尹萬才

(山東能源集團有限公司,山東省濟南市,250014)

基建礦井熱害分析及風溫需冷量預測

尹萬才

(山東能源集團有限公司,山東省濟南市,250014)

根據(jù)礦井熱害發(fā)展特點,結(jié)合現(xiàn)場實際,將基本建設(shè)礦井存在的熱害劃分為井筒掘進到通風系統(tǒng)形成階段、大巷掘進至生產(chǎn)系統(tǒng)形成階段、正常生產(chǎn)階段3個階段。對礦井熱害熱源進行了簡要分析。根據(jù)經(jīng)驗公式,對不同施工階段風溫進行預測,在此基礎(chǔ)上對陳蠻莊礦井不同階段降溫需冷量進行計算。測算結(jié)果經(jīng)陳蠻莊礦井現(xiàn)場驗證與實際基本相符合。通過分階段預測風溫并據(jù)此測算各階段需冷量,對于基建礦井的熱害治理具有一定的借鑒意義。

基建礦井 井筒掘進 大巷掘進 熱害 風溫 需冷量 預測

隨著淺部煤炭資源的日益枯竭,開采水平的不斷延伸,我國東部許多基建礦井第一水平埋深已達到800～950 m,受地熱影響,礦井熱害問題比較突出。井下溫度高,施工環(huán)境差,不僅降低勞動效率,還將直接影響作業(yè)人員的身體健康,威脅礦井安全,高溫熱害已成為威脅深井安全生產(chǎn)的自然災害之一。目前,我國礦井熱害問題研究治理大多針對深部開采的生產(chǎn)礦井,對基建礦井熱害相關(guān)問題的分析研究較少。本文對基建礦井熱害有關(guān)問題進行了初步分析探討,并結(jié)合實例對基建礦井不同階段的風溫、需冷量進行預測,對類似條件礦井的熱害治理具有借鑒意義。

1 基建礦井熱害發(fā)展階段劃分

根據(jù)不同施工階段熱害特點將基建礦井熱害發(fā)展分為3個階段。

1.1 井筒、井底車場掘進至通風系統(tǒng)形成階段

礦井建設(shè)過程中,因井筒初期在淺部掘進,基本不存在熱害問題。隨著井筒深度的增加,地熱影響越來越明顯,當掘進深度大于800 m時,井筒掘進便遇到地溫明顯升高的問題,如趙樓煤礦井筒掘進至820 m時掘進頭平均風溫29.4℃,陳蠻莊煤礦井筒掘進至800 m時平均風溫在28.8℃,對安全生產(chǎn)造成了影響。

井筒掘進到底后施工井底車場,因通風系統(tǒng)未形成,供風量相對較少,風流對圍巖的降溫作用小,巖壁溫度基本處于原始巖溫狀態(tài),熱害問題明顯。通風系統(tǒng)形成之后,風量加大,圍巖與風流熱交換作用加強,圍巖表面溫度降低,熱害狀況會得到一定程度的緩解。

1.2 大巷掘進至生產(chǎn)系統(tǒng)形成階段

隨著生產(chǎn)水平大巷和采區(qū)巷道的不斷延伸,巷道圍巖大面積揭露,圍巖散熱面積范圍增加,對礦井風流加熱作用明顯;同時掘進、運輸機械設(shè)備大規(guī)模使用過程中散熱明顯,也使巷道溫度升高;最后礦井涌水帶來部分熱量也增加了礦井溫度,礦井涌水一般體現(xiàn)原始巖溫,而且水與空氣的熱交換系數(shù)遠大于巖石與空氣的熱交換系數(shù),進一步加劇了巷道熱害。這一階段,熱害問題經(jīng)常出現(xiàn)在長距離掘進工作面回風流中。

1.3 生產(chǎn)階段

生產(chǎn)階段,礦井各大生產(chǎn)系統(tǒng)已形成,采煤工作面正式投產(chǎn)。因回采工作面采空區(qū)大面積圍巖暴露,散熱面積擴大,而且工作面布置了大功率的采煤機電運輸設(shè)備,造成回采工作面熱害比較集中;另外,因通風運輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進一步延長,也加劇了熱害形成。此階段,熱害在回采工作面與通風網(wǎng)絡(luò)較長的掘進巷道中比較明顯。礦井生產(chǎn)后期,隨著采區(qū)布置向礦井深部延伸,通風運輸網(wǎng)絡(luò)越來越長,礦井熱害問題日益嚴峻?；ǖV井熱害發(fā)展曲線如圖1所示。

