深井矿山局部制冷降温技术研究

时间：2024-07-28

贾敏涛高伟吴冷峻

（1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽马鞍山243000；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽马鞍山243000；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司，安徽马鞍山243000；4.玉溪大红山矿业有限公司，云南玉溪653405）

随着地下采矿向深部不断延伸，井下破碎后的矿石和围岩的提升运输方式也发生了多样的变革，胶带斜井运输因其运输过程连续、运输能力大和设备故障率低等优势，在大规模地下矿山采矿运输中逐步得到应用。胶带斜井倾角一般在14°左右，对于埋深较大的深井矿山开采，往往采用多级胶带转载运输的方式［1］，胶带运输的驱动滚筒和高压电机布置在井下2条胶带转载点［2］。深井矿山的高地温与驱动站高压电机放热、胶带摩擦放热等多因素耦合作用下，导致胶带斜井和驱动站内往往温、湿度较高，劳动者体感环境闷热，易产生中暑等急性职业健康问题。为此，本项目以某埋深超过千米的深井矿山胶带运输系统为工程背景，开展高温硐室降温技术研究，以期改善硐室内作业环境，为劳动者提供舒适的作业条件。

1 胶带斜井系统介绍

依托矿山是一座采深近千米，年产近千万吨的大型地下金属矿山，为了实现大规模开采的目标，矿山采用胶带斜井+辅助斜坡道开拓方案。

1.1 胶带斜井系统构成

胶带斜井系统主要由通地表采2#胶带斜井和依次与之串联的4#胶带斜井、5#胶带斜井、6#胶带斜井、7#转运胶带和废石胶带构成。井下回采的矿石和部分废石由180 m运输水平经溜井卸至0 m破碎硐室，经过破碎后溜放至-45 m胶带转运硐室。废石经由废石胶带直接从-45 m转运至0 m废石箕斗井提出地表。破碎后矿石在-45 m胶带转运硐室由7#胶带转运至6#胶带，通过6#胶带提升至165 m胶带转运硐室，再由转运硐室内5#胶带转运至4#胶带提升至324 m，最后在324 m转运硐室转运至采2#胶带提出地表。

1.2 胶带斜井系统通风方式

胶带斜井系统的通风方式为两翼进风—中央回风的中央对角式通风方式，如图1所示。

上部胶带系统新风由通地表的采2#胶带斜井进风，经过324 m转运站后进入4#胶带下至165 m转运水平，污风由180 m胶带回风道上排至废石箕斗井180 m石门，经过废石箕斗井排出地表。

下部胶带系统进风由通地表的主进风斜井进入324 m水平，再经过盲竖井进入-45 m胶带转运硐室，部分风流通过废石胶带斜井排至废石箕斗井0 m石门后经废石箕斗井排出地表；部分风流通过6#胶带上排至165 m转运水平，后经过5#胶带进入180 m胶带回风道汇入上部胶带回风系统，再经废石箕斗井排出地表。

1.3 胶带斜井系统环境现状

胶带系统现场检测数据如表2所示，检测数据显示驱动站内风源（6#胶带斜井上风）风温32.4℃，相对湿度86.2%，温度已经超过28℃［3］，风流进入6#胶带驱动站后因高压电机散热和胶带摩擦散热，风温进一步升高至34.5℃，相对湿度86.2%。驱动站内工人长期处于高温高湿环境，皮肤出现不同程度的红疹，劳动者作业时间受限，且偶有中暑事故发生。

检测条件：天气晴，地表气温15.6℃，相对湿度52.6%。

2 6#胶带驱动站热害分析

2.1 高压电机散热

6#胶带驱动站设置在井下165 m，安装4台710 kW的10 kV高压电机，胶带启动运转时，电机向驱动站内散发大量热能，是驱动站内高温的主要致热因素。查阅相关标准，电机散热量［4］计算：

式中，q为电动机的散热量，kW；n1为同时使用系数，即同时使用的安装功率和总安装功率之比，可取0.5～1.0；n2为安装系数，即最大实耗功率与安装功率之比，可取0.7～0.9；n3为负荷系数，即小时平均实耗功率与最大实耗功率之比，可取0.4～0.5；N为电动机的总安装功率，kW；η为电动机效率，查阅相关手册选取0.89。

