矿井热害防治措施及冷却服保护方式

矿井热害防治措施很多，但归纳起来不外乎两大类，即采用非人工制冷降温和采取人工制冷降温。热害矿井一般进行综合治理。

一、非人工制冷降温措施

（一）通风措施

通风降温简单易行，既经济，效果亦佳。常用的通风措施有：

1.加大通风强度

采用增风降温的矿井，进行通风设计时应分别设计出矿井各局部降温所需风量，经调整后再确定矿井总风量。采掘工作面及机电设备硐室降温所需风量按下式计算：

Q需＝4.87∑Qi／Cp·r（t1－t2）

式中：

Q需—采掘工作面及机电设备硐室降温所需风量，m3／h；

∑Q1—诸热源的散热量之和，kW；

Cp—矿井空气平均定压比热，kJ／kg·C；

r—矿井空气平均密度，kg／m3；

t1—采掘工作面及机电设备硐室入风温度，C；

t2—采掘工作面及机电设备硐室允许的最高气温，C。

加大风量对改善矿内气象条件是有效的，但当风量加大到一定程度后，风温的降低就不太明显了，而且风量的加大又受到许多技术经济条件的约束，因此增风降温存在一个有效范围。煤矿高温采面在净断面积为6～8m2的情况下，增风降温合理的风量上限为800～1000m3／min。

2.采用同流通风

在风的流向与运煤方向一致的同流通风条件下，采区进风道和回采工作面，由于不存在外运的煤和运输机械这两个热源，致使这些地点的气象条件得到改善。在进风道里运煤相比，回采工作面入风的同感温度可降低4～5℃。

3.选择合理的通风系统

从改善矿井气象条件的观点来选择合理的通风系统，就是要尽量缩短进风线路的长度。当井田走向长度一定时，采用的通风系统不同，进风线路的长度也不相同。表12－6列出了在不同的通风系统中，新鲜风流沿走向的流动距离。当设计采用中央式、对角式及混合式时，有不同的降温效果，详见表12－7。从表中可以看出，与中央式通风系统相比，在风速相同时，对角式风温低2.2～6.3℃；混合式低2.4～9.3℃。

表12－6　新鲜风流线路长度

表12－7　风流的温升与通风系统的关系

注：1.该矿井深960m，走向长6km；
2.表中气温为集中运输大巷终风温。

（二）开拓措施

根据井田的地质特征及热害来源，主要进风巷尽可能布置在低岩温巷道中，尽可能避开局部高温区。

（三）开采措施

1.采用工作面后退式采煤

在各种条件相同时，采用工作面后退式采煤较采用工作面前进式采煤采面降温效果好些，这可从图12－1中不难看出。

图12－1　前进式采煤工作面与后退式采煤工作面（1000t／d）出口处

③干球温度与等感温度（℃）的关系曲线

2.充填法管理顶板

全部充填法管理顶板，是一种有效的降温措施。用此法管理顶板，采空区岩石散热影响减小，采空区漏风量大大降低；另外，充填物又大量吸热，可起到冷却矿内空气的作用，从而改善了采面的气象条件。

（四）其他措施

1.隔绝热源

采用某些隔热材料喷涂岩壁，以减少围岩放热。目前国内外常用的隔热材料有：聚乙烯泡沫、硬质氨基甲酸泡沫、膨胀珍珠岩以及其他防水性能较好的隔热材料。

2.预冷煤层

利用回采工作面附近的平巷或斜巷布置钻孔，将低温水通过钻孔注入煤体中，使回采工作面周围的岩体受到冷却。预冷煤层，要比采用制冷设备更为经济有效，并可兼收降尘之利。

3.进风井喷水

在进风井处，用冷水喷雾降低矿井进风温度，从而达到改善主要作业点的气象条件。

（五）个体防护

所谓矿工个体防护，就是在矿内某些气候条件恶劣的地点，由于技术和经济上的原因，不宜采取风流冷却措施时，可让矿工穿上冷却服，以实行个体保护。研究表明，穿着冷却服是保护个体免受恶劣气候环境危害的有效措施。

矿工身穿冷却服，可避免人身受高温环境的危害。冷却服的作用：一是可以防止对流传热伤害身体；二是可吸收人体在进行体力劳动时由新陈代谢产生的热量。冷却服应满足以下要求：

