渦北煤礦井下熱害治理技術(shù)研究

陳新1黃東海2萬利平1邵志杰1

（1.淮北工業(yè)建筑設(shè)計(jì)院，安徽 淮北 235000；2.淮北礦業(yè)集團(tuán)渦北煤礦，安徽 渦陽(yáng) 233611）

通過井下實(shí)測(cè)礦井熱環(huán)境參數(shù)和礦井煤巖地溫分析，對(duì)目前國(guó)內(nèi)運(yùn)用的礦井制冷降溫系統(tǒng)進(jìn)行比較。介紹了渦北煤礦礦井降溫系統(tǒng)工藝、配置及其運(yùn)行情況，并對(duì)礦井降溫系統(tǒng)降溫效果進(jìn)行了考察，認(rèn)為整個(gè)礦井降溫系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，礦井降溫系統(tǒng)對(duì)采掘工作面降溫效果明顯。

井下熱害；礦井降溫；機(jī)械制冷

1 礦井概述

渦北煤礦是淮北礦業(yè)集團(tuán)在渦陽(yáng)煤田新建的一座現(xiàn)代化礦井，距安徽省渦陽(yáng)縣城約4km。渦陽(yáng)縣屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，其主要特征是：氣候溫和，雨量適中，雨熱同步，光照充足，無霜期較長(zhǎng)，光、熱資源比較豐富。年平均氣溫14.6℃，極端最高氣溫41.2℃，歷年平均日照時(shí)數(shù)為2327.4小時(shí)。

礦井在工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)布置主、副、風(fēng)三個(gè)井筒。采用立井開拓，井下布置南北翼軌道、膠帶運(yùn)輸機(jī)和回風(fēng)大巷分區(qū)開拓，一個(gè)水平上、下山開采，水平標(biāo)高-640m，回風(fēng)水平-460m。

礦井恒溫帶深度為30m，恒溫帶溫度為17.1℃，根據(jù)井下地溫實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，地溫梯度為1.88～3.33℃/百米，平均為2.75℃/百米，-640m 水平地溫為35℃。32煤層的測(cè)溫深度460.96～915.14m，底板溫度28.65～40.0℃。一級(jí)高溫區(qū)（≥31℃）在-470m以下，-750m水平以下將達(dá)到二級(jí)高溫區(qū)（≥37℃），-650m水平平均地溫為34.8℃。82煤層的測(cè)溫深度422.57～913.56m，底板溫度27.4～44.7℃。一級(jí)高溫區(qū)在-480m以下，-710m水平以下為二級(jí)高溫區(qū)，-650m水平平均地溫為35.5℃。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示當(dāng)井下氣溫高于30℃，相對(duì)濕度大于90%時(shí)，作業(yè)人員開始出現(xiàn)中暑現(xiàn)象，隨氣溫升高而更趨明顯。長(zhǎng)期在此高溫高濕環(huán)境下作業(yè)，作業(yè)人員的心情易于煩躁不安、注意力不集中、反應(yīng)能力差、事故發(fā)生率增加。另根據(jù)《礦山安全條例》、《煤礦安全規(guī)程》及《礦山井巷工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，渦北煤礦井下降溫勢(shì)在必行。

2 降溫方案的比較

目前國(guó)內(nèi)運(yùn)用的礦井制冷降溫系統(tǒng)主要有以下三種類型：地面集中式制冷降溫系統(tǒng)、井下集中式制冷降溫系統(tǒng)、水源熱泵式制冷降溫系統(tǒng)。由于水源熱泵式制冷降溫系統(tǒng)多用于煤礦井下的局部降溫，因此在選擇降溫方案時(shí)，只對(duì)前兩種降溫系統(tǒng)進(jìn)行比較。

