冷水机在矿山行业的应用：极端环境下的稳定冷却与生产保障

矿山行业的生产环境具有高粉尘、强振动、温差大等显著特点，从破碎设备的轴承冷却，到选矿设备的液压系统降温，再到矿井通风的温控调节，每一个环节的温度管理都直接影响设备寿命、生产效率和作业安全。冷水机作为关键冷却设备，需在粉尘浓度高达 50mg/m³ 以上、环境温度 - 20℃至 40℃波动的工况下，提供稳定的冷却能力（控温精度 ±2℃），同时具备抗磨损、防堵塞和防爆的特性。矿山用冷水机的选型与运行，是平衡设备可靠性、生产连续性与运维成本的核心环节，更是保障矿山企业安全高效生产的重要支撑。

一、矿山行业对冷水机的核心要求

（一）抗粉尘与防堵塞能力

矿山高粉尘环境对设备流通性构成严峻挑战：

• 井下采掘面的冷却系统会混入煤尘、岩尘（粒径 1-100μm），每周在换热器表面形成 2-5mm 厚的积垢，导致换热效率下降 20%-30%；

• 选矿厂的冷却水中含有矿浆颗粒（如铁精粉、铜精矿），硬度达 6-7 Mohs，会加速管道和水泵的磨损（寿命缩短至 2000 小时）；

• 破碎车间的冷却水路易被碎石碎屑堵塞（粒径≥5mm），需具备高强度过滤和自动清堵能力。

某煤矿因破碎机冷却管道被煤尘堵塞，导致轴承温度超标（≥80℃），设备停机检修 4 小时，直接损失超 50 万元。

（二）耐振动与冲击性能

矿山设备的剧烈振动对冷却系统结构提出严苛要求：

• 破碎机、球磨机运行时产生持续振动（频率 10-50Hz，加速度 5-10g），冷却管路连接处需耐受振动疲劳（循环次数≥10⁶次）；

• 爆破作业产生的冲击载荷（20g，10ms）会导致常规冷水机部件松动，需采用防松设计（如施必牢螺纹、点焊固定）；

• 设备结构件需进行振动模态分析，共振频率避开矿山设备工作频率（避免振幅放大 10 倍以上）。

某金属矿因冷却水管路振动疲劳断裂，导致球磨机轴瓦烧毁，维修成本达 80 万元，停产损失超 200 万元。

（三）防爆安全与连续运行保障

矿山作业的安全性要求设备具备多重保障：

• 井下及危险区域的冷水机需达到防爆等级 Ex dⅠCT4（煤矿）或 Ex dⅡBT4（金属矿），表面温度≤135℃（避免点燃可燃气体）；

• 关键冷却系统（如主井提升机、主通风机）需采用 N+1 冗余设计，单机组故障时切换时间≤30 秒，平均无故障时间（MTBF）≥10000 小时；

• 设备防护等级需达到 IP65（防尘防水），能在淋水、粉尘密集环境中稳定运行（无电气故障）。

二、不同矿山工艺的定制化冷却方案

（一）采矿作业：破碎与掘进设备冷却

1. 破碎机冷却系统

某铁矿采用该方案后，破碎机轴承寿命从 3 个月延长至 8 个月，非计划停机时间减少 60%。

◦ 核心挑战：颚式破碎机、圆锥破碎机的轴承和液压系统在破碎坚硬矿石时（抗压强度≥150MPa）会产生大量热量，轴承温度需控制在≤65℃，高温会导致润滑失效（寿命缩短 50%）。