圖1 基建礦井需冷量變化規(guī)律示意圖

2 礦井熱害熱源分析

2.1 圍巖散熱

恒溫帶以下地層隨埋藏深度的增加其溫度也相應增加,形成一定的地溫梯度。地層巖層溫度與地層埋深、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造(褶皺、斷裂)發(fā)育程度、巖漿活動、巖層的導熱能力等因素有關(guān)。不同地質(zhì)區(qū)域地溫梯度和地層溫度是不一樣的。

埋深較大的礦井井巷工程揭露巖層后,周圍巖體與空氣風流介質(zhì)進行熱交換并向工作面散熱,風流與圍巖的熱交換過程是一個很不穩(wěn)定的熱、濕交換過程,因風流與圍巖的熱交換導致工作面氣溫升高,因此井巷工程圍巖巖體散熱是礦井熱害的主要熱源。

2.2 地表大氣溫度

地表大氣溫度與濕度的季節(jié)性變化對礦井井下氣候有一定影響。地面空氣溫度變化直接影響礦井內(nèi)空氣溫度,尤其對淺井影響更為顯著;地面空氣溫度的季節(jié)變化和晝夜變化也會導致礦井通風路線氣溫相應地發(fā)生變化,這種變化隨風流在井下運移距離的增加而減弱。

2.3 機電設(shè)備散熱

井巷工程的挖掘設(shè)備,各類巷道的帶式輸送機、絞車等運輸設(shè)備,泵房變電所的水泵、供配電設(shè)備,采煤工作面的采煤機、刮板輸送機等設(shè)備除了維持正常生產(chǎn)所做的大部分有用功之外,還有部分電能轉(zhuǎn)換為熱能;另外設(shè)備磨損也造成部分熱能。這些熱能散發(fā)到井巷風流中造成礦井溫度升高。其中回采機械設(shè)備放熱是采煤工作面氣溫變熱的重要因素,可使風流溫度上升2～5℃。

2.4 風流的自壓縮(或膨脹)熱

礦井深度變化會使空氣受到的壓力狀態(tài)發(fā)生變化,當風流沿井巷向下(或向上)流動時,空氣的壓力值增大(或減小),空氣的壓縮(或膨脹)會出現(xiàn)放熱(或吸熱),從而使礦井溫度升高(或降低)。

3 礦井風溫及降溫需冷量預測實例分析

由于受地層構(gòu)造條件、礦井熱源條件、礦井埋深、井巷通風運輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等眾多因素的影響,基建礦井風溫預測十分復雜。目前風溫預測的方法包括理論研究、數(shù)值模擬、現(xiàn)場測試統(tǒng)計等。因礦井熱害環(huán)境條件的復雜性,風溫預測往往存在一定誤差。本文結(jié)合以上分析,根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗公式,以陳蠻莊煤礦為例,對該礦建井各階段風溫及降溫需冷量進行預測。

3.1 煤礦概況

陳蠻莊礦位于魯西南單縣煤田,為立井開拓,井底水平標高為－895 m,設(shè)計開采煤層深度為－600～－1200 m,原始巖溫為36～42℃,地溫梯度平均2.59℃/100 m(地熱增溫率1℃/38.6 m)。大巷掘進時期主要有西翼回風大巷、西翼帶式輸送機大巷、西翼軌道大巷、東翼集中軌道上山、東翼集中帶式輸送機上山5條大巷。礦井生產(chǎn)前期布置了4個掘進工作面、一個綜采工作面。目前礦井開采3＃煤層,煤層底板標高在－750 m以下,采掘工作面溫度超過37℃,屬于37℃以上的二級高溫區(qū)。

3.2 井筒風溫預測

在井筒通風量較大的情況下,井筒圍巖對風流的熱狀態(tài)影響較小,決定井筒風流熱狀態(tài)的主要因素是地表大氣條件和風流在井筒內(nèi)的加濕壓縮過程。根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗公式參數(shù)對陳蠻莊礦主井井筒風溫進行預測。該井筒深度900 m,地面入風溫度25℃,地面相對濕度80%,井底相對濕度85%,地面大氣壓力101.325 k Pa,井底大氣壓力108 k Pa。預測結(jié)果如表1所示。

表1 風流溫度預測

3.3 掘進工作面風溫預測

風流通過巷道的熱交換過程是相當復雜的,以壓入式通風條件下的掘進工作面為例,風流在掘進工作面的熱交換主要是通過風筒進行的,其熱交換過程一般可視為等濕加熱過程。風流從風筒口射出后,又與掘進頭附近區(qū)的圍巖發(fā)生熱交換,如圖2所示。

圖2 掘進工作面風溫預測示意圖

根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗公式對該礦掘進工作面風溫進行預測。風溫預測地點為陳蠻莊東翼集中帶式輸送機上山掘進工作面,東翼集中帶式輸送機上山全長564 m,起始點風溫27.3℃,濕度0.85,大氣壓力108.5 k Pa,局部通風機最大吸風量320 m3/min,掘進頭有效風量260 m3/min,風筒直徑800 mm,通風機功率2×18.5 k W,圍巖散熱系數(shù)取0.002 k W/(m2·k－1),局部散熱量之和取20 k W。預測結(jié)果如表2所示。

