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摘要：为了解决深部矿井围岩、巷道空气温度过高，影响了围岩的力学性质、矿井生产安全和地热资源利用三方面问题。采用在巷道内设蒸发器（装有制冷剂的管组）释放冷量降低环境温度，工质蒸发吸收热量；在地面设压缩机、冷凝器和换热器，气态工质经压缩后在冷凝器内释放热量，一次从井下提取热量的深井降温系统；达到既改善工作环境，降低巷道内环境温度，又将置换出的热量用于地面供热及生活用水的方法。该系统的研究对深井降温与地热资源利用有一定的参考价值和指导意义。
Abstract: The article in three aspects aims to solve the high tunnel air temperature in the deep mine rock impact on the mechanical properties of rock, mine safety and production of geothermal resources using. The use of the roadway inside the evaporator (equipped with a refrigerant tube group) reduced the release of cold ambient temperature, evaporation of refrigerant to absorb heat; on the ground based compressor, condenser and heat exchanger, through the compressed gaseous refrigerant in the condenser inside the release of heat, a heat extracted from deep underground cooling system; to both improve the working environment, reducing the ambient temperature inside the tunnel, turn the heat for the replacement of floor heating and domestic water method. The systematic study of deep cooling and utilization of geothermal resources have a certain reference value and significance.
关键词：深井降温系统；热量利用；节能
Key Words: Deep well cooling system; heat utilization; energy
中图分类号：S210.4 文献标识码：B文章编号：2095-2104（2011）12-0000--02
0引言
中国是煤炭开采和使用大国。在中国的一次性能源构成中，煤炭仍占主要地位。由于用煤量较大，浅部煤炭资源日益枯竭，深部煤炭资源成为主导，而深部开采必然要面临深井高温热害的问题。据不完全统计，中国已有33对矿井开采深度达到千米以下，工作面温度高达30~40℃。高温不仅影响了围岩的力学性质，而且严重影响矿井生产安全[1]。中国《煤矿安全规程》[2]规定：“采掘工作面的空气温度超过30℃，必须停止作业”。因此，深井热害已严重影响到中国深部能源开采，对其治理迫在眉睫。
1矿井气候条件
矿井气候条件三要素是：温度、湿度和风速。矿井气候条件对工人健康和劳动生产率有着直接的影响。温度是构成井下气候条件的主要因素，最适宜于人们劳动的温度是15～20℃。金属和化学矿山安全规程规定井下采掘地点温度一般不超过27℃；《煤矿安全规程》规定采掘工作面的空气温度不得超过26℃，矿井空气的湿度一般指相对湿度。相对湿度的大小直接影响水分蒸发的快慢，因此，能影响人体的出汗蒸发和对流散热。在ASHREA舒适性标准中采用的相对湿度为50%[3]，而井下湿度可达到50%以上，严重影响人的舒适感。
2深井热害产生的原因及危害
井下气温升高是由于井下热源的散热作用引起的，井下热源包括地热、地下水蒸发热、空气压缩热和机械设备放热以及暴热、氧化反应热、人体代谢生成热等。实践证明，地热、空气压缩热、暴热和氧化反应热是主要的地下热源[4]。产生高温、高湿的微气候则表明井下热害出现。高温下工作，人的中枢神经系统容易失调，从而感到精神恍惚、疲劳、周身无力、昏昏沉沉，导致劳动生产率下降并容易发生安全事故[5]。深井热害现象顽固、难治理，其产生的各种有害现象严重威胁着工人的生命安全，无论是预计还是实测的井下气候环境指标，都不符合中国《煤矿安全规程》的规定。
3深井降温技术现状及存在问题
目前，深井降温技术主要有集中空调式降温技术、冰冷式降温技术、气冷式降温技术以及热-电-乙二醇降温技术。其中，集中式空调降温系统又分为地面集中式和井下集中式，该技术在中国的平顶山和淮南等煤矿的得到了广泛的应用[1]。应用结果表明，对于地面式集中系统存在大深度、高压力和造价高等问题；对于井下集中式系统，主要存在排热困难、降温效果差和运行费用高的问题。冰冷式降温系统在我国的平顶山和沈阳等地得到应用，很明显但该技术会增加工作环境湿度，影响工人工作环境的舒适性，并出现输冰管道堵塞等问题。气冷式降温技术存在效率低，除湿难的问题，而热-电-乙二醇降温技术会消耗电能，也达不到节能的目的。以上几种技术均能起到深井降温的作用，但并没有把降下的热量回收利用，只是片面地从降温的角度出发，在系统本身投资性大的同时，忽略了能量的综合利用。
4深井降温系统的工作原理
深井降温系统即可分为四个部分：煤下围岩降温系统（装有制冷剂的蒸发器管组）、地下热能综合利用系统（末端系统）、地下减压系统和制冷剂相态转化系统。围岩降温系统依靠制冷剂与高温围岩之间的热交换，它与第二个系统对应有两个必要的环路，既制冷剂环路和室内供暖（或生活用热水）环路。