1.重量轻，穿上后不能影响正常工作。

2.冷却服应有自动制冷系统。

3.供冷时间长，一般要求大于5h。

4.制冷剂应采用无毒无害、不燃不爆物质。

5.防止因穿冷却服导致皮肤冻伤或感冒等症状发生。

二、人工制冷降温措施

在高温矿井中，当采用加大风量等非人工制冷降温措施后，矿内主要作业地点的气象条件仍达不到现行规程规定的要求时，或不经济时，应采取人工制冷降温措施，即采用矿井空调。

（一）矿井空调系统分类

根据空调对象，制冷站位置，空气处理设备位置，载冷介质性质，冷量传输管数量和系统开闭情况等，河南矿井空调系统可分为两种基本类型：

1.制冷站设在地面的矿井集中空调系统

如图12－2所示，在地面冷却矿井总进风，并在地面排放冷凝热。图12－3表示制冷站设在地面，在井下采用高压空冷器。

图12－2　制冷站设在地面且在地面冷却总进风

1－压缩机；2－蒸发器；3－冷凝器；4－节流阀；5－水箱；6.7－水泵；8－冷却塔；9－冷却水管；10－热交换器；11－空冷器

图12－3　制冷站设在地面且在井下设高压空冷器

1－压缩机；2－蒸发器；3－冷凝器；4－节流阀；5－水池；6、7－水泵；8－冷却塔；9－冷却水管；10－热交换器；11－冷水管；12－空冷器

2.制冷站设在井下的矿井集中空调系统

图12－4　制冷站设在井下，在井下排除冷凝热

1－压缩机；2－蒸发器；3－冷凝器；4－节流阀；5－水池；6－冷水泵；7－冷却水泵；8－水冷器；9－冷水管；10－空冷器

图12－5　制冷站设在井下冷凝热排到地面(www.xing528.com)

1－压缩机；2－蒸发器；3－冷凝器；4－节流阀；5.11－冷水泵；6－主水平冷水管；7－冷水池；8－主水平空冷器；9－下水平冷水管；10－下水平空冷器；12－冷水管；13－高低压换热器；14－冷却水管；15－冷却水泵；16－冷却塔；17－换热器

选择矿井空调系统，要根据矿井的具体条件进行分析比较。上述四种矿井空调系统优缺点比较表见表12－8。目前，矿井空调已基本实现了井下空调系统的大型化，空气冷却器的多样化，空调系统电控和测试的自动化、集中化，并朝着节能、高效方向发展。表12－8为国内矿井空调实例。

表12－8　两种矿井空调系统优缺点比较表

制冷机由于布置位置的不同，其排热方式有很大的差异。当制冷机组布置在地面时，冷凝器可以利用普通的冷却塔、凉水池所获得的冷却水或地面的大气来排除冷凝热。当制冷机组布置在井下时，冷凝热排放比较复杂，一般有三种方式：其一是利用矿井水排热。在矿井水温低于冷凝温度7～8℃以上时，矿井水可以用来为冷凝器排热。但矿井水的水量往往有限，只够排除部分冷凝热，所以该法只能作为辅助措施，或是出于节约电能而采取的节能措施。其二是利用矿井回风排热。利用矿井回风排热，首先是利用蒸发式水冷却器在回风巷中冷却水，回风被加温加湿，再利用已经冷却了的水去排除冷凝器的冷凝热。其三是从地面或经过地表层供水排热。在遇到利用矿井水和利用矿井回风排热有困难时，必须由地面供水或经过地表层（使水温降到接近恒温带的温度）供水排热。目前河南平顶山一矿制冷站安装井下制冷降温情况如表12－9所示。其他矿井制冷制冰系统均位于井上送至井下。

表12－9　矿井空调应用实例

三、河南高温矿井多采用地面集中制冷（低温水）降温技术

在地面制冷站内安装多台冷水机组，制出0℃左右的低温水，通过安装在井筒或斜井内的保冷管道送到井下换冷硐室内的高低压换冷器中与二次侧的高温水进行间接冷热交换，吸热后返回地面制冷机蒸发器循环使用（图12－6）。二次侧的循环水放热后水温降低到3℃左右，由冷水泵送到采掘工作面的空冷器散冷，达到降温目的。在井下设置中间换冷站的目的是分解输冷系统的工作水压。

图12－6　地面集中制冷（低温水）降温系统示意图

1－制冷机组；2－一次侧输冷管；3－高低压换冷器；4－二次侧输冷管；5－空冷器；6－冷水泵

地面集中制冷（低温水）降温系统与地面制冰降温系统的原理和二次侧输冷、散冷系统相同；不同之处，一是制冷机组不同，前者是制冷机组（即冷水机组），后者是制冷制冰机组；二是一次侧的载冷剂不同，前者是低温水，后者是碎冰；三是中间换冷装置不同，前者是高低压换冷器，后者是融冰池。

根据耗能方式制冷方式分为电制冷、利用蒸汽余热制冷和余热与电联合制冷3种制冷技术。

（一）电制冷技术

制冷机组以电为能源进行制取低温水的制冷方式，如采用螺杆式电压缩制冷机组进行制取低温水。

（二）热能为动力制冷技术

制冷机组以瓦斯发电余热或热电厂蒸汽余热为主要能源制取低温水的制冷方式，如吸收式溴化锂制冷机组制取低温水。若采用瓦斯发电后的烟气余热作为溴化锂制冷机组的能源时，既节省了能源，降低了制冷成本；又减少了温室气体排放强度。

