一种高效节能的矿井降温兼供水系统

本发明涉及矿井降温系统的技术领域，特别是涉及一种高效节能的矿井降温兼供水系统。

背景技术：

随着矿产资源采掘深度的增加，原岩温度不断升高，开采与掘进工作面的高温热害日益严重；另外，井巷围岩、采掘壁面、运输煤块及采掘工作面机电设备等散热，致使井下热环境进一步恶化。高温高湿的井下热环境，不但降低了采煤生产效率，而且严重危害了工作人员的身心健康。

目前，增加风量的措施难以缓解深井工作面高温热害问题，需要结合人工制冷降温的措施。在实现人工制冷井下工作面降温技术时，必须解决井下降温制冷散热难题。目前，矿井降温系统常用的冷凝散热方式有：地面集中散热与制冷降温系统，井上散热井下集中制冷工作面降温，矿井工作面回风排风散热、矿井涌水排水散热系统等，这些系统普遍存在降温输冷冷水管道数量多、冷量损耗大、冷凝散热难、降温系统综合利用效率低的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高效节能的矿井降温兼生产供水系统，以解决上述现有技术存在的问题，使井下冷量输送兼具生产供水功能，节能降耗，提高散热效率与降温效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种高效节能的矿井降温兼供水系统，包括风冷换热机组、水冷制冷机组、高低压换热机组、降温空调器和电控系统电，所述风冷换热机组与所述水冷制冷机组分别与一补水箱连通，所述补水箱用于连通自来水，所述风冷换热机组与所述水冷制冷机组能够通过管路和阀门连通，所述风冷换热机组与所述水冷制冷机组均能够通过管路和阀门与下井换热管连通，位于井下巷道内的所述下井换热管上连接有用于主巷道降温的所述降温空调器和所述高低压换热机组，所述高低压换热机组上端至少能够连通所述风冷换热机组与所述水冷制冷机组之一、下端分别连通有用于采掘工作面和回踩工作面降温的所述降温空调器，经所述降温空调器换热后的水用于提供生产用水和洒水降温除尘作用，排水系统收集后的水通过矿井排水泵和管路与水处理厂连接，所述风冷换热机组、所述水冷制冷机组、所述高低压换热机组和所述降温空调器分别与电控系统电连接。

优选的，所述风冷换热机组包括风机和至少两个依次设置的换热室，相邻的换热室上方通过挡水板依次连通、换热用水通过循环泵依次连通，所述风机与第一个所述换热室连通，所述风机用于将室外空气依次通入所述换热室，最后一个所述换热室通过所述挡水板与气流出口连通。

优选的，所述换热室包括两个依次设置的一级换热室和二级换热室，所述风机与所述一级换热室连通，所述一级换热室和二级换热室的上方均为风道、下方均为水池，所述风道与所述水池连通，每个所述水池上方均设置有一喷淋引射换热器，所述二级换热室的喷淋引射换热器两端分别与第一进水管和第二进水管连通，所述二级换热室的水池通过循环泵与所述一级换热室的喷淋引射换热器连通，所述一级换热室的水池上设置有出水管，所述第二进水管与所述出水管均能够与所述高低压换热机组连通。

优选的，所述出水管通过循环泵和阀体能够与采暖和洗浴的供热系统连通；所述二级换热室的水池上设置有浮球阀，所述浮球阀与所述补水箱连通。

优选的，所述水冷制冷机组包括两组冷凝器和蒸发器，所述冷凝器的一端均通过循环泵和阀体能够与所述出水管连通、另一端均能够与所述第一进水管连通，两个所述蒸发器通过管路和阀门依次连通，一个所述蒸发器通过回水管与高低压换热机组连通、另一个所述蒸发器通过循环泵和供水管与所述高低压换热机组连通，两个所述蒸发器均能够通过管路和阀门与所述第二进水管连通。

优选的，所述冷凝器的进水口、出水口均能够通过管路和阀门与采暖和洗浴的供热系统连通。

优选的，所述回水管通过管路和阀门与一补水箱连通，所述补水箱通过浮球阀与自来水连通。

优选的，所述高低压换热机组包括蓄水池和至少两个依次串联的换热器，所述换热器的四个介质口分别通过阀门连通所述供水管、所述回水管、所述蓄水池和巷道主回水管，所述蓄水池通过循环泵与巷道主供水管连通。

