随着矿井开采深度的增加,岩石温度升高,开采与掘进工作面的环境热害日益严重,不少工作面的气温超过28℃,个别高达34℃。目前国内外的研究成果显示,在井下作业地点气温超过28℃时,便会对人体健康产生明显影响,使作业人员体温升高、水盐代谢出现紊乱,循环系统、消化系统、泌尿系统、神经系统等均会因高温高湿大量失水,改变正常功能,甚至致病。原苏联的研究成果显示:井下气温每超过标准(26℃)1℃,劳动生产率便下降6% ~8%〔1〕。
《煤矿安全规程》第102条规定:采掘工作面空气温度超过30℃,机电硐室空气温度超过34℃,必须停止作业〔2〕。在高温环境下作业,不但矿工劳动生产率下降,身体健康将受到损害,同时也严重威胁井下安全生产。
目前国内外的矿井降温,主要有2个方面的措施:一是非人工制冷措施(采矿技术),通过通风降温或改革采煤工艺以及煤壁注水预冷煤层等;二是人工制冷降温措施,即采用人工机械制冷进行降温。
非人工制冷措施虽然经济实用,但受到诸多因素的制约,其效果有限,一般只能降低2℃左右,远远满足不了采掘工作面的降温需求。根据目前应用实践,矿井降温最有效的方法还是人工制冷降温〔3〕。
1 机械制冷降温在煤矿巷道中的应用现状防治矿井热害机的械制冷降温技术虽然已有80余a的历史,但迅速发展和较广泛地应用仅是近30 a的事。在各国科技工作者的共同努力下,用于防治矿井热害的技术已经取得了巨大成就,在矿井开采过程中起着重要作用。1977年,原苏联研制成移动式矿用制冷机,在煤矿和金属矿的独头掘进巷道中应用。1985年11月,南非在世界上首次用冰做载冷剂冷却空冷器的冷却水,该系统的制冷能力达628 kW。1989年,南非一金矿建成压缩空气制冷空调系统,将空气在地面压缩为液态,通过管道输送到井下,先膨胀成气态后,再进入空气制冷机,排出的低温空气冷却工作面的风流。同年,波兰研制出涡流管式空气制冷装置,在煤矿掘进工作面试用,取得了一定的降温效果〔4〕。
近几年德国在矿井降温方面研究取得了很好的成果,一些新产品通过代理和技术转让已服务于中国煤矿。例如WAT公司在峰峰集团梧桐庄矿、淮南矿业集团潘三矿DV400、DV290大气降温机,西马格公司在国投新集刘庄矿矿井降温系统,HERCO公司通过技术转让的方式与北京长顺安达合作在阜新清河门矿的ZJL-450降
温机,降温效果良好。
早在20世纪70年代,我国就开始矿用制冷设备的研制工作,但进展相对缓慢。80年代后,随着矿井开采深度的加深,矿井热害已经严重影响到了煤矿的正常生产。1993年7月,平顶山矿务局科研所和原中国航空工业总公司第609研究所联合研制成KKL101矿用无氟空气制冷机,并且在平煤五矿己三轨道下山掘进工作面实施局部制冷降温,可使掘进工作面的气温降低5~8℃。1996后又与相关单位合作,用LSLGF-300、1000、500螺杆式水冷机组对工作面降温,效果明显〔5-6〕。
近两年,随着对矿用机械制冷设备需求量的增加,国内一些厂家也开始对矿用制冷设备的研制,唐山开成与烟台冰轮合作开发的ZJL-500矿用大气降温装置已经通过安标国家中心的矿用产品安全标志认证。
2 机械制冷系统在煤矿巷道中的应用
2. 1 制冷方式
在煤矿井下制冷降温中,常见制冷方式有蒸汽压缩式和空气压缩式,蒸汽压缩式制冷是利用液体气化时的吸热效应而实现制冷的。在一定压力下液体气化时,需要吸收热量,该热量称为液体的气化潜热。液体所吸收的热量来自被冷却对象,使被冷却对象温度降低,或者使它维持低于环境温度的某一温度。在液体气化制冷中,可分为机械压缩式、吸收式、喷射式、吸附式制冷,而在煤矿井下制冷系统应用中,以机械压缩式制冷为主。机械压缩式制冷系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成,用管道将其连成一个封闭的系统。工质在蒸发器内与巷道空气发生热量交换,吸收被冷却对象的热量并气化,产生的低压蒸汽被压缩机吸人,压缩机消耗能量(通常是电能),将低压蒸汽压缩到需要的高压后排出。
压缩机排出的高温高压气态工质在冷凝器内被常温冷却介质(水或空气)冷却,凝结成高压液体。高压液体流经膨胀阀时节流,变成低压、低温湿蒸汽,进入蒸发器,其中的低压液体在蒸发器中再次气化制冷。空气压缩式制冷为理想气体的逆向循环系统,高压气体绝热膨胀时,对膨胀机作功,同时气体的温度降低。其循环型式主要有:定压循环,有回热的定压循环和定容循环。与液体气化式制冷相比,空气膨胀制冷是一种没有相变的制冷方式,所采用的工质主要是空气。由于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,空气压缩式制冷在矿井降温中很少应用,因此只介绍蒸汽压缩式制冷
