摘要：本文根据我国高温矿井的热害现状以及危害，提出解决的一般措施和方法，重点阐述人工机械制冷降温的分类，并具体分析了各种降温方式的优缺点和适用范围，从国家节能减排角度，提出矿井地温热能综合利用的前景。
关键词：矿井降温 分类 优缺点 热能利用
一、我国煤矿热害现状及危害性
随着我国煤炭资源开采范围的扩大和开采强度的增加，井工煤矿开采深度不断增加，除内蒙古、新疆以及山西部分地区等近年来新开发的煤炭基地外，许多矿区逐步进入深井开采。据有关统计资料， 80年我国煤矿平均开采深度为288m，到90年代已达428m，到2010年采深超过1000m的矿井己有数几十对。因开采深度增加引起的煤矿热害愈来愈引起政府和企业的重视。
高温的工作环境会使人感到不舒适，从而降低劳动生产率。另外，高温高湿环境，造成井下机械设备、电气设备事故率增加，影响安全生产和正常工作效率。2005年以来我国一些生产矿井，由于工作面出现高温问题，使掘进进尺和回采产量减少，以致不能按期完成工作任务，甚至个别工作面出现人员出现中暑昏倒现象。
根据《煤矿安全规程》规定，“生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26℃，机电设备硐室的空气温度不得超过30℃；当空气温度超过时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇。”，“采掘工作面的空气温度超过30℃、机电设备硐室的空气温度超过34℃时，必须停止作业。”，“新建、改扩建矿井设计时，必须进行矿井风温预测计算，超温地点必须有制冷降温设计，配齐降温设施。
研究矿井降温技术、研发高效节能降温设备，治理矿井热害，保障广大煤矿职工的身心健康，是我国煤炭工业持续健康发展过程中亟待解决的问题之一，也是煤矿管理人员、煤炭科研工作人员贯彻以人为本的思想，以实际行动全面落实科学发展观的重要工作之一。
二、产生矿井热害的原因及控制措施
根据调查的情况，引发矿井热害和采掘工作面温度较高的主要原因有以下几个方面：
（1）受地球内部结构的影响，围岩存在一定的岩温梯度，因而随着开采深度增加，围岩散热不断增加，矿井空气温度上升而导致矿井热害。
（2）由于井下出现热水，热水污染矿井空气，造成矿井的热害。
（3）风流自压缩热所引起的温升，矿井采深越大，自压缩热越大。
（4）矿井机械化程度提高，大功率采掘机械装备及机电设备运转所放出的热量。
（5）地表大气传热的影响。
降低矿井温度可以采取的措施可以分为两大类，一是非人工冷却井下风流，二是人工机械空调冷却。具体来讲可分为以下几种：
1、增加风量
在矿井热害不太严重的情况下，可以加大风量以降低井下温度。但是，风量的增加不是无限制的，它受规定的风速和降温成本的制约，且当风量加大到一定程度后其降温作用会逐渐减小直至消失。
2、改革通风方式
将上行风改为下行风，对降低风温是有益的。
3、避开局部热源
井下各种局部热源，如机电设备散热、热水散热、矿物氧化放热以及采空区的漏风等都会对风流加热。因此需要分析矿井的热源，有针对性地采取措施减少热量的排放，并使新鲜风流尽量避开这些局部热源，减少热源对风流的加热，以降低风流温度和湿度的上升。
4、预冷进风风流
采用非机械制冷措施，降低进入工作面的风流温度。如让风流通过一段有喷淋水雾的巷道，将其冷却，该方法可达到降温和降尘的目的，其缺点就是会增加风流的湿度，有可能会导致高湿的作业环境。 另外可以以低岩温巷道冷却风流。采用机械制冷措施，利用安装在井口的水源热泵机组、冷却塔和盘管（冬季供暖防冻），夏季预冷矿井进风井风温，降低工作面温度。其缺点是夏季炎热时，工作面降温效果不明显，只有在矿井需冷量小的时候，效果好些。
