田水豹，陳忠亮

陜西涌鑫礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西榆林 719407

1 安山礦井自然條件

安山礦井地處陜西省府谷縣城西北38km 處，位于府谷縣廟哈孤礦區(qū)東南部菜溝內(nèi)的山間坡地，礦區(qū)隸屬嚴(yán)寒地區(qū)，冬季采暖室外計(jì)算溫度：-19℃，極端最低溫度平均值：-25.8℃，冬季平均風(fēng)速：3.5m/s，最大凍土深度：146cm，冬季采暖天數(shù)：148 天。

2 礦井防凍

礦井采用平硐開拓，中央并列式負(fù)壓通風(fēng)，主、副平硐承擔(dān)全礦原煤、物料、設(shè)備、矸石和人員的運(yùn)輸任務(wù)，兼顧通風(fēng)、供排水、束管監(jiān)測(cè)、緊急避險(xiǎn)通道功能，安全生產(chǎn)需要礦井各系統(tǒng)全天候保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為防止井筒結(jié)冰，保證設(shè)備、設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)正常，職工生產(chǎn)作業(yè)安全不受嚴(yán)寒影響，工業(yè)場(chǎng)地主、副平硐井口房設(shè)置空氣加熱室，調(diào)適礦井生產(chǎn)環(huán)境氣候條件。

2.1 防凍設(shè)施

空氣加熱室按設(shè)計(jì)總進(jìn)風(fēng)量主、副平硐分別為：52.76m3/s、92.24m3/s 設(shè)置匹配的加熱機(jī)組，熱媒采用110/70℃的高溫?zé)崴?，由工業(yè)場(chǎng)地鍋爐房供給。設(shè)備采用高效空氣加熱機(jī)組，設(shè)計(jì)原則是把部分室外冷空氣加熱到40℃，通過(guò)風(fēng)道與進(jìn)入進(jìn)口的冷空氣混合，使混合空氣溫度達(dá)到2℃以上，再經(jīng)井筒送至井下。主副井空氣加熱機(jī)組耗熱量分別為：1 828kW、3 196kW。

工業(yè)場(chǎng)地井筒防凍計(jì)算表

井筒名稱參數(shù) 主平硐 副平硐總進(jìn)風(fēng)量（m3/s） 52.76 92.24室外計(jì)算溫度（℃） -22.4 -22.4混合后進(jìn)風(fēng)溫度（℃） 2 2空氣加熱溫度（℃） 40 40加熱進(jìn)風(fēng)量（m3/s） 23.48 41.06加熱負(fù)荷（kW） 1654 2892耗熱量（kW） 1828 3196空氣加熱機(jī)組型號(hào)及規(guī)格 KJZ-30 型L=30000m3/h KJZ-50 型L=50000m3/h加熱熱媒 110/70℃高溫?zé)崴?10/70℃高溫?zé)崴諝饧訜釞C(jī)組數(shù)量 3 4空氣加熱機(jī)組風(fēng)機(jī)參數(shù) H=300Pa， N=4.0kW H=503Pa， N=11kW

2.2 空氣加熱設(shè)備配套

機(jī)體采用框板結(jié)構(gòu)，骨架為高強(qiáng)度70mm 鋁合金型材，護(hù)板為50mm 厚聚氨酯發(fā)泡雙面彩鋼板，箱體結(jié)構(gòu)應(yīng)具備良好的保溫性能，熱阻不低于0.85m2.K/W，方便拆卸維修。箱體具備足夠的強(qiáng)度，能在承受±2 000Pa外壓時(shí)安全運(yùn)行，外殼不變形。

加熱器材質(zhì)為無(wú)縫鋼管繞鋁片，機(jī)組選用排管加熱器串聯(lián)數(shù)量與風(fēng)機(jī)的風(fēng)量匹配，把空氣從-22.4℃加熱至40℃～50℃。無(wú)論機(jī)組處于運(yùn)行還是停機(jī)狀態(tài)，機(jī)組內(nèi)的換熱盤管均具備可靠的自動(dòng)防凍措施。