一般情况下，瓦斯发电余热制取的蒸汽量往往不能满足溴化锂制冷机组的蒸汽量要求，因为瓦斯发电受瓦斯抽采量、瓦斯浓度及连续性的影响，致使瓦斯发电余热蒸汽供应不稳定。应考虑使用其他蒸汽热源，如热电厂蒸汽热源。但应合理设置蒸汽分汽缸技术参数，如蒸汽压力。使之既可互相补充，又可单独使用，互不干扰。

（三）余热制冷与电制冷联合制冷方式

以蒸汽余热为主要能源的吸收式溴化锂制冷机组为一级制冷，把冷媒温度降低到5℃左右；再由螺杆式电压缩制冷机组进行二级制冷，把冷媒温度进一步降低到设计值（一般为－5℃左右）。联合制冷方式制冷量大，制冷成本较低，冷量调节范围大，也是今后发展方向。

目前，由于矿井采深的不断增加，矿井热害也日益严重，需降温的采掘工作面也越来越多。受制冷系统压力大、井下排热困难和制冷设备防爆等条件限制，矿井降温方式已由井下集中制冷降温方式逐步向地面集中制冷降温方式发展。如梁北矿中平能化集团六矿的地面制冰降温系统，中平能化集团四矿、十一矿的地面余热制冷（低温水）降温系统。

地面制冷设备主要技术参数见表12－10。

表12－10　地面制冷设备主要技术参数

续表

（四）地面集中制冷（低温水）降温工程实例

中平能化集团四矿是我国热害比较严重的矿井之一。年生产能力2.8Mt，采深880m，地温梯度3.7℃／100m。2006年夏季实测已16－23070采煤工作面气温超过35℃；已15－23140机巷的煤体温度达到41℃；三水平上车场巷道内气温高达37.2℃，相对湿度96%～97%，底板灰岩出水温度高达49.5℃。大部分职工裸体干活，多次发生职工皮肤湿疹、呕吐、中暑、晕倒等高温事故，生产效率及出勤率大幅度下降。

1.降温范围、降温标准及采掘工作面冷负荷计算

（1）降温范围：即已16－23070工作面、已16－23060工作面、已15－23140机巷和三水平下山掘进工作面。

（2）降温标准：采掘工作面气温降低5～7℃。

（3）采掘工作面冷负荷计算：综采工作面风量按1600m3／min，温度按36℃；掘进工作面风量按500m3／min，温度按36℃。根据井下风流热力参数分析计算，采煤工作面按1500KW、掘进工作面按500KW配冷。考虑富余量，矿井总冷负荷为5000KW。

2.降温方案研究与优化

（1）降温方案对比：

方案1：热－电－冰联产降温，即利用斜井输冰方案。

方案2：热－电－乙二醇低温制冷降温（地面集中制冷降温）。

方案技术比较见表12－11。

表12－11　降温方案技术比较

续表

由上表可以看出：

①技术方面：上述方案均可行；工期：方案2短。

②可靠性：上述方案均采用国际上先进的设备，可靠性上相同。

③经济方面：初期投资方案1大，方案2较小。

利用电厂余热符合国家产业政策；热－电－乙醇低温制冷矿井降温技术为国内首次。结合四矿生产条件及瓦斯发电（或电厂）余热可以充分利用的有利条件，推荐方案2。

（2）实施方案：“热－电乙二醇低温制冷降温工程”在四矿矸石电厂院内建立余热制冷站，安装1台溴化锂机组和3台乙二醇机组；井下－320m水平设换冷硐室主体安装7台高低压换冷器；每个采煤工作面安装产冷量为50KW的空冷器4组28台，每个掘进工作面安装产冷量为150KW的空冷器2台。由高低压两个回路构成降温系统。高压侧冷媒采用25%～30%质量浓度的乙二醇水溶液，低压侧冷媒采用普通水。

①工艺流程。利用热电厂蒸汽余热，通过溴化锂吸收式制冷机一级制冷制出5.2℃的低温水，再由压缩式制冷机二级制冷使冷媒温度进一步降低到－3.4℃，然后由主斜井送到－320m水平换冷硐室内的高低压换热器进行冷热交换，乙二醇水溶液放出冷量后返回地面循环使用。高低压换热器的低压侧循环水吸收冷能后，由冷水泵将3℃左右的低温水输送到安装在综采工作面机巷或掘进工作面外口的空冷器进行冷热交换，使采掘工作面进风流温度降低，达到治理热害的目的。

②运行模式。可根据采掘工作面实际冷负荷及工作需要，选择开1台溴化锂机组，或溴化锂机组与1～3台乙二醇机组分别联合运行模式。

③降温效果

系统自2007年8月8日运转后，实测采掘工作面气温由34℃降低到26℃，平均降低6～8℃，降温效果明显。已16－23070综采工作面平均降温幅度：下口7.95℃，上口6.76℃；掘进工作面（三水平下山）平均温度降幅：迎头8.23℃，回风口8.09℃；已15－23140机巷平均温度降幅；迎头6.25℃，回风口6.15℃。