优选的，所述换热器通过安全阀与所述蓄水池连通，所述供水管通过减压阀和浮球阀与所述蓄水池连通。

优选的，所述巷道主供水管与巷道主回水管上分别设置有若干个降温空调器，位于矿区掘进工作面和回采工作面的降温空调器上分别设置有局扇和送风筒且回水口通过阀门连接有生产用水管。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明将井下生产供水系统与降温输冷系统耦合，使矿井降温供水管兼做生产供水管，一，可有效降低了地面至井下输水管道数量、节省了安装空间和成本投资；二，可将掘进工作面降温后的冷水再用作掘进工作面生产供水，提高了降尘和冷却与降温效果；三，热泵型制冷设备布置于地面，散热效率高，机组能效高、能耗低，且不需要采用煤安认证、无需防潮防爆、设备造价低、运行维护管理方便；四，实现冬季利用地面自然冷量满足井下采掘工作面降温，不需要开矿井降温制冷机组，大温差低温冷水制冷机组实现低能耗井下生产供水与降温供冷，或者冬季井下采掘工作面降温制冷同时满足地面场区采暖供热，以及非采暖季时井下采掘工作面降温制冷同时满足生活供热等功能，具有运行能耗低、能效高、节能等特点；五，有效实现了生产供水流量与井下采掘工作面供冷冷水流量自动平衡，实现了一次循环高压冷水与二次循环低压冷水高低压冷量交换及井下生产供水减压的压力转换，确保了井下降温系统的安全与稳定供冷及井下生产可靠供水；六，冬季地面空气自然冷量可直接用于井下降温换热器采用逆流高效冷量交换，将冬季地面低温冷空气冷量充分用于井下高温热害采掘工作面的降温，节能降耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明高效节能的矿井降温兼供水系统的结构示意图；

图2为本发明中风冷换热机组的结构示意图；

图3为本发明中高低压换热机组的结构示意图；

其中：1-矿井降温兼供水系统，2-风冷换热机组，3-水冷制冷机组，4-高低压换热机组，5-降温空调器，6-补水箱，7-浮球阀，8-一级换热室，9-二级换热室，10-喷淋引射换热器，11-水池，12-风机，13-挡水板，14-循环泵，15-第一进水管，16-第二进水管，17-冷凝器，18-蒸发器，19-供热系统，20-供水管，21-回水管，22-换热器，23-减压阀，24-安全阀，25-蓄水池，26-巷道主供水管，27-巷道主回水管，28-排水仓，29-局扇，30-送风筒，v1～v21-阀门。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种高效节能的矿井降温兼供水系统，以解决现有技术存在的问题，使井下冷量输送兼具生产供水功能，节能降耗，提高散热效率与降温效果。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图3所示：本实施例提供了一种高效节能的矿井降温兼供水系统1，包括风冷换热机组2、水冷制冷机组3、高低压换热机组4、降温空调器5和电控系统，风冷换热机组2与水冷制冷机组3分别与一补水箱6连通，补水箱6用于连通自来水，风冷换热机组2与水冷制冷机组3能够通过管路和阀门连通，风冷换热机组2与水冷制冷机组3均能够通过管路和阀门与下井换热管连通，位于井下巷道内的下井换热管上连接有用于主巷道降温的降温空调器5和高低压换热机组4，高低压换热机组4上端至少能够连通风冷换热机组2与水冷制冷机组3之一、下端分别连通有用于采掘工作面和回踩工作面降温的降温空调器5，经降温空调器5换热后的水用于提供生产用水和洒水降温除尘作用。排水系统将水收集至排水仓28，收集后的水通过矿井排水泵和管路与水处理厂连接，风冷换热机组2、水冷制冷机组3、高低压换热机组4和降温空调器5分别与电控系统电连接。电控系统为本领域常规的电控系统，用于电路控制。

风冷换热机组2包括风机12和至少两个依次设置的换热室，相邻的换热室上方通过挡水板13依次连通、换热用水通过循环泵14依次连通，风机12与第一个换热室连通，风机12用于将室外空气依次通入换热室，最后一个换热室通过挡水板13与气流出口连通。换热室包括两个依次设置的一级换热室8和二级换热室9，风机12与一级换热室8连通，一级换热室8和二级换热室9的上方均为风道、下方均为水池11，风道与水池11连通，每个水池11上方均设置有一喷淋引射换热器10，二级换热室9的喷淋引射换热器10两端分别与第一进水管15和第二进水管连通16，二级换热室9的水池11通过循环泵14与一级换热室8的喷淋引射换热器10连通，一级换热室8的水池11上设置有出水管，第二进水管16与出水管均能够与高低压换热机组4连通。出水管通过循环泵14和阀体能够与采暖和洗浴的供热系统19连通；二级换热室9的水池11上设置有浮球阀7，浮球阀7与补水箱6连通。风机12将室外冷空气加压送入换热室，气体在一级换热室8经过喷淋换热后，空气温度湿度增加，经过挡水板13进入二级换热室9再进行第二次喷淋换热，空气进一步吸收水体的热量，最后经过挡水板13流出风冷换热机组2，实现井下采掘工作面制冷冷凝热散放。