主平硐暖風(fēng)出口溫度控制在40℃，副平硐暖風(fēng)出口溫度控制在30℃，機(jī)組采用變風(fēng)量系統(tǒng)，可根據(jù)室外氣候條件及設(shè)定參數(shù)，通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)口風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)出風(fēng)口溫度基本穩(wěn)定。機(jī)組配置變頻器、采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)；每臺(tái)加熱設(shè)備自配電控箱及溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，任何一臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)都不影響其他機(jī)組的安全運(yùn)行。

空氣加熱室主要設(shè)備數(shù)量及參數(shù)表：

序號(hào) 設(shè)備器材名稱 型號(hào)及規(guī)格 單位數(shù)量 備注一、主平硐空氣加熱室1 空氣加熱機(jī)組 KJZ-30 Q=727kW 臺(tái) 3 Q=30000m3/h，H=300Pa 2 網(wǎng)式過(guò)濾風(fēng)口 1300X1300 個(gè) 3 機(jī)組配套3 送風(fēng)閥 1000X1250 個(gè) 3 機(jī)組配套二、副平硐空氣加熱室1 空氣加熱機(jī)組 KJZ-50 Q=1023.3kW 臺(tái) 4 Q=50000m3/h，H=503Pa 2 網(wǎng)式過(guò)濾風(fēng)口 1650X1650 個(gè) 4 機(jī)組配套3 送風(fēng)閥 1600X1250 個(gè) 4 機(jī)組配套

3 使用效果及致因分析

3.1 防凍設(shè)施使用效果

經(jīng)過(guò)設(shè)備調(diào)試和實(shí)際運(yùn)行一個(gè)采暖季后發(fā)現(xiàn)，由于主井皮帶通過(guò)連廊直接進(jìn)入篩分車間，主平硐行人極少，進(jìn)入冬季車間及連廊通道門窗緊閉，井口相對(duì)封閉，空氣進(jìn)入主井的主要渠道是空氣加熱室和原煤篩分車間，因此進(jìn)風(fēng)量相對(duì)較小，經(jīng)實(shí)測(cè)主井筒內(nèi)總進(jìn)風(fēng)量為1 348m3/min，溫度16℃～21℃較高；與此相伴生的是副井井口位置較低，主副井口高差24m，副井口聯(lián)建連廊通道開口大，車輛通行密度大，要求副平硐門口全天候敞開，空氣流量受區(qū)位氣壓影響在冬季明顯增大，實(shí)測(cè)副井筒內(nèi)總進(jìn)風(fēng)量為3 723m3/min，副井進(jìn)風(fēng)量大而暖風(fēng)參入量不足，進(jìn)口風(fēng)流一般溫度在-1℃～+2℃之間。當(dāng)室外溫度達(dá)到-26℃時(shí)，主井進(jìn)風(fēng)1 203m3/min，副井進(jìn)風(fēng)4 016m3/min，加熱機(jī)組設(shè)置60℃，出風(fēng)口暖風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)控制指標(biāo)30℃，而混合空氣溫度仍達(dá)不到-5℃，致使井口段水溝結(jié)冰，流水結(jié)冰堆積蔓延，由井口水溝擴(kuò)展向聯(lián)合建筑連廊通道，影響行人、行車安全。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，主井空氣加熱室能將空氣加熱至40℃～50℃，由風(fēng)機(jī)壓入鋼筋混凝土風(fēng)道送至井筒，熱空氣溫度高、供應(yīng)量相對(duì)冷空氣比例較大，冷空氣與被加熱后的空氣在井筒入口處混合后溫度高于16℃；副井空氣加熱室考慮到井口人員活動(dòng)需要，只將入井空氣加熱至30℃～40℃進(jìn)入井口連廊，相對(duì)副井口冷空氣進(jìn)入量比例較小，混合空氣溫度低于-5℃，實(shí)際不能滿足設(shè)計(jì)要求。加之本礦井井筒及大巷均較短、埋藏淺，回風(fēng)路徑較短、阻力小、風(fēng)速大，總回風(fēng)流實(shí)測(cè)溫度為12.4℃，極冷天氣甚至不足10℃，井下勞動(dòng)條件仍偏冷，極有必要研究改善礦井防凍設(shè)施。

