張習(xí)軍

1瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)用技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400037

2中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 重慶 400037

我 國已探明的煤炭資源儲(chǔ)量中約有一半埋深超過千米，且我國煤礦每年平均往深部延伸 8～12 m，開采深度超過 800 m 的煤礦有 200 余處，其中超過 1 000 m 的有 47 處，最深的已達(dá)到 1 500 m[1]。生產(chǎn)設(shè)備散熱和深部開采，加重了井下的高溫?zé)岷?。開采深度超過 800 m 時(shí)，采掘工作面干球溫度將達(dá)到或超過 30 ℃[2]，采取機(jī)械制冷降溫措施是解決高溫?zé)岷ψ顬橛行У氖侄巍?/p>

霄云煤礦開采深度已超過 800 m，為解決采掘工作面的高溫?zé)岷栴}，設(shè)計(jì)了 1 套井下集中制冷降溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)核心設(shè)備為 ZLS-3300 制冷裝置。筆者以 ZLS-3300 制冷裝置在霄云煤礦井下集中制冷降溫系統(tǒng)中的應(yīng)用為例，分析其應(yīng)用效果。

1 礦井概況

霄云煤礦于 2008 年底開工建設(shè)，2013 年 7 月正式投產(chǎn)，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力為 90 萬 t。礦井所在地區(qū)平均地溫梯度為屬地溫正常區(qū)。礦井井口標(biāo)高 +40 m，井底標(biāo)高 -790 m，主采水平采掘工作面標(biāo)高位于 -650～-790 m，原始巖溫超過 37 ℃，為二級熱害區(qū)。夏季生產(chǎn)期間采掘工作面干球溫度均超過30 ℃，最高達(dá)到 33 ℃，相對濕度最高達(dá)到 95%，屬于三級熱害礦井，必須采取有效的降溫措施，否則應(yīng)停止作業(yè)[3]。

2 ZLS-3300 制冷裝置

ZLS-3300 制冷裝置是模塊化結(jié)構(gòu)，核心部件由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器組成。單臺(tái)制冷功率為 3 300 kW，富裕度不小于 10%，冷凝器水側(cè)能夠承受 16 MPa 的高壓，蒸發(fā)器水側(cè)能承受 6.4 MPa 的高壓，模塊化的結(jié)構(gòu)和緊湊的布局便于運(yùn)輸與安裝。ZLS-3300 制冷裝置壓縮機(jī)采用礦用隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)和礦用隔爆型安全電控設(shè)備以滿足煤礦井下使用要求。ZLS-3300 制冷裝置基本參數(shù)如表 1 所列。

表1 ZLS-3300 制冷裝置技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of ZLS-3300 refrigeration device

3 降溫系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)及設(shè)備選型

3.1 需冷量計(jì)算

霄云煤礦生產(chǎn)為 -790 m 水平的一采區(qū)，二采區(qū)是接續(xù)采區(qū)，布置掘進(jìn)工作面。正常生產(chǎn)條件下，布置 2 個(gè)采煤工作面和 6 個(gè)掘進(jìn)工作面，具體情況如表2 所列。

表2 采掘工作面基本情況Tab.2 Basic situation of working face

取干球溫度和相對濕度的最高值作為降溫?zé)崃?shù)值，降溫后的干球溫度和相對濕度的目標(biāo)值分別取28 ℃、80%，以此計(jì)算采掘工作面降溫需冷量[5]，冷量損失按總需冷量 20% 考慮，降溫系統(tǒng)需冷量如表 3所列。

表3 降溫系統(tǒng)需冷量Tab.3 Cooling capacity of cooling system kW

3.2 主要設(shè)備選型

根據(jù)表 3 計(jì)算結(jié)果，對制冷裝置和空冷器進(jìn)行選型，如表 4 所列。選擇 2 套 ZLS-3300 制冷裝置，總制冷量為 6 600 kW，較表 3 計(jì)算的總需冷量 6 270 kW有 5% 的富余量，選型滿足要求。

3.3 降溫系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

霄云煤礦井下集中制冷降溫系統(tǒng)工藝由冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)和補(bǔ)水系統(tǒng)構(gòu)成。降溫系統(tǒng)工藝如圖 1 所示。