水冷制冷机组3包括两组冷凝器17和蒸发器18，冷凝器17的一端均通过循环泵14和阀体能够与出水管连通、另一端均能够与第一进水管15连通，两个蒸发器18通过管路和阀门依次连通，一个蒸发器18通过回水管21与高低压换热机组4连通、另一个蒸发器18通过循环泵14和供水管20与高低压换热机组4连通，两个蒸发器18均能够通过管路和阀门与第二进水管16连通，梯级降温，实现井下降温大温差制冷输冷循环。冷凝器17的进水口、出水口均能够通过管路和阀门与采暖和洗浴的供热系统19连通。回水管21通过管路和阀门与一补水箱6连通，补水箱6通过浮球阀7与自来水连通。

高低压换热机组4包括蓄水池25和至少两个依次串联的换热器，换热器的四个介质口分别通过阀门连通供水管20、回水管21、蓄水池25和巷道主回水管27，蓄水池25通过循环泵14与巷道主供水管26连通，梯级降温，实现井下降温大温差制冷输冷循环。换热器通过安全阀与蓄水池25连通，当换热器一次循环高压冷水侧压力超过安全压力起跳时，水将通过安全阀泄入井下降温空调器5二次循环冷水及生产供水的蓄水池25。供水管20通过减压阀和浮球阀7与蓄水池25连通，实现了井下二次循环低压工作面降温供冷冷水流量和生产供水流量的平衡和稳定，有效解决了一次循环高压冷水与二次循环低压冷水的压力转换的问题，以及降尘冷却用水量波动较大、规律性差等的井下生产用水流量匹配问题。巷道主供水管20与巷道主回水管27上分别设置有若干个降温空调器5，位于矿区掘进工作面和回采工作面的降温空调器5上分别设置有局扇29和送风筒30且回水口通过阀门连接有生产用水管，在降温空调器5内低压二次循环冷却水对热湿空气降温除湿，然后经过送风筒30或巷道送至工作面满足降温需要；满足采掘工作面及巷内井下灭尘洒水装置及冷却用水与其他用水的需求，同时也有利于提高井下降温效果。

本实施例的高效节能的矿井降温兼供水系统1的功能包含如下：

主要功能一，地面热泵型水冷制冷机组3制取的低温冷水利用井下供水管20向井下输冷水，经高低压换热器及减压泄压水，再通过缓冲冷水的蓄水池25经循环泵14加压输送至工作面前矿井降温空调器5，满足高温高湿工作面降温除湿需要；

主要功能二，自井下工作面降温除湿空调器后的矿井降温回水引出井下工作面生产灭尘及冷却等用水，满足井下生产供水需要，同时生产用水冷量可以继续释放出来对工作面空气进一步降温，提高降温效果；

在满足对井下高温热害工作面降温需要的同时，仍具有以下辅助功能：

辅助功能一，为井下生产提供生产供水，地面热泵型制冷机组在冬季可以为地面工业广场提供供热热源，实现冬季井下降温同时为地面工业广场供热；

辅助功能二，地面第一级热泵型制冷机组在春秋夏季可以为地面工业广场洗浴供热提供热源，实现春秋夏季井下降温同时为地面工业广场洗浴供热；

辅助功能三，在冬季利用地面矿井降温自然冷量高效换热器换热，为井下降温输送冷量同时为井下生产供水，不开启水冷制冷机组3，实现利用地面空气自然冷量满足井下降温需要，具有高效节能低能耗特征。

本实施例的高效节能的矿井降温兼供水系统1通过启闭不同管路上的阀门可实现在冬季利用地面自然冷源满足井下降温供冷工艺流程，具体包含以下几种：

1)冬季地面空气自然冷量对井下降温供冷的工艺流程：

在冬季地面空气温度低于10℃以下的地区，开采矿井井下采掘工作面仍然具有高温热害问题，地面不需要降温系统兼做供热系统19时，可利用换热器将自然冷量进行地面制冷散热，用于制取低温冷水进行井下降温。具体操作原理为：打开阀门v1、v2、v7、v10、v11、v13，关闭阀门v21、v3、v8、v12、v13、v14、v4，井下降温返回的冷水在地面制冷散热与风冷换热机组2内吸收空气冷量，形成温度较低的冷水自二级换热室9的喷淋引射换热器10出水，再经过井下供水与水泵加压输送至井下，井下一次循环冷水供水管通过减压阀减压为蓄水池25提供井下生产供水，另一部分循环水进入换热器的高压侧，并将冷量传递给井下供水与井下降温供冷二次循环低压冷水，一次循环高压水释放冷量后，温度升高返回地面进入风冷换热机组2，回水先进入二级换热室9的喷淋引射换热器10与冷空气冷量交换，使得水温降低，落入下方的水池11中后与补水箱6流入的水混合，被循环泵14加压输送至一级换热室8的喷淋引射换热器10进行喷淋换热，与新鲜冷空气二次冷量交换后的冷水温度进一步降低，落入下方的水池11的水再次经井下供水管20加压输送至井下，完成冬季利用地面冷空气冷量为井下采掘工作面降温供冷与井下生产供水目的。

