周 濤 向 東 陳耀輝 王冠男

（中國平煤神馬能源化工集團有限公司，河南省平頂山市，467000）

局部降溫工程中冷凝熱排放方案探討及工程實踐

周 濤 向 東 陳耀輝 王冠男

（中國平煤神馬能源化工集團有限公司，河南省平頂山市，467000）

總結(jié)出煤礦井下局部降溫的3種冷凝熱排放方案，并對其優(yōu)缺點進行了分析、對比，結(jié)合中平能化集團十三礦己15.17-13031風、機兩巷高位瓦斯抽放巷局部降溫工程，根據(jù)降溫地點實際工況制訂冷凝熱排放方案，對方案制訂中需注意的相關問題進行了闡述。

礦井熱害 局部降溫 冷凝熱排放

建立大型地面集中制冷站能夠有效解決井下高溫采掘工作面的熱害問題，但對于距離集中制冷站較遠的高溫掘進工作面，因其數(shù)量多、分布廣、地點變化頻繁且冷量輸送困難，根本無法解決其高溫熱害難題，而新建地面集中制冷站又投資很大，不可能在每個高溫掘進工作面建立大型地面集中制冷站。相對而言，局部制冷降溫工程投資少，安裝簡便，施工周期短，局部制冷機組可隨降溫地點的變化而移動，恰好能夠彌補地面集中制冷站的不足，與其形成優(yōu)勢互補。

1 煤礦用局部制冷機組構(gòu)成

煤礦用局部制冷機組通常由3部分構(gòu)成，一是壓縮機組，包括壓縮機、電動機、制冷劑冷凝器、電控部分等，是制冷機組的核心組件，主要用來控制制冷劑的物理狀態(tài)轉(zhuǎn)換及輸出制冷機組工況參數(shù)；二是蒸發(fā)器，又稱作直接作用熱交換器，包括熱交換管束、除霧器等，在熱交換管束中，處于蒸發(fā)狀態(tài)的制冷劑與流經(jīng)蒸發(fā)器的空氣進行熱交換；三是排熱冷卻器，包括蛇形管組、噴淋組件、除霧器等，主要功能是用于冷卻制冷劑在冷凝過程中加熱的冷卻水。

2 冷凝熱排放方案

井下局部降溫工程實施的目的是采用一定的技術(shù)手段及設備把工作面的熱量置換出來，再選擇合理的冷凝熱排放方式將工作面的熱量置換至地面或回風巷中，從而使工作面的溫度降低，改善井下作業(yè)人員工作環(huán)境。井下相對地面而言是一個密閉的空間，而且受到各種生產(chǎn)、地質(zhì)條件的限制，這就決定了局部制冷機組冷凝熱排放方式選擇是否合理是降溫效果是否良好的關鍵，如果制冷機組冷凝熱排放不當，會使制冷效果大大降低，甚至使置換出的熱量又重新回到工作面。因此，結(jié)合降溫地點的實際情況，研究選擇科學合理的制冷機組冷凝熱排放方式，再選擇與制冷機組相匹配的水泵、管路等，才能達到降低工作面風流溫度的目的。

2.1 3種冷凝熱排放方案

（1）方案一：一次性水排熱。冷卻水由水泵送進壓縮機組的冷凝器內(nèi)與高溫低壓的制冷劑進行冷熱交換，冷卻水吸收制冷劑的熱量后，攜帶熱負荷的冷卻水不再循環(huán)使用，而是通過保溫管路一次性排放掉。因此制冷機組產(chǎn)生的冷凝熱排放最為徹底，制冷效果最優(yōu)。此種冷凝熱排放不再需要安裝排熱冷卻器和與之相配套的局部通風機，安裝簡便。在井下供水富裕且有一定排水能力時，應優(yōu)先考慮此種冷凝熱排放方式。如果井下涌水的水量和水溫適宜，也可將其作為局部制冷機組的冷卻水。冷凝熱排放見圖1。