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)由冷卻水循環(huán)泵、冷凝器、冷卻塔、冷卻水池等構(gòu)成。地面冷卻水循環(huán)泵將水池中的水通過冷卻水供水管路送往井下制冷裝置冷凝器，進(jìn)水溫度約為 32 ℃，在冷凝器中吸熱后，出水溫度約為 40 ℃，經(jīng)冷卻水回水管路進(jìn)入地面冷卻塔，降溫后回到冷卻水池。

表4 制冷裝置和空冷器選型Tab.4 Model selection of refrigeration device and air cooler

圖1 井下集中制冷降溫系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Process f low of centralized cooling system in underground mine

冷凍水循環(huán)系統(tǒng)由蒸發(fā)器、空冷器、冷凍水循環(huán)泵等構(gòu)成。從制冷裝置蒸發(fā)器出來的約 3 ℃ 的冷凍水經(jīng)冷凍水供水管路送往采掘工作面空冷器，與風(fēng)流進(jìn)行對流換熱后，冷凍水溫度升高至 15 ℃ 左右，再經(jīng)冷凍水回水管路返回制冷裝置蒸發(fā)器，蒸發(fā)器進(jìn)水溫度升高至 18 ℃ 左右。

補(bǔ)水系統(tǒng)分為地面補(bǔ)水系統(tǒng)和井下補(bǔ)水系統(tǒng)。地面補(bǔ)水系統(tǒng)補(bǔ)水源來自工業(yè)用水，通過軟化水裝置軟化處理后，進(jìn)入冷卻水池，補(bǔ)水量為井下補(bǔ)水系統(tǒng)采用定壓自動(dòng)補(bǔ)水原理，在冷卻水回水管路和冷凍水供水管路之間安裝減壓閥組、補(bǔ)水箱和補(bǔ)水泵。由冷卻水回水管路取補(bǔ)水點(diǎn)，高壓冷卻水經(jīng)減壓閥組減壓后壓力降至 0.6 MPa，低壓水進(jìn)入補(bǔ)水箱，再通過補(bǔ)水泵補(bǔ)入冷凍水供水管路中，根據(jù)冷凍水供水管路壓力變化，實(shí)現(xiàn)定壓自動(dòng)補(bǔ)水。

4 降溫效果分析

1308 采煤工作面在軌道順槽安裝 4 臺(tái)空冷器，相鄰 2 臺(tái)空冷器間距 200 m，離工作面最近的空冷器距進(jìn)風(fēng)口 200 m，如圖 2 所示。

圖2 1308 采煤工作面測點(diǎn)布置Fig.2 Arrangement of testing points on coal-mining face 1308

圖3 1308 采煤工作面降溫效果Fig.3 Cooling effects of coal-mining face1308

圖4 1308 采煤工作面降濕效果Fig.4 Dehumidif ication effects of coal-mining face1308

1308 采煤工作面降溫前后降溫效果如圖 3 所示，降濕效果如圖 4 所示。空冷器入風(fēng)口風(fēng)流干球溫度為 30.5 ℃，經(jīng)過 4 臺(tái)空冷器階梯式冷卻，干球溫度降低至 16.8 ℃，降溫幅度為 13.7 ℃。風(fēng)流經(jīng)風(fēng)筒送至 1308 采煤工作面，風(fēng)筒出風(fēng)口干球相對濕度為70%，溫度升高至 17.4 ℃；風(fēng)流從風(fēng)筒向外射出，至1308 采煤工作面入風(fēng)口干球相對濕度為 74%，溫度升高至 22.5 ℃，回風(fēng)口干球相對濕度為 78%，溫度升高至 27.3 ℃；風(fēng)流達(dá)到工作面回風(fēng)口 100 m 時(shí)，干球相對濕度為 88%，溫度達(dá)到 29.5 ℃，工作面段基本上處于人體舒適的環(huán)境中。

5 結(jié)語

ZLS-3300 礦用隔爆型制冷裝置適用于大采深礦井的井下集中降溫。使用該設(shè)備進(jìn)行高溫?zé)岷Ψ乐?，具有制冷量大、承壓高、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。霄云煤礦井下集中制冷降溫系統(tǒng)以 1308 工作面為例設(shè)計(jì)和配置降溫設(shè)備。方案實(shí)施后，整個(gè)工作面工作區(qū)處于人體舒適的環(huán)境中，降溫效果明顯，超溫問題得到有效解決，實(shí)現(xiàn)了回風(fēng)口干球溫度不超過 28 ℃，相對濕度不超過 80% 的目標(biāo)。