地面集中式制冷降溫系統(tǒng)，將制冷站集中布置在地面，制冷站生產(chǎn)出的冷源（冰片）經(jīng)井筒中的專用輸冷管道輸送到井下的融冰池，將一次高壓冷凍水轉(zhuǎn)換成二次低壓冷凍水，再輸送到采掘工作面，用空冷器冷卻風(fēng)流，提供冷風(fēng)，降低環(huán)境溫度。其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備安裝、維護(hù)容易；制冷機(jī)組無防爆要求；冷凝熱排放方便；用冷方式多樣化；初期投資、維護(hù)費(fèi)用低。其缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜，裝機(jī)總功率大，能耗高；供冷管道長(zhǎng)，系統(tǒng)冷量損耗大，制冷效率低。

井下集中式制冷降溫系統(tǒng)，將制冷站集中布置在井下，制冷原理與地面集中式相似。其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，能耗較低；冷凍水在井下循環(huán)，系統(tǒng)供冷管道短，冷量損耗較小，制冷效率較高。其缺點(diǎn)是井下占用硐室較大，設(shè)備安裝、維護(hù)難度高；制冷設(shè)備要防爆、防腐；井下制冷機(jī)組冷凝器側(cè)要承受高壓，對(duì)設(shè)備性能要求高，制冷機(jī)組對(duì)井下增加噪聲污染和二次熱污染；初期投資、維護(hù)費(fèi)用較高。

通過對(duì)比，根據(jù)渦北煤礦井下環(huán)境濕度大，多塵、高溫、對(duì)設(shè)備腐蝕性大以及考慮相關(guān)安全性等情況，最終確定采用地面集中式制冷降溫系統(tǒng)方案。

3 礦井降溫系統(tǒng)

3.1 礦井熱源分析

3.1.1 圍巖散熱：井下未被擾動(dòng)巖石的溫度(原始巖溫)是隨著與地表的距離加大而上升的，其溫度的變化是由自地心徑向外的熱流造成的。在一個(gè)不大的地區(qū)內(nèi)，大地的熱流是相當(dāng)穩(wěn)定的，一般為60～70mW/m2。原始巖溫的具體數(shù)值決定于溫度梯度與埋藏深度。圍巖向井巷傳熱的途徑有兩個(gè)：一是借熱傳導(dǎo)自巖體深處向井巷傳熱；二是經(jīng)裂隙水借對(duì)流將熱量傳給井巷。Q圍=K τ V τ（Tgu－TB）。

3.1.2 機(jī)電設(shè)備散熱：目前我國(guó)煤礦井下所使用的能源，幾乎全部采用的是電源。機(jī)電設(shè)備所消耗的能量除了部分用以做有用功外，其余全部轉(zhuǎn)換為熱能并散發(fā)到周圍的介質(zhì)中去。Q機(jī)=∮∑N。

3.1.3 氧化熱和炸藥爆破熱：如硫化礦、煤等碎石都會(huì)氧化發(fā)熱，若到達(dá)自燃階段，發(fā)熱更大，是礦內(nèi)氧化發(fā)熱的主要熱源。從采空區(qū)煤氧化而來的發(fā)熱，又加上空?qǐng)雎╋L(fēng)助勢(shì)，一般都占全煤工作面總熱量的30%以上，有時(shí)達(dá)到55%。Q氧= 0. 7VB0.8ULqo。

3.2 制冷量的統(tǒng)計(jì)

目前礦井生產(chǎn)采區(qū)為南一采區(qū)，8101工作面和8103工作面正在回采，北二采區(qū)為開拓采區(qū)。礦井在-640m水平設(shè)置有中央泵房、內(nèi)外水倉(cāng)，泵房正常排水能力600m3/h。礦井采用全負(fù)壓抽出式機(jī)械通風(fēng)，初期供風(fēng)量為122m3/s，負(fù)壓為1640pa；后期生產(chǎn)能力增加，風(fēng)量可調(diào)至170m3/s，負(fù)壓為2500pa。根據(jù)通風(fēng)的技術(shù)參數(shù)和空氣焓濕變化的計(jì)算公式，可以得到夏季高溫降溫系統(tǒng)末端需要約4000kW的冷量，考慮冷損，需要4800kW冷量。

