文志杰教授：水源热泵技术应用于深部矿井热害治理——以贵州锦丰金矿为例

创新点

（1）分析深井热源与热汇的时空分布特点，总结了人工制冷技术应用于深部矿井热害治理中的难点。

（2）结合场地气候、井巷结构、矿区水源等特征，提出了绿色、经济、高效的降温方案，为深部矿井热害治理优化设计和工程应用提供参考。

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水源热泵技术应用于深部矿井热害治理——以贵州锦丰金矿为例

作者：文志杰, 裴鹏, 赵杰, 孙靖湖, 唐龙

单位：1. 贵州大学 矿业学院；2. 中国矿业大学 矿业工程学院

引用格式：

文志杰，裴鹏，赵杰，等. 水源热泵技术应用于深部矿井热害治理−以贵州锦丰金矿为例[J]. 绿色矿山，2024，2(4)：344−356. WEN Zhijie，PEI Peng，ZHAO Jie，et al. Water-source heat pump in governance of heat hazard in deep mines –An example of Jinfeng Gold Mine, Guizhou[J]. Journal of Green Mine，2024，2(4)：344−356.

摘要

深地开采是未来采矿技术的发展方向，矿井热害是制约深部矿井安全生产的主要因素之一。由于深部矿井工作面处于地层增温带，叠加井下工业热源后，热源具有点多分散、持续时间长、瞬时放热功率大等特点。常规的通风优化、巷道和设备布局优化、隔绝热源等降温技术无法满足深部矿井降温需求，亟待开发和应用高效、绿色、大功率的井下人工制冷技术。从热泵原理出发，讨论了矿区地面和井下热源与热汇的时空分布特点，总结了人工制冷技术应用于深部矿井热害治理中的难点。贵州锦丰金矿目前开采深度达630 m，以该矿为例，判别了井下热害来源，计算了冷负荷；根据矿井生产特点比选了降温对象；探讨了利用该矿区附近水体为热汇，通过水源热泵技术对井下空间降温的技术经济可行性；通过实地调研、测量、理论计算和数值模拟，分析了矿区附近绿荫塘、洛凡河、北盘江和生产引水渠4处水体的蓄热容量和热汇稳定性；计算了基于不同水体水源热泵方案的初投资和运行成本，并进行了技术经济对比。经过综合分析后，推荐了将矿井引水渠作为水源热泵冷源，对井口新风进行一次性降温的技术方案。该方案具有降温效果好，投资低，热汇稳定容量大，生态影响小等特点。

引言

深地开采是未来采矿技术的发展方向。一般开采深度超过600 m的矿井称为深部矿井。由于深部矿井工作面处于地层增温带，矿井热害问题较为突出。井下高温会严重降低生产效率，影响工人的身体状况和操作精确性，增加各种失误的可能，形成安全事故隐患；另一方面，高温高湿度条件下，机电设备排放热量困难，过高的温度容易导致设备损坏，可能发生绝缘受损。矿用机电设备的一般温度限制值为40 ℃，而矿用隔爆机电设备的一般限制值为45 ℃。当机电设备在相应阈值温度附近运转时，安全事故发生率也会显著提高。当前主流的矿井降温技术包括优化巷道和机电设备布置、优化通风系统、隔绝热源、人工制冷等。其中，人工制冷循环具有功率大、降温效果好等特点。

制冷循环，或称为热泵循环，是基于逆卡诺循环的原理，将降温对象的热量转移至热汇(也称为冷源)，即通过输入机械功将热量从低温环境向高温环境的转移。通常，热汇接收热量过程也可理解为冷源向热源提供冷量的过程。热泵机组包含了蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀等核心部件。首先，蒸发器从热源(即高温矿井环境)中吸收热量，使工质从液态蒸发为气态；高温气态工质进入压缩机，通过提高压力和温度升高工质饱和温度；之后工质进入冷凝器，由于冷凝器的温度低于工质的饱和温度，工质在冷凝器中释放热量并凝结为液态，同时将这些热量传递给热汇(冷源)；最后，经过膨胀阀的调节降低工质压力，且温度低于热源的温度；工质重新进入蒸发器吸收热量，从而完成整个制冷循环。热源可以是大气(风冷热泵)、岩土体(埋管式地源热泵)、地表或地下水体(水源热泵)等。根据逆卡诺循环的原理，当热源和热汇的温差越大时，制冷循环的能效就越高。由于热源特征与可利用热汇的差异，用于深部矿井空间降温的制冷循环展现了不同于地面建筑制冷循环的一些特点。矿井中的热源主要分为自然热与工业余热。自然热主要为地热，分布广泛、持续时间长、低品位且稳定。而工业作业中产生的废热，特别是机械操作和爆破产生的废热则具有短时、高温的特点，并集中在工作面周围。尽管工业产生的热量在矿井总热量中的占比低于自然热量，但往往更容易对设备造成热损坏，甚至危害井下作业人员健康。当通风系统的优化和围岩隔热无法提供有效冷却时，通常会优先选择在工作面安装小型人工制冷系统进行局部降温。