圖1 一次性水排熱

（2）方案二：循環(huán)水及新風排熱。冷卻水由水泵送進壓縮機組的冷凝器內(nèi)與高溫低壓的制冷劑進行冷熱交換，冷卻水吸收制冷劑的熱量，攜帶熱負荷的冷卻水經(jīng)由保溫管路進入排熱冷卻器的蛇形管組內(nèi)，安裝于進風巷的局部通風機經(jīng)由風筒將溫度較低的新鮮風流壓入排熱冷卻器，新鮮風流與蛇形管組內(nèi)流動的帶有熱負荷的冷卻水進行冷熱交換，排出熱量后的冷卻水經(jīng)由保溫管路回到壓縮機組中的制冷劑冷凝器中進行下一個循環(huán)，吸收冷卻水熱量的風流則排至回風巷內(nèi)。在冷卻水通過排熱冷卻器排出熱量的效率不能達到100%時，再次參與循環(huán)的冷卻水中必然帶有部分未排掉的制冷劑的熱量，勢必會影響到制冷機組制冷效果。因此，此種制冷機組冷凝熱排放效率及制冷效果居中。循環(huán)水及新風排熱見圖2。

圖2 循環(huán)水及新風排熱

（3）方案三：循環(huán)水及乏風排熱。此種冷凝熱排放方式和前一種基本相似，所不同的是排熱冷卻器安放于回風巷中，由局部通風機將乏風壓入排熱冷卻器的蛇形管組內(nèi)與冷卻水進行熱交換。由于乏風溫度比新鮮風流溫度要高，再加上冷卻水是循環(huán)使用，因此，此種冷凝熱排放效率較低，制冷效果一般。循環(huán)水及乏風排熱見圖3。

圖3 循環(huán)水及乏風排熱

在煤礦井下供水、供風量緊張的情況下，可考慮利用循環(huán)水及乏風排熱，但存在一定安全隱患，不能用于高瓦斯的瓦斯突出采掘工作面，即使瓦斯?jié)舛葮O低也應謹慎采用，而且必須設立自動瓦斯監(jiān)測報警斷電裝置。

2.2 3種冷凝熱排放方案對比

3種冷凝熱排放方案優(yōu)缺點對比見表1。

表1 3種冷凝熱排放方案優(yōu)缺點對比一覽表

3 工程實踐

中國平煤神馬集團十三礦是我國高溫礦井之一，所屬的己15.17-13031風、機兩巷高位瓦斯抽放巷夏季氣溫達到34℃，濕度達95%，經(jīng)常發(fā)生職工中暑暈倒事故。雖然十三礦在東風井工業(yè)區(qū)建有大型地面集中制冷站，但距離上述高溫地點約20 km，制冷站所產(chǎn)生的冷量無法有效輸送。

3.1 降溫工程實施地點概況

（1）十三礦己15.17-13031風巷高位瓦斯抽放巷基本情況。工作面溫度34℃、濕度96%，巷道設計長度2334 m，已掘進1798 m，掘進方式為炮掘，通過扒斗機、帶式輸送機進行清、運渣，掘進工作面與最近的回風巷距離為1800 m，己三上部東大巷進風，供風通風機功率為2×45 k W，吸風量1000 m3／min，末端風量840 m3／min，風筒直徑為1000 mm，巖層出水量為0.5 m3／h，溫度為56℃，距離最近的水倉為己三中部水倉，水倉容量1050 m3，水倉排水能力465 m3／h。

（2）十三礦己15.17-13031機巷高位瓦斯抽放巷基本情況。工作面溫度34℃、濕度96%，巷道設計長度2234 m，已掘進1616 m。掘進方式為炮掘，通過扒斗機、帶式輸送機進行清、運渣，掘進工作面與最近的回風巷距離為1630 m。己三下部集中進風，供風通風機功率為2×45 k W，吸風量1000 m3／min，末端風量846 m3／min，風筒直徑為1000 mm。巖層出水量為0.5 m3／h，溫度為56℃，距離最近的水倉也為己三中部水倉。

