伴隨礦山開采深度加大，高溫?zé)岷栴}日益凸顯。濕與熱不僅影響礦工的健康和生產(chǎn)效率，還成為安全生產(chǎn)的重大隱患。因此，研究開發(fā)節(jié)能高效、安全可靠的礦井制冷降溫裝備及系統(tǒng)，成為礦山開采行業(yè)的“必答題”。
據(jù)《中國能源報(bào)》記者了解，近年來，國內(nèi)外在礦井熱害治理技術(shù)上不斷創(chuàng)新，從德國的水冷技術(shù)到南非的冰冷技術(shù)，再到我國自主研發(fā)的熱害資源化利用系統(tǒng)，礦井降溫技術(shù)逐步向高效能、高效益邁進(jìn)。但隨著未來開采深度進(jìn)一步加大，設(shè)備功率與井下空間有限的矛盾或?qū)⒅饾u顯現(xiàn)，仍需通過新材料、新結(jié)構(gòu)和智能化技術(shù)持續(xù)升級(jí)設(shè)備，以應(yīng)對(duì)愈加復(fù)雜的井下環(huán)境。
井下濕熱難耐
初次進(jìn)入煤礦，隨著電梯抵達(dá)井下，煤礦帶給《中國能源報(bào)》記者的第一印象是“濕”。通常來說，礦井最適宜的相對(duì)濕度是50%—60%，而井巷壁面散濕、礦井水蒸發(fā)持續(xù)給礦井空氣“加濕”，這樣井下空氣的相對(duì)濕度多為80%—90%。另一方面，地?zé)?、采掘設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)放熱、運(yùn)輸中的礦物和矸石放熱等一系列因素也讓礦井溫度升高。部分礦山還可能面臨巖石溫度高、地下熱水涌出、采掘工作面風(fēng)量偏低問題，進(jìn)一步加劇高溫。
近年來，部分老礦區(qū)、老企業(yè)的淺層煤炭資源逐漸枯竭，深部開采條件下的煤層復(fù)雜難采，“高濕+高溫”形成的礦井熱害成為安全生產(chǎn)的主要威脅之一。在安徽省淮北礦區(qū)，16對(duì)生產(chǎn)礦井采掘活動(dòng)深度大多在地下500—1000米，其中開采深度達(dá)800米以深的礦井有9對(duì)，最深采掘活動(dòng)地點(diǎn)達(dá)到地下1000米。隨著開采深度增加，礦區(qū)生產(chǎn)礦井面臨不同程度地溫?zé)岷?，其中信湖、渦北、許疃等煤礦較明顯，在無制冷設(shè)備運(yùn)行情況下，采掘活動(dòng)地點(diǎn)地溫達(dá)到30攝氏度以上。同時(shí)，礦區(qū)開采深度每增加100米，地溫就會(huì)上升1.4—3.3攝氏度。
過于悶熱的環(huán)境影響礦工健康、降低生產(chǎn)效率，熱害造成的精神恍惚和疲勞也是造成礦山安全事故的重要原因之一。我國《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，工作面環(huán)境溫度超過26攝氏度必須采取措施，超過30攝氏度則必須停產(chǎn)。
熱害也能成為資源
“高溫?zé)岷ξ：と松硇慕】怠⒂绊憴C(jī)電設(shè)備正常運(yùn)行，還會(huì)加速煤炭氧化過程，是導(dǎo)致煤炭發(fā)生自燃災(zāi)害的重要因素之一。”中國礦業(yè)大學(xué)(北京)隧道工程災(zāi)變防控與智能建養(yǎng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授郭平業(yè)在接受《中國能源報(bào)》記者采訪時(shí)表示，高溫巖層中的溫度壓力耦合作用還會(huì)誘發(fā)吸附氣體逸出、圍巖強(qiáng)度溫差應(yīng)力損傷、支護(hù)結(jié)構(gòu)功能失效等多種問題，進(jìn)一步催化瓦斯突出、圍巖變形、巖爆等高溫?zé)岷φT發(fā)的次生災(zāi)害。
