創(chuàng)新點(diǎn)

（1）分析深井熱源與熱匯的時空分布特點(diǎn)，總結(jié)了人工制冷技術(shù)應(yīng)用于深部礦井熱害治理中的難點(diǎn)。

（2）結(jié)合場地氣候、井巷結(jié)構(gòu)、礦區(qū)水源等特征，提出了綠色、經(jīng)濟(jì)、高效的降溫方案，為深部礦井熱害治理優(yōu)化設(shè)計和工程應(yīng)用提供參考。

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水源熱泵技術(shù)應(yīng)用于深部礦井熱害治理——以貴州錦豐金礦為例

作者：文志杰, 裴鵬, 趙杰, 孫靖湖, 唐龍

單位：1. 貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院；2. 中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院

引用格式：

文志杰，裴鵬，趙杰，等. 水源熱泵技術(shù)應(yīng)用于深部礦井熱害治理?以貴州錦豐金礦為例[J]. 綠色礦山，2024，2(4)：344?356. WEN Zhijie，PEI Peng，ZHAO Jie，et al. Water-source heat pump in governance of heat hazard in deep mines –An example of Jinfeng Gold Mine, Guizhou[J]. Journal of Green Mine，2024，2(4)：344?356.

摘要

深地開采是未來采礦技術(shù)的發(fā)展方向，礦井熱害是制約深部礦井安全生產(chǎn)的主要因素之一。由于深部礦井工作面處于地層增溫帶，疊加井下工業(yè)熱源后，熱源具有點(diǎn)多分散、持續(xù)時間長、瞬時放熱功率大等特點(diǎn)。常規(guī)的通風(fēng)優(yōu)化、巷道和設(shè)備布局優(yōu)化、隔絕熱源等降溫技術(shù)無法滿足深部礦井降溫需求，亟待開發(fā)和應(yīng)用高效、綠色、大功率的井下人工制冷技術(shù)。從熱泵原理出發(fā)，討論了礦區(qū)地面和井下熱源與熱匯的時空分布特點(diǎn)，總結(jié)了人工制冷技術(shù)應(yīng)用于深部礦井熱害治理中的難點(diǎn)。貴州錦豐金礦目前開采深度達(dá)630 m，以該礦為例，判別了井下熱害來源，計算了冷負(fù)荷；根據(jù)礦井生產(chǎn)特點(diǎn)比選了降溫對象；探討了利用該礦區(qū)附近水體為熱匯，通過水源熱泵技術(shù)對井下空間降溫的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性；通過實(shí)地調(diào)研、測量、理論計算和數(shù)值模擬，分析了礦區(qū)附近綠蔭塘、洛凡河、北盤江和生產(chǎn)引水渠4處水體的蓄熱容量和熱匯穩(wěn)定性；計算了基于不同水體水源熱泵方案的初投資和運(yùn)行成本，并進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比。經(jīng)過綜合分析后，推薦了將礦井引水渠作為水源熱泵冷源，對井口新風(fēng)進(jìn)行一次性降溫的技術(shù)方案。該方案具有降溫效果好，投資低，熱匯穩(wěn)定容量大，生態(tài)影響小等特點(diǎn)。

引言

深地開采是未來采礦技術(shù)的發(fā)展方向。一般開采深度超過600 m的礦井稱為深部礦井。由于深部礦井工作面處于地層增溫帶，礦井熱害問題較為突出。井下高溫會嚴(yán)重降低生產(chǎn)效率，影響工人的身體狀況和操作精確性，增加各種失誤的可能，形成安全事故隱患；另一方面，高溫高濕度條件下，機(jī)電設(shè)備排放熱量困難，過高的溫度容易導(dǎo)致設(shè)備損壞，可能發(fā)生絕緣受損。礦用機(jī)電設(shè)備的一般溫度限制值為40 ℃，而礦用隔爆機(jī)電設(shè)備的一般限制值為45 ℃。當(dāng)機(jī)電設(shè)備在相應(yīng)閾值溫度附近運(yùn)轉(zhuǎn)時，安全事故發(fā)生率也會顯著提高。當(dāng)前主流的礦井降溫技術(shù)包括優(yōu)化巷道和機(jī)電設(shè)備布置、優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)、隔絕熱源、人工制冷等。其中，人工制冷循環(huán)具有功率大、降溫效果好等特點(diǎn)。

