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熱害的問題，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，深部巖層高溫資源也是地熱資源開發(fā)的基礎。本文是對礦井深部熱量利用的研究，提出了相應的理論和技術方法，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。本項目將地源熱泵理論應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的缺陷，并推動熱泵技術的發(fā)展，為開發(fā)新的巖層地熱資源和合理利用深部巖層熱量提供理論基礎，從而具有重大的經濟和社會效益，對于深井礦產資源的開采具有較強的現(xiàn)實意義。

 
1國內外研究概況、水平

 
1.1深井降溫技術

 
    目前，國內外深井降溫技術主要有冰冷式降溫技術、集中空調式降溫技術，另外，還有隔絕熱源、個體防護等措施。20世紀70年代，德國首先開展了礦井集中空調人工制冷技術的研究，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并沒有將深井降溫和深部巖層熱量的利用結合起來。我國從1954年對此問題立項，先后在撫順、淮南、平頂山、北票等礦區(qū)，建立了礦內熱環(huán)境觀測系統(tǒng)，積累了豐富的原始資料。還先后進行了全國礦井地溫和高溫熱害普查，基本上掌握了全國礦井高溫熱害的現(xiàn)狀。2008年何滿潮又提出了HEMS深井降溫系統(tǒng)及熱害控制對策。胡春勝對孫村煤礦進行了深部實用制冷降溫技術的研究與應用 。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，但在實踐中投資大、耗能高、熱量不能有效利用，且對周圍環(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想。 在十九世紀七十年代，基于這些原理的制冷設備的開發(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備用于供暖，并以此申報專利，這就是早期的水源熱泵系統(tǒng)，也是世界上第一個水源熱泵系統(tǒng)?；魻柼梗℉aldane）在1927年安裝了一臺實驗用熱泵，進行循環(huán)供暖和水加熱。70年代以來，熱泵工業(yè)進入了黃金時期，世界各國對熱泵的研究工作都十分重視。諸如國際能源機構和歐洲共同體，都制定了大型熱泵發(fā)展計劃，熱泵新技術層出不窮，用途也在不斷的開拓，廣泛應用于空調和工業(yè)領域，在能源節(jié)約和環(huán)境保護領域起著重大的作用。

 
    我國熱泵技術的研究開發(fā)工作與國外相比尚有差距。 20世紀50年代，天津大學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)上開始得到應用。1965年，上海冰箱廠研制成功我國第一臺熱泵型窗式空調機，同年，天津大學與天津冷氣機廠研制成功我國第一臺水冷式熱泵空調機。此后，我國熱泵的理論基礎研究工作取得較快的發(fā)展。

 
1.1中高溫熱泵工質

 
   1990年以前, 電冰箱、空調器工質一般采用CF和HCFC類，它具有優(yōu)越的物理和制冷性能，安全性好、技術成熟、價格低廉，但它們對臭氧層具有破壞作用且產生溫室效應。另外還有CO2、NH3或碳氫化合物等工質，其使用壓力較高，循環(huán)時易進入超臨界區(qū)，或者具有較高的爆炸危險性，故對相應的系統(tǒng)一般都有特殊的要求。根據《蒙特利爾議定書》的要求，發(fā)達國家應從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組在使用，說明替代離心式冷水機組中的CFC制冷劑是個難題。

 
     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組的CFC-12替代品，并命名為ISCEON 39TC。我國清華大學自2000年起，至今已經研發(fā)了四種中高溫熱泵工質,它們均是混合工質,分別命名為HTR01,HTR02,HTR03和HTR04。天津大學提出了可替代HCFC-22的含HFC-236fa,HFC-1311,HFE-134,HFE-143等物質的二元或三元混合物作為中高溫熱泵的工質。

 
    綜上所述，國內外已在深井降溫技術、地源熱泵理論、中高溫熱泵工質等方面做了大量的研究和實踐工作。但地源熱泵技術在深井熱害領域的應用研究很少，原因在于我國煤礦深井的開采地質條件復雜，瓦斯含量增大、壓力增高，瓦斯災害嚴重，治理困難；礦山壓力增高、構造應力顯著，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際存在的自然條件，不利于地源熱泵理論的應用。

