深井热害是矿山深部开采的关键问题之一，制约着矿山的深部开采能力（蔡美峰等，2019；李孜军等，2021；郭对明等，2022）。通风降温是最早用于热害控制的方法，但由于该方法的冷却效率和通风极限较低，随着深部热害的加重，其冷却效果逐渐降低。机械制冷通风降温是目前主要的矿井热害治理方式，但存在成本高、维护困难、冷量利用率低和降温效果不理想等问题（王运敏等，2023）。常用的机械制冷降温技术主要包括冰冷却技术和空调制冷技术，其中冰冷却技术起始温度低，运输速度快，使用冰浆作为制冷工质可以大幅降低沿程的冷量损失（乔华等，2000；孙希奎等，2009；张辉等，2009）。然而，随着开采深度的增加，沿途冷损失增大导致制冷成本升高。矿井空调制冷技术在矿山得到广泛应用，但是传统的空调制冷技术建设、维护及管理成本较高，经济性低，可靠性差（袁亮，2007；何国家等，2011）。

基于上述问题，国内外学者提出了充分利用井下涌水，采用井下低温水作为冷源的水源热泵制冷技术，该技术具有节能、环保和高效等优点（刘建功，2011；张永亮等，2014；蔡美峰等，2021，2022）。何满朝等（2008， 2013，2015a，2015b）提出了HEMS降温系统，该系统充分利用井下低温水资源，通过能量提取将低温矿井水冷量传至工作面，从而达到降温的目的，并在冷却过程中通过地下深井冷却和地热利用实现能源回收利用，目前已成功应用于矿山热害控制中（He et al.，2009，2010）。为进一步优化HEMS降温系统，研究人员从热害控制模式、温控技术评价体系、系统构成、设计依据、制冷参数计算和冷源短缺补偿等方面进行了大量研究（杨生彬，2008；孟丽，2010；郭平业等，2011；秦帆，2015），有效降低了系统能耗和运行成本。对于井下涌水充足的矿井，纪海维等（2022）提出了一种由空气处理单元、再生空气单元、低温涌水系统和高温涌水系统构成的新型矿井涌水冷热利用的深井降温系统，该系统结构简单，能耗低。为探究独头掘进中风温、风量和岩温等因素对热环境分布的影响规律，杜翠凤等（2016）和边梦龙等（2018）提出了风流温度场“四区”分布概念，并得出通风降温影响因素的排序为入风温度>岩壁温度>风量；李晓健等（2024）提出独头巷道有效通风临界距离为7 m，采用制冷降温时，制冷装置距离作业点小于30 m，入口通风温度为20~25 ℃时较为适宜。

玲珑金矿-750 m中段西翼掘进巷受进风温度、地温及设备散热等因素的影响，工作面温度高达37 ℃，即使通过提高进风量和改变通风方式仍无法有效降低工作面温度。针对该问题，基于井下充足的低温涌水条件，提出并分析了水源热泵降温技术方案，借助理论计算和数值模拟，确定了最佳制冷参数和制冷量，并开展了制冷系统的设备选型和现场应用，为井下长距离掘进的热害治理工作提供技术支持。

玲珑金矿灵山矿区位于山东省招远市，矿区为临近渤海的丘陵地貌，属温带季风型大陆性气候，平均气温为12.5 ℃，最低气温为-21 ℃，最高月平均气温为25.6 ℃，最冷月出现在1月份，最低月平均气温为-3 ℃。矿区海拔标高为+60~+150 m，井下-750 m中段正常涌水量为1 408 m³/d，最大涌水量为1 688 m³/d。矿山采用机械抽出式通风方式，中央对角式通风系统，新鲜风流经主竖井和两级盲斜井进入井下各用风点，冲洗完工作面后的污风经过回风井排至地表。

