收稿日期：2012－06－24
作者简介：蒋正君（1984－），男，山东菏泽人，硕士，2011年毕业于中国矿业大学（北京）供热、供燃气、通风及空调
工程专业，现在中国煤炭科工集团北京华宇工程有限公司从事暖通设计相关工作。
蒋正君
（中国煤炭科工集团北京华宇工程有限公司，北京100120）
摘
要：针对矿井涌水排热受矿井涌水量的限制，文章阐述了井下集中式回风排热矿井降温
系统原理，介绍了井下回风排热冷却站的三种不同形式，并在张小楼深井降温系统进行应用，经
测量表明：工作面降温效果显著，工作面和掘进头平均温度降低5ħ，相对湿度降低5% 10%。回风经冷却站后，其温度基本达到38ħ，相对湿度接近100%，基本达到设计目标。
关键词：矿井降温系统；井下集中式；矿井涌水；井下回风冷却站；冷凝热
中图分类号：TD727文献标识码：B 文章编号：1671－0959（2013）01-
0019-03Application of Air Retuning Refrigeration Station in Underground
Mine to Mine Temperature Cooling Project
JIANG Zheng －jun
（Beijing Huayu Engineering Company Ltd．，China Coal Technology and Engineering Group ，Beijing 100120，China ）
Abstract ：According to the mine thermal discharge with the mine water limited by the mine water inflow quantity ，the paper stated the principle of the temperature cooling system in the centralized type air returning thermal discharging mine in the underground mine and introduced three different modes of the air returning thermal discharging refrigeration station in underground mine．The temperature cooling system was applied to the temperature cooling system of Zhangxiaolou deep shaft Mine．The measurements showed that the temperature cooling effect of the coal mining face was obvious ，the average temperature of the coal mining face and the gateway heading face was red
uced by 5ħand the relative humidity was close to 100%．All those basically reached the designed target．
Keywords ：mine temperature cooling system ；centralization in underground mine ；mine water inrush ；refrigeration station under mine air returning shaft ；condensing heat 随着煤炭开采向深部的拓展，矿井的深部热害问题越来越突出，促进了矿井降温技术的发展。目前国内外矿井降温系统主要有冰系统和水系统两大类，冰系统一般在地面设制冷站，水系统制冷站的分布比较灵活，按制冷站的分布分为井下集中式、地面集中式和井下地面联合式
［4，5］
。
在经济上地面集中式和井下地面联合式具有其优越性，而在技术上三种系统各有特点：地面集中式和井下地面联合式系统必须使用高低压转换设备，另外从地面往井下长距离输送冷冻水，会产生较大的冷损；而井下集中式系统的致命弱点是冷凝热排放困难
［1］
。井下冷凝热的排放方式主
要有依靠矿井涌水排热和依靠回风排热两种方式，依靠矿井涌水排热的方式，优点是效率高，但需要有足量矿井涌水，适用于矿井涌水量较大的矿井；依靠回风排热的方式缺点是效率比较低，优点是能够适用于绝大多数的矿井
［6，7］
。本文主要介绍利用井下回风排热的方式进行井下集
中降温，并将其应用于张小楼深井降温系统。
1井下回风排热降温系统工作原理
井下集中式回风排热矿井降温系统原理如图1所示，冷
水机组产生的冷量借助冷冻水输送到空冷器（冷冻站）与风流进行热量交换，进行矿井工作面或掘进头的降温；同时冷水机组（制冷站）产生的冷凝热，需要借助冷却水输送到冷却站，在冷却站内冷却水通过喷淋与回风进行充分的热质交换。进行热质交换后回风的温度和湿度都将增加，从而将冷凝热沿回风巷排至地面。由于系统是开式系统，在冷却水喷淋过程中，很容易受到污染，水质得不到保障，故一般在冷却站和制冷站之间增设换热器（转换站）。如冷却站与制冷站之间有一定高差，换热器（转换站）还有压力转换的作用，起到减小制冷站内制冷主机冷凝器内水侧压力的作用。
2冷却站形式及热力学原理2.1
冷却站形式
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12013年第1期煤炭工程设计技术
图1井下集中式回风排热矿井降温系统原理
1）水平式冷却站：水平式冷却站一般由喷淋段、漫流段和冷水仓组成。因为一般单靠喷淋过程冷却水得不到充分的冷却，为了使热质交换达到充分，常常设置一定长度的漫流段来使风流与冷却水进一步进行热质交换，以使风流尽可能多的带走冷凝热，水平式冷却式示意图如图2所示
。
图2
水平式冷却站示意图