3.2 高溫熱害成因分析

經(jīng)過實地調(diào)研分析，己15.17-13031風、機兩巷高位瓦斯抽放巷高溫、高濕主要由以下原因引起：

（1）巖溫高。實測掘進工作面巖溫為56℃，高巖溫使巷道內(nèi)風流溫度不斷升溫。

（2）巖層出水。巖層涌水量0.5 m3／h，水溫56℃，高溫水經(jīng)圍巖裂隙不斷滲入工作面中，將熱量釋放到巷道內(nèi)。

（3）己15.17-13031風、機兩巷高位瓦斯抽放巷為正在施工巷道，尚未貫通，現(xiàn)有通風設備所產(chǎn)生的風流無法有效將巷道內(nèi)熱量帶走。

（4）井下機電設備在工作時散發(fā)的熱量及爆破時炸藥熱能的釋放。

3.3 局部制冷機組的選擇

根據(jù)工作面實際環(huán)境參數(shù)并經(jīng)相關公式計算可知，己15.17-13031風、機兩巷瓦斯高位抽放巷需冷量分別為290.32 k W和298.7 k W （富余系數(shù)為1.3）。工程中選用的是波蘭托馬斯派克 （TOMASPEC）公司生產(chǎn)的TS-300型局部制冷機，其制冷量為300 k W，需水量為30～36 m3／h（≤30℃），需風量 ≥500 m3／min，機組最高耐壓4 MPa。

3.4 冷凝熱排放方式的選擇

為保證工作面降溫效果，在上述兩降溫地點各安裝一套TS-300型局部制冷機組。

（1）己15.17-13031風巷瓦斯高位抽放巷。經(jīng)過實地勘察，己三采區(qū)供水充足，能夠同時滿足生產(chǎn)和制冷機組用水，因此，采用一次性水排熱 （方案一）作為制冷機組冷凝熱排放方式，即將己三采區(qū)生產(chǎn)用水作為制冷機組的冷卻水，經(jīng)由制冷機組進水管 （裸管）進入工作裝置內(nèi)的冷凝器中，吸收制冷劑的熱量后，通過保溫處理后的排水管經(jīng)由13031風巷回風聯(lián)絡巷以及己三回風下山原有的排水管路先排至己三采區(qū)中部水倉，然后再排往井下中央水倉，利用中央泵房的排水設備，將帶有熱負荷的冷卻水排往地面，其工藝流程見圖4。

（2）己15.17-13031機巷高位瓦斯抽放巷。雖然一次性水排熱方式能夠使得制冷機組的冷凝熱排放最為徹底，制冷效果最優(yōu)，但由于安裝于己15.17-13031風巷高抽巷的制冷機組已經(jīng)采用此種冷凝熱排放方式，如果在己15.17-13031機巷也采用一次性水排熱方式，會對井下生產(chǎn)用水產(chǎn)生較大影響，可考慮冷凝熱排放效果居中的循環(huán)水及新風方式，而經(jīng)實地勘察，在滿足風、機兩巷風量需求的情況下，已無多余的新鮮風，無法滿足制冷機組中排熱冷卻器需新風量不低于500 m3／min的要求。因此，第二種冷凝熱排放方式無法采用。己15.17-13031機巷屬巖巷掘進，幾乎沒有瓦斯，綜合考慮以上因素，可在該降溫地點采用循環(huán)水加乏風排熱方式，同時設立瓦斯自動監(jiān)測報警斷電裝置。

圖4 己15.17-13031風、機兩巷瓦斯高位抽放巷降溫工藝流程圖

3.5 冷卻水管及冷卻泵的選擇

（1）冷卻水管的選擇。由于制冷機組冷卻水的流量需滿足36 m3／h，根據(jù)公式：

式中：V——載冷劑循環(huán)量，m3／s；

vj——載冷劑流速，m／s；

Dx——管道直徑，m。

在礦井制冷系統(tǒng)中，載冷劑一般采用1.5～2.5 m／s的經(jīng)濟流速，取中間值2 m／s，經(jīng)計算可知管道直徑為79.79 mm。由此可知，若要滿足冷卻水量為36 m3／h，在經(jīng)濟流速下，應選擇?89 mm和?108 mm兩種規(guī)格的管子比較合適。經(jīng)計算比較，?89 mm的管道水阻要比?108 mm的管道水阻高出許多。從投資和安裝方面考慮，?89 mm的管道成本較低且安裝方便，但為了取得更好的制冷效果，管子的選擇盡量富裕，因此選用?108 mm×4 mm規(guī)格的無縫鋼管作為冷卻水管。

