摘要：随着我国社会经济的进步和发展，我国的煤矿企业的发展也取得了一定的进步。我国的煤矿企业不仅是生产能源的主要单位，更是能源消耗巨大的单位。在煤炭生產的环节较多，过程也非常复杂，由于消耗能量的环节繁多，因此节能的空间是非常大的。矿井的深部开采是接下来煤矿发展的主要趋势，矿井的地温热害以及矿井水中的余热资源是矿井生产中需要重点研究和解决的两个重要问题，研究和开发这些余热资源对于减轻矿井热害，改善井下的工作环境具有十分重要的作用。

Abstract： With the progress and development of China"s social economy， the development of China"s coal mining enterprises has also made certain progress. China"s coal mining enterprises are not only the main unit for producing energy， but also the unit with huge energy consumption. There are many links in the production of coal， and the process is very complicated. Because there are many links of energy consumption， the space for energy conservation is very large. The deep mining of mines is the main trend of coal mine development. The geothermal heat damage of mines and the waste heat resources in mine water are two important issues that need to be studied and solved in mine production. Research and development of these waste heat resources is very important to reduce mine heat and improve the working environment in the underground.

关键词：煤矿；余热资源；综合利用；设计

Key words： coal mine；waste heat resource；comprehensive utilization；design

中图分类号：TK229.92 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）33-0227-02

0 引言

《煤矿安全规程》中做出明确规定：当采掘工作面的空气温度大于三十摄氏度的时候，必须要停止作业。通过多年的工作和实践来看，地下热源主要有空气压缩热、地热、氧化反应热等，这些地下热源能够为水源的热泵系统的运行提供便利条件，利用水源的热泵技术又能够开发矿区的余热资源。我们以X煤矿为例来说明：X煤矿的生产能力为5.0×106t/a，在煤矿的建井阶段和生产阶段都拥有非常丰富的余热资源。矿井水中含有非常丰富的余热资源，这些余热能够影响到围岩的相关性质，也能够提高工作面的温度，影响矿井工作的安全，威胁着矿井工作人员的生命和财产安全。

1 我国矿井中能够利用的余热资源介绍

1.1 空压机余热 空压机的功率大约为250千瓦，我们假设X煤矿中有五台空压机，通过实际的运行经验和工作经验我们可以发现，在绝大多数的工作时间内会同时运行三台空压机，因此空压机能够提供的废弃热量是：250kW×70%×3=525kW[1]。

1.2 风井余热 矿井生产是有一定的特点的，比如矿井的排风温度是恒定的，排风量也是比较稳定的，因此风井的余热也是一种质量较高的废热资源。和其它余热相比，风井余热是非常优质的，但是由于实际施工中，风井距离矿区是非常远的，如果想要利用矿井余热，不仅需要解决征地、敷设官网等问题，还需协调好地方上的关系，非常麻烦，并且开发的成本也非常高，因此一般情况下风井余热的还没有被纳入研究范围。

1.3 洗浴废水中产生的废热资源 据相关资料统计，我国大部分煤矿每天都会产生大量的洗浴废水，这些洗浴废水的温度一般都在三十摄氏度左右。我们按照X煤矿每天产生700立方米的洗浴废水来计算，假设能够收集这些洗浴废水加以利用，能够产生的热量大约是700×（30-10）÷24×1.163=678.41kW。由于浴室内部的温度一般在三十摄氏度左右，是一种非常理想的低温热源，但是对洗浴废水的处理是非常麻烦的，需要进行头发收集，废水加压等处理，工作时间短并且相对集中，还有许多限制性的条件，因此目前只是作为一种备用性的热源[2]。

1.4 矿井回风余热 X煤矿中的回风资源非常丰富，通过实际的测量我们发现，矿井回风中的热能非常丰富，如果能加以开发和利用，能够成为冬季里的一种非常优质的低质低温热源。不管是矿井建井期还是生产期的供热，都能够发挥巨大的作用。

2 确定冷、热源

我们以X煤矿为例来分析和确定冷、热源。

2.1 各阶段的热源结构介绍

X煤矿中有一台蒸汽锅炉，热功率为1.4MW，主要负责的是是建井期的临时供热，因此矿井各个阶段的热源组成结构如下所示：

第一阶段：基本热源是2t/h的蒸汽锅炉加矿井深井水热泵，另外，在矿井的浴室内部设立排水热泵作为备用热源，只有如此，才能更好的满足供暖期的总热负荷的需要[3]。

第二阶段，基本热源为空压机冷却热泵加矿井深井水热泵加2t/h的蒸汽锅炉，调峰热源是矿井内部浴室的排水热泵。为了减小矿区生活供热的热负荷，矿区工作人员必须采取一定的辅助措施，比如尽量在不同的时间段内加热池浴热水和淋浴水[4]。

第三阶段，组合的基本热源为空压机冷却水热泵加蒸汽锅炉加矿井深井水热泵加矿井回风水源热泵，在不包含浴室排水热泵的情况下，第三阶段的穩定热大约在8406kW左右，就现实需要而言，还缺2600kW左右，为了解决供给和需求两个方面的矛盾，需要从矿区生活供热和供暖这两个方面着手，在非供暖期，供热方式采用蒸汽锅炉，并且适当降低室内的温度[5]。

