煤炭暖通工程井筒防冻设计的现状与发展趋势

一、引言

深井开采会面临低温结冰所带来的威胁，一旦井筒防冻系统失去效用，那么将会致使提升设备停止运行，甚至还可能出现结构损伤的情况。现有的技术主要是依赖电伴热或者热风幕，然而这些技术存在着供热不均匀、能耗超出标准等诸多痛点问题。随着矿井朝着深部不断延伸以及极端气候频繁发生，在进行防冻设计的时候就需要同时兼顾到运行的可靠性以及能源的利用效率。技术的发展需要突破材料保温性能方面所存在的瓶颈，要把智能监测与动态调控手段相互融合起来，并且还要响应矿山低碳转型的相关政策。系统能效的优化以及与清洁能源的耦合利用，正在逐步成为井筒防冻工程设计当中极为关键的演化走向。

二、煤炭暖通工程井筒防冻设计的现状

矿上现在冬天给井筒防冻，常用的法子就是电伴热和热风供暖。电伴热用得不少，沿井壁或者管道布设电缆通电发热，但施工安装挺费事，犄角旮旯的地方很难完全裹紧。热风系统通常是靠锅炉烧热了空气，通过风机送到井口或井筒里。这办法看着简单，热风吹过去，长距离送风或者井深了，热量在路上就损失挺大，越往下效果越打折扣。两个办法有个共通的麻烦事，就是保温材料的铺设效果非常关键[1]。工人实际操作时，受限于井筒狭小的空间和复杂的表面结构，保温层有时贴不严实，绑不牢固，时间一长还容易老化、脱落或者吸水，性能就下降了，很多地方出现冷点，保温效果就保证不了。温度控制很多时候依赖手动调节阀门或者比较老的自动控制系统，碰到天气突然变冷或者井筒里排风量加大这些状况，反应不够快，调节精度也不够，局部地方结冰卡罐笼、冻堵风水管路这类事故时不时还得出点问题。日常维护也靠人工巡检，发现问题了再去解决。还有一个不能忽视的现实，这套系统跑起来，不管是电伴热耗电，还是烧锅炉供热，都是一笔不小的持续开销，能耗管理压力是实实在在的。

三、井筒防冻技术的创新与发展趋势

（一）新型保温材料的研发与应用

矿上做保温的同行都知道，传统材料像岩棉、玻璃棉在井筒湿冷环境下容易吸水，性能下降快。材料研发的靶点就很明确，需要更耐潮、热阻更高的品种。气凝胶材料虽然成本目前偏高，隔热本事确实过硬，薄薄一层效果顶得上过去厚厚好几倍，在一些关键井口段或者提升机机头轴承位这些精贵地方试装，实测保温效果很打眼。针对井筒复杂的曲面和阀门弯头，一些厂家搞出了喷涂式改性聚氨酯材料，这东西现场发泡成型，能严丝合缝裹住犄角旮旯的地方，大大减少了“冷桥”露头的机会。柔性橡塑类材料的进化方向是提升强度和防火级别，现在有种交联聚乙烯复合结构，抗压能力提上去了，下井安装时不怕磕碰，也不会轻易撕裂。有些新技术把铝箔反射层和泡沫材料结合，这种结构对付长波辐射散热挺在行，用在井筒靠近地表温度波动大的区段管用[2]。部分矿区还在试装自带粘接层的预制保温卷材，简化现场作业难度，工人铺起来省事，接头密封也更牢靠。实际应用时也要承认限制，像气凝胶这种娇贵材料在井下高温高湿环境能否扛住长期磨损冲击还在持续观察，新材料在保证性能稳当的前提下把价格拉下来是整个行业的心愿。