系统在煤矿中的应用。
蒸汽压缩式制冷降温系统根据制冷站的安装位置、冷却矿内风流的地点、载冷剂的循环方式等,可分为井下集中式、地面集中式、井上下联合式和井下局部分散式。
(1)井下集中式制冷机设在井下,通过管道集中向各工作面供冷水。系统比较简单,供冷管道短,没有高低压转换装置,仅有冷水循环管路。但是这需要在井下开凿大断面峒室,给施工和维护带来一定困难。随着开采深度的增加,矿井需求冷量的增大,井下集中空调系统的冷凝热排放困难则成为突出的问题,制约了制冷能力,其系统布置如图1所示。
图1 井下集中式制冷系统
(2)地面集中空调系统分为2种:一种是地面冷却风流系统,其全部设备都设在地面,对矿井总进风风流进行冷却,其系统布置如图2所示。由于冷却降温后的低温风流不断被井下热源加热,降温
效果变低。故仅适用于开采深度小、风流距离短的高温矿井。另一种是井下冷却风流系统,其制冷机位于地面。载冷剂(冷水或盐水)通过隔热管道被送到井下采掘工作面的空冷器。从地面到井下高差大,载冷剂输送管道中的静压很大,所以必须在井下增设高低压转换装置。
图2 井上集中式制冷系统
(3)井上下联合系统的制冷机分别设在地面和井下,可以看作是井上、井下制冷系统的混联,具有地面和井下2个系统的特点。该设备布置分散,冷媒循环管路复杂,操作管理不便。
(4)井下局部分散式系统的制冷机可移动,仅供1个或局部高温场所空调使用。蒸发器即相当于空冷器。冷量传输距离小,冷损小,初期投资少,移动灵活。但冷凝热排放困难,故仅适用于小范围的煤矿降温空调。其系统布置如图3所示。
2. 2 压缩机
压缩机是制冷空调的心脏,它对系统运行性能、噪声振动和使用寿命有着决定性作用。矿用制冷装置的制冷量一般都在100 kW以上,在此冷量范围内,长期以来使用的主要是活塞式、螺杆式2种机型〔6〕。近年来螺杆式压缩机工作可靠性的不断提高,
图3 井下局部分散式制冷系统
已开始取代较大的往复式压缩机,而螺杆式压缩机两种基本机型中,双螺杆制冷压缩机显得较多地受到青睐。作为矿用设备,压缩机在整个制冷装置中的安全性显得格外重要。它作为一种特种设备,在运转中可能会出现一些异常情况,如排气压力过高,吸气压力太低,油压不足,排气温度过高等。出现这些异常情况,给生命和财产带来隐患,轻则会对压缩机造成损坏,重则会发生爆炸。因此作为矿用设备的制冷装置压缩机必须采取以下防护措施:
(1)压力保护。压力保护包括压缩机的吸排气压力保护和润滑油压力保护。压缩机运转时,因系统的原因或压缩机本身的原因,可能出现排气压力过高或吸气压力过低的情况。为此应设置高、低压压力控制器、安全阀。为防止制冷剂泄漏至大气,一般采用闭式安全阀。为保证压缩机运动部件的良好润滑,并保证有些压缩机输气量控制机构的正常动作,必须设置润滑油压差控制器。
(2)温度保护。排气温度过高导致制冷剂分解,绝缘材料的老化,润滑油结炭,气阀损坏。因此,应在排气口设置温控器,排气温度过高时,温控器动作,切断电路。
2. 3 空冷器
空冷器是冷却流过其表面的空气,进而实现降温的热交换器,对于井下局部分散式机械制冷降温系统,空冷器相当于蒸发器。矿用空冷器主要分为两大类:表面式空冷器和直接接触式空冷器(也称喷淋式空冷器)。表面式空冷器由于结构紧凑、体积小、适应性强等优点而倍受青睐。为了提高其换热效率,常在表面式空冷器的肋管上增设翅片,以增加换热面积。这种翅片式空冷器常因井下条件恶劣,粉尘浓度高,很难发挥应有的效果。德国等发达
国家改用换热效率较低的光管式空冷器,并配合冲洗泵,以适应井下恶劣环境。直接接触式空冷器具有换热效率高的优点,但由于其体积较大,不及表面式空冷器布置灵活,因而限制了它的使用〔7〕。另外由于受到井下诸多条件限制,活性金属铝不能在井下使用,热交换器的材质比较好的是铜和不锈钢。
紫铜的热导系数比不锈钢大很多,故紫铜也常作为热交换器的材质。
2. 4 制冷剂