制冷循環(huán)，或稱為熱泵循環(huán)，是基于逆卡諾循環(huán)的原理，將降溫對象的熱量轉(zhuǎn)移至熱匯(也稱為冷源)，即通過輸入機(jī)械功將熱量從低溫環(huán)境向高溫環(huán)境的轉(zhuǎn)移。通常，熱匯接收熱量過程也可理解為冷源向熱源提供冷量的過程。熱泵機(jī)組包含了蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥等核心部件。首先，蒸發(fā)器從熱源(即高溫礦井環(huán)境)中吸收熱量，使工質(zhì)從液態(tài)蒸發(fā)為氣態(tài)；高溫氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)，通過提高壓力和溫度升高工質(zhì)飽和溫度；之后工質(zhì)進(jìn)入冷凝器，由于冷凝器的溫度低于工質(zhì)的飽和溫度，工質(zhì)在冷凝器中釋放熱量并凝結(jié)為液態(tài)，同時將這些熱量傳遞給熱匯(冷源)；最后，經(jīng)過膨脹閥的調(diào)節(jié)降低工質(zhì)壓力，且溫度低于熱源的溫度；工質(zhì)重新進(jìn)入蒸發(fā)器吸收熱量，從而完成整個制冷循環(huán)。熱源可以是大氣(風(fēng)冷熱泵)、巖土體(埋管式地源熱泵)、地表或地下水體(水源熱泵)等。根據(jù)逆卡諾循環(huán)的原理，當(dāng)熱源和熱匯的溫差越大時，制冷循環(huán)的能效就越高。由于熱源特征與可利用熱匯的差異，用于深部礦井空間降溫的制冷循環(huán)展現(xiàn)了不同于地面建筑制冷循環(huán)的一些特點(diǎn)。礦井中的熱源主要分為自然熱與工業(yè)余熱。自然熱主要為地?zé)?，分布廣泛、持續(xù)時間長、低品位且穩(wěn)定。而工業(yè)作業(yè)中產(chǎn)生的廢熱，特別是機(jī)械操作和爆破產(chǎn)生的廢熱則具有短時、高溫的特點(diǎn)，并集中在工作面周圍。盡管工業(yè)產(chǎn)生的熱量在礦井總熱量中的占比低于自然熱量，但往往更容易對設(shè)備造成熱損壞，甚至危害井下作業(yè)人員健康。當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化和圍巖隔熱無法提供有效冷卻時，通常會優(yōu)先選擇在工作面安裝小型人工制冷系統(tǒng)進(jìn)行局部降溫。

地面熱源更集中且總量更大。在地下熱源中，工業(yè)熱更為分散，自然熱低品位但占比大。地面熱匯具有更高的容納能力，并且更靠近潛在的熱量用戶。地下熱匯中，通風(fēng)氣流的溫度較高，若作為熱匯會降低冷卻效率；與移動式制冷系統(tǒng)集成的小型水箱的熱容量有限；井下可利用地下水可遇不可求。

總體來說，最需要的冷卻對象是井下工作面，而地面熱匯比地下熱匯容量更大，選擇更多。無論制冷主機(jī)是位于地下還是地表上，熱源和熱匯的分離都會導(dǎo)致熱載體或冷凝水的長距離輸送和高昂成本。因此，井下人工制冷技術(shù)方案的要點(diǎn)是在深入分析熱害來源的基礎(chǔ)上，合理選取降溫對象，并確定容量較大、溫度穩(wěn)定、距離合適的熱匯。