3.2 經(jīng)對(duì)防凍設(shè)施及功能進(jìn)行系統(tǒng)分析研究，影響效果的主要因素

1）冬季主副井口實(shí)際進(jìn)風(fēng)量與設(shè)計(jì)配風(fēng)計(jì)劃偏差較大，主井空氣加熱室將空氣加熱至40℃～50℃后直接由鋼筋混凝土風(fēng)道壓入井筒，熱空氣溫度高、供應(yīng)量相對(duì)冷空氣比例較大，熱、冷空氣在井筒入口處混合后溫度高于16℃，造成一定能源浪費(fèi)。副井空氣加熱室考慮井口人員活動(dòng)需要只將入井空氣加熱至30℃進(jìn)入井口連廊，暖風(fēng)供應(yīng)量相對(duì)副井口冷空氣進(jìn)入量比例較小，混合空氣溫度-6℃～-4℃，尚不能達(dá)到礦井通風(fēng)規(guī)范要求；

2）換熱器設(shè)定指標(biāo)、熱媒溫度、供熱量相對(duì)穩(wěn)定的情況下，設(shè)備以室外溫度自主調(diào)整進(jìn)風(fēng)量，保障經(jīng)過(guò)加熱機(jī)組后的出口空氣溫度，即機(jī)械兩端溫差增大，加熱空氣數(shù)量相應(yīng)減少；如果保持流量不變，則加熱后的空氣溫度會(huì)隨著初始溫度的降低而降低；兩者均無(wú)助于副井口混合空氣溫度提高，所以說(shuō)暖風(fēng)機(jī)組自動(dòng)調(diào)節(jié)能力有限；

3）副井口門洞面積大，在反坡斜井引發(fā)自然氣壓差和人工礦井負(fù)壓的作用下，冷空氣向井下運(yùn)移的機(jī)制順暢，而熱空氣從加熱室出來(lái)受到冷空氣攜帶和礦井負(fù)壓吸引的同時(shí)，會(huì)因流體熱動(dòng)力作用向上流動(dòng)，在高于井筒拱頂部的聯(lián)建通道上部聚集，進(jìn)而通過(guò)井口檢身房?jī)蓚?cè)的門洞向聯(lián)建走廊更高層擴(kuò)散移動(dòng)，削弱礦井供熱效能；另一方面，當(dāng)熱空氣在井口遇到冷空氣，而混合空氣溫度不夠高時(shí)，其空氣中的水分就可能凝結(jié)為露珠，不斷加厚井口路面結(jié)冰；

4）副井空氣加熱室通過(guò)聯(lián)合建筑一層外壁窗口進(jìn)風(fēng)，而加熱后的空氣只能經(jīng)加熱機(jī)組進(jìn)入井口，別無(wú)連接通道，這兩道關(guān)口在一定程度上限制了預(yù)熱空氣進(jìn)入井口的流量，即副井口暖風(fēng)摻量等于熱風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量，未能有效發(fā)揮井口房的預(yù)熱作用，影響了副井空氣加熱效果。

4 優(yōu)化改進(jìn)方案

為防止北方嚴(yán)寒地區(qū)礦井進(jìn)風(fēng)井筒結(jié)冰影響生產(chǎn)甚至造成事故，礦井應(yīng)設(shè)空氣加熱設(shè)備，保障進(jìn)入井筒的混合空氣溫度不低于 2℃。保障混合空氣溫度的前提是準(zhǔn)確核定空氣加熱前后的溫度差、礦井總風(fēng)量及在主副井口的分配情況，需要具體測(cè)定各井口標(biāo)高、有效進(jìn)風(fēng)口面積、溫度、氣壓等現(xiàn)實(shí)情況，再有針對(duì)性的制定優(yōu)化方案措施，尋求設(shè)備、設(shè)施、功能最佳匹配。

4.1 調(diào)節(jié)井口進(jìn)風(fēng)量

為阻止過(guò)多的冷風(fēng)進(jìn)入井筒造成凍井，在聯(lián)合建筑下部副平硐入口處加設(shè)石棉保溫板輕鋼結(jié)構(gòu)防火風(fēng)門，保障單車安全通行，通過(guò)減小進(jìn)風(fēng)口面積有效控制冷空氣進(jìn)入量，調(diào)整進(jìn)入副井筒的總風(fēng)量和冷、暖風(fēng)流比例，從而提高混合空氣溫度，為井口連廊內(nèi)創(chuàng)造一個(gè)良好的工作條件。