2）倾斜式冷却站：倾斜式冷却站与水平式冷却站相似也包括喷淋段、漫流段和冷水仓，只是漫流段是一段倾斜的巷道，水靠重力作用在斜巷内与风流进行热质交换后流入冷水仓。为增强热质交换过程，根据传热传质学原理，将倾斜巷道的底板尽量做粗糙，如设置台阶，以使水流呈紊流状态，倾斜式冷却站示意图如图3所示
mine mine mp3。
图3倾斜式冷却站示意图
3）竖直式冷却站：竖直式冷却站与水平式和倾斜式冷却站的不同之处体现在喷淋段，水流通过喷头竖直向上喷出后，先向上飞出一段距离，在重力作用下下落，与风流呈逆向流动，进行强烈的热质交换。为使热质交换更加充分，增设漫流段，使风流与水进一步地进行热质交换。温度和湿度增加后的风流最后沿回风巷排出地面，从而将冷凝热带出，竖直式冷却站示意图如图4所示。
2.2热力学原理分析
上述三种形式的冷却站其共同点是在有限空间里完成
的水与风流之间的热质交换过程，一般设计使水与空气进行逆向流动，这样一方面利于传热传质过程的进行，另一方面还可以更大程度地使水雾化成水滴，增大空气与水滴之间的接触面积，促进传热传质过程的进行。当然水平冷却站与倾斜冷却站也可以根据工程实际条件，使水与风流同向流动。热力学过程可以简述如下，具有一定温度、压力的水由喷嘴高速喷出、雾化成大量的细小水滴，
在运动
图4竖直式冷却站示意图
过程中与风流充分接触，相互之间发生强烈的质量、动量和热量交换。风流与水之间既有显热交换，又有湿交换（质交换），而湿交换发生的同时伴随着潜热交换。总换热量应为显热交换和潜热交换的总和
［2，3］
。
水放出的热量等于制冷机排热量，可由式（1）计算：
Q w =1.163ˑq w ˑ（t g －t h ）（1）风流带走的热量，包括显热和潜热，可由式（2）计算：Q a =G a ˑ（h ao －h ai ）
（2）
工程设计中需要的初始参数包括：制冷机排热量（等于水放出的热量）Q w ；冷却水量q w ；冷却水进冷却站温度t g ，冷却站风流初始温度t f 0、初始相对湿度φ0、大气压力和流量G a ；矿井地面大气压力。
设计计算时，首先要选定冷却站的位置，然后可以由矿井地面大气压力，求出冷却站所在位置的大气压力，从而借助暖通专业软件绘制出冷却站所在位置的焓湿图。一般拟建冷却站位置处的风温t f 0与风量G a 是一定的，要最大程度地利用回风带走尽可能多的冷凝热，可以在矿井安全的情况下，参考冷却站热水的水温情况（逆流时小于热水进
水温度；顺流时小于热水出水温度）初步确定出风温度t fi ，如果热质交换足够充分，则出风的相对湿度可以近似取100%，由t f 0、φ0及t fi 、φi =100%查焓湿图确定h ao －h ai ，再由式（2）计算出风流带走的热量，按能量守恒可以由式（1）得出热水的出水温度t h ，如出水温度符合要求（逆流时大于进风温度；顺流时大于出风温度）则可以采用，否则重新选定出风温度，进行重新计算。
3工程应用3.1
工程概况
张小楼井位于徐州市西北铜山县柳新镇和刘集镇境内，
距徐州市区13km 。隶属于徐州矿务集团有限公司，开采深度已延伸至－1025m 以下，是徐州矿区高温矿井之一，－1000m 水平巷道气温31ħ，夏季最高可达34ħ，已严重危害矿工的身心健康及煤矿的安全生产，所以必须采用降温技术进行矿井降温。
3.2技术方案
项目目标要求实现两个工作面和两个掘进头的降温，
2设计技术煤炭工程2013年第1期
由于张小楼井下可利用矿井涌水量仅有37m 3
/h ，另外可以从附近老矿区（庞庄矿）引水65m 3
/h ，水温30ħ，可利用冷
源非常有限，必须考虑利用回风进行冷凝热的排放。矿井
回风为4000m 3
/min ，风温为32ħ，相对湿度为96%。经热
力学计算，当回风温度升高至38ħ时，可提取3252kW 冷量。综合考虑回风排热与矿井涌水排热中可利用冷源，技术方案框图如图5所示
。
图5
张小楼降温工程技术方案框图
3.3冷却站设计
冷却站选址，一方面要求不要远离制冷站，另一方面
要求回风量比较大，且回风经过冷却站后进入到没有生产作业和人员经常停留的回风巷内。经过现场调研，－1025回风下山是一段倾斜巷道，靠近制冷站，风量较大，此段巷道为老猴车道，正准备拆除，另外老猴车道上下滑板均是近似水平的巷道，可以利用上滑板作为喷淋段，利用老猴车道作为漫流段，在下滑板处挖一集水池，张小楼井降温工程冷却站上滑板喷淋段剖面图如图6所示，冷却站老猴车道漫流段剖面图如图7所示。喷淋段设计采用变径管道上打孔进行喷淋，变径管分三段，直径分别为DN300mm 、DN200mm 、DN150mm ，长度分别为2m 、2m 、8m ，小孔直径分别为10mm 、10mm 、5mm ，小孔分布在管道上表面180ʎ范围内，喷射方向朝向上部及水平方面，这样可以增加水滴与风流之间热质交换的时间。为减少巷道水流对巷道的破坏，在巷道内壁安装一层镀锌铁皮。
3.4应用效果
张小楼井降温系统在2011年7月安装完毕，率先应用
在75214工作面和95211掘进头。系统进行了一个月的试运行，经测量工作面降温效果显著，工作面和掘进头平均温度降低5ħ，相对湿度降低5% 10%。冷却站运行状态良好，水流从喷头内喷出后，
溅在巷道顶板及壁面上的镀
锌铁皮上，飞溅成小水滴，与回风进行热质交换。回风经冷却站后，其温度基本达到38ħ，相对湿度接近100%，基本达到设计目标。
4
结论
1）利用回风排热是井下集中降温系统冷凝热排放的一条切实可行的重要途径，虽然与采用矿井涌水进行冷凝热排放相比效率较低，但对于矿井涌水量较小且高温热害问题又突出的矿井来说，切实可行。
2）井下回风冷却站有水平式、倾斜式或竖直式三种，可以根据工程的具体特点，通过现场调研与分析，采取一种或是两种形式的组合，形成单级冷却站或二级冷却站，甚至多级冷却站。参考文献：
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(责任编辑张宝优)
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22013年第1期煤炭工程设计技术
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