5、隔绝高温围岩
当围岩温度很高时，就要采用某些隔热材料喷涂岩壁，防止围岩通过岩壁向巷道中的空气散热，但目前应用较少。
6、热水防治
热水对风流的加热作用相当显著。治理深井热水主要办法是：超前疏干地下水源，热水输送要经有隔热盖板的水沟或保温管导入水仓，再用隔热管路排至地面。也可打专用的疏排热水的钻孔排出热水。
7、采取个体防护
在矿内某些气候条件恶劣的地点，可让矿工穿上冷却服，以实现个体保护。
8、机械制冷降温，可大致分为以下几种：
⑴局部移动式空调机，即在各工作而实施局部制冷的方式；
⑵地面集中式或井下的集中式制冷方式，即制冷机安装在地面或井下，冷水经过保温管路送往工作面附近，与移动式热交换器配套，冷却工作面风温。
⑶防尘水降温方式，利用安装在地面的低温冷水机组，冷却矿井防水，借助矿井防尘管路，但经过保温处理，与安装在工作面附近的喷淋式空冷器配合，冷却工作面的进风温度。
⑷井下水源热泵空调机，利用矿井中温涌水，吸收井下的水源热泵空调机的产生热量，另一侧产生的低温循环水通过保温管，与工作面附近的空气冷却器配合，降低进风风温。
⑸矿用空气制冷机，是以冷却的压缩空气为动力，来降低矿井工作面环境温度的设备。但只适应于需冷量较小的掘进工作面。
⑹冰冷降温系统，主要原理是利用冰的溶解热，通过冰的溶解把水冷却到接近3-5℃，然后把冰冷水送到各工作面。主要设备放置地面，系统由冰的制备、冰的输送和冰的溶解三个主要部分组成。
三、矿井机械降温的各种形式及优缺点
（一）、井下局部移动式：
⑴优点：简单、灵活，设备管道安装量少，可随采掘工作面需要而移动。
⑵缺点：制冷同时有冷量的1.2～1.3倍的冷凝热排放，该热量污染周围环境，甚至热量掺入新进风流。设备体积不能做的太大，故制冷量小，需冷量大的工作面不宜采用。排热采用大气回冷机时，回风流空气较污浊，随着运转时间，回冷机内铜盘管表面结垢严重，会造成无法排热，设备无法运行。若采用矿井涌水排热，排热中途会会释放部分热量，污染新进风流，造成运行费用增加。
但因移动方便，对消除局部高温点有突出优越性，因此，在矿井投资生产，高温热害不严重的情况下，用于掘进工作面，能够起到一定效果，目前使用的掘进工作面，平均可降1.5～6.6℃。
（二）、井下集中式：（可分为井下排热和地面排热）
1、优点：
⑴采用回风流排热，无高压水，不购置高低压换热器。
⑵供冷管道短，冷量损失小。
⑶回风流排热，降温系统简单，冷量调节方便。
⑷回风流排热，地面不设置机房，地面排热，地面机房占地小，故地面土建土建投资小。
2、缺点：
⑴利用矿井回风流排除冷凝热，需冷量大于2000kw时，考虑回风流的温度和湿度饱和，会造成排热困难，故需冷量大的矿井不宜采用。
⑵若采用地面排热，需要购置高低压换热器或采用高压冷凝器，一次侧供水压力高，安全性。高低压换热器价格昂贵，初期投资较高，管理维护的工程量较大，另外整体装置很难移动。并且井筒中需要安设两趟大管径制冷管路，设备、管路投资大。
⑶井下需开掘大断面设备硐室。
⑷对制冷设备要求严，必须取得矿用煤安证。
⑸井下设备运输、安装、维修以及管理不方便。
⑹井下设备运行环境差，机组本身产生的热量排放受到通风风量和风温的限制，另外机组产生的噪音影响到人员身体健康。
⑺制冷设备电功率较大时，会影响到矿井井下供电电网，有时会增加下井电缆投资。
⑻由于采用u形管方式，底部使用高低压换热器，循环冷水（或热水）中的杂质会沉积到底部，造成高低压换热器高压侧积垢，换热效率会随运行时间增长而降低，影响系统降温效果。
⑼井下为多个工作面制冷，各工作面地点管路为并联，并且要求回水，压力调节复杂，有时会造成供冷能量不均匀。
