、彭伟设计的矿井降温服装为短袖式四层结构,从内到外由水冷衬层、冷却管网、保温层和耐磨层构成。其特征是降温系统是一套由细软管构成的环形冷却管网,缝制固定在衬层上,降温服上设有接头模块,一端与冷却管网相连接,另一端与外接导管相连接,导管头部设有标准快装接头,接头分别连通冷却水的进水管和出水管。使用时通过外界输入16-20℃的冷水至冷却管网内,由外部动力推动在服装内循环,作业人员可通过接头模块上的流量调节旋钮来调节水流,以达到最佳降温效果。矿井降温服装(专利号:CN200610040352)[13]。
3下一步的工作展望
矿井降温是一项复杂的系统工程,是一门综合性的科学技术,它涉及到采矿工程、通风安全、地热、环境工程、劳动卫生、管理及制冷、空调等多学科领域,需要相关人员的密切合作和技术、经验交流。由于作者基础理论水平和现场经验的不足,仍有一些问题需要进一步的研究:
(1)矿井热害机理的进一步研究。目前,已明确矿井热害形成的各种热源以及三种传统热交换方式,但对于微观系统下热害机理、各种热源及传热方式的耦合作用却鲜有研究,需要继续加强实验分析及现场实践,为建立控制矿井热害的数学物理模型、求解以及工程技术措施奠定理论基础。
(2)矿井涌水热害综合防治技术工艺的优化和完善。目前,国内外鲜有专门针对矿井涌水热害的研究。本文根据矿井生产实际,提出了颇有效果的涌水热害综合防治技术方案,虽然在一定程度上减轻了巷道的涌水热害效应,但技术工艺本身仍处在较低的层次水平,而且并未从源头解决涌水热害问题,只是在问题出现之后的被动应对,某些状况下可能就会失去其有效性。因此,需要将井下涌水热害真正作为主要热害课题进行深入研究,在实践中不断优化和完善涌水热害综合防治技术工艺,从根本上控制、消除高温涌水的热害现象[14]。
[1]胡汉华. 博士学位论文 属矿山热害控制技术研究.长沙:中南大学,2007-10 [2]王英敏 . 矿井通风与防尘[M] . 北京:冶金工业出版社,1997. [3]陈晋南 . 传递过程原理[M] . 北京:化学工业出版社,2004.
[4]苏昭桂.巷道围岩与风流热交换量的反演算法及其应用[D].青岛:山东科技大学,1997.
[5]瓦斯通风防灭火研究所.矿井降温技术的50年历程[J].煤矿安全,2003,34(S):34-36.
[6]矿井降温技术应用发展与研究现状[R].青岛:山东科技大学,2009. [7]吴先瑞,彭毓全.德国矿井降温技术考察[J].江苏煤炭,1992,(4). [8]陈平.采用压气供冷的新型矿井集中空调系统[J].矿业安全与环保,2004,31(3):1-3. [9]陈平.均匀供冷采煤工作面送风器的布置[J].矿业安全与环保,2004,31(4):7-9.
[10]LIUHeqing.Studyandpracticeofthecontrollingtechniqueonheat-harmduringthetunnelinginZhaoloumine.EngineeringSciences,2008,6(4):31-35.
[11]XINSong,WANGZhenping,WEICheng.Researchonpreventionandcureagainstheat-harminconstructingmines.MiningScienceandTechnology,2007,13(3):271–275.
[12]张林,杜伯超,杨德源.矿用冷却服:中国,CN93210379.0[P].1993-12-29. [13]陈宁,彭伟.矿井降温服装:中国,CN200610040352[P].2006-12-27. [14]辛嵩,硕士学位论文 掘进工作面涌水热害综合防治技术研究. 山东科技大学,2012-6