地面热源更集中且总量更大。在地下热源中，工业热更为分散，自然热低品位但占比大。地面热汇具有更高的容纳能力，并且更靠近潜在的热量用户。地下热汇中，通风气流的温度较高，若作为热汇会降低冷却效率；与移动式制冷系统集成的小型水箱的热容量有限；井下可利用地下水可遇不可求。

总体来说，最需要的冷却对象是井下工作面，而地面热汇比地下热汇容量更大，选择更多。无论制冷主机是位于地下还是地表上，热源和热汇的分离都会导致热载体或冷凝水的长距离输送和高昂成本。因此，井下人工制冷技术方案的要点是在深入分析热害来源的基础上，合理选取降温对象，并确定容量较大、温度稳定、距离合适的热汇。

在各类热泵技术中，水源热泵技术具有低成本、结构简单、温度稳定、技术成熟等特点。在矿井制冷系统设计中，可以利用矿区内或矿区附近地表水或地下水体作为热汇，但需重点分析其蓄热能力和水源热泵系统的成本。笔者以贵州锦丰金矿为研究对象，探讨了利用水源热泵技术对矿井降温的技术经济可行性。通过理论分析、现场调研实测、数值模拟相结合的方法，判别了矿井热害来源；分析了矿区附近2处大型流动水体(北盘江、洛凡河)、1处固定水体(绿荫塘)和1处小型流动水体(矿井引水渠)的蓄热容量；其中，通过多物理场数值模拟软件对绿荫塘进行30 d的换热模拟；对矿井引水渠开展了实地水流量实测并计算其变形系数分析热汇稳定性；此外还计算了各水源热泵方案的成本。经综合分析，推荐了将矿井引水渠作为水源热泵冷源，对井口新风进行一次性降温的技术方案。

部分图片

图 1 井下巷道围岩温度测量结果

图 2 物探井井温−埋深曲线

图 3 围岩散热量与工程所在标高的关系

图 4 水源热泵方案结构

图 5 绿荫塘模型俯视示意

图 6 水塘模拟网格划分

图 7 洛凡河

图 8 北盘江

图 9 矿井引水渠水流示意

图 10 明渠流流量仪

图 11 巴歇尔槽示意

图 12 明渠流流量仪测量方式示意

图 13 2023 年 6 月生产引水日流量

作者简介

文志杰（1982—），男，山东青岛人，教授、博士生导师、国家级青年人才。

研究方向

采动力学与围岩控制；深地空间动力灾害防控技术；地下工程稳定性智能化预警分析；地下工程精细化探测与安全防护技术

主要成果

获山东省青年科技奖、全国煤炭青年科技奖、中国岩石力学与工程学会青年科技奖、中国矿业石油与安全工程领域优秀青年科技人才等荣誉，并获贵州省科技进步一等奖等省部级奖励7项。近年来，出版专著5部，在国内外学术期刊发表论文70余篇，制定标准10项，授权发明专利16项（第一位）。

通讯作者简介

裴鹏（1982— ），男，贵州贵阳人，教授、博士生导师。

研究方向

深部矿井热害治理，浅层地热开发

主要成果

发表SCI、EI检索论文40余篇，出版学术专著2部。

策划丨郭晓炜

责编丨王晓珍

编辑丨李莎

审核丨常明然

期刊简介

为深入贯彻习近平生态文明思想，践行“绿水青山就是金山银山”理念，搭建绿色矿山建设领域高端学术交流平台，2023年5月，经国家新闻出版署批准，由中国煤炭科工集团主管、煤炭科学研究总院有限公司主办的中文科技期刊——《绿色矿山》（Journal of Green Mine）应运而生。《绿色矿山》为季刊，国内统一连续出版物号为：CN10-1912/TD，ISSN号：2097-3357，由《煤炭学报》编辑部负责策划、出版、发行。

刊登范围

绿色勘查、绿色开采、矿山地下空间利用、绿色选冶、矿山环境保护、低碳技术及节能减排、数字矿业、绿色低碳经济政策与评价等。

联系：常明然

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