（2）冷卻水泵的選擇。由于己三采區(qū)是下山開采，從地面來的生產(chǎn)用水壓力較高，約為6 MPa左右。因此，無需再增加水泵，利用礦井原有供水系統(tǒng)壓力即可滿足要求。但考慮到制冷機組最高耐壓為4 MPa，還需在制冷機組冷卻水進水處安裝減壓閥，以確保制冷機組正常運行。

3.6 管道保溫

從制冷機組冷凝器中流出的冷卻水溫度約為40℃，必須對管道進行隔熱處理。否則，由于管道內(nèi)外存在溫差，必然發(fā)生熱交換，進而使冷卻水的熱量又散發(fā)至巷道中，影響降溫效果。管道隔熱層采用聚氨酯泡沫塑料，厚度約20～30 mm，外保護層為雙抗玻璃鋼材料，厚度為5 mm。

3.7 降溫效果

十三己15.17-13031風巷高抽巷掘進工作面降溫幅度能達到4～5℃，濕度降低15%左右；己15.17-13031機巷高抽巷掘進工作面由于采用的排熱方式為循環(huán)水加乏風排熱，因此，降溫效果一般，降溫幅度為2～3℃，濕度降低15%左右。

3.8 應注意的問題

（1）當采用一次性水排熱作為制冷機組的冷凝熱排放方式時，由于其排水量較大，要充分考慮井下水倉容積以及泵房排水能力。

（2）當采用礦井涌水作為制冷機組的冷卻水時，水泵功率的選取要適宜，其抽水量不能大于礦井涌水量，否則會使制冷機因缺水而保護停機。另外，還需要在輸水管道上安裝過濾器，以防異物堵塞管道。

（3）如果制冷機組 （蒸發(fā)器）距離掘進工作面較遠，應注意降低風筒的漏風量，以保證掘進工作面的降溫效果。

［1］周孟穎 .礦井高效節(jié)能局部降溫技術(shù)的研究 ［J］.煤礦機電，2008（3）

［2］劉海軍，韓偉峰 .單臺TS-300B制冷機在綜放工作面的應用 ［J］.中州煤炭，2011（7）

［3］吳建亭，陳星明等 .移動制冷機在深井降溫中的應用 ［J］.煤炭科學技術(shù)，2010（10）

［4］左金寶，呂品 .高溫礦井熱源分析與制冷降溫技術(shù)應用 ［J］.煤礦安全，2008 （11）

［5］徐寧斌，吳奎斌 .姚橋煤礦局部降溫技術(shù)的研究與應用 ［J］.中國煤炭，2010 （12）

［6］張習軍 .礦井熱害治理技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀 ［J］.煤礦安全，2009（3）

Engineering practice and discussion on condensing heat emission during local cooling engineering

Zhou Tao，Xiang Dong，Chen Yaohui，Wang Guannan
（China Pingmei Shenma Group，Pingdingshan，Henan 467000，China）

Three kinds of condensing heat emission programs for the underground local cooling of coal mine were summarized and their advantages and disadvantages were analyzed and compared.On the basis of the local cooling engineering in the high gas drainage roadway of ventilation roadway and conveyor roadway at F15.17-13031 working face in No.13 Coal Mine of China Pingmei Energy Chemical Group，how to make program for the condensing heat emission according to the cooling location and actual working conditions and the relevant issues that should be noticed during making program were described.

colliery thermal hazard，local cooling，condensing heat emission

TD727

A

周濤 （1975-），男，河南許昌人，工程師，畢業(yè)于華中科技大學，現(xiàn)任中平能化集團能源化工研究院開采所電氣室主任，主要從事煤礦機電、煤礦熱害治理等方面研究。

（責任編輯 張艷華）