矿区-750 m中段通风时由5线主竖井进风，由西翼3.5线回风井回风，西翼长距离掘进中的2个工作面分别位于-4线和-6线，距离回风井450~500 m。掘进工作面温度高达37.0 ℃，原因主要有以下4个方面：一是进风温度较高，风流经主竖井进入该中段后，受竖井中空气压缩热和进风巷岩温的影响，进风风流到达西翼进风巷时的温度高达30 ℃，导致西翼掘进巷进风温度过高；二是通风系统不完善，由于西翼工作面距回风井位置较远，-5线位置上部无法施工回风井，采用长距离压入式通风方式的降温效果不理想；三是受机械设备散热影响，西翼工作面布置有柴油铲运机2台，因通风系统不完善，设备散热无法排出；四是受地温影响，根据矿区地温带分布和地温梯度计算结果，该中段原岩温度为32.3 ℃。受以上因素影响，单纯依靠通风很难缓解工作面高温问题，需采取制冷降温技术以改善掘进巷道高温环境。-750 m中段平面图如图1所示。

因矿山掘进面实际条件不同，局部制冷降温方式各异，制冷降温技术方案选择是一个系统性、综合性的工作。由于-750 m中段4线处存在大量的低温涌水（水温为26 ℃），为充分利用该部分低温涌水资源，选择采用水源热泵技术，并根据制冷系统的输冷方式和换热方式设计了3种方案（图2）。

方案1：主要由制冷机组和空冷器组成，将制冷机组布置在进风巷，空冷器布置在工作面附近，以水作为载冷剂，通过管路输送冷冻水至空冷器，空冷器通过换热降低新鲜风的温度并输送至工作面。该方案将制冷机组布置在进风巷，更有利于机组散热，且便于保养和维护，避免了冲击波对机组的影响，同时水的比热容大于空气，在掘进巷内的沿途冷损失较小，但是该系统结构复杂，空冷器换热效率较低，资金投入较大。

方案2：将制冷机组布置在进风巷内，以风筒内的新鲜风作为载冷剂，冷却进风巷新鲜风流后，采用保温风筒将冷风输送至工作面。该方案结构简单，有利于机组散热，但是冷风在掘进巷的长距离输送过程中冷损耗较大，升温率较高，降温效果不佳。

方案3：将制冷机组布置在工作面附近，借助风筒将进风巷新鲜风流输送至制冷硐室，待新鲜风冷却后输送至工作面。该方案结构简单，制冷效率高，但是机组散热会影响机组附近的空气温度，维护和保养困难。

综合上述分析可知，方案3较方案1更具经济性，系统结构更简单，无需敷设循环水管路，便于调整移动；与方案2相比，方案3冷风的沿途冷损失较小，便于机组的启停，适用性更强，但需注意爆破冲击波对机组的影响。因此，选择方案3作为此次通风方案。

根据工作面热荷载反分析法计算模型，利用反分析法计算工作面降温所需的进风温度：

式中：TA'为供冷风温度（℃）；TC'为降温后工作面下角点温度（℃）；g_tAB 为进风巷风流温升率（℃/km）；g_tBC 为工作面风流温升率（℃/hm）（1 hm=100 m）；β₁和β₂为温升率修正系数；T_A 为降温前巷道进风温度（℃）；T_B 为降温前工作面上角点温度（℃）；T_C 为降温前工作面下角点温度（℃）；L_AB 为控制点A和B的距离（m）；L_BC 为控制点B和C的距离（m）。

根据《金属非金属矿山安全规程》（GB 16423-2020）要求，连续作业场所温度不高于27 ℃，因此设定降温目标温度为27 ℃。由于西翼为长距离独头掘进，无完善的回风系统，工作面附近温度相对稳定，因此BC段升温率设为0。西翼掘进巷AB总长为500 m，由于无回风系统，升温率修正系数相对于有回风巷的系数较大，取值为2~3，得出供风温度范围为8.5~15.0 ℃。

（1）模型构建

结合现场实测数据和计算结果，建立-750 m中段西翼巷道几何模型如图3所示。该模型通风方式与现场实际一致，仅采取压入式通风方式，风筒距工作面迎头10 m，风筒直径为0.8 m，巷道为2.4 m×2.6 m（宽×高）的标准巷道。模型中设置巷道壁面边界条件为无滑动边界条件，壁面温度为37 ℃，壁面与空气的对流换热系数为15 W/（m²·℃）。由于风筒长度较短，并采用保温风筒，忽略风筒与回风之间的热传导，设置风筒为绝热壁面。风流流动属于湍流，速度梯度较大，选择RNG k-ε湍流模型。描述巷道内流体流动的控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和湍流动能耗散率方程。通量计算采用二阶迎风离散格式；压强和速度的耦合计算选择稳定性较好的SIMPLEC算法。