表2 掘進工作面風溫預測值與實際值比較

3.4 采煤工作面風溫預測

風流通過采煤工作面為增溫加濕過程,工作面環(huán)境與風流間的熱、濕交換是同時進行的。根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗公式對回采工作面風溫進行預測。預測地點為陳蠻莊煤礦3101工作面,該工作面設(shè)計運輸巷長673 m,工作面長120 m,工作面產(chǎn)量3500 t/d,該面內(nèi)裝機容量1205 k W,大氣壓力107.3 kPa,圍巖原始巖溫42℃,圍巖不穩(wěn)定換熱系數(shù)取3.025 W/(m2·k－1),機電設(shè)備系數(shù)取0.8,氧化放熱系數(shù)為5.187 W/m2,氧化面積520 m2,預測風流溫度如表3所示。

表3 采煤面風流溫度預測值

3.5 礦井降溫需冷量計算

根據(jù)風溫預測數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)計算采掘工作面的需冷量,如表4所示。

表4 礦井作業(yè)地點需冷量

3.5.1 井筒、井底車場掘進至通風系統(tǒng)形成階段

礦井熱害治理區(qū)域主要集中在深部井筒掘進面與井底車場。井筒、井底車場共3個掘進工作面,冷負荷取1.2的附加系數(shù),則礦井降溫總需冷量為:125.6572 k W×3×1.2＝452.4k W。

3.5.2 大巷掘進至生產(chǎn)系統(tǒng)形成階段

大巷掘進時期主要有西翼回風大巷、西翼帶式輸送機大巷、西翼軌道大巷、東翼集中軌道上山、東翼集中帶式輸送機上山5條大巷,西翼大巷掘進面3個需冷量取1.3附加系數(shù),東翼巷道掘進工作面2個取1.2附加系數(shù),則礦井降溫總需冷量為187.776 k W×3×1.3＋187.776 k W×2×1.2＝1183 k W。

3.5.3 生產(chǎn)階段

礦井生產(chǎn)前期布置4個掘進工作面、1個綜采工作面,每個掘進工作面及綜采工作面制冷量取1.2的附加系數(shù),礦井降溫需冷量為:187.776 k W×4×1.2＋809.5474 k W×1.2＝1872.78 k W。

礦井生產(chǎn)后期布置8個掘進工作面、2兩個綜采工作面,每個掘進工作面及綜采工作面制冷量取1.3的附加系數(shù),礦井的總降溫需冷量為: 187.776 k W×8×1.3＋809.5474 k W×2×1.3＝4057.69 k W。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)礦井熱害發(fā)展特點,結(jié)合現(xiàn)場實際,將基本建設(shè)礦井存在的熱害劃分為井筒掘進到通風系統(tǒng)形成階段、大巷掘進至生產(chǎn)系統(tǒng)形成階段、正常生產(chǎn)階段3個階段;對礦井熱害熱源進行了簡要分析。該分析意見對基本建設(shè)礦井的熱害分階段治理提供了參考依據(jù)。

(2)結(jié)合基建礦井實例,根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗公式,對不同施工階段風溫進行預測,在此基礎(chǔ)上對陳蠻莊礦井不同階段降溫需冷量進行計算。測算結(jié)果經(jīng)陳蠻莊礦井現(xiàn)場驗證與實際基本相符合。通過分階段預測風溫并據(jù)此測算各階段需冷量,對于基建礦井的熱害治理具有一定的借鑒意義。

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(責任編輯 張艷華)

Analysis of heat harm and prediction of cold requirement of air cooling in the capital construction coal mine

Yin Wangcai
(Shandong Energy Group Co.,Ltd.,Jinan,Shandong 250014,China)

According to development characteristics of coal mine heat harm,combined with the actual field,the heat harm which existed in the capital construction coal mine can be divided into the stage of shaft sinking into the ventilation system forming,the stage of main gate driving into production system forming and the stage of normal production.A brief analysis of the heat source of heat harm was made,and then the air temperature of different construction stages was predicted according to the concerning empirical formulae.cold requirement of air cooling of different stages in the Chenmangzhuang coal mine was calculated on the basis of air temperature prediction,and the prediction results by coal mine onsite verifying were basically in keeping with the actual,It was significant for heat harm treatment of the capital construction coal mine by predicting the air temperature and calculating the cold requirement of different stages.

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TD727

A

尹萬才(1966－),山東昌樂人,研究生學歷,1988年畢業(yè)于山東礦院地質(zhì)專業(yè),現(xiàn)在山東能源集團工作。