4.1深井降温系统的工作原理
将蒸发器管组至于煤下围岩内，间接对煤层降温。原始围岩温度都要高于风温，围岩主要是以热传导的方式向风流传热。在井下，井巷围岩与风流之间的传热是一个不稳定的传热过程，即使是在井巷壁面温度保持不变的情况下，自岩体深处向外传导的热量也是随着时间变化而变化[6]。因此，该系统将蒸发器管组置于煤下的围岩就大大的保证了傳热的稳定性和传热效率。这样不仅有利于增大温差，而且避免了设备在煤炭开采过程中遭到的破坏，延长设备使用寿命，安全可靠。该技术利用装有制冷剂的管组与岩层的换热作用降低工作面的温度，再利用井下辅助通风系统除去工作面的湿度及稀释易爆气体，这样可以大大地改善工作环境，还能将换出的热量作为地面用户低温供热及生活用热水使用。
4.2矿井通风的辅助作用
前面已经提及到，深井工作环境的湿度非常大，而事宜人体舒适性要求的相对湿度仅为50%~ 60%，因此矿井通风成为除湿的重要手段，矿井通风的任务是：
（1）供给足够的井下工作人员呼吸用的新鲜空气。
（2）冲淡和排除有害气体及浮游矿尘，使之符合《煤矿安全规程》的要求。
（3）提供适宜的温、湿度良好的气候条件；维持合适的劳动条件。
（4）稀释矿井内的易燃、易爆气体，增大工作环境的安全性。
5技术特点
深井降温系统技术与以往的热害控制系统不同，提出将消除千米以下矿井内煤层热量与地源热泵系统相结合。一般地深每增加百米温度升高3℃左右，距地面千米的煤层下方围岩温度可达30~40℃，所以与以往只能伸到百米的热泵系统相比，能伸到千米以下的深井降温系统具有明显优势。高温岩层与换热管道组中冷冷剂换热，有效地提高介质的热量，再经冷凝机构将冷剂与介质水换热，介质水可直接作为生活用温水，也可将其温度升高至低溫供暖所要求的温度从而进行供暖，起到节能效果。这样不但可以满足深井热害的控制，更为供暖或生活用热水节省了大量能源。而且换热管道安装在煤层下的岩层内，不会因为采煤而受到破坏，也很少会因为地下水的冲刷受到腐蚀，安全可靠。深井降温系统与传统深井热害控制系统比较具有优点：
(1) 地热是现代社会比较理想的清洁能源，地热利用减少环境污染，节能效果好。
(2) 该系统不设冷却塔，节约了大量的水资源和电能，降低噪音污染。
(3) 地下矿井温度高而恒定，换热效果好且不需要在设置辅助热源。
(4) 供热时没有燃烧过程，不产生任何废弃、废水、废渣，使环境更加洁净。
6结论
深井降温系统没有任何污染，可以取代锅炉燃烧带来的有害气体排放。由于地下围岩的温度高于风温并稳定，所以换热效果较之以往的降温系统会更加的明显，并且运行效率高，因此是一项绿色环保、高效节能的使用技术。在井下收集的大量热量可以用于供暖和生活用水，当热量不能够将热水加热到需要温度时，也可在系统中添加辅助热源以满足用户需要，可见，这种方案具有明显的经济性。对于全国的深井矿区，如果能够广泛使用这种深井降温系统深井地源热泵技术，对于缓解能源紧张、提高能源利用率、保护环境都有着积极的作用。该技术完全符合国家“节能减排”的需要，对建设现代化新型的煤矿具有重要的意义。
参考文献：
[1] 何满朝．HEMS深井降温系统研发及热害控制对策[J]．岩石力学与工程学报，2008，33(4)：62-67．
[2] 国家安全生产监督管理总局．煤矿安全规程（2010修订版）[S]．北京：煤炭工业出版社，2009，1-18．
[3] 朱颖心．建筑环境学[M]．北京：中国建筑工业出版社，2005．
[4] 谭海文．金属矿山深井热害产生原因及治理措施[J]．采矿工程，2007，28 (2)：20-22．
[5] 杨承祥，袁世伦，胡国斌．冬瓜山铜矿深井热害的防治对策[J]．矿业工程，2004，2 (2)：29-30．
[6] 刘文宝，陈金玉，孙京凯．千米深井热害研究与治理技术[J]． 煤矿开采，2008，13 (5)：97-105．
Abstract: The article in three aspects aims to solve the high tunnel air temperature in the deep mine rock impact on the mechanical properties of rock, mine safety and production of geothermal resources using. The use of the roadway inside the evaporator (equipped with a refrigerant tube group) reduced the release of cold ambient temperature, evaporation of refrigerant to absorb heat; on the ground based compressor, condenser and heat exchanger, through the compressed gaseous refrigerant in the condenser inside the release of heat, a heat extracted from deep underground cooling system; to both improve the working environment, reducing the ambient temperature inside the tunnel, turn the heat for the replacement of floor heating and domestic water method. The systematic study of deep cooling and utilization of geothermal resources have a certain reference value and significance.