（2）模拟计算

根据理论计算结果，制冷供风温度区间为8.5~15 ℃，将供风温度分别设为8.5，11，13，15 ℃。根据《金属非金属矿山安全规程》（GB 16423-2020）要求，连续作业场所温度不高于27 ℃，巷道风速不低于0.5 m/s，因此以距工作面50 m范围温度降低至27 ℃为目标，工作面的最低需风量约为3.0 m³/s。为考察风量对巷道整体降温的效果影响，将每个工作面的进风量分别设置为4种工况，即3.0，4.0，5.0，6.0 m³/s，模拟工况见表1。对16种工况条件下巷道的温度场变化情况进行分析，结果如图4~图7所示。

由图4可知，在进风温度为8.5 ℃的条件下，随着进风量的增加，掘进巷各地点的温度逐步降低。当进风量为3.0，4.0，5.0，6.0 m³/s时，工作面平均温度分别降低至19.71，19.08，18.86，18.61 ℃，距工作面50 m处平均温度分别降低至25.70，25.59，25.40，25.04 ℃，运输巷处平均温度分别降低至28.20，27.98，27.61，27.46 ℃。

由图5可知，在进风温度为11 ℃的条件下，当进风量为3.0，4.0，5.0，6.0 m³/s时，工作面平均温度分别降低至21.23，20.23，19.81，19.25 ℃；距工作面50 m处平均温度分别降低至26.70，26.63，26.45，25.97 ℃，运输巷处平均温度分别降低至28.97，28.48，28.16，27.95 ℃。

由图6可知，在进风温度为13 ℃的条件下，当进风量为3.0，4.0，5.0，6.0 m³/s时，工作面平均温度分别降低至22.51，22.38，22.23，22.06 ℃；距工作面50 m处平均温度分别降低至27.61，27.51，27.46，27.28 ℃，运输巷处平均温度分别降低至29.72，29.41，29.21，29.02 ℃。

由图7可知，在进风温度为15 ℃的条件下，当进风量为3.0，4.0，5.0，6.0 m³/s时，工作面平均温度分别降低至24.20，23.56，23.37，23.30 ℃；距离工作面50 m范围内平均温度分别降低至28.12，28.24，28.15，28.02 ℃；运输巷处平均温度分别降低至30.33，29.91，29.85，29.68 ℃。

（3）结果分析

根据模拟结果，工作面温度普遍降低至25 ℃以下，距离工作面50 m范围内温度降低至26~28 ℃之间，运输巷温度降低至27~31 ℃之间。

由图8可知，当供风温度为8.5~15.0 ℃，供风量为3.0~6.0 m³/s时，工作面温度均能降低至25 ℃以下；当供风温度为8.5~11.0 ℃，供风量为3.0~6.0 m³/s 时，距离工作面50 m范围内的平均温度低于27 ℃，随着供风温度的逐步升高，提高供风量对降温效果的影响不明显；当供风温度为8.5 ℃、供风量高于4.5 m³/s，以及供风温度为11 ℃、供风量高于5.5 m³/s时，运输巷温度均低于28 ℃。在一定的供风温度条件下，提高供风量有助于改善工作面温度，平均温度降幅为0.90~1.98 ℃，但距离工作面50 m范围内的平均温度降幅为0.10~0.73 ℃，运输巷平均温度降幅为0.65~1.02 ℃，整体温度降幅为0.10~1.98 ℃。

由图9可知，在一定的供风量条件下，随着供风温度的降低，工作面温度降幅为4.48~4.69 ℃，距工作面50 m范围内平均空气温度降幅为2.42~2.98 ℃，运输巷的空气温度降幅为1.93~2.24 ℃。