冬季利用自然冷量供冷同时实现生活热水供热的操作原理为：打开冷水管路上的阀门v1、v2、v7、v3、v8、v11、v13，关闭阀门v21、v9、v10、v12、v13、v14、v4；打开供热管路上的阀门v17、v19，关闭阀门v16、v18、v20。井下降温利用之后的回水先进入水冷制冷机组3的蒸发器18被降温释放热量，再进入风冷换热机组2，利用冬季的冷空气进一步降温，再次经过循环泵14加压输送至井下，满足井下采掘工作面降温供冷与井下生产供水目的。同时，场区生活供热用的水直接经水泵加压进入水冷制冷机组3的冷凝器17进行升温，实现冬季井下采掘工作面降温冷凝热用于生活供热，还可利用地面冷空气补充冷量满足井下降温和生产供水。

2)冬季地面空气自然冷量用于井下降温换热器供冷和地面制冷散热的工艺流程：

风冷换热器用于制冷冷凝热散热的操作原理为：关闭阀门v11，水自水冷制冷机组3的冷凝器17流出后，再进入风冷制冷机组的二级换热室9的喷淋引射换热器10，在二级换热室9喷淋与空气进行热质交换，水经过散热降温后落入二级换热室9的水池11，再经循环泵14加压送入一级换热室8的喷淋引射换热器10进行第二次换热，温度进一步降温形成冷却水后，落入一级换热室8的水池11。冷却水经循环泵14再次供入大温差矿井降温用的水冷制冷机组3的冷凝器17吸收制冷冷凝热循环散热，实现井下采掘工作面制冷冷凝热的快速高效散放。

冬季地面空气自然冷量用于井下降温供冷操作原理为：打开阀门v11，来自井下降温的回水将进入二级换热室9的喷淋引射换热器10，并通过喷淋与冷空气进行热质交换，散热降温后的水落入水池11，经循环泵14加压送入一级换热室8的喷淋引射换热器10进行第二次换热，水体温度进一步降低后落入一级换热室8的水池11，经循环泵14加压送入流出，供入一次冷水循环供水系统，来满足井下采掘工作面降温供冷与井下生产供水目的。同时补水箱6能够及时向换热器内补充因井下生产用水而减少的供水流量，实现利用冬季自然冷量满足井下降温供冷与生产供水的稳定供应需求。

本实施例的高效节能的矿井降温兼供水系统1在实现制冷的同时可以供热，制冷散热与供热工艺具体包含以下几种：

1)仅制冷不供热时，打开阀门v12、v15、v16、v18、v14，关闭阀门v11、v13、v17、v19、v20，风冷换热机组2内一级换热室8下部水池11的水经循环泵14分别进入水冷制冷机组3的冷凝器17，在冷凝器17内水体吸收冷凝热温度升高，再流出进入风冷换热机组2进行换热，而制冷产生的冷凝热最终释放至大气中，冷却水温度降低再经阀门v12经循环泵14泵加压进入水冷制冷机组3的冷凝器17实现了冷却水散热循环。来自井下高低压换热机组4的回水经过水冷制冷机组3的蒸发器18中进行换热降温，再经水泵14输送至井下用于矿井降温供冷循环，两个循环连续运行实现了井上制冷散热、井下降温与生产连续供水。

2)冬季制冷同时将冷凝热全部用于供热时，打开阀门v16、v17、v18、v20，关闭阀门v14、v15和v19，供热用水经循环泵14加压输送至水冷制冷机组3的冷凝器17，吸收冷凝热温度升高后再次送入供热系统19。

3)非供暖季制冷同时将冷凝热用于生活供热时，打开阀门v12、v15、v14和v17、v19，关闭阀门v16、v18、v20、v11和v13，供热用水经循环泵14加压输送至水冷制冷机组3的冷凝器17，吸收冷凝热温度升高后再次送入供热系统19，完成供热升温的循环。同时，风冷换热机组2中的冷却水经循环泵14进入水冷制冷机组3的冷凝器17，在冷凝器17内吸收冷凝热温度升高，再流出进入风冷换热机组2，完成一次冷却循环，而在换热室散放的冷凝热最终排放到大气中。来自井下高低压换热机组4的回水经过水冷制冷机组的蒸发器18中进行换热降温，再经循环泵14输送至井下实现了井下降温供冷循环，实现井下降温供冷与连续生产供水同时实现井上部分制冷冷凝热用于生活供热和制冷冷凝热散热。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。