关键词：深井降温系统；热量利用；节能
Key Words: Deep well cooling system; heat utilization; energy
中图分类号：S210.4 文献标识码：B文章编号：2095-2104（2011）12-0000--02
0引言
中国是煤炭开采和使用大国。在中国的一次性能源构成中，煤炭仍占主要地位。由于用煤量较大，浅部煤炭资源日益枯竭，深部煤炭资源成为主导，而深部开采必然要面临深井高温热害的问题。据不完全统计，中国已有33对矿井开采深度达到千米以下，工作面温度高达30~40℃。高温不仅影响了围岩的力学性质，而且严重影响矿井生产安全[1]。中国《煤矿安全规程》[2]规定：“采掘工作面的空气温度超过30℃，必须停止作业”。因此，深井热害已严重影响到中国深部能源开采，对其治理迫在眉睫。
1矿井气候条件
矿井气候条件三要素是：温度、湿度和风速。矿井气候条件对工人健康和劳动生产率有着直接的影响。温度是构成井下气候条件的主要因素，最适宜于人们劳动的温度是15～20℃。金属和化学矿山安全规程规定井下采掘地点温度一般不超过27℃；《煤矿安全规程》规定采掘工作面的空气温度不得超过26℃，矿井空气的湿度一般指相对湿度。相对湿度的大小直接影响水分蒸发的快慢，因此，能影响人体的出汗蒸发和对流散热。在ASHREA舒适性标准中采用的相对湿度为50%[3]，而井下湿度可达到50%以上，严重影响人的舒适感。
2深井热害产生的原因及危害
井下气温升高是由于井下热源的散热作用引起的，井下热源包括地热、地下水蒸发热、空气压缩热和机械设备放热以及暴热、氧化反应热、人体代谢生成热等。实践证明，地热、空气压缩热、暴热和氧化反应热是主要的地下热源[4]。产生高温、高湿的微气候则表明井下热害出现。高温下工作，人的中枢神经系统容易失调，从而感到精神恍惚、疲劳、周身无力、昏昏沉沉，导致劳动生产率下降并容易发生安全事故[5]。深井热害现象顽固、难治理，其产生的各种有害现象严重威胁着工人的生命安全，无论是预计还是实测的井下气候环境指标，都不符合中国《煤矿安全规程》的规定。
3深井降温技术现状及存在问题
目前，深井降温技术主要有集中空调式降温技术、冰冷式降温技术、气冷式降温技术以及热-电-乙二醇降温技术。其中，集中式空调降温系统又分为地面集中式和井下集中式，该技术在中国的平顶山和淮南等煤矿的得到了广泛的应用[1]。应用结果表明，对于地面式集中系统存在大深度、高压力和造价高等问题；对于井下集中式系统，主要存在排热困难、降温效果差和运行费用高的问题。冰冷式降温系统在我国的平顶山和沈阳等地得到应用，很明显但该技术会增加工作环境湿度，影响工人工作环境的舒适性，并出现输冰管道堵塞等问题。气冷式降温技术存在效率低，除湿难的问题，而热-电-乙二醇降温技术会消耗电能，也达不到节能的目的。以上几种技术均能起到深井降温的作用，但并没有把降下的热量回收利用，只是片面地从降温的角度出发，在系统本身投资性大的同时，忽略了能量的综合利用。
4深井降温系统的工作原理
深井降温系统即可分为四个部分：煤下围岩降温系统（装有制冷剂的蒸发器管组）、地下热能综合利用系统（末端系统）、地下减压系统和制冷剂相态转化系统。围岩降温系统依靠制冷剂与高温围岩之间的热交换，它与第二个系统对应有两个必要的环路，既制冷剂环路和室内供暖（或生活用热水）环路。
4.1深井降温系统的工作原理