在各類熱泵技術(shù)中，水源熱泵技術(shù)具有低成本、結(jié)構(gòu)簡單、溫度穩(wěn)定、技術(shù)成熟等特點(diǎn)。在礦井制冷系統(tǒng)設(shè)計中，可以利用礦區(qū)內(nèi)或礦區(qū)附近地表水或地下水體作為熱匯，但需重點(diǎn)分析其蓄熱能力和水源熱泵系統(tǒng)的成本。筆者以貴州錦豐金礦為研究對象，探討了利用水源熱泵技術(shù)對礦井降溫的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。通過理論分析、現(xiàn)場調(diào)研實(shí)測、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，判別了礦井熱害來源；分析了礦區(qū)附近2處大型流動水體(北盤江、洛凡河)、1處固定水體(綠蔭塘)和1處小型流動水體(礦井引水渠)的蓄熱容量；其中，通過多物理場數(shù)值模擬軟件對綠蔭塘進(jìn)行30 d的換熱模擬；對礦井引水渠開展了實(shí)地水流量實(shí)測并計算其變形系數(shù)分析熱匯穩(wěn)定性；此外還計算了各水源熱泵方案的成本。經(jīng)綜合分析，推薦了將礦井引水渠作為水源熱泵冷源，對井口新風(fēng)進(jìn)行一次性降溫的技術(shù)方案。

部分圖片

圖 1 井下巷道圍巖溫度測量結(jié)果

圖 2 物探井井溫?埋深曲線

圖 3 圍巖散熱量與工程所在標(biāo)高的關(guān)系

圖 4 水源熱泵方案結(jié)構(gòu)

圖 5 綠蔭塘模型俯視示意

圖 6 水塘模擬網(wǎng)格劃分

圖 7 洛凡河

圖 8 北盤江

圖 9 礦井引水渠水流示意

圖 10 明渠流流量儀

圖 11 巴歇爾槽示意

圖 12 明渠流流量儀測量方式示意

圖 13 2023 年 6 月生產(chǎn)引水日流量

作者簡介

文志杰（1982—），男，山東青島人，教授、博士生導(dǎo)師、國家級青年人才。

研究方向

采動力學(xué)與圍巖控制；深地空間動力災(zāi)害防控技術(shù)；地下工程穩(wěn)定性智能化預(yù)警分析；地下工程精細(xì)化探測與安全防護(hù)技術(shù)

主要成果

獲山東省青年科技獎、全國煤炭青年科技獎、中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會青年科技獎、中國礦業(yè)石油與安全工程領(lǐng)域優(yōu)秀青年科技人才等榮譽(yù)，并獲貴州省科技進(jìn)步一等獎等省部級獎勵7項。近年來，出版專著5部，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文70余篇，制定標(biāo)準(zhǔn)10項，授權(quán)發(fā)明專利16項（第一位）。

通訊作者簡介

裴鵬（1982— ），男，貴州貴陽人，教授、博士生導(dǎo)師。

研究方向

深部礦井熱害治理，淺層地?zé)衢_發(fā)

主要成果

發(fā)表SCI、EI檢索論文40余篇，出版學(xué)術(shù)專著2部。

策劃丨郭曉煒

責(zé)編丨王曉珍

編輯丨李莎

審核丨常明然

期刊簡介

為深入貫徹習(xí)近平生態(tài)文明思想，踐行“綠水青山就是金山銀山”理念，搭建綠色礦山建設(shè)領(lǐng)域高端學(xué)術(shù)交流平臺，2023年5月，經(jīng)國家新聞出版署批準(zhǔn)，由中國煤炭科工集團(tuán)主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的中文科技期刊——《綠色礦山》（Journal of Green Mine）應(yīng)運(yùn)而生?！毒G色礦山》為季刊，國內(nèi)統(tǒng)一連續(xù)出版物號為：CN10-1912/TD，ISSN號：2097-3357，由《煤炭學(xué)報》編輯部負(fù)責(zé)策劃、出版、發(fā)行。

刊登范圍

綠色勘查、綠色開采、礦山地下空間利用、綠色選冶、礦山環(huán)境保護(hù)、低碳技術(shù)及節(jié)能減排、數(shù)字礦業(yè)、綠色低碳經(jīng)濟(jì)政策與評價等。

聯(lián)系：常明然

電話： 010-87986451

郵箱：changmingran@chinacs.org.cn

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