◦ 定制方案：

▪ 采用防爆型螺杆冷水机（Ex dⅡBT4），制冷量 50-200kW，为轴承水套和液压油冷却器供水，水温控制在 30±1℃；

▪ 冷却水路采用高强度无缝钢管（壁厚≥5mm），管路支撑采用弹簧减震器（振动传递率≤10%）；

▪ 系统配备自动反冲洗过滤器（精度 100μm）+ 磁性分离器，拦截矿尘和铁屑（过滤效率≥98%）。

1. 掘进机冷却

◦ 核心挑战：隧道掘进机（TBM）的电机、液压泵在连续作业时（日进尺 10-20m）产热密集，需冷却至 50±2℃，冷却不足会触发停机保护。

◦ 定制方案：

▪ 采用车载式防爆冷水机（Ex dⅠCT4），制冷量 30-100kW，集成于掘进机机身（重量≤500kg）；

▪ 采用风 - 水复合冷却，高温部件直接喷淋冷却，液压油通过板式换热器间接冷却；

▪ 冷却介质为防冻液（乙二醇浓度 30%），适应 - 20℃至 40℃环境温度变化。

（二）选矿工艺：球磨与浮选设备冷却

1. 球磨机冷却系统

◦ 需求：球磨机（直径 3-5m）的主轴承和齿轮箱在研磨矿石时（介质为钢球，填充率 30%-40%）温度升至 70℃，需冷却至 55±2℃，避免轴瓦烧毁。

◦ 方案：

▪ 采用水冷式螺杆冷水机（制冷量 100-500kW），为轴瓦水套和润滑油冷却器供水，水温控制在 25±1℃；

▪ 主轴承冷却采用双进双出设计，水流速≥1.5m/s，确保轴瓦温差≤3℃；

▪ 系统配备油 - 水热交换器（避免油水混合），水侧压力高于油侧（防止油液泄漏污染）。

1. 浮选机冷却

◦ 需求：浮选机的电机和搅拌装置运行时温度升至 65℃，需冷却至 45±2℃，高温会导致浮选药剂失效（回收率下降 5%-10%）。

◦ 方案：

▪ 采用风冷式冷水机（制冷量 20-100kW），为电机外壳和减速机冷却，水温控制在 20±1℃；

▪ 冷却管路采用耐腐蚀 316L 不锈钢（耐受浮选药剂腐蚀），密封件为氟橡胶（FKM）；

▪ 设备安装在防尘罩内（带强制通风），避免矿浆飞溅污染换热器。

（三）矿山辅助设备：提升与通风冷却

1. 矿井提升机冷却系统

某煤矿采用该方案后，提升机电机寿命延长至 5 年，未发生因过热导致的安全事故。

◦ 核心挑战：矿井提升机（提升高度 500-1000m）的电机和制动器在重载运行时（提升量≥10t / 次）产热剧烈，电机温度需控制在≤75℃，避免绝缘老化。

◦ 定制方案：

▪ 采用高压螺杆冷水机（制冷量 200-800kW），供水压力 1.0-1.5MPa，为电机冷却器和制动盘供水，水温控制在 30±1℃；

▪ 采用双回路冗余设计（主回路 + 备用回路），配备 UPS 电源（维持 30 分钟）和柴油发电机（应急供电）；

▪ 与提升机控制系统联锁，温度超限时自动降速（负载降至 80%），超 75℃时紧急停机。

1. 主通风机冷却

◦ 需求：主通风机（风量≥10000m³/min）的电机轴承需冷却至 55±2℃，高温会导致振动增大（振幅≥0.1mm），影响通风效率。

◦ 方案：

▪ 采用防爆型涡旋冷水机（Ex dⅠCT4），制冷量 50-200kW，为轴承水套供水，控温精度 ±1℃；

▪ 冷却系统与通风机同步启停，具备远程监控功能（实时传输温度、压力数据）；

▪ 设备安装在通风机房内（带防尘隔音罩），噪音≤85dB（A）。

三、运行管理与维护策略

（一）防磨损与防堵塞管理

1. 材质选择与防护

◦ 高磨损环境：水泵叶轮选用高铬铸铁（Cr28）或陶瓷材质，管道采用耐磨双金属复合管（外壁碳钢 + 内壁高铬铸铁）；

◦ 腐蚀环境：浮选车间冷却系统采用 316L 不锈钢管道和钛合金换热器，避免接触浮选药剂（如黄药、黑药）腐蚀；

◦ 耐磨强化：在管道弯头、三通等易磨损部位加装耐磨陶瓷贴片（厚度≥10mm），延长寿命 3-5 倍。

1. 过滤与清洁系统设计