在蒸汽压缩式制冷中,循环流动的工作介质称为制冷剂,又称制冷工质,它在系统的各个部件间循环流动,以实现能量的转换和传递。卤代烃是目前最常用的制冷剂,在矿用制冷装置中,制冷剂的选择除了要环保、高效外,更重要的是要安全,不经意的制冷剂泄漏会造成严重的事故。因此在选择制冷剂时首先应考虑制冷剂的毒性、燃烧和爆炸性。制冷剂可以根据特性分为3个组别:
(1)对人体健康基本上无害的、不易燃的制冷剂。
(2)有毒或有腐蚀性的制冷剂,当其与空气形成混合物时,其引爆体积分数下限(起爆点)不低于3. 5%。
(3)当制冷剂与空气形成混和物时,其引燃体积分数下限(起爆点)低于3. 5%。在我国有热害的矿井中,绝大部分又是瓦斯矿井。因此应选择第1组的制冷剂。目前常用在井下制冷装置的制冷剂〔8〕见表1。
2. 5 润滑油
制冷系统中的润滑油又称冷冻机油、润滑机油。在制冷系统中,润滑油和制冷剂在压缩机内直接接触;有少量润滑油被携带进制冷管路内随同制冷剂循环;在封闭压缩机中,润滑油与电动机的线圈及密封等有机材料密切接触;制冷系统中的润滑油既经历压缩机排气的最高温度,又经历膨胀阀、蒸发器的最低温度〔9〕。因此润滑油润滑压缩机的各运动部件,既能减少摩擦和磨损,又能起到冷却作用,将运动部件保持较低温度,以提高效率。利用润滑油的粘度,使运动部件间形成油膜,维持制冷循环高低压力,起密封作用。在选择煤矿井下用制冷装置润滑
用油中,除了要考虑润滑油的粘度、与制冷剂的互溶性等物性指标外,更重要是其化学性能指标,根据不同排气温度,应选用不同闪点的润滑油,一般润滑油的闪点应高于排气温度15~30℃。
3 煤矿用机械制冷降温系统的发展前景
随着高温矿井数量的不断增多,机械制冷降温系统在矿井中的应用会越来越广泛。煤矿用机械制冷降温系统应不仅体现在其安全性上,更应该与国家的“节能减排”政策相一致,为此需从以下几方面做起:
(1)煤矿用机械降温系统的投资、成本的高低、降温效果的好坏将直接取决于设计水平、降温系统装备水平和系统安装、管理和维护水平。因此降温设计和降温设施,应与矿井改造、建设同时设计、同时施工。
(2)热害集中的矿井,在经济条件允许下,尽可能采用井下集中制冷降温,这样可以降低单位制冷量功耗,管理也大大方便。
(3)针对煤矿井下多灰尘、高湿度环境,依据表面式空冷器的结构特征,开发高效的配套清洗装置或研制机动灵活、体积小的喷淋式空冷器,以适应煤矿井下多种场合的需要。
(4)由于煤矿井下的特殊环境,要求制冷机所用的制冷剂必须符合无毒、不可燃和无爆炸危险的要求,目前广泛使用的制冷剂R22虽然符合煤矿井下的特殊要求,但其散放到大气中对臭氧层有破坏作用,急需新型制冷剂。
4 结 语
我国煤矿开采深度的不断增加,高温矿井的数量也在不断增多,如何有效地解决井下高温问题己迫在眉睫。加强通风、预冷进风风流等优化通风系统的方法在我国矿井热害治理中应用较为成熟,但其降温幅度有限,限制了其在井下大规模应用。机械制冷降温技术在矿井降温中应用虽然得到广泛发展,但煤矿井下空气中含有瓦斯、煤尘等可燃易爆气体,高湿度的环境也给井下制冷降温设备提出了更严格的要求。国内矿井降温设备生产厂家和使用单位还需研制出更安全、高效、经济的适合我国煤矿井下使用的机械制冷降温设备。
参考文献:
〔1〕 孙艳玲,桂祥友.煤矿热害及其治理〔J〕.辽宁工程技术大学学报, 2003, 22(8): 35-37.
〔2〕 国家安全生产监督管理局.煤矿安全规程〔M〕.北京:煤炭工业出版社, 2004.
〔3〕 孙建华,张小洲.平煤五矿井下降温措施与效果〔J〕.煤矿安全, 2001(4): 20-22.
〔4〕 李慧娟.矿井降温中的空气调节技术〔J〕.暖通空调,1994(6): 43-44.
〔5〕 李振顶,彭辉仕.矿井热害的治理方法及效果〔J〕.煤炭科学技术, 2002, 30(1): 22-24.
〔6〕 缪道平,吴业正.制冷压缩机〔M〕.北京:机械工业出版社, 2001.
〔7〕 刘何清,吴 超,王卫军.矿井降温技术研究述评〔J〕.金属矿山, 2005(6): 43-46.
〔8〕 全国冷冻设备标准化技术委员会.GB 9237-2001制
冷和供热用机械制冷系统安全要求〔S〕.北京:中国标准出版社, 2001.
〔9〕 董天禄.离心式/螺杆式制冷机组及应用〔M〕.北京:机械工业出版社, 2006.
作者简介:孙志林(1980-),男,陕西榆林人,助理工程师, 2006年7月硕士毕业于西安交通大学制冷与低温工程系,现在煤炭科学研究总院检测分院从事产品检测检验,发表论文4篇。