水冷模式降温系统在深井的应用

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摘要：简单阐述了矿井高温高湿产生的原因及其危害，为了抑制高温高湿所带来的危害，采用水冷模式HEMS降温系统，并介绍其原理及应用效果。

关键词：高温高湿；水冷模式；HEMS降温系统

中图分类号：TU111.4文献标识码：A 文章编号：

随着矿井的不断开采，矿井深度增加，高温高湿问题也显得越来突出，对井下人员的工作效率、安全和健康产生了极大的影响，必须采取措施进行治理，以保证井下有适宜的工作环境。治理热害环境是保证矿井安全高效生产、提高矿井综合效益的必备条件，进而促使劳动生产效率提高，实现工作面的稳产、高产，保证矿井生产能力的实施。

张小楼井是徐矿集团千米深井之一，曾是华东第一深井，距离徐州市区13km。该井于1973年建成投产，技术改造后核定生产能力为120万t/a。采用立井多水平开采，井深-1025m，现西一-1125水平开采7煤和9煤，一个综采工作面组织生产；西二水平正在修护和开拓。

张小楼采掘工作面在-1125米以下，在夏季炎热的天气下，井下进风温度高，经过采掘头面后，回风温度明显升高，湿度增大。据研究资料介绍，矿井作业环境温度达到26℃及以上时，工人长时间在此环境中作业，体力消耗大，平均劳动效率比在正常条件下工作时下降30%。因此，伴随着井下开采深度的增加，热害问题也将会越来越严重，治理矿井热害已刻不容缓。

1、矿井温度场概况

根据张小楼井地面钻孔测温资料统计分析，认定矿井的恒温带深度为40m，矿井恒温带的温度为21.2℃，平均地温梯度值为1.64℃/100m。目前张小楼井开采垂深已达-1100以下，由于受地温、矿井水散热等因素的影响，采掘工作面温度普遍偏高，局部地区高达35℃，属于高温矿井。

2、井下资源条件

张小楼井矿井涌水量小，平均涌水量达到34m3/h，可提取的冷量仅为523.35kw，不能满足降温要求，因此在提取矿井涌水冷量的同时，也要充分利用了回风里面的冷量来实现制冷的要求。在主机降温硐室与冷水仓之间有一个斜巷回风道，正好可以利用斜巷回风道中回风的冷量来实现制冷的要求。

3、水冷模式HEMS降温系统物理学原理

水冷模式HEMS降温系统是针对深井开采高温热害控制研发的一套工艺系统，系统采用地下水作为低品质热源，并利用热泵技术，通过少量的高电位电能输入，实现冷热量由低位能向高位能的转移，从而达到供冷的目的。该系统在布置上充分利用矿井涌水以及排水系统，通过能量提取系统从中提取冷量，然后运用提取出的冷量与工作面高温空气进行换热作用，降低工作面的环境温度及湿度。其工作原理如下图1所示。

图1 HEMS系统工作原理

图中的降温逆卡诺循环包括冷凝器、节流阀（或膨胀阀）、蒸发器、压缩机四大部件，整个过程是通过制冷剂作为工质来实现循环，在环路中，制冷剂被井下水仓矿井涌水吸取热量后冷凝为液态（过程4-3），然后经过节流装置（过程3-2），压力降低，温度也相应降低，低温低压的制冷剂液体流入蒸发器，被来自降温工作面环路的热水里面热量蒸发（过程2-1），被蒸发的制冷剂进入压缩机中，被压缩为高温高压的蒸汽（过程1-4），这些汽态制冷剂携带着热量和压缩机消耗的电能一起进入冷凝器，循环继续进行。其中矿井涌水被提取冷量后直接经过排水系统排至地面。

4、系统流程

根据张小楼井井下涌水情况，通过水冷HEMS系统从井下涌水、防尘水及回风中获取冷量。矿井涌水及防尘水中含有大量杂质和矿物质，直接用作冷源进入HEMS-I机组会对制冷机组造成腐蚀及结垢，严重影响其制冷效果及使用寿命，在制冷硐室内加入HEMS-T三防换热器，在有效保护HEMS-I机组的前提下，提取冷量，保证热交换率。其水冷模式降温系统流程图如图2所示。

图2 水冷模式降温系统流程图

5、水冷模式降温系统效果

降温机组、泵房、补水系统及管路系统安装投入使用后，机组运行状态良好，其降温效果非常明显，95206工作面的温度明显降低，下图3和图4是在该工作面中使用降温系统前后在同一点采集温度和湿度的变化情况。

图3降温前后温度变化曲线

6、结论

（1）此次降温主要针对-1125西一采区的1个回采工作面，回采工作面环境温度达30~35℃，湿度达95%。选用水冷HEMS降温系统后工作面温度下降大约8.6，湿度大约下降15%，工作面的温度和湿度都有大幅降低，达到了预期目标。

（2）在95206综采工作面皮带机道采用了HEMS-II纯风降温模式，较之混风降温模式明显，工作面降温效果显著。

（3）张小楼井采用水冷式HEMS降温系统，利用矿井涌水以及回风巷道风流中的冷量，不仅有效降低了工作面空气温度，同时也降低了空气湿度，改善了工作环境，保证了作业人员的安全生产。而且利用了井下废水，实现了节能减排，具有良好的社会和经济效益。

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