根据结果分析，当供风量为3.0~6.0 m³/s，供风温度为8.5~15.0 ℃时，工作面平均温度降低至25 ℃以下；当温度低于11.5~12.5 ℃时，距工作面50 m范围内的温度低于27 ℃。当供风量为5.0~6.0 m³/s，供风温度低于10.3~11.0 ℃时，运输巷温度低于28 ℃。因此，选定最佳的供风温度为不高于10 ℃，供风量不低于5.0 m³/s。

通风制冷参数主要包括供风状态点参数、供风量和制冷量。相关计算公式（沈维道等，2016）为

式中：Q_Z为制冷量（kW）；G_S为供风流量（m³/s），取5.0 m³/s；ρ为空气密度（kg/m³），取1.2 kg/m³；hZ为空气焓值（kJ/kg）；Δh_Z为供风点和室外点空气焓差（kJ/kg）； d为空气的含湿量（kg/kg），干空气；P为空气压力（Pa）；P_S为水蒸气分压（Pa）；φ为相对湿度（%）。制冷机组进风温度为32 ℃，焓值为78.37 kJ/kg，出风温度为10 ℃，焓值为28.31 kJ/kg，制冷量为300.36 kW。

根据计算结果进行制冷设备的选型，制冷机组功率为100 kW，能效比cop为3.25，制冷设备如图10所示。

冷机组的安装位置、供水量和环境温度均将直接影响制冷机组的正常运行，因此在应用过程中需根据现场实际条件进行施工。

（1）位置选择。为减少爆破冲击波对制冷机组的影响，并确保供风距离不能过远，减少风筒内低温气流的沿途冷损失，根据现场调研，制冷机组安装在-5线硐室内，同时加装一台5.5 kW轴流风机和2条隔热胶质风筒，可同时服务于2个掘进工作面，如图11所示。

（2）建立储水仓。冷却水流量的降低将直接导致机组运行能耗的上升。由于4线涌水点距离制冷机组硐室较远，为确保供水水压，保证制冷机组的供水量，在4线涌水点施工水闸墙和储水仓。储水仓起到蓄水和提高水压作用，利用静水压力将水自流至制冷机组。

（3）风筒降温改造。-750 m中段西翼掘进工作面尚无完善的回风系统，因此从3.5线进风巷采用接力通风方式将新鲜风供给制冷机组硐室。由于距离较远、沿途空气环境温度过高，导致风筒内的风温急剧上升。为减少巷道空气温度对风筒内风温的影响，降低沿途运输巷空气温度，利用4线低温涌水，在风筒上方安装供水管路，将低温水喷淋在运输巷风筒上，起到降低风筒和掘进巷空气温度的作用。喷淋装置如图12所示。

制冷系统正常运行后，现场实测制冷机组出风温度为9.6 ℃，巷道降温前后温度变化情况如图13所示。由图13可知，工作面迎头温度由37.0 ℃降低至26.2 ℃，降幅达10.8 ℃，距工作面50 m范围内巷道温度平均降幅达到8.9 ℃，运输巷平均温度降幅达到2.9 ℃。

（1）结合矿区-750 m中段存在大量低温涌水的条件，通过分析多种制冷方案的换热方式和输冷方式，制定了以水源热泵技术为基础的局部制冷降温技术方案，该方案将制冷机组布置在工作面附近，将新鲜风降温后输送至工作面，具有结构简单且更具经济性和适用性的优点。

（2）运用反分析法计算得出制冷参数区间为8.5~15.0 ℃。根据不同的风温和风量设置了16种制冷工况，借助Fluent软件模拟不同工况条件下的巷道温度场变化情况，分析得出最佳制冷参数，即进风温度为10 ℃，风量为5.0 m³/s。

（3）根据制冷参数计算结果进行制冷设备选型，并结合井下实际条件进行现场应用。应用效果表明，本文方案解决了水源热泵技术应用中存在的供水不足和供风沿途冷损大等难题，确保了制冷系统的正常运行，工作面空气温度降低至27 ℃以下，有效解决了掘进巷的高温问题，形成了适用于矿山深部长距离掘进的局部制冷降温系统。