第四阶段的基本热源是瓦斯发电余热加空压机冷却水热泵加矿井回风水源热泵，这一阶段需要注意的问题是充分利用瓦斯发电的余热，当余热不足的时候，尽量用矿井回风水源热泵来弥补。

第五阶段的组合基本热源是矿井回风水源热泵加空压机冷却水热泵，优先使用的能源是空压机冷却水，备用热源是其它剩余的余热资源。

2.2 各个阶段的冷源结构

第一阶段：无冷负荷。

第二阶段：无冷负荷。

第三阶段：冷水机组制冷方式。在白天供冷期间，相关人员负责停止运营蒸汽锅炉，矿区为了免费为员工提供生活热水，需要把制冷机组的部分已经冷却的水接到生活热泵机组的蒸发器内，晚上仍然有专人来负责蒸汽锅炉的运行。

第四阶段：热泵机组制冷。制备生活用水仍然采用的是瓦斯发电的余热这一方式，白天不够的采取能量回收的方式弥补，晚上不够的采取井下降温冷却水热泵的方式弥补。

第五阶段：第四阶段和第五阶段的供冷期冷负荷是相同的，但是第五阶段晚上采用的是井下降温冷却水热泵提供热水，白天的生活热水主要来自制冷机组的热能量回收。

2.3 矿区冷热源的控制的原则

不管在哪个阶段，冷热源的控制的原则都是免费能源优先。在国家节能减排政策的号召下，相关单位必须尽最大努力的使用免费的能源，为了方便管理，我们可以采用自动控制节能设备，将各种能源设备进行统一的管理和控制。

3 煤矿区水源热泵的设计方案

在本方案中，需要遵循的一个重要的设计原则就是最大限度的利用矿井的余热资源，方案所要达到的预期目标主要有以下几个：一是联合建筑的制冷和供暖，二是工厂内部的浴室洗浴热水的加热和建筑供暖，三是冬季井口的防冻工作。由于矿井水在回收利用的时候，不可避免的会产生热量的损失，因此工作人员需要采取相应的保温措施，比如在排水渠内设置盖板等。

3.1 井口防冻系统 为了满足井口防冻的需要，我们一般会采取用37摄氏度的热水来对新风进行加热的方式，在满足井口防冻的要求之下，选择一组备用机组，供出水的温度为10/5摄氏度，供暖循环水侧的供回水的温度为40/35摄氏度。加热之后，风温是比较低的，为了满足井口防冻的热负荷，工作人员需要加大加热的风量，但是如果仅仅采取空气加热室加热的方式，并不能满足井口防冻的相关要求，因此需要加大进风的面积。另外，在原本空气加热室改造的基础之上，工业的热风机组不仅能够保障井口防冻的相关工艺要求，也能够在一定程度上节省工程的土地建设投资。

3.2 职工浴室洗浴热水的加热系统 池浴用水和淋浴用水是洗浴用水的两大分类，据相关资料显示，一般矿区的池浴用水的水温为60摄氏度，每天所需的池浴用水大约为250立方米，淋浴用水的水温为46摄氏度，每天所需要的淋浴用水约为370立方米。在本方案中，我们对洗浴热水主要采用梯级加热的加热方式，根据当地的实际需要，工作人员把加热好的热水直接送到联合建筑的地下水箱内，因此联合建筑内部的旧的淋浴系统并不需要重新进行设计和改造，只需要简单的设计一下池浴水的供水系统即可。

3.3 工业场地的采暖系统 现有的建筑中，办公室、值班室等场所对于供暖的要求是非常高的，工地等场所对于供暖的要求并不是那么高。预计在未来的发展中，将会增加59257.51平方米的采暖面积，总共的采暖负荷能够达到9.4MW。

3.4 联合建筑的制冷和供暖设计 联合建筑的总供暖的负荷约为1839.3kW，制冷负荷大约为3224.2平方米。在煤矿的矿井排水量较大和水质良好的的情况下，夏季天气较热的时候可以采用为冷却水，冬天可以作为热源水，综合考虑联合建筑的供暖需求的情况下，我们的方案中采用的是半封闭螺杆水源热泵机组提取14摄氏度矿井水的热量，通过末端风机盘管的循环来达到联合建筑的供暖要求。

4 结语

应用水源热泵系统来提取矿井废热资源，和燃煤锅炉相比，每年可以节省大量的运行费用，减少废弃物和污染物的排放。通过上述的介绍和阐释我们可以发现，尽管我国的煤矿余热资源的研究和利用已经取得了一定的发展和成就，但是就我国煤矿企业现阶段的发展状况而言，还存在许多技术上和管理上的问题。因此相关的煤矿企业还需加强探索和研究，寻找回收余热资源的方法，尽可能的减少供暖的消费，减轻供热系统的消耗。

参考文献：

[1]董宪伟，张九零， 侯欣然.煤矿余热资源综合利用研究[J]. 河北能源职业技术学院学报，2014，14（3）：49-51.

[2]吴学强.煤矿余热资源综合利用设计研究[J].中国资源综合利用，2018（3）.

[3]冯小勇，屈云海.昆钢新区钢铁冶炼余热资源综合利用研究及应用[J].昆钢科技，2016（6）：53-58.

[4]陈新伟.煤矿压风机综合余热回收设计研究[J].中州煤炭， 2017，39（7）：226-229.

[5]白延斌，焦春玲，霍海红.新形势下煤矿暖通设计的探讨[J]. 制冷与空调（四川），2017，31（3）：281-285.