根据式（1），165 m胶带驱动站的电机散热量为0.044 5×4×710=126.38 kW。

2.2 新风热负荷

矿山所在地区夏季地表气温较高，夏季室外计算干球温度34.8℃，相对湿度81%，结合高温空气进入井下井壁对其具有降温吸热作用，新风计算温度取34℃，相对湿度80%，空气密度1.2 kg/m3。降温的目标温度为28℃，相对湿度95%，单位体积新风热负荷［5］：

Q=ΔH×M=（104.296-89.835）×1.2=17.35 kW，（2）式中，Q为单位体积新风散热量，kW；H为湿空气的焓值，kJ/kg；M为新风质量流量，kg/s。查阅焓湿图空气干球温度34℃，相对湿度80%的焓值为104.296 kJ/kg；空气干球温度28℃，相对湿度100%，焓值为89.835 kJ/kg。

2.3 变电硐室空调散热

胶带驱动站一侧设置有配电硐室，配电硐室内安装了8台5匹冷暖两用空调，空调室外机安装在驱动站上风测，空调散热直接影响到驱动站附近及胶带斜井内空气温度。查阅相关空调参数，确定单台空调的散热量为16.2 kW，空调散热量为16.2×8=129.6 kW。

2.4 其他热源

除上述制热因子外，胶带系统的其他热源来源还包括围岩散热、矿石氧化散热、胶带运输摩擦散热、人员散热和上下通行车辆散热，上述热源的散热量相对于前三项散热数量小，因此，其他致热因子散热量按照前三项数值的10%计算。

3 胶带系统热环境调控技术方案

3.1 技术方案分析

为改善6#胶带驱动站高温作业环境，结合胶带系统各斜井及驱动转运站布置方式，提出以下3个环境调控技术方案［6-8］。

方案一：增风降温+隔离热源。6#胶带驱动站进风由通地表的进风斜井进入340 m水平，通过盲竖井送至-45 m胶带转载站，再经6#胶带斜井进入6#胶带驱动站后由5#胶带汇入180 m胶带回风道。6#胶带进风直接由地表进入，受井下其他热源影响较小，风温在进入-45 m胶带转载站时相对较低。方案采用以下3项措施实现胶带系统降温目的［6］：①增加-45 m胶带转载站进风量，加速排除设备散热；②将变电硐室降温空调的室外散热机组移动至驱动站下风向直接将空调散热排出；③将6#胶带驱动站内4台高压电机采用集热罩封闭，再通过局扇外加风筒将电机散热直接排入回风系统。

方案二：水冷机组制冷降温。矿区夏季地表最高气温达到40℃以上，地表新风通过斜井送到驱动站时即便通过岩石壁面吸热降温，其温度也在30℃以上。风源温度较高，通过增风降温效果十分有限。方案采用制冷机组制冷降温，实现驱动站和胶带斜井降温的目的［7］。具体方案是：①同方案一中第二项措施，将降温空调室外机散热外排；②在6#胶带驱动站附件设置局部制冷降温系统，解决6#胶带驱动站高温问题，冷凝热经过180 m回风道排至回风井。

方案三：空气源热泵降温系统。将6#胶带驱动站的水冷机组+空冷器变更为整体式空气源热泵系统。空气源热泵系统是将蒸发器和主机分离布置在驱动站内，蒸发器从驱动站内的高温高湿空气中吸收热量来蒸发传热工质，驱动站内的热量通过传热工质蒸气、压缩机压缩、冷凝器冷凝后传转移至空气源热泵系统水箱中的水。热泵贮水箱外接热水循环回收系统，对冷凝热水进行回收利用，实现驱动站降温和热能回收利用的目的［8］。

3.2 技术方案比选

对上述各方案从初期建设投资、运营成本、系统稳定性等方面进行分析比较，比较内容见表3所示。

通过表3对3个方案的比较分析可知，增风降温+隔绝热源方案实施最简单，建设投资最小，但是其降温效果非常有限，且受地表气温波动较大，排除方案一。方案三空气源热泵降温系统降温效果稳定，可实现制冷加热一体，冷却热可回收利用，但胶带系统降温制冷量相对较小，余热回收需要投资专用的系统，投资大而回收的热量小，性价比低，且胶带系统即便在冬季最冷季节也不存在冻井等危害，制热功能属于富余功能，排除方案三。方案二降温效果不受地表气温变化影响，比方案一降温效果稳定，能够保证驱动站人员和设备长期保持在较低环境温度下作业；压缩机COP值高，机组运行成本比方案三低。因此，胶带系统降温方案推荐使用方案二，系统原理图如图2所示。