目前，國外較有代表性的熱害治理技術(shù)是德國的水冷技術(shù)和南非的冰冷技術(shù)。郭平業(yè)介紹：“水冷技術(shù)就是把中央空調(diào)移到井下，通過水循環(huán)把冷凝熱輸送到地面冷卻。但整體投資比較大，夏季地面溫度高導(dǎo)致降溫系統(tǒng)能效較低。而冰冷技術(shù)誕生于上世紀(jì)80年代，因?yàn)槟戏堑慕鸬V深度大，最深超過4000米，為解決水循環(huán)系統(tǒng)高壓問題，就在地面制冰，輸送至井下用于制冷。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是輸送易卡頓、制冰能耗大且沿途損耗大。”
近年來，我國礦井熱害資源化利用裝備系統(tǒng)在一批煤礦落地應(yīng)用，礦井實(shí)現(xiàn)井下降溫的同時(shí)，熱能被交換到井上循環(huán)利用。“熱害資源化利用技術(shù)可將熱害變?yōu)闊崮苜Y源，用于井口防凍、洗浴和供熱等場景。”郭平業(yè)表示，位于徐州市的張雙樓煤礦利用這一系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了燃煤鍋爐替代，每年可節(jié)約燃煤約1.5萬噸。此外，我國技術(shù)還具有全風(fēng)降溫模式、可移動(dòng)可組裝的特點(diǎn)，在投資、效率和運(yùn)行費(fèi)用等方面都具有顯著優(yōu)勢。
設(shè)備需持續(xù)升級(jí)
礦井降溫設(shè)備的基本工作原理與傳統(tǒng)空調(diào)類似，但與地面建筑物不同，礦井是一個(gè)全開放的系統(tǒng)，沒有墻體和門窗的隔離，井下冷凝熱排放更加困難。同時(shí)，井下空間有限，設(shè)備結(jié)構(gòu)不僅要緊湊，還要做防爆處理。此外，礦井降溫設(shè)備也要對(duì)惡劣環(huán)境有極強(qiáng)的適應(yīng)性。
作為較早探索熱害治理的煤礦之一，中煤新集劉莊煤礦開采深度約為762米，平均溫度38.48攝氏度，接近二級(jí)高溫區(qū)。該礦建立獨(dú)立制冷系統(tǒng)，冷凍水經(jīng)井下壓力交換或熱交換系統(tǒng)傳輸后，通過管道、局部通風(fēng)機(jī)、空冷器，吹散到采掘工作面，稀釋現(xiàn)場的空氣熱量，從而達(dá)到降溫效果。
在華能慶陽新莊煤礦，該礦兩條巷道放熱量大，其中機(jī)電設(shè)備與圍巖放熱占放熱總量的80%以上。為防止熱害，該礦引入由礦用空氣源熱泵、水流管路、控制器、冷水供應(yīng)和熱水收集裝置等多種設(shè)備組成的降溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)巷道風(fēng)流降溫和廢熱處理，可將設(shè)備周邊29.1攝氏度的空氣降溫至17.5攝氏度，還可根據(jù)需要調(diào)整功率，實(shí)現(xiàn)不同程度降溫效果。
伴隨未來礦山開采深度加大，熱害威脅將愈加嚴(yán)重，設(shè)備需求功率也將隨之增加。但設(shè)備的高功率也意味著大體積，和深部開采愈發(fā)緊張的井下空間形成矛盾。郭平業(yè)表示：“要解決這一矛盾，需要新型材料和換熱結(jié)構(gòu)提高設(shè)備換熱效率，并通過模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)井下實(shí)際空間和需求靈活組裝設(shè)備。此外，利用人工智能等技術(shù)精準(zhǔn)調(diào)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，也可提升降溫效果。”