将蒸发器管组至于煤下围岩内，间接对煤层降温。原始围岩温度都要高于风温，围岩主要是以热传导的方式向风流传热。在井下，井巷围岩与风流之间的传热是一个不稳定的传热过程，即使是在井巷壁面温度保持不变的情况下，自岩体深处向外传导的热量也是随着时间变化而变化[6]。因此，该系统将蒸发器管组置于煤下的围岩就大大的保证了傳热的稳定性和传热效率。这样不仅有利于增大温差，而且避免了设备在煤炭开采过程中遭到的破坏，延长设备使用寿命，安全可靠。该技术利用装有制冷剂的管组与岩层的换热作用降低工作面的温度，再利用井下辅助通风系统除去工作面的湿度及稀释易爆气体，这样可以大大地改善工作环境，还能将换出的热量作为地面用户低温供热及生活用热水使用。
4.2矿井通风的辅助作用
前面已经提及到，深井工作环境的湿度非常大，而事宜人体舒适性要求的相对湿度仅为50%~ 60%，因此矿井通风成为除湿的重要手段，矿井通风的任务是：
（1）供给足够的井下工作人员呼吸用的新鲜空气。
（2）冲淡和排除有害气体及浮游矿尘，使之符合《煤矿安全规程》的要求。
（3）提供适宜的温、湿度良好的气候条件；维持合适的劳动条件。
（4）稀释矿井内的易燃、易爆气体，增大工作环境的安全性。
5技术特点
深井降温系统技术与以往的热害控制系统不同，提出将消除千米以下矿井内煤层热量与地源热泵系统相结合。一般地深每增加百米温度升高3℃左右，距地面千米的煤层下方围岩温度可达30~40℃，所以与以往只能伸到百米的热泵系统相比，能伸到千米以下的深井降温系统具有明显优势。高温岩层与换热管道组中冷冷剂换热，有效地提高介质的热量，再经冷凝机构将冷剂与介质水换热，介质水可直接作为生活用温水，也可将其温度升高至低溫供暖所要求的温度从而进行供暖，起到节能效果。这样不但可以满足深井热害的控制，更为供暖或生活用热水节省了大量能源。而且换热管道安装在煤层下的岩层内，不会因为采煤而受到破坏，也很少会因为地下水的冲刷受到腐蚀，安全可靠。深井降温系统与传统深井热害控制系统比较具有优点：
(1) 地热是现代社会比较理想的清洁能源，地热利用减少环境污染，节能效果好。
(2) 该系统不设冷却塔，节约了大量的水资源和电能，降低噪音污染。
(3) 地下矿井温度高而恒定，换热效果好且不需要在设置辅助热源。
(4) 供热时没有燃烧过程，不产生任何废弃、废水、废渣，使环境更加洁净。
6结论
深井降温系统没有任何污染，可以取代锅炉燃烧带来的有害气体排放。由于地下围岩的温度高于风温并稳定，所以换热效果较之以往的降温系统会更加的明显，并且运行效率高，因此是一项绿色环保、高效节能的使用技术。在井下收集的大量热量可以用于供暖和生活用水，当热量不能够将热水加热到需要温度时，也可在系统中添加辅助热源以满足用户需要，可见，这种方案具有明显的经济性。对于全国的深井矿区，如果能够广泛使用这种深井降温系统深井地源热泵技术，对于缓解能源紧张、提高能源利用率、保护环境都有着积极的作用。该技术完全符合国家“节能减排”的需要，对建设现代化新型的煤矿具有重要的意义。
参考文献：
[1] 何满朝．HEMS深井降温系统研发及热害控制对策[J]．岩石力学与工程学报，2008，33(4)：62-67．
[2] 国家安全生产监督管理总局．煤矿安全规程（2010修订版）[S]．北京：煤炭工业出版社，2009，1-18．
[3] 朱颖心．建筑环境学[M]．北京：中国建筑工业出版社，2005．
[4] 谭海文．金属矿山深井热害产生原因及治理措施[J]．采矿工程，2007，28 (2)：20-22．
[5] 杨承祥，袁世伦，胡国斌．冬瓜山铜矿深井热害的防治对策[J]．矿业工程，2004，2 (2)：29-30．
[6] 刘文宝，陈金玉，孙京凯．千米深井热害研究与治理技术[J]． 煤矿开采，2008，13 (5)：97-105．