（二）智能化监测与自动控制技术的发展

以前靠人工抄表巡检看温度，发现结冰苗头再手动调阀门，这套法子明显跟不上需求了。现在往前看，在井筒关键节点部署高精度温湿度传感器变成基础操作。这些探头测得的数据直接回传到PLC或者DCS系统里，用组态软件生成温度云图，哪里有低温风险一眼就瞧出来。一些矿区引入了光纤测温技术，一根光缆沿井筒敷设，整条线的温度变化实时呈现，精确锁定冷点位置比过去快得多也准得多。无线传感器用在风井监测有便利性，但井下潮湿多粉尘的环境对信号稳定性是个考验。光有温度数据不够智能，系统同时关联风机电流、井口风量计信息，综合这些参数判断热量损失态势。控制程序在软件里写好几套策略，比如常规运行按预设曲线调供热强度，遇到强冷空气突然侵入或者下物料时段井盖开启频繁，程序自动切换到高负荷模式。风机变频控制也接入整体系统，风量变化直接联动热风阀开度或者电伴热功率调整。工人可以在中控室看画面操作，设定好了也能让它自己跑，手机收到报警信息再远程干预下。矿上对用AI算法搞复杂智能控制目前多数持观望态度，关键是现场工况复杂多变，技术队伍接手维护学习成本不低。

（三）结构设计优化与节能减排策略

矿上在动脑筋对井口先进行结构改造，老式敞口井壁存在灌冷风严重的情况。新设计采取的措施是在井口加盖封闭棚，或者安装空气幕系统，以此形成一个气闸，目的在于最大限度地阻挡外面的冷风径直往井内灌。对于井口房，要把保温层做得扎实一些，像罐道梁等金属部位与主体结构相连接之处，需仔细加以处理，填充高效隔热材料，毕竟这种冷桥断热的问题是不容马虎对待的。风机房在选址时要靠近井口放置热源，送风管路要尽量减少绕弯、避免走远路，并且在管外裹好保温材料，以降低热量的跑冒滴漏现象。当下对于废热利用抓得颇为紧，井下压风机或者主排水等设备所排出的废风、废水，其中含有三四十度的低品位余热，有专门的项目对其进行回收，利用热泵机组提升一下温度，随后转送至井口房并掺入供热系统当中。在进行锅炉选型时，要清晰计算出所需热量，不能仅仅贪图锅炉容量大，而是要配备变频燃烧以及烟气余热回收装置。

四、未来防冻设计的研究方向

气凝胶材料性价比突破是重点攻关项，研发团队需联合材料厂商攻克低成本制备工艺。建立矿井热源动态数据库非常必要，融合地质温场、机电废热与气象参数开发负荷预测模型才能支撑精准供热。智能算法应重点优化抗干扰能力，解决井筒电磁环境复杂、提升容器活动干扰风场造成的控制滞后问题。废热回收需配套小型蓄热装置平抑波动，考虑用相变材料或水蓄热槽整合间断热源。结构设计环节引入全生命周期热桥分析工具，在施工图中明确标注金属构件断热处理节点。新能源耦合应分矿施策：太阳能集热器优先布置于储煤场坡顶，低谷电锅炉容量需匹配光伏出力曲线。推广装配式保温结构，预制带隔汽层的弧形保温板可提升井筒安装效率与密封性。老矿区改造需专项研究，比如利用通风余压驱动小温差换热器预冷入井空气。所有新技术需配套经济性评估模板，计算设备折旧期内的吨煤防冻成本下降率。经验反馈机制要落实到具体数据库，记录不同岩层温度梯度下保温层厚度的实际衰减周期。

结语

井筒防冻技术正在经历一种范式上的转变，即从以往的被动保温朝着主动调控的方向转变。新型的相变材料以及智能温控系统能够为提升防冻的精度给予有力支撑，而结构设计方面所做的流体优化则可以显著地降低热损失。防冻系统与矿井余热回收、光伏储能之间的协同应用，将会重新构建起能源利用的模型。在未来，应当进一步深化针对极端环境下材料耐久性的相关研究，建立起数字孪生运维平台，推动防冻工程与矿山碳中和目标达成系统性的衔接。技术创新将会持续不断地为煤炭的安全绿色开采构建起极为关键的保障。

参考内容：

[1]肖正,朱菁.煤矿井筒防冻瓦斯-空气掺混技术研究[J].煤化工, 2023(006):051-052.

[2]冉海舰,李春平,张宇,等.风井乏风余热供暖与井筒防冻保温技术研究[J].采矿技术, 2023, 23(2):179-182.

[3]郭优,刘彬,强天伟,等.煤矿井筒中热管式空气加热器的设计与应用[J].节能, 2023, 42(12):97-100.