引 言

 
    隨著淺部資源的減少，開采深部資源成為采礦的主要方式，而深部開采必然要面臨深井高溫?zé)岷Φ膯栴}，特別是河南、淮南、遼寧等地區(qū)大量的深部煤層開采工作面臨著熱害的影響[1]- [3]。同時(shí)，深部巖層高溫資源也是地?zé)豳Y源開發(fā)的基礎(chǔ)。本文是對(duì)礦井深部熱量利用的研究，提出了相應(yīng)的理論和技術(shù)方法，利用逆卡諾循環(huán)理論將深井工作面的環(huán)境溫度降至符合《煤礦安全規(guī)程》[4]要求，并將這部分去除的熱量回收利用起來。本項(xiàng)目將地源熱泵理論應(yīng)用于深部礦井的熱量利用方面，其研究成果將有力地改善以往深井降溫技術(shù)的缺陷，并推動(dòng)熱泵技術(shù)的發(fā)展，為開發(fā)新的巖層地?zé)豳Y源和合理利用深部巖層熱量提供理論基礎(chǔ)，從而具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，對(duì)于深井礦產(chǎn)資源的開采具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

 
1國內(nèi)外研究概況、水平

 
1.1深井降溫技術(shù)

 
    目前，國內(nèi)外深井降溫技術(shù)主要有冰冷式降溫技術(shù)、集中空調(diào)式降溫技術(shù)，另外，還有隔絕熱源、個(gè)體防護(hù)等措施。20世紀(jì)70年代，德國首先開展了礦井集中空調(diào)人工制冷技術(shù)的研究，而后南非首次采用冰冷卻系統(tǒng)降溫，但是以上所提及的技術(shù)并沒有將深井降溫和深部巖層熱量的利用結(jié)合起來。我國從1954年對(duì)此問題立項(xiàng)，先后在撫順、淮南、平頂山、北票等礦區(qū)，建立了礦內(nèi)熱環(huán)境觀測(cè)系統(tǒng)，積累了豐富的原始資料。還先后進(jìn)行了全國礦井地溫和高溫?zé)岷ζ詹?，基本上掌握了全國礦井高溫?zé)岷Φ默F(xiàn)狀。2008年何滿潮又提出了HEMS深井降溫系統(tǒng)及熱害控制對(duì)策。胡春勝對(duì)孫村煤礦進(jìn)行了深部實(shí)用制冷降溫技術(shù)的研究與應(yīng)用 。問題在于這些研究均以單純的深井降溫為主，理論研究取得一定成果，但在實(shí)踐中投資大、耗能高、熱量不能有效利用，且對(duì)周圍環(huán)境造成一定影響。
 

 1.2地源熱泵理論[5]

 
    卡諾在1824年發(fā)表了關(guān)于卡諾循環(huán)的論文；1850年初開爾文（L.Kelvin）提出：冷凍裝置可以用于加熱。1852年威廉.湯姆遜發(fā)表了一篇論文，首先提出一種熱泵設(shè)想。 在十九世紀(jì)七十年代，基于這些原理的制冷設(shè)備的開發(fā)工作得到了迅速發(fā)展。蘇黎世在1912年成功安裝一套以河水作為低品位熱源的熱泵設(shè)備用于供暖，并以此申報(bào)專利，這就是早期的水源熱泵系統(tǒng)，也是世界上第一個(gè)水源熱泵系統(tǒng)。霍爾坦（Haldane）在1927年安裝了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)用熱泵，進(jìn)行循環(huán)供暖和水加熱。70年代以來，熱泵工業(yè)進(jìn)入了黃金時(shí)期，世界各國對(duì)熱泵的研究工作都十分重視。諸如國際能源機(jī)構(gòu)和歐洲共同體，都制定了大型熱泵發(fā)展計(jì)劃，熱泵新技術(shù)層出不窮，用途也在不斷的開拓，廣泛應(yīng)用于空調(diào)和工業(yè)領(lǐng)域，在能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域起著重大的作用。

 
    我國熱泵技術(shù)的研究開發(fā)工作與國外相比尚有差距。 20世紀(jì)50年代，天津大學(xué)熱能研究所開始著手開展熱泵方面的研究，60年代開始，熱泵在我國工業(yè)上開始得到應(yīng)用。1965年，上海冰箱廠研制成功我國第一臺(tái)熱泵型窗式空調(diào)機(jī)，同年，天津大學(xué)與天津冷氣機(jī)廠研制成功我國第一臺(tái)水冷式熱泵空調(diào)機(jī)。此后，我國熱泵的理論基礎(chǔ)研究工作取得較快的發(fā)展。