 
2深井熱害問題的解決
 

     深部工程問題產生的根本原因是由于工程所處位置復雜的地質力學環(huán)境使巖體結構[6]、力學特性和工程響應均發(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、力學特征現(xiàn)象。

 
    針對目前深井降溫技術中存在的問題，遼寧工程技術大學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)結構

    深井降溫與熱量利用系統(tǒng)的結構詳見圖1。系統(tǒng)主要包括：地面熱量輸送系統(tǒng)、地面工作站、壓力轉換器、工作面降溫系統(tǒng)、工作面風輸送系統(tǒng)、液、氣態(tài)工質輸送系統(tǒng)七個主要部分。

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

 
    地面工作站設有壓縮機、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，工質在冷凝器內放出熱量，熱量經換熱器置換后供給地面供熱及洗浴。壓力轉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)工質壓力降低。工作面降溫系統(tǒng)主要設置蒸發(fā)器。作用主要是將從壓力轉換器出來的低壓液態(tài)工質蒸發(fā)成氣態(tài)，放出冷量，冷量與工作面高溫空氣進行換熱作用。工作面風輸送系統(tǒng)設有風機、送風管道、管件等。作用主要是將降溫系統(tǒng)的冷風送至各個工作面。地面工作站至工作面的液態(tài)工質輸送系統(tǒng)、工作面至地面工作站氣態(tài)工質輸送系統(tǒng)設在副井內。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

    結合煤礦的具體工程條件及地層溫度場參數(shù)，設計深井降溫與熱量利用系統(tǒng)，并進行現(xiàn)場技術實施，該技術系統(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，將冷凝器內的熱量置換出來，供給地面供熱及洗浴。根據冷負荷計算，選擇2臺型號為8AS17的機組作為地面工作站主體設備，總制冷量為2232 kW，滿足設計要求。機組重量6190Kg，最大輸入功率500kW。

 
3.2  壓力轉換器
 

    壓力轉換器的重要特點是:一方面壓力轉換器本身無需耗電，工質流動與設備轉動一體化，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備。在標準工況下其運行參數(shù)要求為：換熱能力2000 kW，進風溫度31℃，相對濕度90%，出風溫度22℃，供冷風總風量1750 m3/min，工作壓力3 MPa，外形尺寸為寬×高≤3 500 mm×1 700 mm。

 
3.4工作面風輸送系統(tǒng)

 
    工作面風輸送系統(tǒng)在主巷道內設計成專用風道，在綜合采煤工作面設送風口，盡量使全部冷風都流經工作面，這樣，工作面風輸送系統(tǒng)形成了全空冷式降溫系統(tǒng)，可以大大提高降溫換熱效率。

4結論

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) 整個系統(tǒng)循環(huán)采用的工質必須符合《煤礦安全規(guī)程》要求；
(2)液態(tài)工質流動過程中要嚴格控制壓力和溫度；壓力轉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)器前還要設節(jié)流閥調節(jié)流量；
(3) 氣態(tài)工質流動過程中，壓力由正到負。如果流量過大，地面工作站要設真空泵，提高管道流量；
(4) 液、氣態(tài)工質輸送系統(tǒng)管道的保溫要經過嚴格計算。 

 參考文獻：
 [1] 馮興隆,陳日輝.國內外深井降溫技術研究和進展.云南冶金,2005,34(5):7—10
[2] 劉何清,吳超,等.礦井降溫技術研究述評.金屬礦山,2005,4:43—46
[3] 何滿潮,張毅,郭東明.新能源治理深部礦井熱害儲冷系統(tǒng)研究.中國礦業(yè),2006,15(9):62—64
[4] 國家安全生產監(jiān)督管理局.煤礦安全規(guī)程.北京:煤炭工業(yè)出版社,2005
[5]蔣能兆等，空調用熱泵技術及應用，北京；機械工業(yè)出版社，1994
[6]張樹光.熱害礦井巷道溫度場分布規(guī)律研究,國地質災害與防治學報,2003,9(14):9-11
[7]楊偉.深井降溫系統(tǒng)換熱器熱力計算方法研究.地緣熱泵,2008,11(27):38—41
[8]楊偉.深井降溫系統(tǒng)換熱器應用研究.地緣熱泵,2008,12(28):28—31