4.2 優(yōu)化設(shè)備配置

根據(jù)實(shí)際測(cè)定的冬季主、副井口進(jìn)風(fēng)量，主井空氣加熱室供應(yīng)熱空氣溫度高、風(fēng)量大，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行試驗(yàn)，能夠滿足井筒供暖要求，有條件調(diào)整一臺(tái)暖風(fēng)機(jī)補(bǔ)充副井供暖。副井空氣加熱室設(shè)計(jì)時(shí)考慮有一臺(tái)暖風(fēng)機(jī)備用位置，通過(guò)調(diào)整設(shè)備配置增加熱風(fēng)供應(yīng)量，調(diào)適進(jìn)入井筒的冷熱空氣比例，從而有效改善了混合空氣溫度狀況。

4.3 合理疏導(dǎo)風(fēng)流

為防止熱空氣上浮，在副井口空氣加熱室每組空氣加熱器出風(fēng)口增設(shè)剛性引風(fēng)道，引導(dǎo)風(fēng)流下行以降低暖風(fēng)出口高度，利用空氣熱動(dòng)力作用配合礦井通風(fēng)系統(tǒng)的負(fù)壓吸引，增強(qiáng)熱、冷空氣在井口連廊內(nèi)縱橫交叉運(yùn)動(dòng)，使不同來(lái)源的熱、冷空氣充分融合，再由礦井負(fù)壓牽引進(jìn)入井筒。

4.4 改善空氣加熱室采暖

在空氣加熱室內(nèi)布置的空氣加熱器的換熱器依靠其外壁纏繞的散熱翅片與流經(jīng)其周圍的冷空氣進(jìn)行熱交換，加熱經(jīng)空氣加熱室進(jìn)入暖風(fēng)機(jī)組的空氣；現(xiàn)于空氣加熱室進(jìn)風(fēng)窗口加設(shè)多組暖氣片，可以提前加熱經(jīng)窗口流入室內(nèi)的空氣，起到預(yù)熱室外進(jìn)入室內(nèi)空氣的作用；從而提高進(jìn)入暖風(fēng)機(jī)組空氣的初始溫度，保障和強(qiáng)化最終加熱后機(jī)組出風(fēng)口空氣溫度效果，整體提高進(jìn)入副井口的風(fēng)流溫度，以期實(shí)現(xiàn)井下風(fēng)流溫度保持在16℃左右，努力創(chuàng)造適宜生產(chǎn)作業(yè)的工作環(huán)境。

4.5 經(jīng)過(guò)上述措施的實(shí)施已經(jīng)完全保障了安山礦井井下供暖

但在礦井防凍設(shè)施改造的過(guò)程中，隨著探索與認(rèn)識(shí)的加深，我們還得到了應(yīng)對(duì)極端惡劣天氣的備用措施，即在副井井口房大門兩側(cè)設(shè)有4 臺(tái)熱空氣幕增加熱風(fēng)供應(yīng)量，遇嚴(yán)寒天氣可隨時(shí)開啟，以阻滯室外冷空氣直接進(jìn)入井口，從而增強(qiáng)應(yīng)對(duì)災(zāi)害氣象條件的機(jī)動(dòng)靈活性，提高防凍保障能力，維護(hù)礦井安全生產(chǎn)。

5 結(jié)論

安山礦井防凍設(shè)施、設(shè)備選型配置基本合理，但因?yàn)榫谏a(chǎn)系統(tǒng)設(shè)施影響了各井口進(jìn)風(fēng)量分配，導(dǎo)致主副井口冬季進(jìn)風(fēng)量與原設(shè)計(jì)值發(fā)生偏差，表現(xiàn)為供暖設(shè)備與井口進(jìn)風(fēng)量不能合理匹配，引發(fā)副井口結(jié)冰現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)采取調(diào)配設(shè)備、控制風(fēng)流、輔助預(yù)熱等措施，達(dá)到優(yōu)化礦井防凍設(shè)施、有效改善生產(chǎn)作業(yè)條件的目標(biāo)，發(fā)揮了科技服務(wù)安全生產(chǎn)的技術(shù)保障作用，為西北嚴(yán)寒地區(qū)井口防凍保障安全生產(chǎn)積累了一定的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

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[3]胡漢華.礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2010，5.

[4]劉新宏.煤礦熱風(fēng)爐選型和安裝調(diào)試[J].煤炭技術(shù)，2008(2).