（三）、地面集中式：
1、优点：
⑴厂房施工、设备安装、维修、管理方便。
⑵可购置一般型制冷设备，不需要矿用产品，安全可靠便宜。
⑶冷凝热排放方便，不会污染矿井进风风流。
⑷冬季能充分利用天然冷源，不需用开启机组，减少电能消耗。
⑸无需在井下开凿大断面机电硐室。
⑹制冷设备在地面，供电线路短，节约电能损耗。
⑺输冷管路布置在进风井和进风巷道中，管道冷损可作为有益冷损。
2、缺点：
⑴需购置高低压换热装置，安装在井底处，一次侧压力高，安全性要求高。
⑵高低压换热器在高压进出水和低压进出水间存在着温度跃迁，一般为2.8℃和3.4℃，所以未能充分利用制冷站输送出来的冷量，而为了缩小温度跃迁，换热器需要做的很大。
⑶高低压换热器价格昂贵，初期投资较高，管理维护的工程量较大，另外整体装置很难移动。
⑷地面至井下供冷管道长，冷损大。
⑸需在井筒内安设大管径保温管道，冷损大。
⑹整个矿井降温系统复杂，调试工作量大。
⑺若采用乙二醇载冷剂方式，可将高低压换热器二次侧的出水温度控制在很低。但增大管路冷损，并且乙二醇溶液对管路具有腐蚀，价格较贵。
⑻高低压换热器或高压冷凝器积垢严重，换热效率会随运行时间增长而降低，影响系统降温效果。
⑼井下为多个工作面制冷，各工作面地点管路为并联，并且要求回水，压力调节复杂，有时会造成供冷能量不均匀。
(四)、地面、井下同时设制冷站的联合方式
⑴优点：可提高一次载冷剂的回水温度，减少冷损；可减少一次载冷剂的循环量，减少输送载冷剂的管径，输冷管路现场安装简单；可利用一次载冷剂排除井下制冷机的冷凝热。
⑵缺点：此降温系统复杂，投资较大，制冷设备安装分散，不便管理维修，同时，还含有部分井下与地面集中式两者的缺点。
(五)、防尘水降温方式
优点：
⑴投资小，地面设备只增加冷水机组、冷却塔、水泵和供配电设备，机房土建规模小。利用地表低温水时可节省大量电费。
⑵输冷水管不需要新增，但需要保温处理。
⑶井下采用喷淋式空冷器，省掉回水管路安装，节省投资。
⑷设备安装、维修简单，运行成本低。
⑸下放的低温水可作为整个矿井防尘水用，并且可增加巷道的喷淋装置来冷却进风温度，操作十分方便。
⑹不存在压力平衡调整问题。
⑺若矿井井下需要的冷水量与防尘水量平衡，不会增加矿井的排水量和排水费用。
⑻可利用下放冷水静压，实现远距离的冷水输送，节省供冷水泵投入，减少运行电耗。
缺点：
⑴浪费大量的水资源，进入井下被污染。
⑵当管路的冷水流速较低时，管路的损耗较大。但防尘水管安装在进风巷道中，又可作为有益冷损使进风温度降低。
⑶地面制冷水系统会受到井下防尘水消耗量影响，有时调节困难。
⑷对于需冷量较大的矿井，下放的冷水量较大，增加了矿井的排水费用，故大于3000kw以上的矿不宜采用，但此种降温方式可以通过增加高低压换热器，转化为地面集中式。
⑸地面防尘水池保温处理比较困难，并且效果不好。
(六)、井下水源热泵空调机
优点：与局部降温机基本相同，但增加板式换热器和后水处理后，可利用矿井采区涌水或井底水仓内的中温水排热，系统简单，投资少。
缺点：
⑴井下水质较差时，板式换热器容易堵塞，影响正常机组排热，维修量大。
⑵井下排热，部分热量会污染进风流，致使降温效果不好，造成能量损失，增加运行成本。
⑶机组运行热泵工况，设备、管路温度高，要求工作环境高，通风量大。
⑷井下涌水量有限，排热有限，故对需冷量较大的矿井不适用。
(六)、矿用空气制冷机
优点：
⑴设备简单，体积小、重量轻、安装维护方便。
⑵以压缩空气为动力，不需要电，不会产生静电和机械火花，无防爆问题，安全性好。
