矿井降温技术逐步向高效能、高效益迈进。但仍需通过新材料、新结构和智能化技术持续升级设备，以应对愈加复杂的井下环境。
伴随矿山开采深度加大，高温热害问题日益凸显。湿与热不仅影响矿工的健康和生产效率，还成为安全生产的重大隐患。因此，研究开发节能高效、安全可靠的矿井制冷降温装备及系统，成为矿山开采行业的“必答题”。
据《中国能源报》记者了解，近年来，国内外在矿井热害治理技术上不断创新，从德国的水冷技术到南非的冰冷技术，再到我国自主研发的热害资源化利用系统，矿井降温技术逐步向高效能、高效益迈进。但随着未来开采深度进一步加大，设备功率与井下空间有限的矛盾或将逐渐显现，仍需通过新材料、新结构和智能化技术持续升级设备，以应对愈加复杂的井下环境。
井下湿热难耐
初次进入煤矿，随着电梯抵达井下，煤矿带给《中国能源报》记者的第一印象是“湿”。通常来说，矿井最适宜的相对湿度是50%—60%，而井巷壁面散湿、矿井水蒸发持续给矿井空气“加湿”，这样井下空气的相对湿度多为80%—90%。另一方面，地热、采掘设备运转放热、运输中的矿物和矸石放热等一系列因素也让矿井温度升高。部分矿山还可能面临岩石温度高、地下热水涌出、采掘工作面风量偏低问题，进一步加剧高温。
近年来，部分老矿区、老企业的浅层煤炭资源逐渐枯竭，深部开采条件下的煤层复杂难采，“高湿+高温”形成的矿井热害成为安全生产的主要威胁之一。在安徽省淮北矿区，16对生产矿井采掘活动深度大多在地下500—1000米，其中开采深度达800米以深的矿井有9对，最深采掘活动地点达到地下1000米。随着开采深度增加，矿区生产矿井面临不同程度地温热害，其中信湖、涡北、许疃等煤矿较明显，在无制冷设备运行情况下，采掘活动地点地温达到30摄氏度以上。同时，矿区开采深度每增加100米，地温就会上升1.4—3.3摄氏度。
过于闷热的环境影响矿工健康、降低生产效率，热害造成的精神恍惚和疲劳也是造成矿山安全事故的重要原因之一。我国《煤矿安全规程》规定，工作面环境温度超过26摄氏度必须采取措施，超过30摄氏度则必须停产。
热害也能成为资源
“高温热害危害工人身心健康、影响机电设备正常运行，还会加速煤炭氧化过程，是导致煤炭发生自燃灾害的重要因素之一。”中国矿业大学（北京）隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室教授郭平业在接受《中国能源报》记者采访时表示，高温岩层中的温度压力耦合作用还会诱发吸附气体逸出、围岩强度温差应力损伤、支护结构功能失效等多种问题，进一步催化瓦斯突出、围岩变形、岩爆等高温热害诱发的次生灾害。
目前，国外较有代表性的热害治理技术是德国的水冷技术和南非的冰冷技术。郭平业介绍：“水冷技术就是把中央空调移到井下，通过水循环把冷凝热输送到地面冷却。但整体投资比较大，夏季地面温度高导致降温系统能效较低。而冰冷技术诞生于上世纪80年代，因为南非的金矿深度大，最深超过4000米，为解决水循环系统高压问题，就在地面制冰，输送至井下用于制冷。这种技术的缺点是输送易卡顿、制冰能耗大且沿途损耗大。”
近年来，我国矿井热害资源化利用装备系统在一批煤矿落地应用，矿井实现井下降温的同时，热能被交换到井上循环利用。“热害资源化利用技术可将热害变为热能资源，用于井口防冻、洗浴和供热等场景。”郭平业表示，位于徐州市的张双楼煤矿利用这一系统实现了燃煤锅炉替代，每年可节约燃煤约1.5万吨。此外，我国技术还具有全风降温模式、可移动可组装的特点，在投资、效率和运行费用等方面都具有显著优势。
设备需持续升级
矿井降温设备的基本工作原理与传统空调类似，但与地面建筑物不同，矿井是一个全开放的系统，没有墙体和门窗的隔离，井下冷凝热排放更加困难。同时，井下空间有限，设备结构不仅要紧凑，还要做防爆处理。此外，矿井降温设备也要对恶劣环境有极强的适应性。
作为较早探索热害治理的煤矿之一，中煤新集刘庄煤矿开采深度约为762米，平均温度38.48摄氏度，接近二级高温区。该矿建立独立制冷系统，冷冻水经井下压力交换或热交换系统传输后，通过管道、局部通风机、空冷器，吹散到采掘工作面，稀释现场的空气热量，从而达到降温效果。
在华能庆阳新庄煤矿，该矿两条巷道放热量大，其中机电设备与围岩放热占放热总量的80%以上。为防止热害，该矿引入由矿用空气源热泵、水流管路、控制器、冷水供应和热水收集装置等多种设备组成的降温系统，实现巷道风流降温和废热处理，可将设备周边29.1摄氏度的空气降温至17.5摄氏度，还可根据需要调整功率，实现不同程度降温效果。
伴随未来矿山开采深度加大，热害威胁将愈加严重，设备需求功率也将随之增加。但设备的高功率也意味着大体积，和深部开采愈发紧张的井下空间形成矛盾。郭平业表示：“要解决这一矛盾，需要新型材料和换热结构提高设备换热效率，并通过模块化设计，根据井下实际空间和需求灵活组装设备。此外，利用人工智能等技术精准调控系统运行状态，也可提升降温效果。”
文丨本报记者 杨沐岩