◦ 一级过滤：总进水口安装自清洁过滤器（精度 200μm），带压差反冲洗（差压≥0.15MPa 时自动清洗）；

◦ 二级过滤：关键设备前加装篮式过滤器（精度 50μm），每班清理 1 次滤渣；

◦ 定期清洁：每周用高压水冲洗换热器（压力 15-20MPa），每月进行化学清洗（酸洗 + 钝化）去除矿尘积垢。

某金属矿通过完善过滤和耐磨措施，冷却系统堵塞故障从每周 3 次降至每月 1 次，设备维护成本降低 60%。

（二）防爆安全与振动控制

1. 防爆设备管理

◦ 日常检查：每日检查防爆面（间隙≤0.2mm）、电缆引入装置（密封良好），确保防爆标识清晰完整；

◦ 定期检测：每季度进行防爆性能测试（如气密性试验、表面温度测试），确保符合 Ex d 标准要求；

◦ 静电防护：设备接地电阻每月检测（≤4Ω），操作人员穿戴防静电服装和工具。

1. 振动隔离与缓冲

◦ 设备安装：采用橡胶减震垫 + 弹簧减震器双层减震，振动加速度控制在≤1g（设备安装位置）；

◦ 管路连接：采用金属波纹管（补偿量≥50mm）和柔性接头，减少振动传递（管路振动≤0.5mm）；

◦ 防松措施：所有螺栓采用防松螺母 + 点焊固定，关键部位安装振动监测仪（超限时预警）。

（三）节能运行与应急保障

1. 负荷精准匹配

◦ 变频控制：根据破碎量、提升次数等生产参数自动调整压缩机转速（30-50Hz），部分负荷时节能 30%-40%；

◦ 余热回收：利用电机、减速机的冷却回水（50-60℃）加热矿井防冻水或生活用水，节约燃煤消耗；

◦ 某煤矿应用后，冷水机年耗电量下降 80 万度，余热回收年节约标准煤 500 吨。

1. 应急处理预案

◦ 冷却中断：立即启动备用冷水机和应急水泵（切换时间≤30 秒），同时降低设备负荷（如破碎机降速 50%）；

◦ 管路泄漏：采用带压堵漏技术（如注胶密封）临时处理，制定停机维修计划（优先在检修班更换）；

◦ 火灾危险：井下冷却系统泄漏时，立即切断区域电源，启动消防系统，组织人员撤离。

四、典型案例：大型煤矿冷却系统设计

（一）项目背景

某大型煤矿（年产 1000 万吨）需建设井下及地面冷却系统，服务于 3 台破碎机、2 台提升机、4 台主通风机及选矿厂设备，要求系统防爆等级 Ex dⅠCT4，总制冷量 5000kW，年运行时间 7200 小时。

（二）系统配置

1. 分区冷却架构：

◦ 井下区：6 台 500kW 防爆螺杆冷水机（5 用 1 备），供应 30±1℃冷却水至破碎机、掘进机，总流量 2000m³/h；

◦ 地面区：4 台 800kW 螺杆冷水机（3 用 1 备），服务提升机、通风机，水温控制 25±1℃；

◦ 选矿区：5 台 300kW 耐磨型冷水机，为球磨机、浮选机冷却，配备砂水分离系统。

1. 安全与节能设计：

◦ 全系统采用防爆设计（Ex dⅠCT4），井下设备防护等级 IP65，管路采用无缝钢管 + 减震支撑；

◦ 安装智能监控系统，实时监测温度、压力、振动等参数，支持远程诊断和故障预警；

◦ 余热回收系统（回收电机和减速机余热），用于井口防冻和生活供暖（年节约标准煤 1000 吨）。

（三）运行效果

• 生产安全：系统运行 3 年无重大冷却事故，设备平均无故障时间达 12000 小时，通过煤矿安全监察验收；

• 设备寿命：破碎机轴承寿命延长至 8 个月，提升机电机绝缘老化速率降低 50%；

• 成本效益：单位产品冷却能耗降至 0.8kWh / 吨，年总节能效益 600 万元，投资回收期 4 年。

矿山行业的冷水机应用，是 “防爆安全”“抗磨耐振” 与 “稳定运行” 的高度统一，它不仅能保障矿山设备的可靠运转和作业安全，更能通过节能设计降低生产成本。随着矿山行业向智能化、绿色化发展（如智能化开采、绿色矿山建设），冷水机将向 “更高防爆等级（Ex iaⅠCT6）、智能粉尘识别、无人值守运维” 方向发展。