⑶ 压缩空气来源不受限制，既可以来自矿井压缩空气供气系统，也可与专用的井下防爆空压机配套，无污染。
⑷制冷速度快，制冷量的大小可进行无级调节； 排热用水直排井下水沟或水仓。
缺点：
⑴制冷小，单台制冷量不大于50kw，只适用于需冷量小的掘进工作面。
⑵压缩空气的过程会产生空气压缩热，若在井下会污染进风温度，增加电耗。
⑶附属设备较多，在压缩机在井下使用，需要经常清理过滤器。维护量大。
⑷制冷能效比较小。
（七）、冰冷降温系统
优点：
⑴可充分利用水的融解热，在输送同样冷量时，冰的输送量为水的1/4～1/6。因此，可选用较小的管径，动力消耗亦小，在进风井筒中安设保温输冰管即可实现输冰。南非输冰管路采用pvc管路，重量较轻。
⑵地面至井底输冰为开式系统；井底不要安设藕合装置或高低压换热器。井底采用特殊的防堵装置，能够安全将地面片冰输送至融冰池，正常输冰管不存在高压，安全性高。
⑶片冰落到融冰池内，与工作面回水直接接触，能够充分热交换，传热效率较高，不像高低压换热器存在铜管，影响传热效率。
⑷下放的片冰融化后可用于井下防尘喷雾，减少地面防尘水的消耗量，不必再通过排水泵排到地面。
⑸冰具有蓄冷功能，在制冷、制冰机停运后，融冰池内形成低温水，即冰水混合物1～3℃，仍可继续循环一段时间供冷。也可单独用保温冰车或冰袋，将冰送至采掘工作面进风侧融化降温。
⑹制冰设备对水质要求不高，采用矿井水处理后的中性水即可，取水水源可很方便解决。只需在排热循环水系统中增加软化水装置。
缺点：
⑴能耗比小，运行电耗大，相比同制冷量的冷水系统，耗电量增加1/3。
⑵地面制冰、输冰设备和立井保温输冰管路为开式系统，部分冷量被进风流吸收，形成中途冷损，部分虽为有益冷损，但冷损较大，影响井下融冰池混合水温。
⑶采用片冰，相比冷水温度低，故中间冷损较大。
⑷地面长距离输冰设备技术不够成熟，相比冷水系统管路输水事故率较高。
⑸地面制冰设备体积较大，供电负荷大，故地面机房土建投资高，电气设备多，投资多。
⑹辅机设备多，相互关联，长时间运转，一台出现故障会影响整个制冰系统正常运转。
⑺系统庞大，充注氟利昂较多，加之系统阀门较多，维护不及时，漏点多，每年加氟量大，年维护费用高。
⑻冬季运转，不能利用环境温度减少电能消耗，每年耗电量大。
⑼输冰管不能兼用矿井防尘管，而地面集中式或防尘水降温方式可以共用。
⑽不能利用下放片冰的自然静压实现远距离输送。
以上几种矿井降温方式各存在优缺点，地面集中式、井下集中式、冰冷降温系统，系统较复杂，初期投资大，安装维修工程量大，适应于制冷量大于5000kw以上的大型矿井降温，其他矿井降温方式适应于需冷量在3000kw的一些小型生产矿井。
就投资而言，投资较少时应选择局部移动式机、水源热泵空调机、矿用空气制冷机，，并且它具有移动方便，安装维修简单等优点，对于矿井个别高温地点，能够很好解决现场热害问题。但设备应选择具有矿用安全标志的产品，并且单位制冷量的投资较高。中等投资选择防尘水降温方式，具有施工期的优点，并且可以增加二期工程，新增高低压换热器和一趟输冷水管，转化为地面集中式。投资较大的可采用地面集中式、井下集中式或冰冷降温系统，但可采取分期实施。
但对于每个矿井的现场情况不一样，应根据矿井具体情况进行技术经济性比较，选择适用于本矿井最优的一种降温方式。
另外，各大煤矿科研机构对高温矿井热害治理技术与设备，还处于研究试验阶段，没有确定哪种降温方式、降温设备是最节能、最可行的、可以推广的技术。另外，随着水源热泵的推广，低品位热能的成功应用，矿井涌水和矿井回风余热用于地面井口供暖和洗浴等，今后相信一定会实现深井地温热能的综合利用，既改善了井下的工作环境，又能将井下的热能用于地面供热。