 
1.1中高溫?zé)岜霉べ|(zhì)

 
   1990年以前, 電冰箱、空調(diào)器工質(zhì)一般采用CF和HCFC類，它具有優(yōu)越的物理和制冷性能，安全性好、技術(shù)成熟、價(jià)格低廉，但它們對(duì)臭氧層具有破壞作用且產(chǎn)生溫室效應(yīng)。另外還有CO2、NH3或碳?xì)浠衔锏裙べ|(zhì)，其使用壓力較高，循環(huán)時(shí)易進(jìn)入超臨界區(qū)，或者具有較高的爆炸危險(xiǎn)性，故對(duì)相應(yīng)的系統(tǒng)一般都有特殊的要求。根據(jù)《蒙特利爾議定書》的要求，發(fā)達(dá)國家應(yīng)從1996年1月1日起禁用CFC ，發(fā)展中國家將于2010年1月1日起禁用CFC，而我國將此禁用時(shí)間提前到了2007年7月1日。但目前仍有大量的以CFC為制冷劑的離心式冷水機(jī)組在使用，說明替代離心式冷水機(jī)組中的CFC制冷劑是個(gè)難題。

 
     美國霍尼韋爾(Honeywell)公司自2002年起開始研發(fā)HFC-134a的混合物替代品，開發(fā)出了由四氟丙烯(CF3CF=CH2)和三氟碘甲烷(CF3I)組成的二元混合物(以四氟丙烯為主)，并命名為Fluid H。法國羅地亞(Rhodia)公司也研發(fā)了一種可用于離心式冷水機(jī)組的CFC-12替代品，并命名為ISCEON 39TC。我國清華大學(xué)自2000年起，至今已經(jīng)研發(fā)了四種中高溫?zé)岜霉べ|(zhì),它們均是混合工質(zhì),分別命名為HTR01,HTR02,HTR03和HTR04。天津大學(xué)提出了可替代HCFC-22的含HFC-236fa,HFC-1311,HFE-134,HFE-143等物質(zhì)的二元或三元混合物作為中高溫?zé)岜玫墓べ|(zhì)。

 
    綜上所述，國內(nèi)外已在深井降溫技術(shù)、地源熱泵理論、中高溫?zé)岜霉べ|(zhì)等方面做了大量的研究和實(shí)踐工作。但地源熱泵技術(shù)在深井熱害領(lǐng)域的應(yīng)用研究很少，原因在于我國煤礦深井的開采地質(zhì)條件復(fù)雜，瓦斯含量增大、壓力增高，瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重，治理困難；礦山壓力增高、構(gòu)造應(yīng)力顯著，圍巖難以控制；地溫高，熱害防治難；煤層底板高承壓水威脅深井安全開采等實(shí)際存在的自然條件，不利于地源熱泵理論的應(yīng)用。

 
2深井熱害問題的解決
 

     深部工程問題產(chǎn)生的根本原因是由于工程所處位置復(fù)雜的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境使巖體結(jié)構(gòu)[6]、力學(xué)特性和工程響應(yīng)均發(fā)生根本性變化，從而使深部工程的巖體表現(xiàn)出其特有的物理、力學(xué)特征現(xiàn)象。

 
    針對(duì)目前深井降溫技術(shù)中存在的問題，遼寧工程技術(shù)大學(xué)提出了利用礦井巷道溫度作為熱源的深井新型卡諾循環(huán)模式。

 
    2.1 深井降溫及熱量利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    深井降溫與熱量利用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)詳見圖1。系統(tǒng)主要包括：地面熱量輸送系統(tǒng)、地面工作站、壓力轉(zhuǎn)換器、工作面降溫系統(tǒng)、工作面風(fēng)輸送系統(tǒng)、液、氣態(tài)工質(zhì)輸送系統(tǒng)七個(gè)主要部分。

圖1深井降溫與熱量利用系統(tǒng)