3.3 降溫系統(tǒng)的配置

地面建立集中制冰站制取片冰，通過

圖1 降溫系統(tǒng)工藝

一條輸冰管道進(jìn)入井底融冰池；供冷泵將融冰池中的低溫水通過管道輸送至工作面的空冷器，經(jīng)過熱交換后，再返回融冰池，

部分冷水作為綜采機(jī)和綜掘機(jī)的冷卻用水，并通過噴淋裝置對(duì)工作面進(jìn)行降溫除塵。工藝系統(tǒng)如圖1如示。

地面制冷系統(tǒng)安裝5套雪人公司生產(chǎn)的F1800C的制冰設(shè)備，每套設(shè)備包含：壓縮機(jī)機(jī)組、蒸發(fā)冷、虹吸罐、儲(chǔ)液罐、換熱型氣液分離器、片冰機(jī)蒸發(fā)器。每套制冰量180t/24h，制冷量為1000kW，5套總計(jì)5000kW。每套制冰系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，采用模塊化設(shè)計(jì)。制冰機(jī)生產(chǎn)的－5℃片冰通過螺旋輸冰裝置輸送至主井井口，流入安裝在主井里φ 426的保溫輸冰管，落到井下融冰池。片冰在融冰池里與水混合融化成0～3℃冰水，通過冷水水泵送到工作面進(jìn)行降溫?？偟妮斃渌髁繛椋?45m3/h，設(shè)計(jì)水流速度為2m/s。

采煤工作面配置5臺(tái)300kW的空冷器，為空冷器配5臺(tái)對(duì)旋防爆風(fēng)機(jī)FBD No6. 0/2×22，每臺(tái)風(fēng)機(jī)功率44kW；5套噴淋裝置每套制冷量為25k W。冷水流量為104m3/h，進(jìn)水管路和回水管路為φ 159mm。

掘進(jìn)工作面配置1臺(tái)450kW的空冷器，為空冷器配1臺(tái)對(duì)旋防爆風(fēng)機(jī)FBD No6. 0/2×30，功率60kW；2套噴淋裝置每套制冷量為25kW。冷水流量為35m3/h，進(jìn)水管路和回水管路為φ 89mm。

3.4 降溫系統(tǒng)運(yùn)行情況

礦井降溫系統(tǒng)自2010年3月進(jìn)行安裝，7月中旬所有設(shè)備安裝完畢，7月25日降溫系統(tǒng)投入運(yùn)行。目前整個(gè)礦井降溫系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，礦井降溫系統(tǒng)對(duì)各采掘工作面降溫效果明顯。2010年8月中旬對(duì)井下各采掘工作面的降溫效果進(jìn)行了測(cè)試,降溫系統(tǒng)投入運(yùn)行前各采掘工作面溫度一般都在30～34℃左右，投入運(yùn)行后井下各工作地點(diǎn)溫度一般降低4～6℃,最大能降低8℃，相對(duì)濕度降低20%以上。

4 結(jié)論

渦北煤礦的井下降溫系統(tǒng)是有效的。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)正常，能夠滿足各采掘工作面的降溫要求，起到了良好的降溫效果，極大地改善了職工的勞動(dòng)條件，保障了礦井安全高效生產(chǎn)。

[1]袁東升.礦山熱災(zāi)害防治[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008：98～99

[2]李建偉.綜掘工作面熱害分析與治理[J].煤礦安全，2007（1）：43～45.

[3]張利，陳松，于峰.幾種礦井降溫技術(shù)的比較[J].山東煤炭科技，2009（3）：152～153

[4]張習(xí)軍，王長(zhǎng)元，姬建虎. 礦井熱害治理技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 煤礦安全，2009（3）：33～37

[5]劉錫明，周靜，張國(guó)華.淺談煤礦高溫?zé)岷Ψ乐渭夹g(shù)[J].煤，2009（8）：35～38

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.02.012

陳新（1975年3月－），男，工程師，1997年畢業(yè)于淮南礦業(yè)學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)，現(xiàn)工作于淮北工業(yè)建筑設(shè)計(jì)院。