    0 2.2 深井降溫與熱量利用系統(tǒng)工作原理

 
    地面工作站設(shè)有壓縮機(jī)、冷凝器、換熱器[7] [8]。主要作用是壓縮井下工作面降溫系統(tǒng)出來的氣態(tài)工質(zhì)，工質(zhì)在冷凝器內(nèi)放出熱量，熱量經(jīng)換熱器置換后供給地面供熱及洗浴。壓力轉(zhuǎn)換器作用主要是將從冷凝器流向工作面降溫系統(tǒng)液態(tài)工質(zhì)壓力降低。工作面降溫系統(tǒng)主要設(shè)置蒸發(fā)器。作用主要是將從壓力轉(zhuǎn)換器出來的低壓液態(tài)工質(zhì)蒸發(fā)成氣態(tài)，放出冷量，冷量與工作面高溫空氣進(jìn)行換熱作用。工作面風(fēng)輸送系統(tǒng)設(shè)有風(fēng)機(jī)、送風(fēng)管道、管件等。作用主要是將降溫系統(tǒng)的冷風(fēng)送至各個(gè)工作面。地面工作站至工作面的液態(tài)工質(zhì)輸送系統(tǒng)、工作面至地面工作站氣態(tài)工質(zhì)輸送系統(tǒng)設(shè)在副井內(nèi)。圖2為工作面空冷降溫系統(tǒng)。

圖2工作面空冷降溫系統(tǒng)

    3.降溫技術(shù)

    結(jié)合煤礦的具體工程條件及地層溫度場(chǎng)參數(shù)，設(shè)計(jì)深井降溫與熱量利用系統(tǒng)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)實(shí)施，該技術(shù)系統(tǒng)流程見圖1, 工作面空冷降溫系統(tǒng)見圖2。

 
3.1 地面工作站

 
    地面工作站的主要功能是制冷站和換熱站，將冷凝器內(nèi)的熱量置換出來，供給地面供熱及洗浴。根據(jù)冷負(fù)荷計(jì)算，選擇2臺(tái)型號(hào)為8AS17的機(jī)組作為地面工作站主體設(shè)備，總制冷量為2232 kW，滿足設(shè)計(jì)要求。機(jī)組重量6190Kg，最大輸入功率500kW。

 
3.2  壓力轉(zhuǎn)換器
 

    壓力轉(zhuǎn)換器的重要特點(diǎn)是:一方面壓力轉(zhuǎn)換器本身無需耗電，工質(zhì)流動(dòng)與設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)一體化，從而消除了以往降壓器本身發(fā)熱所帶來的人工熱源。另一方面，因設(shè)備回收了高壓制冷劑的大部分位能，從而消除了這部分位能向熱能的轉(zhuǎn)化，并可將回收的位能用于發(fā)電。

 
3.3  工作面降溫系統(tǒng)

     工作面降溫系統(tǒng)是深井降溫的末端設(shè)備。在標(biāo)準(zhǔn)工況下其運(yùn)行參數(shù)要求為：換熱能力2000 kW，進(jìn)風(fēng)溫度31℃，相對(duì)濕度90%，出風(fēng)溫度22℃，供冷風(fēng)總風(fēng)量1750 m3/min，工作壓力3 MPa，外形尺寸為寬×高≤3 500 mm×1 700 mm。

 
3.4工作面風(fēng)輸送系統(tǒng)

 
    工作面風(fēng)輸送系統(tǒng)在主巷道內(nèi)設(shè)計(jì)成專用風(fēng)道，在綜合采煤工作面設(shè)送風(fēng)口，盡量使全部冷風(fēng)都流經(jīng)工作面，這樣，工作面風(fēng)輸送系統(tǒng)形成了全空冷式降溫系統(tǒng)，可以大大提高降溫?fù)Q熱效率。

4結(jié)論

在“深井降溫與熱量利用系統(tǒng)”的研究過程中，需要注意以下問題：

(1) 整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)采用的工質(zhì)必須符合《煤礦安全規(guī)程》要求；
(2)液態(tài)工質(zhì)流動(dòng)過程中要嚴(yán)格控制壓力和溫度；壓力轉(zhuǎn)換器部分解決了深井管道中流體的高壓難題，但不能完全解決。因此，在蒸發(fā)器前還要設(shè)節(jié)流閥調(diào)節(jié)流量；
(3) 氣態(tài)工質(zhì)流動(dòng)過程中，壓力由正到負(fù)。如果流量過大，地面工作站要設(shè)真空泵，提高管道流量；
(4) 液、氣態(tài)工質(zhì)輸送系統(tǒng)管道的保溫要經(jīng)過嚴(yán)格計(jì)算。 

 參考文獻(xiàn)：
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[3] 何滿潮,張毅,郭東明.新能源治理深部礦井熱害儲(chǔ)冷系統(tǒng)研究.中國礦業(yè),2006,15(9):62—64
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[7]楊偉.深井降溫系統(tǒng)換熱器熱力計(jì)算方法研究.地緣熱泵,2008,11(27):38—41
[8]楊偉.深井降溫系統(tǒng)換熱器應(yīng)用研究.地緣熱泵,2008,12(28):28—31